黃土塬單邊定向鉆穿越軌跡設(shè)計(jì)方法研究

王曉霖，李延金，孔令新，張建強(qiáng)

（中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院，河南濮陽(yáng) 457001）

黃土塬單邊定向鉆穿越軌跡設(shè)計(jì)方法研究

王曉霖，李延金，孔令新，張建強(qiáng)

（中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院，河南濮陽(yáng) 457001）

單邊定向鉆是黃土塬地區(qū)的一種新型管道穿越技術(shù)，具有穿越距離長(zhǎng)、高差大、施工效率高、坡體干擾小等優(yōu)點(diǎn)，適用于大型黃土沖溝、陡坎的一次性穿越。目前，國(guó)內(nèi)外缺乏單邊定向鉆的技術(shù)規(guī)范，設(shè)計(jì)施工以經(jīng)驗(yàn)為主。文章研究了單邊定向鉆穿越線路設(shè)計(jì)方法，建立直線穿越軌跡和弧線穿越軌跡的設(shè)計(jì)依據(jù)，并以榆濟(jì)管道為工程背景，介紹了單邊定向鉆穿越黃土沖溝的線路設(shè)計(jì)。研究成果不僅為榆濟(jì)管道沖溝穿越提供了技術(shù)依據(jù)和指導(dǎo)，也有助于單邊定向鉆技術(shù)的完善和推廣。

黃土塬；管道穿越；單邊定向鉆；軌跡設(shè)計(jì)

0 引言

隨著我國(guó)長(zhǎng)輸管道的快速發(fā)展，管道穿過黃土塬地區(qū)越來(lái)越多。黃土塬地區(qū)地形復(fù)雜，地面支離破碎，梁峁、沖溝遍布，次生災(zāi)害較多，給管道建設(shè)帶來(lái)巨大困難。特別是一些大型沖溝、高陡邊坡的穿越，成為管道工程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

傳統(tǒng)上，黃土塬地區(qū)管道采用明溝開挖的敷設(shè)方式，該方法土方量大，水土保持工程量大，不適用于高陡邊坡穿越。其次，應(yīng)用人工斜井可以實(shí)現(xiàn)黃土沖溝和土山穿越[1]，但斜井施工進(jìn)度慢、安全隱患大，受到人工作業(yè)和穿越距離的限制，僅適用中小型沖溝和陡坎穿越。

近年來(lái)，隨著定向鉆技術(shù)的發(fā)展和黃土塬管道穿越工程的增加，單邊定向鉆技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。作為水平定向鉆技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用，它采用定向鉆機(jī)在沖溝或坡體頂部，沿坡勢(shì)進(jìn)行單向鉆孔作業(yè)，成孔后在坡頂將管道送入孔中并溜至坡底，從而實(shí)現(xiàn)黃土沖溝、陡坎穿越[2]。單邊鉆穿越距離長(zhǎng)，穿越高差大，施工效率高，泥漿用量少，對(duì)坡體干擾小，對(duì)生態(tài)脆弱、水資源有限的黃土塬地區(qū)非常適用[3-4]。然而，作為一種新的擴(kuò)展方法，單邊定向鉆技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺乏，水平定向鉆的設(shè)計(jì)和作業(yè)方法難以滿足這種特殊的穿越方式。工程中，設(shè)計(jì)和施工多依靠經(jīng)驗(yàn)，難免出現(xiàn)各種問題，不當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)還可能引發(fā)施工事故甚至導(dǎo)致穿越失敗。因此，有必要研究針對(duì)單邊定向鉆的技術(shù)方法。本文以榆林—濟(jì)南天然氣輸送管道為工程背景，研究黃土塬單邊定向鉆穿越線路設(shè)計(jì)方法，為穿越工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 單邊定向鉆穿越方法

黃土塬地區(qū)地形地貌復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，并且黃土具有疏松性、濕陷性、直立性等特殊物性，在外界干擾條件下容易發(fā)生坍塌、滑坡等次生地質(zhì)災(zāi)害。因此，穿越設(shè)計(jì)必須首先考慮施工的可行性。尤其是要使用定向鉆機(jī)這種大型裝備，鉆機(jī)的通行和安裝需要滿足地形和地質(zhì)條件的要求。穿越線路設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮坡體自身穩(wěn)定性，并避開發(fā)育中的沖溝。穿越步驟如下：

（1）工程地質(zhì)勘察。確定坡體土質(zhì)特征和穩(wěn)定土層分布范圍，分析確定單邊定向鉆的可行性。根據(jù)地形條件，初步確定定向鉆入土點(diǎn)和出土點(diǎn)的位置，坡頂入土點(diǎn)滿足鉆機(jī)施工和預(yù)制管道的要求。為了保證施工作業(yè)安全，鉆機(jī)距離坡邊的安全距離應(yīng)在10 m以上[5]。

（2）單邊定向鉆線路軌跡設(shè)計(jì)。線路應(yīng)位于穩(wěn)定土層內(nèi)，埋深滿足管道設(shè)計(jì)要求，且坡頂入土角滿足鉆機(jī)參數(shù)要求。

