屠言輝，苗冀清，徐樹(shù)楓

（中國(guó)石油天然氣管道局穿越公司，河北廊坊 065001）

水平定向鉆穿越施工中的對(duì)接技術(shù)

屠言輝，苗冀清，徐樹(shù)楓

（中國(guó)石油天然氣管道局穿越公司，河北廊坊 065001）

在長(zhǎng)距離水平定向鉆穿越導(dǎo)向孔施工中，由于鉆柱與孔壁之間存在較大的摩阻，因此鉆頭的旋轉(zhuǎn)要明顯滯后于鉆機(jī)動(dòng)力頭的旋轉(zhuǎn)，由此造成井下工具面角難以控制，從而使控向精度受到了影響。為解決此問(wèn)題，采用了對(duì)接技術(shù)。文章主要介紹了對(duì)接技術(shù)的原理及對(duì)接時(shí)井下鉆具的組合方式，并以中俄原油管道黑龍江穿越工程主管道導(dǎo)向孔對(duì)接實(shí)例加以說(shuō)明。

水平定向鉆；對(duì)接技術(shù)；控向；鉆具組合

1 對(duì)接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

在非開(kāi)挖管道施工技術(shù)中，水平定向鉆技術(shù)以其對(duì)交通、環(huán)境的破壞及干擾小，施工安全高效，綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)而備受推崇。隨著該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展，產(chǎn)生了為適應(yīng)長(zhǎng)距離定向鉆穿越施工的對(duì)接技術(shù)，水平定向鉆對(duì)接技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）解決了長(zhǎng)距離水平定向鉆定向控制困難問(wèn)題。在定向鉆穿越過(guò)程中，隨著鉆進(jìn)長(zhǎng)度的增加，鉆柱受到地層摩擦阻力顯著增加，鉆柱扭轉(zhuǎn)變形加大，這就導(dǎo)致鉆機(jī)扭矩不能及時(shí)傳遞到鉆頭上，鉆頭在井底處于不連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。這種情況下，司鉆很難控制井下工具面角的朝向，使得地表顯示的工具面角與井下實(shí)際工具面角存在一定的偏差，從而導(dǎo)致鉆進(jìn)方向失控。而對(duì)接技術(shù)則是從設(shè)計(jì)穿越曲線的入土點(diǎn)和出土點(diǎn)同時(shí)向中間鉆進(jìn)，從而有效縮短了單向?qū)蚩椎你@進(jìn)長(zhǎng)度，避免超長(zhǎng)距離的定向控制，鉆孔方位角和傾角更容易控制，保證了鉆孔曲線的平滑。

（2）入土點(diǎn)和出土點(diǎn)完全符合設(shè)計(jì)要求。在中短距離的定向鉆穿越施工中，一般都采用單向定向控制技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)向孔施工，實(shí)際出土點(diǎn)很難和設(shè)計(jì)出土點(diǎn)完全吻合。而對(duì)接技術(shù)由于是從入土點(diǎn)和出土點(diǎn)同時(shí)向中間鉆進(jìn)，就不存在出土點(diǎn)的位置誤差問(wèn)題。在穿越曲線兩端采用套管隔離卵礫石層的工程中，對(duì)接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

2 對(duì)接技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

對(duì)接穿越技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)重大工程施工中得到成功應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，有錢(qián)塘江、磨刀門(mén)水道、福建LNG東西溪、飲馬河、中俄原油管道黑龍江穿越工程等長(zhǎng)距離或特殊地質(zhì)的導(dǎo)向孔對(duì)接穿越，其中錢(qián)塘江、磨刀門(mén)水道穿越先后打破定向鉆穿越的世界紀(jì)錄 （見(jiàn)表1）。

在國(guó)外，水平定向鉆對(duì)接穿越的最長(zhǎng)距離為美國(guó)波斯頓海灣11 km穿越，該次穿越共分4段進(jìn)行，其中最長(zhǎng)的一段穿越距離超過(guò)4 km；NACAP公司采用該技術(shù)在法國(guó)的Rhone(隆河)河谷成功穿越河谷兩側(cè)厚重的礫石層，鋪設(shè)一條總長(zhǎng)超過(guò)1 036 m、管道直徑609.6 mm的鋼質(zhì)天然氣管道；在德國(guó)北部萊茵河，使用該技術(shù)完成的水平定向鉆巖石穿越距離達(dá)2 500 m，其中巖石的最大抗壓強(qiáng)度達(dá)到 160 MPa；2005年8月，德國(guó) LMR鉆進(jìn)公司采用該技術(shù)在易北河成功鋪設(shè)一條長(zhǎng)2 626 m、直徑350 mm的輸油PE管道。

