水平定向鉆穿越中聯(lián)合控向鉆進(jìn)導(dǎo)向孔施工技術(shù)

柴義，陳曉霞，汪瀾

（遼河油田建設(shè)工程一公司，遼寧盤錦124010）

水平定向鉆穿越中聯(lián)合控向鉆進(jìn)導(dǎo)向孔施工技術(shù)

柴義，陳曉霞，汪瀾

（遼河油田建設(shè)工程一公司，遼寧盤錦124010）

水平定向鉆穿越施工技術(shù)在長輸管道施工中得到廣泛應(yīng)用，在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)中控向是施工成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前多采用有線控向或無線控向等單一控向技術(shù)，但有線控向和無線控向都存在一定缺陷。為了進(jìn)一步提高穿越精確度，在研究聯(lián)合控向技術(shù)基礎(chǔ)上，利用有線控向和無線控向技術(shù)各自的優(yōu)點，研制了聯(lián)合控向裝置，使兩種控向技術(shù)有機(jī)結(jié)合，此項技術(shù)的特點在于兩種控向系統(tǒng)既可單獨工作，也可以聯(lián)合工作，可克服有線控向和無線控向各自的不利因素，使穿越更加準(zhǔn)確。文章介紹了聯(lián)合控向技術(shù)的原理、操作方法及應(yīng)用實例。

管道穿越；水平定向鉆；導(dǎo)向孔鉆進(jìn)；聯(lián)合控向

0 引言

定向鉆穿越工程的控向系統(tǒng)分為有線控向和無線控向兩個系統(tǒng)，長期以來基本使用有線控向系統(tǒng)控制導(dǎo)向孔施工。由于在穿越距離較長的情況下，有線控向受各種磁干擾較大，穿越的準(zhǔn)確度較差，因此在有線控向操作的同時配合無線控向，兩套控向系統(tǒng)既可以單獨控向，又可以聯(lián)合控向。當(dāng)聯(lián)合控向時，可以避開各自控向的不利因素，而使穿越更加準(zhǔn)確。因而聯(lián)合控向系統(tǒng)更適用于地下障礙物復(fù)雜、導(dǎo)向孔曲線精度要求高的水平定向鉆穿越工程。

1 聯(lián)合控向技術(shù)原理

水平定向鉆穿越中聯(lián)合控向?qū)蚩准夹g(shù)以有線控向技術(shù)為基礎(chǔ)，利用無線控向系統(tǒng)的抗地磁和抗地下障礙物干擾的性能輔助有線控向系統(tǒng)控制導(dǎo)向孔方向，使導(dǎo)向孔成型良好，提高穿越準(zhǔn)確度。

向有線控向軟件內(nèi)輸入有關(guān)的初始控向數(shù)據(jù)，并設(shè)置無線控向相關(guān)數(shù)據(jù)與有線控向數(shù)據(jù)同步，而后按圖紙要求設(shè)計導(dǎo)向孔曲線。鉆進(jìn)過程中采用聯(lián)合控向系統(tǒng)的無線探測功能實時跟蹤鉆頭走向，每鉆進(jìn)一根鉆桿定位一次鉆頭位置，并與有線控向端進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，指導(dǎo)下一步鉆進(jìn)施工。聯(lián)合控向技術(shù)基本工作原理如圖1所示。

2 聯(lián)合控向裝置

為了進(jìn)一步提高定向鉆穿越精度，我們在研究聯(lián)合控向技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用有線控向技術(shù)和無線控向技術(shù)各自的優(yōu)點，研制了聯(lián)合控向裝置，使兩種技術(shù)有機(jī)地結(jié)合。

圖1 導(dǎo)向孔聯(lián)合控向的工作原理示意

定向鉆聯(lián)合控向裝置是在有線控向系統(tǒng)前端安裝一無線控向裝置，在工作時，有線控制信號通過線纜傳輸?shù)娇叵蛴嬎銠C(jī)，而無線控制信號直接傳送到穿越軌跡上方的信號接受器，兩種控制信號既可以單獨使用，也可以相互比較使用。聯(lián)合控向裝置如圖2所示。

圖2 聯(lián)合控向裝置

聯(lián)合控向系統(tǒng)中有線控向系統(tǒng)和無線控向系統(tǒng)既可以獨立工作，也可以相互協(xié)調(diào)工作，在穿越深度大于15 m時，有線控向系統(tǒng)起到主導(dǎo)作用，當(dāng)深度小于15 m時，可以啟動無線控向系統(tǒng)同時工作，而且無線控向系統(tǒng)不需要線纜送電，避免了導(dǎo)向孔鉆進(jìn)后期線纜磨損而導(dǎo)致穿越失敗的風(fēng)險。兩個系統(tǒng)同時工作也降低了地下障礙物對探測信號的影響，提高了穿越數(shù)據(jù)和穿越曲線的準(zhǔn)確性。

有線控向系統(tǒng)具有成熟的裝置，而無線控向系統(tǒng)需要特殊設(shè)計一個無線室，無線室既要保證信號的發(fā)射不受阻礙，也要保證泥漿的流通和整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不受影響，無線室設(shè)計圖紙及實物見圖3。

