Paratrack2控向仪在大口径管道工程水平定向钻技术中的应用

Paratrack2控向仪在大口径管道工程水平定向钻技术中的应用 作者 郭良波 摘要：本文介绍了Paratrack2控向仪在非开挖水平定向工程中的技术应用，尤其是在磁干扰大、施工场地环境复杂、国内外现有控向仪不能满足该的条件下，采取的施工措施和方法，能够顺利穿越成功，可为类似工程提供参考。  关键词：Paratrack2控向技术；磁干扰；“二接一”　 水平定向钻进技术是非开挖技术的一种，又称HDD技术，即Horizontal DirectionalDrilling，是近年来发展起来的一项高新技术，它是利用钻杆的柔性在导向系统的监测下沿线路轨迹钻进，到达目的地后，卸下钻头换上回扩器进行逐级回扩孔，往复循环，达到要求孔径后，利用水平定向钻机对既定管道进行回拖以完成施工任务的一项新的施工方法。它可以广泛用于穿越公路、铁路、建筑物、河流、以及在闹市区、古迹保护区、作物和植被保护区等条件下进行供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线的铺设、更新和修复、还可以用在水平降排水工程、隧道工程(管棚)、基础工程(钢板／管桩、微型桩、土钉)、环境治理工程领域，是地下管线铺设和修复的一种全新的方法。 1.工程概况 本设计为SHIH089～SHIH089-1号桩新街定向钻穿越设计。 SHIH089-SHIH089-1号桩新街穿越位于浙江省杭州市萧山区新街镇双圩村、元沙村交界处,穿越处地区等级为四级，设计压力为10MPa，管径为Φ1016mm，根据初步设计，采用定向钻方式穿越。穿越工程等级为中型。 本定向钻穿越为包含2条管道，分别为输气管道Φ1016（壁厚26.2mm）、硅管套管Φ114（壁厚6.0mm），间距为4m。硅管套管在输气管道前进方向的左侧。综合考虑穿越处的地质条件，定向钻穿越的入土角、出土角、曲率半径等因素，河床下水平最小覆土厚度为21.2m，管底标高为-19.3m，管道主要在③层粉砂中通过，穿越曲线段曲率半径为1524m(1500D)。 本穿越段硅管套管左侧4m即为去年刚敷设完成的DN2400mm自来水主管道，紧邻自来水主管道左侧是DN600的天然气主管道，这两条管道都与本设计管道同一方向敷设；主管道的右侧3-10m为50万千伏高压并且与设计主管道平行。沿设计路由线地磁干扰值都非常大，用目前大多采用的美国产“月蚀”TTS地磁控向系统或沙威尔地磁控向系统进行控向，但是都未能克服以上提到的地磁干扰，不能准确地测量出钻头的三维坐标，最终公司决定采用世界先进的Paratrack2控向系统。 本定向钻穿越水平长为661.9m，实长为663.84m。 2．工程特点  2．1定向钻水平方向呈一条曲线，有一定曲率半径，由于新街定向钻位于杭州萧山区新街经济发达和人口稠密，路由选择困难，使定向钻线位距离高压线、自来水主管道和天燃气管道的净距较近，这三处管线的地磁数值干扰给本次控向带来较大困难。  2．2 地质条件复杂 ，根据地质报告，定向钻自上到下需要穿越：地表层(主要成分为粉土，根系发育，填土含砖渣、碎石等建筑垃圾)、粉土层、、粉质粘土夹薄层粉土、淤泥质粘土，以上地层给控向时调整带来一定的困难。 2．3 采用“二接一”，由于施工场地受限，出钻点一侧不能一次性布管焊接660 m，故采用分成两节平行布置，在管线回拖过程中将两节连接成一体的办法，为了减少“二接一”时钻孔中管道静止时增加的阻力，控向曲线应尽可能的圆滑，这对控向仪器及操作技术提出更高的要求。 