摘 要：阐述沁阳—济源煤层气输气管道工程的工程概况、沁河的工程地质条件，分析定向钻穿越的施工工艺难点、工艺流程、主要施工设备，研究了定向钻穿越卵石层和双钻机钻导向孔并对接的施工工艺。
关键词：定向钻； 卵石层； 套管隔离； 导向对接
1、概述
沁阳—济源煤层气输气管道工程，是河南省“十二五”能源规划确定的重点工程。定向钻穿越是20世纪70年代初在应用垂直钻井中定向钻穿越技术基础上发展起来的。该方法具有以下优点：对河流航运没有干扰，对生态、环保的影响较小；简便、易行，施工时较少受恶劣天气的影响，不受施工季节选择的限制。定向钻穿越河流时，一般埋深在河床下7～8 m，地层内部的氧单质及其他腐蚀性物质很少，所以起到天然防腐和保温的功用。沁阳—济
源煤层气输气管道沁河定向钻穿越工程于2012年11月20日开工，2013年1月26日顺利完成回拖，历时68天。项目在工期紧、气温低的条件下顺利完成了沁河穿越。
2、工程概况
沁阳—济源煤层气输气管道沁河定向钻穿越工程位于济源市五龙口镇留村西南约1km处，沁河河宽约350m，水面宽约120m，河道中心有宽约30m浅滩。沁河穿越场地位于该管道高压段，管道公称直径为300mm。定向钻的钻孔长度为748m，设计穿越深度为32m。穿越场地地面标高相差较大，局部因人工采石，河流原有结构遭到破坏。
3、工程地质条件
管道穿越的地层自上而下分为5个工程地质层：
①耕土层：褐色、褐黄色，主要有粉砂、粉质粘土组成。层底埋深0～4m，厚度0～0.5m：
②粉砂层：褐黄色，松散，土质均匀，夹薄层粉质粘土。层底埋深1～2m，厚度0.6～2m：
③卵石夹粗砂层：卵石粒径2～375px，偶见漂石，空隙填充砾砂，卵石成分多为砂岩、灰岩及少量岩浆岩。层底埋深4.5～12m，厚度3.5～11m；
④卵石层：灰色，卵石主要成分为砂岩、灰岩，卵石粒径5～375px，空隙填充砾砂，偶见漂石。卵石含量占卵石、砾砂和漂石全重的60％～85％，层底埋深15.6～25.6m，厚度3.6～7.7m；
⑤粉质粘土层：灰黄色，可塑性强，可见铁锰质氧化物，含灰色条带及棕黄色斑块，局部含有砂质。厚度7.4～18.4m，钻探深度范围内未穿透该层。
场地主要含水层为卵石夹粗砂层及卵石层，地下水类型属潜水。
4、工艺存在的难点
一般认为定向钻机适宜穿越的地质为粘土、亚粘土、粉砂和中砂层，不适宜穿越岩石层、流沙层、砾石层和卵石层。该项目在出、入土侧附近遇到卵石层，在施工过程中要重视对大粒径卵石层进行有效破碎或采取套管保护等控制措施。下套管的方式对定向钻控向技术的精度要求较高。该项目穿越距离长达748m，如果采用传统水平定向钻施工，钻导向孔时方向控制非常困难，而导向孔与设计穿越曲线是否重合是管道最后能否成功回拖的重要因素。该项目施工的难点在于穿越管段两侧共计225m的隔离卵石用的Ø1016×8套管夯入，以及套管夯入后的导向对接作业。其中，导向对接作业属于国内定向钻行业技术含量最高的作业之一。
5、施工方法
5.1 施工工艺流程
根据穿越地勘断面报告，穿越管道公称直径300mm，定向钻钻孔长度748m。入土侧、出土侧均采用Ø1016×8套管将粉砂、粗砂、卵石层隔离。入土侧卵石底层深度约17m，入土侧方向与水平向呈10°，套管夯入105m。出土侧由于卵石深度为23.6m，出土角定为12°，套管夯入120m。套管每段长12m，夯完一段焊接下一段。套管施工结束，在套管内安置Ø273×9中心导向套管，入土侧安放一台主钻机，出土点投入一台副钻机。入土侧和出土侧的导向钻头沿套管内安置的中心导向套管行进，进行导向孔导向交会对接施工作业。导向钻头在导向对接器的监控下，主钻机和副钻机的导向钻头交会，副钻机钻头抽回，主钻机钻头跟进直至出土，完成导向施工，再利用扩孔器(见图1)进行逐级扩孔，最后进行管道回拖，完成穿越敷设管道作业。