圖3 無線室設(shè)計圖及實物

3 測量放線

放線的精確度直接影響到導(dǎo)向孔曲線的形成。定向鉆穿越施工的測量放線需要放出穿越中線上各點的精確位置，因此需要一臺電子經(jīng)緯儀，電子經(jīng)緯儀可以測距、測標(biāo)高、直線定點。

在穿越中心線的制高點，將鉆機(jī)精確就位，就位偏差要≤0.1°，這樣可消除人為因素帶來的穿越誤差。

在中心線上每隔20 m設(shè)一個定位樁，做好編號。以入土點為基準(zhǔn)點，測量出各點相對于入土點的標(biāo)高差，根據(jù)各點的標(biāo)高差計算出穿越設(shè)計曲線位于各個定位樁下方的垂直深度，并做好記錄。

利用地面雷達(dá)沿穿越中心線探測地下障礙物，發(fā)現(xiàn)障礙物要標(biāo)明位置、深度和相對入土點距離。

將以上測量出來的數(shù)據(jù)輸入控向系統(tǒng)軟件，并形成地形數(shù)據(jù)。

4 聯(lián)合控向?qū)蚩足@進(jìn)施工

4.1 確定方位角

方位角Az是度量鉆頭左右偏差的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，探測的方位角越接近穿越真實方位角，就越有利于鉆進(jìn)過程中識別鉆頭的真實偏差，使控向曲線更接近設(shè)計曲線。所以在開鉆前必須準(zhǔn)確測量當(dāng)?shù)胤轿唤恰?/p>

在穿越軸線上每隔200 m測量一組數(shù)據(jù)，每組測量4～6次。利用電子經(jīng)緯儀精確就位探測器，使探測器軸線與穿越中線重合，每測量一次數(shù)據(jù)后，將探測器的位置重新校準(zhǔn)，再進(jìn)行測量，得出方位角的值為Az1、Az2、Az3、Az4、…Azn，剔除偏差較大的數(shù)值，則得出方位角均值：

方位角測量見圖4。

4.2 數(shù)據(jù)同步

有線探測器和無線探測器顯示探測數(shù)據(jù)的形式不同，見表1。

需要同步的數(shù)據(jù)包括井斜角、工具面向角和深度。

井斜角同步：利用角度尺測量鉆鋌初始入土角α，調(diào)整有線探測初始角為90°-α，則無線探測器初始井斜角為向下（α/180）×100%。

圖4 方位角測量工作示意

表1 有線探測器和無線探測器顯示數(shù)據(jù)對照

工具面向角同步：利用水平尺將鉆頭造斜面向下調(diào)至水平，則有線探測器初始工具面為0°，無線探測器初始工具面為向上12點鐘位置。

深度同步：由于無線探測器安裝在有線探測器前端，中心距為3 m，因此在導(dǎo)向孔造斜段，無線探測深度與有線探測器累加深度的值相差3 sin α，（α為90°-井斜角的絕對值）。

4.3 設(shè)計導(dǎo)向孔曲線

鉆導(dǎo)向孔的關(guān)鍵在于鉆進(jìn)曲線的控制。此項技術(shù)采用聯(lián)合控向系統(tǒng)控制鉆進(jìn)曲線。以有線控向為基礎(chǔ)，無線控向輔助施工。首先向有線控向軟件內(nèi)輸入有關(guān)的初始控向數(shù)據(jù)（如方位角、入土角、出土角、曲率半徑、地形數(shù)據(jù)等），按圖紙要求設(shè)計導(dǎo)向孔曲線。

4.4 鉆進(jìn)

鉆孔初期要控制鉆進(jìn)速度在3 m/min以內(nèi)，有利于成孔，并增加泥漿排量，將孔內(nèi)鉆屑盡量全部排出，便于泥漿將較深地層的大顆粒鉆屑排出。每鉆進(jìn)兩根鉆桿洗孔一次，增加泥漿排量將鉆桿緩慢拉出。

時刻觀察方位角的變化，并采用聯(lián)合控向系統(tǒng)的無線探測功能實時跟蹤鉆頭走向，如果發(fā)現(xiàn)偏離中心線規(guī)定范圍，則立刻與有線控制端進(jìn)行核對，有問題及時糾偏。

控制單根鉆桿井斜角變化小于0.8°，偶爾出現(xiàn)大于0.8°、小于1°且不連續(xù)的情況也可以接受，但連續(xù)4根鉆桿累加角度變化不得大于2.2°，而用無線探測時角度變化不大于1.2%。

對于穿越河流時無線探測不能到達(dá)的地方，如果聯(lián)合控向系統(tǒng)的有線控向部分受到外界干擾較小，這時可以停止無線探測。一旦鉆頭通過河流區(qū)域，要及時啟動無線探測器，精確定位鉆頭位置，確定相對中心線偏差，如在要求范圍內(nèi)，可邊鉆進(jìn)邊糾偏。