表1 國(guó)內(nèi)對(duì)接穿越工程案例

3 對(duì)接技術(shù)的工作原理

井下對(duì)接要求鉆井軌跡平滑，能夠?yàn)楹罄m(xù)的擴(kuò)孔作業(yè)以及成功拖管奠定良好基礎(chǔ)。對(duì)接點(diǎn)鉆井軌跡的平滑與否，很大程度上取決于前期導(dǎo)向孔施工情況。

如圖1所示，兩臺(tái)鉆機(jī)分別從入土點(diǎn)和出土點(diǎn)向中間水平段鉆進(jìn)，入土點(diǎn)一側(cè)的鉆井稱(chēng)為主測(cè)井，出土點(diǎn)一側(cè)的鉆井稱(chēng)為被測(cè)井，對(duì)接時(shí)主測(cè)井負(fù)責(zé)測(cè)量被測(cè)井井下鉆頭的位置并實(shí)現(xiàn)對(duì)接，主測(cè)井軸線與被測(cè)井軸線幾乎接近平行。被測(cè)井井下鉆具組合中的軸向磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分解為三個(gè)互相垂直的磁場(chǎng)分量，分別為軸向分量、高邊分量和右手邊分量；主測(cè)井井下鉆具組合中的傳感器測(cè)得被測(cè)井井下磁場(chǎng)分量的數(shù)值，通過(guò)分析磁場(chǎng)分量的數(shù)值來(lái)判斷兩口井的接近程度。離 （hstie，rstie）以及兩口井平行度量 （hsconv，rsconv）都可以通過(guò)主測(cè)井井下傳感器測(cè)得。

圖2為在對(duì)接點(diǎn)附近建立的對(duì)接坐標(biāo)系，矢量ax是主測(cè)井的軸向單位矢量，矢量s是被測(cè)井的軸向單位矢量，主測(cè)井與被測(cè)井的相對(duì)位置關(guān)系通過(guò)對(duì)接坐標(biāo)系 [hs rs]來(lái)描述。對(duì)接坐標(biāo)系 [hs rs]所在的平面與矢量ax垂直，與矢量s近似垂直。對(duì)接坐標(biāo)系 [hs rs]的原點(diǎn)，即矢量ax與平面 [hs rs]的交點(diǎn)，為主測(cè)井井下鉆具組合中傳感器所處的位置，該位置在主測(cè)井中的井深值為mdtwt；對(duì)接坐標(biāo)系 [hs rs]中的點(diǎn) （hstie，rstie），即矢量s與平面 [hs rs]的交點(diǎn)，為被測(cè)井井下鉆具組合中軸向磁鐵所處的位置，該位置在被測(cè)井中的井深值為mdmwt。圖中hsconv、rsconv的值用來(lái)表征被測(cè)井軸向矢量s與主測(cè)井軸向矢量ax的平行度。其中，主測(cè)井井深mdtwt由主測(cè)井一方控向人員累加鉆桿長(zhǎng)度得到，被測(cè)井井深mdmwt、對(duì)接相對(duì)距

根據(jù)設(shè)計(jì)鉆井曲線的總長(zhǎng)度和主測(cè)井與被測(cè)井雙方實(shí)際鉆進(jìn)的長(zhǎng)度，計(jì)算出主測(cè)井與被測(cè)井井下鉆頭的距離，當(dāng)相距5～10 m的時(shí)候?qū)嵤?duì)接。對(duì)接時(shí)，主測(cè)井井下鉆具保持不動(dòng)，被測(cè)井井下鉆具組合在十幾米到幾十米的范圍內(nèi) （具體范圍視實(shí)際情況而定）以間距0.5 m逐步反復(fù)移動(dòng)，被測(cè)井每移動(dòng)0.5 m，主測(cè)井井下傳感器測(cè)量一次，測(cè)量的一系列數(shù)據(jù)以曲線圖表形式在主測(cè)井控向軟件界面上顯示出來(lái)。測(cè)量完上述的一組數(shù)據(jù)后，將主測(cè)井井下鉆具組合移動(dòng)至另一井深處保持不動(dòng)，被測(cè)井重復(fù)上述動(dòng)作，主測(cè)井再測(cè)得另一組數(shù)據(jù)。以此類(lèi)推，將主測(cè)井井下鉆具組合置于多個(gè)井深處，反復(fù)被測(cè)井動(dòng)作，測(cè)得多組數(shù)據(jù)后進(jìn)行縱向數(shù)據(jù)對(duì)比，從中選擇一組可信度高的數(shù)據(jù)，確定對(duì)接時(shí)主測(cè)井井深位置。