本工程采用导向对接定向钻工艺技术，施工工艺流程见图2。
5.2 主要施工设备
①主钻机
德国海瑞克250t水平定向钻机一台，作为主钻机(见图3)，用于导向、扩孔和管道回拖。
②副钻机
北京土行孙120t钻机一台，作为副钻机(见图4)，用于配合下套管和导向对接。
③导向对接器
美国英洛克172(INROCK Para Track 2)地磁导向对接器(见图5)，用于导向钻钻进过程中轨迹的检测与导向。
兰州盛达3HS-250型泥浆泵，泥浆排量2500L/min，最高工作压力25 MPa，用于确保整个施工过程有足够可靠的泥浆。
⑤夯管锤
德国TRACTO-TECHNIK TF2000型气动夯管锤，用于夯入套管，与卵石层隔离。
5.3 关键技术
①夯入套管
本项目需要用套管隔离卵石层的总长度为225m，套管安装采用的夯管锤，比文献中长春一吉林输油管道定向钻穿越松花江工程中所使用的德国TRACTO-TECHNIK TT600型夯管锤更为先进。气动夯管是一种常规的非开挖施工技术，本项目采用大吨位气动夯管锤将套管沿一定角度顶进，将卵石层隔离，人工把套管内的卵石取出，成功完成了卵石层的定向钻穿越。
②钻导向孔和导向对接
钻导向孔是定向钻穿越施工过程中重点控制的关键作业，导向孔质量直接影响钻机回拖时回拖扭矩与拉力的大小。因此，导向孔与设计穿越曲线是否重合关系到管道能否成功回拖。本项目采用双钻机对接施工，即钻导向孔时同时使用两台钻机，入土点安装主钻机，出土点安装副钻机，丽台钻机同时按设计穿越曲线相对进行导向孔施工。副钻机首先将导向钻头钻入对接区，主钻机再把导向孔钻到对接区，由主钻机对接测控，准确找到副钻机导向钻头，当两台钻机的钻头钻至预先设定的对接范围内时，由主钻机的探头感应到副钻机钻头的旋转磁铁发出的磁信号后，两台钻机协调操作，完成导向孔导向交会对接施工作业(见图6)。导向钻头交会后，副钻机匀速回抽钻杆，主钻机根据感应的磁信号沿副钻机的导向孔方位同步匀速钻进，直至两个钻机的穿越曲线完全重合，从而较精确完成导向孔施工。
本项目在钻导向孔和导向对接施工过程的关键在于下列三个方面：
a．使用的美国英洛克P2地磁导向对接器系统抗干扰能力很强，系统对轨迹的检测与导向钻进同时进行，达到了导向与检测同时进行的目的，这样就能准确控制轨迹，为导向对接创造条件。
b．在导向对接测控过程中，钻头测控并减小偏差是很严谨的操作过程，在导向过程中，要进行外加场强全程测控，在已完成的导向轨迹中，可以撤除外加磁场，但在对接区布置的磁场，应保持在对接的全过程，以保证对接全过程测控。
c．一般大型水平定向钻穿越中通常采用的是地磁有线控向方式，即利用磁感应探头接收地球磁场后产生电信号经处理后输入电脑中，再由操作人员根据电脑中的反馈数据进行钻头的方向控制。而采用对接穿越技术进行导向孔施工时，使用人工敷设电缆产生的磁场取代地球磁场来控制导向孔钻进，因此抗周边磁场干扰的能力明显增强，提高了施工精度。
③管道扩孔及回拖
扩孔采用2级扩孔，最终的扩孔直径为560mm，然后进行洗孔作业。管道回拖时采用主钻机进行回拖作业。回拖过程中，拉力一直控制在400～500kN，经过5.5h，顺利完成了回拖作业。
6、结语
施工前进行了缜密的勘察设计以及完全满足施工需要的各种配套机械设备的及时调运，施工过程中投入了足够的膨润土、泥浆添加剂，并对难点关键工序进行了重点作业，在工期紧、气温低的严寒条件下，顺利地完成了沁河定向钻穿越工程，它的成功穿越标志着定向钻穿越不良地层又有新的突破，解决了工程施工中的难题，这对于以后其他管道定向钻穿越的设计和施工具有一定的借鉴意义。
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