2．4综上所述，该工程具有穿越孔径大、地磁数据干扰大、曲率半径小、地质条件复杂并且铺管路由为双曲线等特点，给水平定向钻的钻孔导向、泥浆护壁成孔、回拖都提出了更高工艺水平和技术措施要求；特别是双曲线控向和“二接一”工艺，需要克服现有三处管线的地磁数值对控向的干扰和对接施工中的防止塌孔和起动阻力等难。 3．准备工作　 3． 1 测量放线 (1)根据设计平面图、断面图、坐标控制桩，采用全站仪进行测量，放出穿越轴线以及磁场坐标点、定向钻穿越的入钻点、出钻点以及施工场地的位置和范围。 (2)对地下障碍物和管线，通过查找有关资料，用管线探测仪器、挖探坑等多种办法来确认其地下障碍物和管线的埋藏方位、方向和深度，如与设计穿越曲线有冲突时，及时修正设计。 (3)根据铺管设计要求、地层及地形情况，根据工作场地、地下管线分布情况，管道的弯曲曲率半径，确定定向钻进过程中钻头的顶角、方位角、工具面向角、计算出测定三维坐标，设计出定向钻进的轨迹图，对特殊地层、磁干扰地段特殊标定，以利于应对控向数据的特殊变化。 3．2 场地布置 (1)钻机场地(入土点)占地40 X40(m)，主要设备有ZT一3000型钻机一台，6 m 造浆储浆罐两台套，150kw发电机两台，高压泥浆泵一套。现场在入土点沿轴线方向挖尺寸为15×15 X 1.6(m)泥浆池一座。 (2)为了防止钻机在推、拉力过大时移位，在穿越轴线方向上设6.5×5×1．6(m)钢筋混凝土地锚一座，中间固定随钻机的地锚箱一个。钻机在施工中如锚固不好，钻进拖管过程中发生事故的情况非常多。合理钻机锚固是顺利完成钻进及回拖管的前提，钻机锚固能力反映了钻机在钻进和回拖施工时利用本身功率的能力。一台钻机推力再大，钻机在定向中发生了移动，也会导致钻机无法按预定的计划完成钻进工作；在回拖管时，如锚固不好，钻机移动，需延长停钻时间而进一步锚固，从而导致了管道有可能拖不动。 (3)出土点占地40×40(m)，设25×30×2(m)排浆池一座。布管作业带宽14 m长350 m。 3．3 泥浆配制 (1)根据不同地层和工序，编制泥浆工艺及配比方案，确定正确的混合次序，按不同的地层配制出符合要求的泥浆。 (2)泥浆是定向穿越中的关键因素，并且还要起到减小二接一完成后启动时的摩擦力，这给配置更合理的泥浆提出了更高的要求。由于主要穿越地层为地表层(主要成分为粉土，根系发育，填土含砖渣、碎石等建筑垃圾)、粉土层、、粉质粘土夹薄层粉土、淤泥质粘土。砂性土层具有渗透性较强、土层胶接强度差、土层密实度低，易发生孔壁垮塌等特点，为克服这种不利因素，我们采取以下措施：①预先对水源水质进行PH检测，取洁净水(不可使用受污染的水)，经过蓄水池沉淀，沉淀之后的水存入水罐，在水中加入纯碱，调整水的PH值至9～11，使水软化，改善水质；② 按照事先确定好的泥浆配比用一级膨润土加上泥浆添加剂，配出合乎要求的泥浆。使用的泥浆添加剂有：降失水剂、提粘剂等，达到造壁好、携带好、悬浮好、润滑好、失水小，即“双聚泥浆”的技术要求。④粉土夹粉质粘土粘性大易成孔，但长距离穿越易增加钻杆的摩擦阻力使扭矩变大，因此将在泥浆配比中加入适量润滑剂和絮凝剂，增加长距离穿越时孔壁的润滑性和钻屑的携带能力，减小扭矩摆动频率和幅度。 (3)为了确保泥浆的性能，使膨润土有足够的水化时间，在用量不改变的情况下，我们采取增加泥浆储存罐的数量，在此工程中我们使用了一个配浆罐和两个泥浆搅拌罐。 (4)剩余泥浆的计算和处理。