通過(guò)分析測(cè)得數(shù)據(jù)，可以得知兩口井在對(duì)接坐標(biāo)系中的相對(duì)距離 （hstie，rstie），因?yàn)檫@個(gè)值表示被測(cè)井井下軸向磁鐵相對(duì)于主測(cè)井井下傳感器的上下左右位置，所以控向人員可以根據(jù)此值調(diào)整主測(cè)井或被測(cè)井的井下控向短節(jié)的工具面角并繼續(xù)鉆進(jìn)以求更接近對(duì)方井，鉆進(jìn)一段距離后，再重復(fù)測(cè)量得到兩口井的相對(duì)距離，然后調(diào)整井下控向短節(jié)的工具面角繼續(xù)鉆進(jìn)，直到對(duì)接成功為止。

4 對(duì)接時(shí)井下鉆具組合

對(duì)于有線控向系統(tǒng)，井下鉆具組合主要由鉆頭、帶彎外殼的螺桿馬達(dá)、泥漿壓力傳感器、控向探棒 （兩端帶扶正器）和無(wú)磁鉆鋌組成，其中控向探棒安裝在無(wú)磁鉆鋌內(nèi)部，如圖3所示。

在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)至對(duì)接點(diǎn)以前的施工階段，主測(cè)井與被測(cè)井的井下鉆具組合都如圖3所示。到達(dá)對(duì)接范圍以后，被測(cè)井需要起鉆更換井下鉆具組合，根據(jù)實(shí)際情況可以有如下幾種組合方式：

（1）對(duì)接過(guò)程中主測(cè)井負(fù)責(zé)繼續(xù)鉆進(jìn)并完成與被測(cè)井對(duì)接，被測(cè)井只是在對(duì)接范圍內(nèi)原井中來(lái)回移動(dòng)供主測(cè)井測(cè)量其井下軸向磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，而后被測(cè)井井下鉆具組合更換為鉆頭、軸向磁鐵 （具有磁性的短節(jié)）、泥漿壓力傳感器、控向探棒和無(wú)磁鉆鋌。

（2）對(duì)接過(guò)程中被測(cè)井負(fù)責(zé)繼續(xù)鉆進(jìn)并完成與主測(cè)井對(duì)接，主測(cè)井只是在對(duì)接范圍內(nèi)測(cè)量被測(cè)井井下軸向磁鐵的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，而后被測(cè)井井下鉆具組合更換為鉆頭、軸向磁鐵、帶彎外殼的螺桿馬達(dá)、泥漿壓力傳感器、控向探棒和無(wú)磁鉆鋌。

5 對(duì)接參數(shù)的設(shè)置

控向參數(shù)的校準(zhǔn)與確定是定向鉆穿越成功與否的關(guān)鍵工序，是定向鉆穿越施工必不可少的步驟。在施行單穿定向鉆穿越施工之前，必須對(duì)控向探棒的精度，穿越曲線的方位角，施工現(xiàn)場(chǎng)的重力場(chǎng)、磁場(chǎng)以及地磁夾角進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)多次測(cè)量結(jié)果的橫向比較，最終確定穿越現(xiàn)場(chǎng)的方位角，參考重力場(chǎng)、磁場(chǎng)和地磁夾角的值，并確定控向探棒的測(cè)量誤差，將該誤差作為施工時(shí)的參考，上述相關(guān)參數(shù)的測(cè)量及校準(zhǔn)方法見(jiàn)有關(guān)文獻(xiàn)。根據(jù)磁場(chǎng)、重力場(chǎng)和地磁夾角的變化可以判斷外界干擾情況，以便我們采取其他措施來(lái)消除干擾。

在實(shí)施對(duì)接穿越之前，上述參數(shù)同樣需要提前測(cè)量和校準(zhǔn)，目的是保證前期導(dǎo)向孔軌跡最大程度上符合為對(duì)接而設(shè)計(jì)的理論鉆孔軌跡。被測(cè)井井下鉆具組合中的軸向磁鐵是對(duì)接穿越施工中必不可少的鉆具，軸向磁鐵產(chǎn)生的磁極矩與其周?chē)艌?chǎng)分布相關(guān)參數(shù)的測(cè)量和校準(zhǔn)是保證對(duì)接成功的另一必要工序。

5.1 軸向磁鐵磁偶極矩的測(cè)量校準(zhǔn)