（3）鉆孔施工作業(yè)。按設(shè)計(jì)軌跡鉆導(dǎo)向孔，按管道安裝要求擴(kuò)孔。鉆孔過程使用泥漿作循環(huán)液，防止因水侵蝕而發(fā)生鉆孔中濕陷、坍塌等次生災(zāi)害。

（4）管道安裝與孔洞回填。黃土塬地區(qū)受施工設(shè)備運(yùn)輸影響，可用挖掘機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)配合吊裝，采用整體或分段預(yù)制，探傷合格后實(shí)施溜管作業(yè)。出口用灰土分層夯實(shí)封堵，從入口灌注稠泥漿，灌注稠泥漿可分一次或幾次進(jìn)行直至灌滿。入口處用灰土分層夯實(shí)，并做水工保護(hù)處理。

2 穿越軌跡設(shè)計(jì)研究

2.1 穿越軌跡為直線

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，在初選的定向鉆入土點(diǎn)和出土點(diǎn)間作直線，如果該直線位于坡體穩(wěn)定土層以內(nèi)，管道達(dá)到設(shè)計(jì)埋深要求，線路傾角滿足鉆機(jī)作業(yè)參數(shù)，則該直線可以作為單邊定向鉆穿越線路軌跡。

以直線作為線路軌跡不僅便于設(shè)計(jì)，也降低了施工作業(yè)難度，因此，當(dāng)沖溝或陡坎地形、地質(zhì)條件較好時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先考慮采用直線穿越軌跡。

2.2 穿越軌跡為曲線

如果直線線路位于不穩(wěn)定土層內(nèi)，或者地形條件導(dǎo)致部分區(qū)域埋深達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，則應(yīng)采用曲線軌跡穿越以增加線路埋深。曲線穿越軌跡確定方法如下：

建立如圖1所示的單邊定向鉆穿越示意圖，圖1中虛線為沖溝或陡坎輪廓，曲線ABCDE為穿越線路軌跡。

式中S——施工時(shí)鉆機(jī)入土直線段長(zhǎng)度；

R、R′——分別為上、下部弧線曲率半徑；

h——線段AE與DC的距離。

單邊定向鉆成孔后，管道安裝通常采用從上向下溜管的方法，對(duì)于弧形線路，應(yīng)滿足管道彈性敷設(shè)要求，因此有R≥1 200 D、R′≥1 200 D（D為管道直徑）[6]。

按上述線路軌跡，則坡頂鉆機(jī)入土角θi和坡底出土角θe為：

上式即為弧形穿越軌跡極限長(zhǎng)度，其工程意義如下：

當(dāng)確定單邊定向鉆入土點(diǎn)A、出土點(diǎn)E和入土角后，如果兩點(diǎn)的距離LAE≥Lmin且線路埋深達(dá)到要求，則弧形線路軌跡設(shè)計(jì)可行；否則應(yīng)重新選擇入土角，并再次核算；如果入土角超過定向鉆機(jī)最大額定參數(shù)，則應(yīng)重新選取鉆機(jī)入土點(diǎn)，并按上述方法重新進(jìn)行線路軌跡設(shè)計(jì)。

當(dāng)S、R和R′選定后，即可根據(jù)上述方法確定單邊定向鉆弧形穿越軌跡。為了方便設(shè)計(jì)，可取R=R′=1 200 D。

3 設(shè)計(jì)案例

應(yīng)用上述方法，對(duì)榆濟(jì)輸氣管道大型沖溝穿越進(jìn)行單邊定向鉆方案設(shè)計(jì)。榆濟(jì)管道自西向東經(jīng)過毛烏素沙漠、黃土高原、呂梁山、太岳山、太行山和華北平原，全長(zhǎng)1 045 km，其中黃土塬地區(qū)長(zhǎng)為281 km，穿越大型黃土沖溝、陡坎20余次。

3.1 案例一：定向鉆線路軌跡為直線

榆濟(jì)管道第三標(biāo)段穿越黃土沖溝，陡坎坡度15°～35°、坡高86 m，上覆第四系風(fēng)積層和沖洪積層黃土。陡坎兩側(cè)沖溝發(fā)育，明溝大開挖施工難度大，設(shè)計(jì)采用單邊定向鉆穿越。由于坡體土質(zhì)穩(wěn)定性較好，設(shè)計(jì)最小穿越埋深3 m。根據(jù)地形條件和施工要求，確定坡頂穿越起點(diǎn)和坡底終點(diǎn)位置，起點(diǎn)里程1+644 km，終點(diǎn)里程1+901 km。在起點(diǎn)和終點(diǎn)間的連接直線上，線路各點(diǎn)均達(dá)到設(shè)計(jì)埋深要求，以該直線做為單邊定向鉆線路軌跡，穿越長(zhǎng)度為175 m，入土角為27°59′。根據(jù)上述方案，完成該陡坎單邊定向鉆線路設(shè)計(jì)，如圖2所示。