根据以往施工经验，钻导向孔有28％左右的剩余泥浆，预扩孔有67％左右的剩余泥浆，回拖管线有44％左右的剩余泥浆。 施工剩余泥浆拉运到当地垃圾场填埋。 3．4 主管道焊接 主管道组对焊接主管道在布管场地内分两节平行布置，分别长320 m和346 m；管道焊接严格按照设计及规范和技术交底要求施工，焊接必须满足《火电施工质量检验评定标准》(焊接篇)建质(1996年版)111号要求；焊口按100％ 比例进行X射线探伤检验，检验必须满足《电力建设施工及验收技术规范》(钢制承压管道对接接头射线检验)DL／T821—200211级片标准要求；检测合格后及时做好焊口的补涂塑并进行涂层厚度检验、针孔检验，所有指标达到设计标准要求。 3．5 用Paratrack2控向系统钻导向孔 (1)导向孔的钻进是整个定向钻的关键，采用ZT 一3000水平定向钻机进行整个穿越工程的施工。钻导向孔的钻具组合是：钻机一s135级5．5 钻杆一无磁钻铤一斜掌钻头。根据穿越的地质情况，选择合适的钻头和造斜工具，开动泥浆泵对准入土点进行钻进， 每钻一根钻杆要测量若干次钻头的实际位置，以便及时调整钻头的钻进方向。确定钻头的实际位置与设计位置的偏差，并将偏差值控制在允许的范围之内，保证导向孔曲线符合设计要求。 (2)定向设备采用美国Paratrack2定向系统，确保出土位置达到设计要求。控向对穿越精度及工程成功与否至关重要，控向时严格按照设计完成的轨迹图和计算的三维坐标值为依据，确定控向方案，认真分析各项参数。 (3)根据Paratrack2定向系统的技术要求，为防止钻孔时导向孔与设计穿越曲线的偏移，我们采取了以下技术措施： ①精确放线。使用的测量设备是经权威部门检验检定的全站仪，保证在测量放线阶段，利用控制桩准确定位入土点、出土点，从而得到精确的穿越轴线，防止穿越曲线与设计曲线的偏移；精确定位磁场线的每一个拐角点，为控向测量做好前提工作，充分发挥出Paratrack2定向系统的优势。② 认真做好穿越中心线的磁方位角测量。在导向孔开钻前，要测量穿越中心线的磁方位角，这一数值是导向孔控向的原始依据数值，该数据的误差会使设计穿越轴线出现误差。我们通过在地表多点测量(一般情况下，出、入土侧各取两个点)，然后将各组数据进行分析对比，排除由于那些由于磁干扰而错误的数据，确定正确的磁方位角数值。如果各组数据相差较大(0．2。以上)，则增加测量点(2～4个)，直到确定准确的磁方位角数值；③保证控向仪器精度。每次施工前，用消磁仪对无磁钻挺进行消磁处理， 防止由于无磁钻挺被磁化产生磁场干扰，影响控向的精度；④ 精心施工，导向孔严格按设计曲线钻进。在钻导向孔阶段，对每一测量点的控向数据的采集，采取不同工具面角进行实时测量。即：在每个测量点，旋转钻头，使工具面角分别在0。、90。、180。、270。、360。时进行控向数据的实时测量，取最接近五次实时测量数据的平均值的工具面角作为控向数据采集时的工具面角，减少控向数据采集的误差。从而防止钻进曲线与设计曲线的偏移；⑤ 严格按照施工规范，确保每根钻杆的操作，符合设计所规定的曲率半径范围，并在此基础上，每根钻杆的倾角和方位角的变化值满足《管道工程穿越工程施工及验收规范》规定的钻杆折角范围之内；⑥连接无磁钻挺、造斜短节、钻头时，造斜短节的工具面与钻头射流钻进的中心线一致。从而使测量的工具面值更接近实际工具面值，有助于控向工程师控制钻进方向；⑦控向系统的数学模型采用高精度的数学模型。在水平定向钻施工中，控向系统数学模型主要有三种：正切法、平均角法、最小曲率法。其中常用的数学模型是正切法。