為了減小測(cè)量誤差，使得測(cè)量數(shù)據(jù)更加接近井下對(duì)接時(shí)的實(shí)際情況，應(yīng)將控向探棒軸線與穿越設(shè)計(jì)曲線的水平中心線相重合，且測(cè)量位置附近10 m以?xún)?nèi)無(wú)外界磁場(chǎng) （包括高壓電纜、通訊電纜、其他金屬物體等產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)）。

測(cè)量時(shí)，控向探棒放在穿越設(shè)計(jì)曲線的中心線上，并與其相距約10 m以外的計(jì)算機(jī)相聯(lián)接。軸向磁鐵放置在控向探棒附近，且保持其軸線與控向探棒軸向平行，兩者之間相距1 m，如圖4所示。利用計(jì)算機(jī)測(cè)量并記錄軸向磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度Bax，然后將軸向磁鐵極性反轉(zhuǎn)180°，再次測(cè)量軸向磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度Bax（rev）。則軸向磁鐵的磁極矩就可用如下公式計(jì)算出來(lái)：M=（Bax-Bax（rev））/2。此處計(jì)算出來(lái)的M值均取絕對(duì)值，而對(duì)接時(shí)M值因?qū)嶋H井下軸向磁鐵的磁極朝向不同有正負(fù)之分。

5.2 軸向磁鐵周?chē)艌?chǎng)分量的測(cè)量校準(zhǔn)

完成軸向磁鐵磁偶極矩的測(cè)量以后，控向探棒在原地不動(dòng)，將帶有軸向磁鐵的鉆具組合放置在相距控向探棒1~2 m的距離處，且保持兩者軸線平行，然后測(cè)得兩者之間的精確垂直距離。

測(cè)量時(shí)，控向探棒保持固定，帶有軸向磁鐵的鉆具組合沿其軸線以每次0.5 m的距離逐步向前移動(dòng)，鉆具組合移動(dòng)的軌跡長(zhǎng)度應(yīng)至少大于控向探棒的全部長(zhǎng)度，測(cè)量時(shí)兩者之間相對(duì)位置示意如圖4所示。鉆具組合每移動(dòng)0.5 m，用于移動(dòng)的設(shè)備和人員均要遠(yuǎn)離測(cè)量點(diǎn)10 m開(kāi)外以減少外界干擾，與控向探棒相連的計(jì)算機(jī)測(cè)量一次數(shù)據(jù)，完成圖4中從A點(diǎn)至N點(diǎn)的全部測(cè)量后，即完成一組數(shù)據(jù)的測(cè)量。完成一組數(shù)據(jù)測(cè)量后，將控向探棒與鉆具組合的垂直距離作為已知的初始條件，并輸入相關(guān)參數(shù)的取值范圍，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而得到軸向磁鐵周?chē)艌?chǎng)分布的分量值，以供井下對(duì)接時(shí)使用。為了減少測(cè)量誤差，現(xiàn)場(chǎng)可多測(cè)幾組數(shù)據(jù)，取其平均值。

6 應(yīng)用舉例

黑龍江穿越工程為中俄原油管道控制性工程，該工程穿越中俄界江——黑龍江。工程包括主管和備用管，兩條管道間距25m，穿越長(zhǎng)度均為1 100 m。穿越曲線兩端分別貫穿約80 m長(zhǎng)的卵礫石層，鉆孔兩端的曲線段是極其破碎的砂巖，極容易造成塌孔和卡鉆事故，因此該工程被中外定向鉆穿越專(zhuān)家譽(yù)為世界性穿越難題。

為解決穿越曲線兩端長(zhǎng)距離卵礫石層、破碎砂巖容易引起的卡鉆問(wèn)題，工程采用夯管技術(shù)分別向穿越曲線兩端夯入約80 m長(zhǎng)的D 1 600 mm鋼套管用于隔離卵礫石、破碎砂巖層，同時(shí)采用對(duì)接技術(shù)成功地完成了導(dǎo)向孔施工，下面以主管道導(dǎo)向孔施工為例介紹對(duì)接技術(shù)的應(yīng)用。

主管道導(dǎo)向孔施工過(guò)程中，主鉆機(jī)安裝在俄羅斯境內(nèi)，負(fù)責(zé)主測(cè)井鉆進(jìn)，輔助鉆機(jī)安裝在中國(guó)境內(nèi)，負(fù)責(zé)被測(cè)井鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過(guò)程中在冰封的江面上全程布置人工磁場(chǎng)，用于精確控制主測(cè)井、被測(cè)井的傾角、方位角。對(duì)接在距離主鉆機(jī)入土點(diǎn)570～645 m區(qū)域內(nèi)實(shí)施，到達(dá)對(duì)接區(qū)域后，主測(cè)井井下鉆具保持不動(dòng)，被測(cè)井起鉆并在地面安裝軸向磁鐵后重新下到對(duì)接區(qū)域內(nèi)，配合對(duì)接作業(yè)。主測(cè)井在井下570 m處開(kāi)始使用PMR程序?qū)嵤?duì)接，PMR對(duì)話框如圖5所示。

