水平定向钻进对接技术机理及应用

第２期　４２　２０１３年４月　非开挖技术　Ｃｈｉｎａ　Ｔｒｅｎｃｈｉｅｓｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．，２０１３　水平定向钻进对接技术机理及应用　李炯　陶志钧　乌效鸣－蔡晓春ｚ　（１．中国地质大学，武汉，４３００７４；２．上海煤气第二管线工程有限公司，２００１２２）　摘要：在水平定向钻进施工中，传统的导向孔施工技术采用轨迹可控的单向钻进方式，这种方式仅限　于短距离穿越，在长距离穿越中有许多弊病。因此，为适应长距离穿越，产生了对接技术。本文主要对对接技　术的机理及施工过程进行介绍。　关键词：水平定向钻进、对接、穿越　１概述　水平定向钻进铺管技术是近十几年发展起来　出土点完全吻合。而对接技术由于是从人土点和出　土点同时向中间钻进，就不存在出土点的位置误差　的一项非开挖铺管技术，以其经济、高效、对环境影　响小等优点，已经逐渐替代了传统的开挖沟槽铺设　方法。传统的导向孔施工技术在穿越距离超过　２０００ｍ时，由于受地质条件和钻杆强度的制约，穿　越时地层对钻头和钻杆的阻力和扭矩增大，钻杆会　问题。在穿越曲线两端采用套管隔离卵砾石层的工　程中，对接技术的优势尤为明显。　２施工情况　水平定向对接穿越由美国的Ｐｒｉｍｅ　Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　Ｌｔｄ．公司与Ｖｅｃｔｏｒ　Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ公司于１９９９年联合开　发成功，并于２００１年首次将该技术应用到穿越工　程中。　发生变形、失稳等现象，使得钻头方向难以控制，出　土点准确度降低。因此产生了适应长距离穿越的对　接技术。对接技术具有以下优势［１】：　（１）解决了长距离水平定向钻定向控制困难问　题。在定向钻穿越过程中，随着钻进长度的增加，钻　在国外，水平定向对接穿越的最长距离为美国　波斯顿海湾１ｌｋｍ穿越，该次穿越共分４段进行，其　中最长的一段穿越距离超过４ｋｍ；ＮＡＣＡＰ公司采用　柱受到地层摩擦阻力显著增加，钻柱扭转变形加　大，这就导致钻机扭矩不能及时传递到钻头上，钻　头在井底处于不连续的转动状态。这种情况下，司　该技术在法国的Ｒｈｏｎｅ（隆河）河谷成功穿越河谷两　侧厚重的砾石层，铺设一条总长超过１０３６ｍ、管线　直径６０９．６ｍｍ的钢质天然气管道；在德国北部莱茵　河，使用该技术完成的水平定向钻岩石穿越距离达　２５００ｍ，其中岩石的最大抗压强度达到１６０ＭＰａ；　２００５年８月，德国ＬＭＲ钻进公司采用该技术在易　钻很难控制井下工具面角的朝向，使得地表显示的　工具面角与井下实际工具面角存在一定的偏差，从　而导致钻进方向失控。而对接技术则是从设计穿越　曲线的人土点和出土点同时向中间钻进，从而有效　缩短了单向导向孑Ｌ的钻进长度，避免超长距离的定　向控制，钻孔方位角和倾角更容易控制，保证了钻　孔曲线的平滑。　北河成功铺设一条长２６２６ｍ、管线直径３５０ｍｍ的输　油ＰＥ管线。　在国内，２００５年，华元公司采用该技术在舟山　外钓岛至册子岛海底管道定向钻穿越工程中成功　铺设了长２３５０ｍ、管线直径６１０ｍｍ的海底管道；　２００７年３月和２００８年１月，中石道局穿越公　（２）人土点和出土点完全符合设计要求。在中　短距离的定向钻穿越施工中，一般都采用单向定向　控制技术进行导向孔施工，实际出土点很难和设计　司采用该技术分别在钱塘江和珠江成功铺设长　第２期　李炯陶志钧乌效鸣蔡晓春：水平定向钻进对接技术机理及应用　４３　２４５４ｍ、管线直径８１３ｍｍ和长２６３０ｍ、管线直径　６６０ｍｍ的天然气管道。此外还有钱塘江、磨刀门水　道、福建ＬＮＧ东西溪、饮马河、中俄原道黑龙江　穿越工程等长距离或特殊地质的导向孔对接穿越，　其中钱塘江、磨刀门水道穿越先后打破定向钻穿越　的世界纪录（见表１）。　表１国内穿越工程案例　序号　工程名称　１　２　３　４　５　钱塘江　磨刀门水道　完工日期　２００６年１１月　２００８年０１月　工程地质　黏土　淤泥质粉质黏土、淤泥　强风化花岗岩、圆砾等　卵石、泥岩　卵石、破碎砂岩、夹泥岩　穿越长度／ｍ　２４５４．１５　２６３０　１６９２　１３８０．５　ｌ１ＯＯ　中俄原道工程　备注　创造管径（Ｄ８１３ｍｍ）×长度世界纪录　创造长度世界纪录　福建ＬＮＧ东西溪　２００８年Ｏ８月　饮马河　黑龙江　２００９年１１月　２０１０年Ｏ６月　３对接原理　在一般的大型河流水平定向钻穿越中，采用的　接区为提高线圈磁场强度，可采用两根电缆并联　法。