一般入土井斜段位于相對軟的地質(zhì)中，較難控制，經(jīng)常出現(xiàn)角度變化快、超深等現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)有角度變化快的趨勢時，要及時進(jìn)行糾正?？刂坪猛七M(jìn)尺和轉(zhuǎn)進(jìn)尺長度，采取多推少轉(zhuǎn)和不連續(xù)轉(zhuǎn)的方法，發(fā)現(xiàn)變化趨勢，及時采取相應(yīng)對策。

穿越水平段時，盡量不旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，可以工具面角度40°±5°緩慢推進(jìn)幾米，然后調(diào)整到320°±5°緩慢推進(jìn)當(dāng)量長度。調(diào)整角度時，如果無線探測可以到達(dá)，須用無線控制部分時刻觀察工具面角度是否發(fā)生變化，防止由于穿越距離過長，鉆桿應(yīng)力釋放后工具面角度發(fā)生過大的變化。

出土井斜段相對好控制，為了避免出現(xiàn)地質(zhì)軟鉆頭不抬頭情況，可采取工具面角度在0°左右多推少轉(zhuǎn)的方法抬高角度，這時要采用聯(lián)合控向系統(tǒng)時刻觀察和對比角度的變化，使鉆頭按設(shè)計曲線出土。

4.5 糾偏

糾偏施工方法有兩種。當(dāng)偏差較小時，可采取邊鉆進(jìn)邊糾偏的方式糾正偏差；但偏差較大不能接受或偏差趨勢明顯時，可拔出部分鉆桿，直到鉆頭偏差符合要求為止，再重新鉆孔糾正偏差。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

應(yīng)用一：2008年7月1日我公司承建了齊齊哈爾市天然氣輸氣管道嫩江定向鉆穿越工程，天然氣管道規(guī)格為D 323.9 mm×7.8 mm，穿越實際長度為1 202 m。本工程難點在于穿越地質(zhì)為圓礫、粗砂、中砂、細(xì)砂，導(dǎo)向孔方向不易控制，采用聯(lián)合控向技術(shù)成功解決了這一難題，鉆孔只用了49 h，而且導(dǎo)向孔曲線最大偏差在2 m以內(nèi)，出土點橫向偏差只有0.5 m。

應(yīng)用二：2009年2月25日我公司承建了華錦集團(tuán)儲運(yùn)工程大遼河定向鉆穿越工程，原油管道規(guī)格為D508mm×9mm，柴油管道規(guī)格為D355mm×7 mm，定向鉆穿越長度均為965 m。采用聯(lián)合控向技術(shù)成功地進(jìn)行了施工，克服了地下障礙物多、干擾較多、地層為流砂等諸多不利于成孔的因素，鉆孔分別用了42 h和44 h，導(dǎo)向孔曲線最大偏差在2 m以內(nèi)，出土點橫向偏差只有0.6 m和0.5 m。

6 結(jié)束語

聯(lián)合控向技術(shù)的成功開發(fā)，解決了只采用有線控向技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)向孔施工的諸多難題。如只采用有線控向技術(shù)進(jìn)行長距離穿越時，經(jīng)常出現(xiàn)控向電纜短路或斷路，導(dǎo)致工程前功盡棄。而采用聯(lián)合控向技術(shù)，如果有線探測部分電纜短路或斷路，可以采用無線探測部分進(jìn)行控向，避免了此類事件的發(fā)生。在鉆頭經(jīng)過地下障礙物密集地區(qū)時，往往是有線控向探測的鉆頭深度誤差較大（深度值為累加值），而這時采用無線探測部分可以直接探測鉆頭深度，確定鉆頭的確切位置，避免了與障礙物距離過近而發(fā)生危險。因此聯(lián)合控向技術(shù)不

但適合長距離定向鉆穿越，而且對于地下障礙物多、穿越曲線精度要求極高的定向鉆穿越工程也有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，為水平定向鉆穿越施工提供了先進(jìn)的控向技術(shù)。

Abstract:Horizontal directional drilling technique is widely used in long-distance pipeline crossing construction.Directional control in pilot drilling is the key technique that determines pipeline construction results.At present,the single directional control technique—wired directional control or wireless directional control is commonly used although it exits some shortcomings.In order to further improve pipeline crossing precision,a combined directional control technique taking the respective advantages of wired directional control and wireless directional control is developed.With this technique,directional control can be implemented in either single mode（i.e.wired directional control or wireless directional control）or combined mode.The working principle,concrete operation method and application example of the combined directional control technique are introduced in this paper.

Key words:pipeline crossing;horizontal directional drilling;pilot drilling;combined directional control

（35）Combined Pilot Drilling Direction Control Technique Used in Pipeline Crossing Construction with Horizontal Directional Drilling

CHAI Yi（Liaohe Oilfield First Construction Engineering Co.,Panjin 124010，China），CHEN Xiao-xia，WANG Lan

TE973.4

B

1001－2206（2010）05－0035－04

柴義（1978-），男，遼寧盤錦人，工程師，2003年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)從事管道穿越施工技術(shù)工作。

2009-05-15；

2010-07-08