管道定向钻穿越施工的可行性分析

内容摘要：简述了定向钻穿越的施工特点及可行性分析方法，对于给定的管道穿越工程，特别是针对复杂地质条件下的长距离大口径管道穿越，给出了可以采用定向钻穿越的基本范围条件，可为工程施工方案的选择提供借鉴 .

1 前言 目前水平定向钻穿越已经应用于多个行业的施工过程中，如石油、自来水、电力电讯等，成为比较成熟的非开挖穿越技术。近年来，世界范围内定向钻穿越技术得到了新的发展，特别是在石油天然气管道建设中，大直径的如Ф1220管道、长距离的如2km长管道都已经成功穿越。在我国，采用定向钻技术完成了长江、黄河等大型河流及海域的管道穿越工程，创造了一系列穿越世界纪录。

2 定向钻施工特点和可行性分析水平定向钻进管道铺设技术是在不清除地面障碍物的情况下，管道从障碍物的底部地下穿越，与其它管线铺设方法相比它对环境影响小，障碍物下管线覆盖深度大，对管线保护的效果好。由于不需要清除地上障碍物，并且施工现场恢复工程量较小，可以减少工程建设投资。但是管线采用定向钻穿越施工受许多条件的制约，在穿越过程中存在不可预测的因素，一旦穿越失败将带来不可挽回的损失。

管道水平定向钻穿越包含钻导向孔、扩孔和管线预制、回拖等步骤，钻导向孔是沿着穿越曲线钻出一个小直径的孔，然后采用不同规格的扩孔器对导向孔进行一遍或多遍扩孔，以达到需要的孔径，最后将预制完的成品管线回拖入孔内，在全部施工过程中泥浆起非常关键的作用。

对于给定的管道穿越工程，能否采用定向钻施工主要应考察两个方面：即技术和经济方面。在技术方面，首先要通过工程物探和钻探等手段对管道拟选路由区的地质状况进行详细勘察，其目的是了解地形地貌特征，基岩埋设深度和沉积层（特别是砾石层）结构与厚度特征，各土层的物理力学特征，路由区地基土的稳定性情况，以及区内存在的灾害地质特征等。为定向钻穿越可行性分析提供基本数据：地层结构中各种土质的分类；砂砾质物等各成分的分布曲线；岩芯中岩石的品质、抗压强度、硬度。在经济方面，比较定向钻穿越与其它方法穿越的费用，在达到同一穿越效果情况下，如果定向钻穿越的费用低则在经济上就是可行的。下面主要讨论如何进行定向钻穿越技术方面的分析。

3 技术可行性分析定向钻穿越要在技术方面可行，关键是在穿越区域地下形成一个稳定的孔道保证管线能够顺利回拖，或地下土层已经成为流质使管线能够顺着这些流质在外力作用下得以回拖。但整个穿越段都是理想流质的情况比较少见，而且局部可能存在异物引起管线防腐层破坏，因此都要求管线回拖前有一个成形孔道，并向孔道中注入性能合适的泥浆。如果在回拖过程中该孔道能够保持畅通，回拖时作用在管线、钻杆上的最大应力和钻机设备上的载荷都在允许范围内，采用定向钻穿越就是可行的。因为穿越工程变化多样，并不存在明确的标准能说明定向钻穿越是否可行，而且还决定于施工单位的技术装备和经验。为了简便起见，分析穿越的技术可行性可通过与以往工程中的基本参数进行比较，即地层状况、穿越长度、直径，这三个因素作用在一起将很大程度上决定定向钻穿越的可行性。 

首要考虑的因素是地层状况，其中两种地层最不利于穿越，即高砾石含量的砾质地层、强度和硬度特别高的岩石。地层中含有砾质成分太多时成孔难度大，因稳定性差不易被钻削成孔或成孔后局部塌方，并滞留于孔中不易被泥浆带走，成为钻头、扩孔器钻进和管线回拖时的障碍物。高强度和硬度的岩石同样是穿越的障碍，钻孔、扩孔速度特别慢，对钻杆、钻具要求高，钻进方向控制困难；相反，特别容易破碎的岩石象砾质一样给成孔带来不稳定的因素。地层状况与穿越可行性关系见表1。

管线穿越的路由地质情况可能相当复杂，不同区段含有不同的成分，尽管对穿越曲线优化设计，有时也将通过不利于穿越的地层，能否穿越决定于该地层穿越长度、连续性及在整条穿越曲线中位置，如改变几类地层排列顺序将使穿越情况完全发生改变。另外，对地层状况认识是建立在分析钻探岩芯性质的基础之上，由于钻探调查是非连续地进行，而管线穿越沿设计曲线连续进行，在实际穿越中可能遇到意想不到的地层，施工前需充分考虑各种因素。

穿越长度和管径主要受钻机和钻具的能力限制，因为在钻导向孔过程中，钻杆存在弹性使穿越长度不能无限延长，而且随着穿越长度的增加，对钻头的钻进方向的控制能力逐步减弱，导向孔很难按设计的穿越曲线完成。要实现成品管线的回拖，孔径需扩至管径的1.2～1.5倍，这样对于大口径管线穿越，对坚硬地层进行扩孔作业时扭矩非常大，钻杆强度有时不能满足要求；在表2管道定向钻穿越长度和直径最大的工程砾质、砂质地层情况下，径越大的孔道越难维持稳定状态而易出现塌方，这些因素限制了大直径管线的穿越。表2列出了目前已经完成的穿越长度和直径的最大纪录，分析定向钻穿越可行性时可与之比较。

对于复杂地质条件下的长距离大口径管道穿越工程，必须将地层状况、穿越长度、管道直径这三个因素综合考虑，在目前的技术和装备条件下分析能否采用定向钻穿越施工，可参考表3复杂地层状况下穿越管径、长度可利于管道的永久保护。但是能否进行定向钻穿越受行性表。许多因素的限制，需对特定管道工程的穿越可行性进行分析，通过对地层状况、穿越长度、管道直径三个主要因素进行分析，从技术角度给出了可以进行油气管道穿越工程采用定向钻钻进技术确为非穿越的基本范围条件，可为分析定向钻穿越可行性常好的方案，可以节省工程投资，缩短施工周期，有时提供一定指导。