中石化江汉石油工程设计有限公司 工艺设计所 湖北省武汉市 430223
摘要：定向钻穿越技术是油气管道非开挖技术中发展较成熟、应用最广泛的技术之一，具有敷管精度高、施工周期短、综合效率高、环境影响小等众多技术优点。本文对油气管道定向钻穿越技术的适用条件及主要设计参数的确定作了简要分析，以期从设计的角度，合理开展定向钻穿越的有关设计。
关键词：油气管道 定向钻穿越 应力校核
1 引言
定向钻穿越是采用水平定向钻机按照既定的设计线位，从障碍物下方进行导向钻孔，再由扩孔钻头对导向孔进行扩孔成洞，然后回拖预制好的管段通过障碍物的一种非开挖管道安装施工技术。
定向钻穿越技术具有导向精度高、管道埋深大、施工周期短、综合效率高、环境影响小等众多优点[1]，已逐渐发展成油气管道水域穿越非开挖方式当中的首选技术。
2 定向钻穿越技术的适用条件
2.1地层条件
地层中钻孔的成孔性是定向钻能否敷设穿越管段的关键。定向钻穿越适用地层主要为粘土层、粉土层、粉细砂层、中砂层、泥岩层、软岩层等易成孔的稳定地层，不宜在卵石层、松散状砂土层、粗砂层、砾石层、破碎岩石层及岩溶发育中等或较高岩石层中穿越，当主穿越层为适宜地层，两侧为卵石层、砾石层和破碎岩石层等不良地层时，可采取套管隔离、注浆固结、开挖换填等改良措施后使用定向钻穿越技术敷设管道[2-3]。
2.2场地条件
2.2.1出入土点高差
定向钻穿越出、入土点高差不宜过大。出、入土点高差过大存在如下风险[4]：1）高程低的一侧泥浆压力过大，可能出现冒浆现象；2）孔内泥浆分布不均，较高一侧泥浆含量少，在回拖过程中管道无法悬浮在孔内，管底和孔壁发生硬性摩擦，易损坏管道防腐层。
2.2.2道路依托
定向钻穿越出、入土点附近应有宽度不小于4m的道路，以满足定向钻机、泥浆系统、钻具等设备及材料的进场要求。
2.2.3入土侧场地
定向钻入土侧应有足够布设钻机、泥浆池的场地。定向钻钻机布设场地地基承载力应满足施工要求，必要时需对钻机布设场地进行地基加固。
2.2.4出土侧场地
定向钻出土侧场地应平坦开阔，应能满足穿越管段的组焊预制，同时还应有不小于30m×30m的钻具操作场地。回拖场地的最小长度宜比穿越段管道长度增加20m，若因场地受限预制管段不能直线布置时，可采用弹性敷设的方式布置或管段多接一方式布置。
3 定向钻穿越主要设计参数的选择
3.1穿越工艺
3.3.1钻进工艺。定向钻穿越按导向孔的钻进方式分为单侧钻进工艺及对穿工艺。钻杆的钻进长度是有一定极限的，当穿越距离大于2000m时应采用导向孔对穿工艺。同时，当定向钻穿越两侧采用套管隔离措施时，由于控向很难保证其穿越精度，应采用对穿工艺。我公司近来设计的潜江-韶关输气管道工程长江定向钻穿越（设计压力10MPa，管材采用Φ406.4×12.7mm X60Q无缝钢管，穿越长度3120m）、金井河定向钻穿越（设计压力10MPa，管材采用Φ1016×26.2 X70M 直缝埋弧焊钢管，穿越长度740m，穿越段两岸均有一定厚度的夹卵石和中粗砂的圆砾层，采用套管隔离）分别因穿越距离过大、套管隔离等原因采用了对穿工艺。定向钻对穿工艺在国内类似工程也多有应用，随着导向技术的不断发展，定向钻对穿工艺已逐渐发展为技术较为成熟的定向钻穿越工艺。
3.3.2回拖工艺。定向钻穿越按管段回拖方式分为一次回拖、二接一及多接一等工艺[5]。在进行二接一或多接一施工时，回拖管道在钻孔内停留时间太长将会增加再次启动的回拖力，且增加了钻孔塌方的风险，因此应减少工序衔接时间。管道回拖是定向钻穿越的最后一道工序，也是最为关键的一步。定向钻穿越在选址阶段就应充分考虑回拖的场地。条件允许的前提下，通常考虑回拖侧具有整段穿越管段预制及机具、设施摆放的场地，但在实际工程中，往往综合考虑地形、与周围建（构）筑物的安全间距、岸坡稳定性、穿越总长度及管线的总体走向等各方面因素，使得即使采用弹性敷设的方式，回拖场地仍难以满足一次回拖的要求，不得不选用二接一或多接一的回拖工艺。