3.2 案例二：定向鉆線路軌跡為弧線

榆濟(jì)管道第六標(biāo)段穿越黃土梁，縱向呈階梯狀下降，臺(tái)階坡高3～5 m，臺(tái)階坡角多數(shù)大于60°，部分近于直立。上覆馬蘭黃土，覆層厚度大于50 m。明溝大開挖土方量巨大，工程量大，周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)采用單邊定向鉆穿越。坡體土質(zhì)穩(wěn)定性較好，設(shè)計(jì)最小穿越埋深3 m。根據(jù)地形條件和施工要求，初步確定坡頂穿越起點(diǎn)和坡底終點(diǎn)位置，起點(diǎn)里程7+305 km，終點(diǎn)里程7+591 km。在起點(diǎn)和終點(diǎn)間的連接直線上，線路上多處高出坡體地表，最大高于地表2.3 m，顯然不能實(shí)現(xiàn)直線軌跡要求，因此改為弧形穿越軌跡，如圖3所示。

在起點(diǎn)和終點(diǎn)間作直線，有LAE=198 m，根據(jù)不同入土角計(jì)算Lmin和h，線路最小埋深要求為：h-2.3≥3 m，計(jì)算結(jié)果列于表1中。由表1可知：

（1）當(dāng)入土角小于26.25°時(shí)，線路埋深均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

（2）當(dāng)入土角等于26.25°時(shí)，Lmin＜LAE且最小埋深滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）當(dāng)入土角大于等于26.25°時(shí)，線路埋深達(dá)到要求，但是Lmin＞LAE，無(wú)法成弧。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，確定單邊定向鉆的入土角為26.25°，線路長(zhǎng)198 m，中部直線段4.7 m。

表1 案例二的計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)黃土塬單邊定向鉆穿越，提出了線路軌跡的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先考慮直線穿越軌跡，以降低設(shè)計(jì)施工難度；當(dāng)?shù)匦螐?fù)雜或管道埋深達(dá)不到要求時(shí)，應(yīng)采用曲線穿越軌跡。建立曲線穿越軌跡的計(jì)算方法，并根據(jù)管道彈性敷設(shè)要求，提出曲線軌跡極限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。應(yīng)用本文方法完成的榆濟(jì)管道黃土塬單邊定向鉆穿越軌跡設(shè)計(jì)案例，為穿越工程的設(shè)計(jì)和施工提供了依據(jù)和指導(dǎo)。

單邊定向鉆穿越距離長(zhǎng)、高差大、施工效率高、對(duì)坡體干擾小，對(duì)于黃土塬地區(qū)大型沖溝和陡坎穿越具有顯著優(yōu)勢(shì)。建議盡快制訂和完善相關(guān)技術(shù)規(guī)范，確保設(shè)計(jì)施工安全可靠，以便于單邊定向鉆技術(shù)的推廣應(yīng)用。

[1]梁國(guó)儉.黃土塬地區(qū)管道施工方法——斜井穿越法[J].石油工程建設(shè)，2007,33（3）:23-25.

[2]吳勇.一種實(shí)用的黃土塬地帶管道施工方法[J].石油工程建設(shè)，2008,34（4）:40-41.

[3]孟強(qiáng)，崔建洋，譚利軍，等.單邊定向鉆用于沖溝、陡坡管道穿越施工有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境[J].石油工程建設(shè)，2010,36（3）:69-70.

[4]張海燕，馬霖，楊輝榮，等.定向鉆斜井在蘭鄭長(zhǎng)管道施工中的應(yīng)用[J].石油化工建設(shè)，2009,35（5）:71-74.

[5]趙文明，侯學(xué)瑞，周西順.單邊定向鉆在大型黃土沖溝管道施工中的應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，2008,34（1）:62-63.

[6]GB 50423-2007，油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Design of Drill Path for Pipeline Crossing Loess Gully with Single-sided Directional Drilling

WANG Xiao-lin（Zhongyuan Engineering Company of Zhongyuan Oilfield，Puyang 457001， China）,LI Yan-jing,KONG Ling-xin,et al.

Single-sided directional drilling （SDD） is employed as a new method for pipeline crossing loess gullies in recent years,which has practically proved to be feasible for large gully and steep slope crossings for its obvious advantages in crossing distance,crossing height,construction efficiency and slope stability.Because there is no reliable guideline or standard for it,SDD is almost designed and constructed by experience.This paper introduces a method for bore planning of SDD crossing in which bore plannings of linear drill path and curve drill path are designed respectively.Finally,two typical cases of pipeline crossing loess gullies in Yulin-Jinan Gas Pipeline Project are designed and constructed with proposed method.The drill path designs give the effective guideline for gully crossing construction in Yulin-Jinan Gas Pipeline.Moreover,it could also help to improve and extend the technology of SDD.

loess plateau;pipeline crossing;single-sided directional drilling;design of drill path

TE973.4

A

1001－2206（2011）05－0001－03

中國(guó)博士后基金資助 （20100471012）

王曉霖 （1977-），男，河南南陽(yáng)人，博士，2009年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué) （北京）油氣工程力學(xué)專業(yè)，主要從事油氣工程建設(shè)方面的研究工作。

2011-02-25