水深或者水流湍急的河流中心区域不能铺设人　工磁场，此时可沿穿越中心线间隔一定距离地安放　是有线控向方式，利用磁感应探头接受大地磁场后　产生电信号经处理后输人控向室的微机中，再由操　作人员根据微机中的反映的数据进行钻头的方向　控制。而在穿越过程中进行对接时，在进行导向孔　交流基准磁铁，该基准磁铁可发出交流磁信号，引　导钻头在通过河流深水区段时的方向控制。对接穿　越需要在穿越曲线入、出土点两端各架设一台钻　机，两台钻机分别进行导向孔加工，当两台钻机的　钻头钻至预定对接点，并且两钻头距离在合理范围　之内时，由人土点钻机的探头感应出土点钻机钻头　施工时，使用人工铺设电缆（如图１）而产生的磁场，　取代传统控向技术中的地球磁场来控制导向孔钻　进，因此抗周边磁场干扰的能力明显增强。在地表　沿穿越曲线中心线两旁铺设人工电缆，给电缆通交　流电即可产生供控向用的闭合交流线圈磁场，在对　短节内安装的轴向磁铁发出的磁信号，两台钻机协　调操作，人土点钻机钻进，出土点钻机回抽钻杆，直　至两台钻机的导向孔完全吻合。　点　图１交流磁场布置示意图阁　图２水平定向对接穿越示意图　非开挖技术　Ｃｈｉｎａ　Ｔｒｅｎｃｈｉｅｓｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２０１３年４月　水平定向对接穿越是使用两台钻机首先在人　土点和出土点两侧分别进行单向穿越，在两侧钻头　按照预定轨迹到达对接区域时，通过导向系统完成　两侧钻头的定位和导向孔对接，进而出土点侧钻杆　从导向孔中退出，同时入土点侧钻杆进入出土点导　向孑Ｌ至出土点，从而完成整个穿越作业，如图２所示。　４对接施工过程　英雄大桥赣江穿越工程属于特大型河流穿越工　程，由上海煤气第二管线工程有限公司实施。敷设管　道需要穿越砂层、卵砾石层和岩层，施工难度大。　该工程于２０１０年２月２日开工，于２０１１年１　月６　Ｅｔ下午３时３５分回拖完成。　在本工程中所面临的地质条件按照地层岩性、　颗粒组分、成因类型的不同，场地地层结构由人工　填土（Ｑｍ１）、第四系全新统冲积层（Ｑ４ａ１）、第三系新　余群（Ｅ１—２）组成。按其岩性及其工程特性，自上而　下依次划分为①冲填砂、②粉土夹粉质粘土、③淤　泥质粉质粘土夹粉砂、④细砂、⑤中砂、⑥砾砂、⑦　泥质砂岩及⑧砂砾岩。由于穿越过程要经过砾石等　复杂地层，为阻隔砾石塌陷破坏已成形的导向孔，　必须在人土点和出土点铺设套管，这就要求人土点　侧钻机的钻杆能够精确通过套管轴线。因此必须采　用水平穿越对接施工技术，要在出土点预先钻好导　向孔，然后引导人土点侧钻机的钻杆进入该导向　孔，出土点的位置就可以准确确定，同时人土点侧　钻机的钻杆也可以；ＩＯＲＮ通过套管。　本穿越定向钻钻孔施工水平长度１　３６０．２５ｍ，实　长１３６３．９９ｍ，为保证钻孔、扩孔和管道回拖顺利安　全进行，钻进曲线为“３直２弧”组成，最小曲率半径　１２００ＤＮ。管道敷设原则是既尽量控制曲线在中风化　砂砾层和中风化泥粉质砂岩层中钻进，在保证离堤　坝距离和间距的同时，使定向钻钻孔施工长度控制　在最短。为保证管道回拖前的顺利成孔，根据规范　要求，穿越施工前在穿越管穿越砂砾层处拟采取预　设钢套管等措施，本工程人土段需设置钢套管　１４７．７米，角度与人土角一致；出土段需设置钢套管　１２５．１米，角度与出土角一致；　本工程的具体施工由具有丰富穿越对接施工　经验的美国Ｐｒｉｍｅ　Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　Ｌｔｄ．公司与Ｖｅｃｔｏｒ　Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ公司共同施工，具体施工过程如下［２１３１４Ｉ５］：　（１）采用Ｐａｒａ　Ｔｒａｃｋ地面电缆导向方法，在地　面沿穿越中心线铺设电缆，将其下沉到河底钻孔轨　迹投影位置上，接ｌ——７安培的交流电，产生交流　磁场。在无法铺设电缆的深水区域，可将交流基准　磁块放置在穿越中心线上。　（２）在穿越曲线的出、人土两端分别安装钻　机，人土点Ａ侧的钻井称为主测井，出土点Ｂ侧的　钻井称为被测井，两台钻机沿预定穿越曲线按传统　施工方法进行相对方向的导向孔施工。导向孔施工　时应用上一步骤所产生的人工交流磁场，在深水区　域结合使用交流基准磁块。　（３）对接点选择在穿越曲线的水平直线段，对　接距离一般为１００米左右。当Ｂ端的导向孔钻进到　设计的对接点时，钻进停止，铺设Ｂ端套管。待Ａ端　套管铺设完毕后，采用６０ｔ的Ｈ．