受限回拖场地，浙江省天然气管网金华-衢州配套输气管道工程杨家相定向钻穿越（设计压力6.3MPa，管材采用Φ813×14.3mm L450直缝埋弧焊钢管，穿越长度780m）采取四接一的回拖方式、甬-沪-宁原油管道陈华铁路穿越（设计压力6.3MPa，管材采用Φ711×10.3mm X52直缝埋弧焊钢管，穿越长度1330m）采取三接一回拖方式[6]。以往，受制于钻机回拖力，二接一或多接一回拖方式多用于小管径油气管道，随着定向钻机地不断发展、回拖能力地日益提升，目前也逐渐推广到大管道的应用中。
3.2穿越深度
1）穿越河流等水域时，穿越管段管顶最小埋深不宜小于设计洪水冲刷线和规划疏浚线以下6m；管顶距河床底部的最小距离不宜小于穿越管径的10倍。同时，穿越管段埋深还应避开挖砂、采石及抛锚作业的影响。
2）穿越铁路、公路、堤防建（构）筑物时，穿越深度应符合相关行业的技术规定及相应主管部门的要求。
3.3穿越曲线
定向钻穿越入土角、出土角及对应穿越曲线应根据穿越长度、管道埋深、穿越管径、弹性敷设条件及地形地条等因素综合确定。
入土角宜为8º~20º,出土角宜为4º~12º，穿越管径较大时出土角宜最低值，特殊条件下可进行适当调整。穿越曲线宜避开地层岩性差异较大的交界面，易造成钻孔错台及回拖失败。弹性敷设曲率半径不宜小于1500D，且不应小于1200D。
3.4回拖力
回拖力计算是定向钻机选型的主要依据。穿越管段在回拖过程中的受力比较复杂，目前普遍认为主要受以下5种阻力[7]：（1）管道与孔壁间的摩擦力；（2）管道与地表部分的摩擦力；（3）绞盘效应力；（4）流体阻力；（5）弯曲时的管道刚度产生的阻力。其计算过程涉及岩土力学、工程力学、流体力学、材料力学等多学科知识，结合工程实际，还和扩孔尺寸、发送方式、管段摆布等众多因素有关，较难建立与实际工况非常吻合的、具有普适性的力学模型。
《油气输送管道穿越工程设计规范》（GB50423-2013）、《油气输送管道工程水平定向钻穿越设计规范》（SY/T6968-2013）均给出了基于穿越管段回拖时的净浮力（管段在泥浆中的浮力减掉自重后产生的摩擦力）、黏滞力（穿越管段在泥浆中前进时泥浆对管道的黏滞阻力）受力模型下的简化计算公式，虽然字母略有不同，实质为同一计算公式。因为简化了实际受力工况，且考虑一定的安全裕量，钻机最大回拖力按此公式计算值的1.5~3.0倍选取。
4 结束语
1）定向钻穿越技术虽然在油气管道工程建设领域有了很多的成功应用实例，且其技术也日臻完善，但在具体的工程实践中，仍应清醒认识到定向钻穿越的复杂性与重要性。
2）应充分结合现场条件、地层条件及定向钻穿越工艺，从安全性、可靠性、经济性、难易度等多方面科学合理的选定定向钻穿越起、止点及对应的定向钻穿越工艺，再依据水文地质资料及有关建（构）筑物安全间距的规定，确定合适的穿越曲线及穿越深度，待穿越实长确定后，进而计算钻机最大回拖力，并校核回拖、试压及运行等不同工况下的管道应力。
3）当穿越场所有如下任一情况时：
（1）设计地震动峰值加速度大于或等于0.1g；
（2）设计地震动参数下具有中等或严重液化趋势；
（3）竖向震陷。
应按《油气输送管道线路工程抗震技术规范》（GB50470-2017）的相关规定进行抗震应力校核。
参考文献
[1] 杨刚.油气管道定向穿越施工中钻杆的分析与应用研究[D].西安:西安石油大学，2014
[2] 陈继东.浅析油气输送管道水域非开挖穿越方案[J].石化技术，2018，(5):74
[3] 李德选，王雪强，王军卫，等.地质条件对定向钻穿越的影响与应对措施[J].油气储运，2012，31(3) :175-177
[4] 周海洋.关于出入土点高差较大的定向钻穿越方法探讨[J].化工管理，2014， (23) :156
[5] 周浩.“四接一”回拖法在大管径天然气管道定向钻穿越工程中的应用[J].城市建设理论研究，2014 ，4(36) : 9836-9838
[6] 张庆征,杜明.“三接一”在定向钻中的应用[J]. 油气田地面工程，2006，25(8) :67
[7] 杨先亢，遆仲森，马保松，等.水平定向钻管道穿越回拖力计算公式的比较分析[J].石油工程建设，2011，37(1) :1-4