主測(cè)井井下傳感器在569.2 m處保持不動(dòng)，被測(cè)井井下鉆具從輔助鉆機(jī)一側(cè)500 m處逐步移動(dòng)至510 m處，測(cè)得的軸向磁鐵磁場(chǎng)數(shù)據(jù)以分量形式（B-axial、B-rs、B-hs）用曲線顯示出來(lái)。圖5左側(cè)曲線分析結(jié)果如下，B-axial值先負(fù)后正可推斷被測(cè)井井下軸向磁鐵N極朝下，在B-axial值為零處B-rs和B-hs值均為正可推知被測(cè)井井下軸向磁鐵位于主測(cè)井井下傳感器的左下方。軟件自動(dòng)計(jì)算出被測(cè)井井下軸向磁鐵相對(duì)于主測(cè)井井下傳感器的坐標(biāo)為hsite=-0.7 m，rsite=-1.1 m，將此時(shí)的主測(cè)井與被測(cè)井井下鉆具相對(duì)位置表現(xiàn)在對(duì)接坐標(biāo)系中，如圖6所示，即控向人員將處在569.2 m井深處的主測(cè)井井下鉆具組合的工具面角調(diào)節(jié)至238°并繼續(xù)鉆進(jìn)，然后再測(cè)量并采集被測(cè)井井下磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，直至完成對(duì)接。

在距離入土點(diǎn)645 m處完成主管導(dǎo)向孔對(duì)接作業(yè)后，俄羅斯境內(nèi)主測(cè)井的井下傳感器進(jìn)入中國(guó)境內(nèi)的被測(cè)井中，此時(shí)軟件顯示被測(cè)井中的軸向磁鐵相對(duì)于主測(cè)井井下傳感器的坐標(biāo)為hsite=-0.3 m，rsite=-0.4m。對(duì)接點(diǎn)在理論上形成一個(gè)0.25m左右的臺(tái)階 （見(jiàn)圖7），導(dǎo)向孔直徑約為10in（≈0.25m），這個(gè)臺(tái)階顯然不利于預(yù)擴(kuò)孔和管道回拖作業(yè)，這是巖石地層對(duì)接的一個(gè)弊端。為了克服臺(tái)階帶來(lái)的后續(xù)施工風(fēng)險(xiǎn)，技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)了一套修孔鉆具，用于磨平對(duì)接點(diǎn)處形成的臺(tái)階，降低對(duì)接點(diǎn)處鉆井狗腿值。經(jīng)修孔后，之后的預(yù)擴(kuò)孔、回拖工藝過(guò)程順利進(jìn)行，表明導(dǎo)向孔對(duì)接點(diǎn)鉆井軌跡已經(jīng)平滑無(wú)障礙。對(duì)接技術(shù)的應(yīng)用降低了長(zhǎng)距離鉆孔容易造成卡鉆、抱鉆和角度失控的風(fēng)險(xiǎn)，并使得工程有條件在出、入土端同時(shí)安裝套管的情況下進(jìn)行導(dǎo)向孔鉆進(jìn)作業(yè)，在縮短工期的同時(shí)，也使得實(shí)際出、入土點(diǎn)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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Interconnection Technique of Horizontal Directional Drilling for Pipeline Crossing Construction

TU Yan-hui（China Petroleum Pipeline Crossing Company,Langfang 065001,China）,MIAO Ji-qing,XU Shu-feng

In long-distance pilot hole construction,big friction between drill string and bore wall causes that the bit rotation lags behind the rotation of drilling machine power head,so it is hard to control the downhole tool face angle，and the directional control precision is influenced.In order to fix the difficulty of directional control in long-distance pilot hole construction,the interconnection technique comes up.This paper mainly introduces the principle of interconnection technique and the downhole equipment assembly,and gives a living example of Heilongjiang River crossing project,which belongs to the China-Russia crude oil pipeline project,to explain the application of the interconnection technique in horizontal directional drilling.

horizontal directional drilling;interconnection technique;directional control;drilling tool assembly

TE973.4

B

1001－2206（2011）05－0026－05

屠言輝 （1982-），男，安徽宿州人，助理工程師，2009年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （北京）地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)，碩士，從事水平定向鉆穿越施工工作。

2010-07-07