ｔＩｅ钻机钻进，与此　同时将ＶＭ轴向磁铁从Ｂ端下人到孔底，入土点钻　杆上的探头逐渐逼近出土点钻机的ＶＭ轴向磁铁，　当两者在５米范围内时，即可进行精确的对接动作。　（４１对接时Ａ端主测井负责测量Ａ、Ｂ两端钻　头的相对位置并实现对接，主测井轴线与被测井轴　线几乎接**行。对接施工采用Ｖｅｃｔｏｒ　Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ公　司的旋转磁场测斜系统，该系统在被测井井下钻具　组合中安装有ＶＭ轴向磁铁，钻头回转时，轴向磁　铁产生一个交变磁场，所产生的磁场分解为三个互　相垂直的磁场分量，分别为轴向分量、高边分量和　右手边分量。根据设计钻井曲线的总长度和主测井　与被测井双方实际钻进的长度，计算出主测井与被　测井井下钻头的距离，当相距５～１０ｍ的时候实施　对接。对接时，主测井井下钻具保持不动，被测井井　下钻具组合在十几米到几十米的范围内（具体范围　视实际情况而定）以间距０．５ｍ逐步反复移动，被测　井每移动０．５ｍ，主测井井下传感器测量一次，测量　的一系列数据以曲线图表形式在主测井控向软件　界面上显示出来。测量完上述的一组数据后，将主　测井井下钻具组合移动至另一井深处保持不动，被　测井重复上述动作，主测井再测得另一组数据。以　此类推，将主测井井下钻具组合置于多个井深处，　反复被测井动作，测得多组数据后进行纵向数据对　比，从中选择一组可信度高的数据，可以得知两口　第２期　李炯陶志钧乌效鸣蔡晓春：水平定向钻进对接技术机理及应用　４５　图３　５ｍ范围内精确对接　井在对接坐标系中的相对距离，因为这个值表示被　己的钻杆推人对方的钻孔中。对接后将Ａ端人土点　钻具从对接点退回两根钻杆距离停住，然后把Ｂ端　测井井下轴向磁铁相对于主测井井下传感器的上　下左右位置，所以控向人员可以根据此值调整主测　井或被测井的井下控向短节的工具面角并继续钻　进以求更接近对方井，钻进一段距离后，再重复测　量得到两口井的相对距离，然后调整井下控向短节　的工具面角继续钻进，直到对接成功为止。　出土点的靶点钻具向前推进，直到其与Ａ端入土点　对接钻具碰到一起，钻头与钻头接触，证明两个钻　机的穿越曲线完全合而为一。进行对接穿越时，出　土点钻机边退，人土点钻机边钻，边钻边检测钻机　参数，保证人土点钻机在出土点钻机的导向孔内。　操作过程中，人土点钻机和出土点钻机应协调匀速　地同时操作，否则会导致对接失败。　（５）在设计中，逼近Ｂ端出土点靶点是从一个　较低的位置向上钻进，这样做的可以从任一端将自　图４对接成功　（６）当导向孔的对接穿越完成后，即可由人土　也可应用对接穿越技术使人土点侧钻机钻头顺利　通过出土点套管。因此水平定向对接穿越技术使水　平定向钻进技术的应用得到了扩展，而其中关键的　导向技术的突破保证了对接穿越的成功实施，将对　国内的穿越市场产生深远的影响。　参考文献：　点钻机进行常规的各级预扩孔和主管的回拖。　５结论　应用水平穿越对接技术，使得本次工程顺　利完工，极大缩短了工期，保证了工程质量，同时　最为重要的是确保了施工过程中的安全性，解决　了施工中遇到的一些难题，对以后同类工程的施工　［１】屠言辉，苗冀清，徐树枫．水平定向钻穿越施工　起到了指导性作用，在行业内，为其他企业树立了　标杆。　此外在水平定向钻进中运用对接穿越技术突　破了穿越距离局限的“瓶颈”，理论上可以达到　中的对接技术。石油工程建设，２０１１，３７（５）：　２９～３１　［２］楼岱莹，对接穿越技术在水平定向钻穿越中的　应用．非开挖技术，２００６，２３（４）：１～３　５０００ｍ的穿越距离，在穿越含有砾石层的岩石时，　［３］尹刚乾，汤雪峰．磨刀门水道水　（下转第５３页）　第２期　袁青松张帆乌效鸣赵官慧：水平定向钻进硬岩扩孔应用原理分析　５３　４结论　通过硬岩扩孑Ｌ技术的研究，对水平定向钻进过　程中拉力和扭矩的确定起到重要指导作用，对施工　的设计优化也起到了重要作用，对施工的效率和成　本也起到关键作用。　参考文献：　［１］乌效明，胡郁乐，李粮纲等．导向钻进与非开挖铺　管技术．武汉：中国地质大学出版社，２００４；　［２］张宝增，王瑞和等．钻柱拉力扭矩模型在侧钻水　平井中的应用［Ｊ］．天然气工业，２００７，（１）：６８—７１．　［３］邱玲玲，乌效鸣，孟凡威．ＨＤＤ挤压式扩孔钻头　拉力一扭矩模型建立及验证．探矿工程（岩土钻　掘工程），２０１０年第３７卷第３期．　