王洪聚
华为海洋网络有限公司 天津市滨海新区开发区 300457
摘要：海上风电资源的能量效益比陆地风电高20%~40%。我国目前正处于海上风电开发建设的迅猛阶段。本文基于实际项目交付施工，对定向钻技术在海上风电工程中的应用进行分析，以供参考。
关键词：定向钻；海上风电；应用
引言
海上风力发电具有发电资源丰富、发电稳定、有效利用时间长、不占土地资源、靠近沿海用电中心、电网接入便利等诸多优势，大力发展海上风电已成为世界各国，特别是海洋国家的战略选择。欧洲多国已开发建设了多个大型海上风电场，我国也正处于海上风电开发建设的迅猛阶段。
定向钻（Horizontal Directional Drilling）技术，是一种易于操作、无需路面开挖的施工方法，广泛应用于地下管道、油气管道、电缆、通信光缆等的工程施工。其利用地面设备发动钻头施工，对周围环境影响小、破坏小且易恢复，特别是在不能实现露天开挖，或是挖掘代价非常昂贵的区域，比如在公路、机场、河流、航道、涵洞、著名景点等区域，定向钻技术经济效益很高。目前已有的定向钻施工记录最长距离在2000m以上，钻孔最大直径为1200mm。在某海上风电工程中，陆用220kV电缆自海登陆后沿着滨海大道北侧向西布置，电缆需水平穿越滨海大道粉煤灰路基以及滨海大道途经的涵洞底部，其中涵洞底部下方为碎石桩。在工程交付过程中采用了定向钻技术自海向陆敷设电缆。
1设计要点
在进行施工设计之前，针对定向钻施工区域，首先要掌握本工程电缆布放路径中的需要穿越养殖池、排水管线、涵洞等信息，以及途径滨海大道两侧的地勘等相关资料，并且要及时探测穿越路径其他可能存在的障碍物。然后根据相关资料设计管线路径，包括关键部位的埋深、转弯半径，以及各段的长度。
设计时，还要考虑工程的实际工况、后期施工过程中可能遇到的民生问题、安全问题，复审定向钻施工敷设电缆的方案，进行方案改进与确认；设计方案初步成型后，应与实际施工单位沟通，讨论后期具体施工中可能会存在其他问题，并继续改进方案。本工程采用定向钻技术进行施工时，根据以往电力工程经验、海缆外径以及施工便利等情况，选择的敷设管道外径为80cm。
2陆对海定向钻施工
2.1精确测量放线
按照设计图纸，使用GPS准确定位穿越施工的入土点和出土点，从而得到精确的穿越轴线，在放线阶段须严格控制测量放线精度，防止穿越轴线与设计轴线发生偏移误差。
2.2设备进场就位安装
在工程预算允许的前提下，尽量应选用大功率钻机，机器本身具有强大的抗扭矩力，可以有效地避免在遇到回填土或局部障碍时造成的卡钻现象的发生，并且大大地提高了该工段定向钻施工穿越的成功率。在遇到穿越障碍时可以改变曲线的曲率来绕过障碍物，顺利完成MPP管的敷设
2.3布置地面人工磁场辅助测量
定向钻控向的原理是在定向钻钻头后方，安装有地磁导向系统的探测器。探测器中包含有三轴重力加速度计和三轴微磁场计传感器，根据探测到的重力场和磁场在各个传感器中的分量，可以计算出钻头的姿态和朝向，然后由数据传输系统将这些信息传输至地面操作系统中。
在定向钻穿越导向孔钻进时，每钻进一根钻杆，测量一次钻头的倾角和方位角，根据这两个数据计算出“当前钻进”相对于“上一次钻进”的上下和左右偏差。由于地球磁场的微弱性和不稳定性，加速度计和磁力计采集的数据存在一定的波动和误差。通过在现场布置人工磁场，增加磁场强度和磁通量，可以有效提高加速度计、磁力计采集数据的准确性，从而提高定向钻控向的精度。
2.4严格控制导向孔按设计曲线钻进
在钻导向孔阶段，对每一测量点的控向数据采取不同工具面角进行实时测量。在每个测量点，通过旋转钻头，使工具面角分别在0°，90°，180°，270°和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，防止钻进曲线与设计曲线间产生偏移。通过在控制台不断调整钻进方向，进而完成整个导向孔钻进。
2.5导向孔阶段泥浆方案
钻进过程中，需要通过钻杆不断注入泥浆。泥浆的主要作用是护壁、排屑，防止钻屑床的产生。制作泥浆需要根据本项目的《岩土工程勘察报告》，来确定穿越曲线设计参数及现场实际土质情况，确定泥浆性能参数。为提高钻进效率，本工程泥浆的配置方案需将泥浆在钻头喷嘴处的粘度控制在40~50s，配方为水+(5-7)%膨润土，泥浆用量主要依据泥浆马达使用需求，使马达产生足够动力，泥浆流量为2000L/min，压力约为3~5MPa。
2.5覆盖层扩孔
待陆地岩石层导向钻进完成后，进行水中出土侧覆盖层的导向孔钻进。根据海上磁靶定位系统, 结合潜水员联合确认钻头位置，并将钻头从入土点抽回，更换为覆盖层正推筒板式扩孔器，进行覆盖层的正推扩孔。其中，海上磁靶定位系统的工作原理是：从已知点发射一个特定的磁场信号，由导向系统探测器接收这个信号，探测器根据接收到的信号方向和强度来确定自己与磁靶的相对空间位置，根据磁靶的位置计算出钻头的当前位置，通过连续的磁靶定位，可以精确确定钻头位置和深度。从陆向海定向钻施工，正推扩孔比回拉扩孔更安全，特别是入海区域，导向孔不易坍塌。
2.7扩孔施工与管道铺设
导向钻完成轨道施工后，应在轨道的基础上进行扩孔施工，此时应该将之前的钻头换成流线型的挤扩钻头来进行下一步的扩孔施工，当逐级扩孔回拉工作进行到最后一级时，钻头应与管道链接。在回拉扩孔的同时要把80cm管道牵引进入成型的孔道内，自海向陆回拉管道，直到管道拉出入土点。至此，滨海大道粉煤灰路基及涵洞底部管道敷设完成，可供电缆沿管道穿过。
结束语
随着海上风电工程建设高速发展，高压电缆自海登陆采用定向钻技术也会越来越普遍。本文可为海上风电工程设计单位、建设单位、施工单位及监管部门提供参考，对于推动我国推动海上风电工程高效施工、安全施工具有一定的参考价值及实践指导意义。
参考文献
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