根据数学原理，在这三种数学模型中，正切法的精度较差，平均角法和最小曲率法的精度较高。因此，在实际操作中，我们将采用精度较高的平均角法和最小曲率法作为控向系统的数学模型，以求在相同的数据采集基础上，得到较高的计算精度，从而提高控向的精度。    （4）磁场测偏 在本工程中可以采用人工磁场技术测量钻头所处位置参数，并与设计参数对比确定当时的钻进曲线是否偏差，指导下一步控向操作。 ①人工磁场线圈布置在穿越中心线上，根据本工程的实际情况，全程铺设人工磁场，保证穿越曲线的准确性。 ②线圈的角点采用木桩固定，保持四边笔直减少测量误差。 ③人工磁场线圈的宽度以3倍的探头深度为宜。示意图如下： ④ 在钻头进入人工磁场后的下一根钻杆钻进完成时进行测量偏差。测偏时首先根据控向员的指令接通电源为线圈供电，通电的电流以3～6A为宜。测量完成后断开电源，重复测量2～3次取平均值做为当时的偏差量。进入磁场后每钻进一根钻杆测量一遍，对比前后测量结果及时发现偏差和偏差趋势，如果不在标准要求范围内需及时纠偏。 ⑤大型定向钻穿越施工对钻机的锚固要求很高，如果钻机锚固不好，将很大程度的影响钻机能力的发挥，给后续施工带来很大的风险和隐患。 ⑥控制单根钻杆角度变化小于0.35°，事实上，操作时很难保证单根角度变化小于0.35°，根据以往施工经验，偶尔出现大于0.35°、小于0.5°且不连续的情况也可以接受，但连续3根钻杆累加角度变化不大于1°。根据Paratrack2控向仪测量数据精确、抗干扰能力强的特点，在控向中采用多测少钻的方法，及时纠正不良参数，保证了控向曲线与设计曲线的吻合、圆滑。 ⑦一般入土井斜段位于相对软地质中，较难控制，经常出现角度变化快、超深等现象，发现有角度变化快或者有角度变化快的趋势时，要及时进行纠正。控制好推进尺和转进尺长度，采取多推少转和不连续转的方法，发现变化趋势，及时采取相应对策。 ⑧水平段穿越难易程度因地质条件而异，该工程穿越水平段时，尽量不旋转钻进，可以工作角度40°±5°缓慢推进几米，然后调整到320°±5°缓慢推进当量长度，钻进时经常性停机观察角度变化趋势。 ⑨出土井斜段相对好控制，为了避免出现地质软钻头不抬头情况，我们采取工作角度左右±30～70°推进方法抬高角度，只是在土质较硬的情况下使用了旋转钻进的方法。 ⑩钻至出土井斜段610m时，钻头上方发现有冒浆的地方，冒浆位置正好与磁场线圈测量的位置相当，正好验证了控向操作数据的正确性。 （5）控向结束 在经过了28小时的控向后，钻头在预定位置顺利出土，向左偏差15cm，纵向偏差-30cm,在磁干扰大、控向双曲线的情况下能如此准确，进一步体现出了Paratrack2控向系统的优点。 实践证明，在精心组织和各项措施保证下，现场顺利完成了管道的对接，对接用时410 min，虽然因下雨对接时间有所增加，但回拖时钻机的启动拉力只达到1250Kn，比入孔时的启动拉力增加了350Kn,这些数据证明“二接一”完成后回拖起动的非常顺利，并且回拖时间共用了6小时20分就完成了660m整条管道的回拖工作。这就更加证明了Paratrack2控向系统所测量的数据之精确、技术之先进。 4结语 西气东输二线南昌—上海支干线新街定向钻穿越施工的顺利完成，为水平定向钻技术的发展积累了宝贵的经验，为我公司在非开挖市场领域赢得了声誉。充分发挥了Paratrack2控向系统在水平定向钻施工中的优势，在磁干扰大、施工环境复杂的情况下顺利完成回拖，为业主缩短了工期、节约了工程成本，取得了显著的经济效益和社会效益。