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　Ｈａｒｄ　Ｒｏｃｋ　Ｒｅａｍｉｎｇ　ｉｎ　ＨＤＤ　Ｙｕａｎ　Ｑｉｎｇｓｏｎｇ　Ｚｈａｎｇ　Ｆａｎ　Ｗｕ　Ｘｉａｏｍｉｎｇ　Ｚｈａｏ　Ｇｕａｎｈｕｉ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ＨＤＤ，ｒｅａｍｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｐｌａｙｓ　ａ　ｋｅｙ　ｒｏｌｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｕｃｃｅｓｓ　ｏｆ　ｌａｙｉｎｇ．Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｏｒｑｕｅ　ｂｙ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｈａｒｄ　ｒｏｃｋ　ｒｅａｍｉｎｇ，ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｒｅａｍｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｐｌａｙ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｇｕｉｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｉｖｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＨＤＤ，Ｈａｒｄ　Ｒｏｃｋ，Ｒｅａｍｉｎｇ　Ｂｉｔ　（上接第４５页）　平定向钻穿越施工技术．非开挖技术，２００８，２５（１～　２）：４５～４７　技，２０１１，２７（１６）：１２１～１２３　［４］刘春华，胡雪莲，宋翠红．夯套管隔离卵石与导向　［５］Ｊ　Ｔｅｅｒ　Ｊ　Ｅｉｓｉｎｇ著，霍宇翔译．隆河河谷的对接穿　越．非开挖技术，２００４，２１（２～３）：８０～８２　孔对接工艺技术在赣江穿越中的应用．甘肃科　ＣＴｈｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｏｃｋｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ＨＤＤ　Ｌｉ　Ｊｉｏｎｇ　Ｔａｏ　Ｚｈ￣ｕｎ　Ｗｕ　Ｘｉａｏｍｉｎｇ　Ｃａｉ　Ｘｉａｏｃｈｕｎ　（１．Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ，４３００７４；２．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　Ｇａｓ　Ｎｏ．２　Ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏ．ＬＴＤ，Ｓｈａｎｇｈ￣，２００１２２）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ＨＤＤ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｐｉｌｏｔ　ｈｏｌｅ　ｕｓｅｓ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｔｏ　ｇｅｔ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｗａｙ　ｉｎ　ｏｎｅ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｂｕｔ　ｔｈｉｓ　ｏｎｌｙ　ｉｆｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ　ｄｉｓｔａｎｃｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｌｏｎｇ－ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｃｒｏｓｓｉｎｇ，ｔｈｅ　ｄｏｃｋｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃａｍｅ　ｕｐ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｈｅ　ｔｄｏｃｋｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＨＤＤ，Ｄｏｃｋｉｎｇ，Ｃｒｏｓｓｉｎｇ