提高長輸管道水平定向鉆控向精度技術

張自力，馮成功，甄文選，劉彥輝，張曉偉，高云龍，劉 雷

1.中國石油管道局工程有限公司東南亞項目經(jīng)理部，河北廊坊 065000

2.中油管道物資裝備有限公司，河北廊坊 065000

1 工程概況

泰國某項目新建管道以更換部分在役輸氣管道，并采用不停輸封堵的方式與老管道進行連接，項目分為Section1 和Section2 兩部分，全長約15 km，主要工作為水平定向鉆穿越（HDD），穿越共計11 條，總長9.6 km。Section1 沿線與在役泰國3 號輸氣管道（埋地） 以及EGAT 230 kV高壓線并行，Section2 與在役泰國1 號輸氣管道（埋地） 并行。項目施工環(huán)境較為復雜。

2 水平定向鉆穿越（HDD）問題

在役管道實際沿線位置與圖紙上的曲線數(shù)據(jù)有偏差，直接影響新建穿越管道與在役管道最近距離的計算，如表1 所示。

表1 穿越位置與在役管道最近距離

由于此管道處于商業(yè)繁華、人口稠密的區(qū)域，且泰國土地私有，用大開挖方式施工需要大量的征地協(xié)調工作以及高額賠償費用，因此最佳方式為HDD，但該項目大部分區(qū)域地下埋有多條在役管道，對HDD 控向精度能力要求高，控向偏差大可能導致“撞管”事故，后果不堪設想。項目業(yè)主要求HDD 橫向精度偏差為±0.5 m，已超出常規(guī)HDD施工精度要求。

3 影響HDD精度的主要原因分析

從人、機、料、法、環(huán)、測（5M1E） 六個方面，篩選出導致HDD 施工中控向精度不準確的主要因素有以下三個[1]。

3.1 鄰近在役管道的電磁干擾

由于新建管道穿越位置與在役管道最小距離只有2 m，對施工來講，不僅安全風險很高，而且在役管道屬于鋼制管道，會影響探測精度[2]。為了探測在役管道對檢測精度的影響，進行了現(xiàn)場模擬實驗，驗證現(xiàn)有系統(tǒng)對外界電磁干擾的抗干擾性。首先利用現(xiàn)有穿越系統(tǒng)，用鋼套管模擬外界干擾，先后在探頭附近放置管徑分別為1 in、4 in （1 in=25.4 mm） 的鋼管，檢驗對探測器的干擾（在無干擾的情況下，讀取探測器讀數(shù)為：方位角212.6°，引力角91.7°）。鋼管在不同距離處對探測精度的干擾數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 鄰近在役管道距離對探測精度的干擾數(shù)據(jù)

從表2 可以看出，探測精度會受到鄰近在役管道的影響，方位角會發(fā)生不同程度的偏移，管徑越大影響越大。管徑1 in 管道在2 m 范圍內對探測精度有影響，管徑4 in 管道在3 m 范圍內對探測精度有影響，而在役管道管徑為28 in 和36 in，對探測精度影響范圍更大，遠遠超出項目業(yè)主要求的HDD 橫向精度±0.5 m。

3.2 外部隨機干擾

在現(xiàn)場檢查過程中發(fā)現(xiàn)，探測儀的數(shù)據(jù)在某些情況下會突然發(fā)生變化，其變化程度偏離了正常值。經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)異常多是由于外界隨機干擾造成的[3]，通過監(jiān)測外部環(huán)境發(fā)現(xiàn)，當外界有重型車輛經(jīng)過或電壓不穩(wěn)時，便容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)波動。因此，如何處理好外部隨機干擾因素，是獲得準確數(shù)據(jù)的關鍵。

3.3 數(shù)據(jù)處理手段

在數(shù)據(jù)測量時發(fā)現(xiàn)：在測量同一點的五組數(shù)中，假設實際位置點為0，采集圍繞0 點位置的波動數(shù)據(jù)，若有異常點，會出現(xiàn)如圖1 所示偏差，此時系統(tǒng)會自動將異常數(shù)據(jù)剔除。但在外界有干擾的情況下，所有數(shù)據(jù)（包括異常點） 會出現(xiàn)如圖2所示偏差，在此情況下會干擾控向人員判斷。

圖1 數(shù)據(jù)采集（剔除異常點）

圖2 數(shù)據(jù)采集（保留所有點）

除此之外，技術人員還分析了其他可能影響因素，如鉆鋌是否被磁化、雷雨天氣是否影響定位精度、GPS 測量儀器精度是否不足、人工磁場布設是否不準確等，問題都被一一排除。

4 解決方案的制定和實施

通過參考借鑒泰國PTT-NS 項目經(jīng)驗（該項目共計65 條定向鉆，出土點橫向偏差均有效地控制在±0.5 m 以內），制定了相應對策和方案。

4.1 采用新一代控向系統(tǒng)——Paratrack導向系統(tǒng)

選用新一代的控向系統(tǒng)——Paratrack 系統(tǒng)，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式較為先進，數(shù)據(jù)分析模塊采用時域及頻域分析，降低了干擾信號，同時配合使用人工磁場布置，大大提高了數(shù)據(jù)處理準確性和數(shù)據(jù)采集速率。此外，該系統(tǒng)另有直接測量成像工具，增加了許多視覺功能，可以更準確地顯示和規(guī)劃鉆進路徑曲線。

為驗證Paratrack 系統(tǒng)精度，采用了兩套相同規(guī)格的穿越設備進行精度模擬實驗。其中一組探棒A 已在施工中應用過，另一組B 是全新探棒。驗證結果表明，地磁場環(huán)境下相對誤差都不超過0.5 m；若在人工磁場環(huán)境下二者的偏差不超過0.2 m，如圖3 所示。

圖3 模擬實驗及偏差

另外，在定向鉆所需定位線圈選擇上直接選用了交流線圈，有效抑制了干擾[4]，線圈定位偏差如圖4 所示，偏差基本控制在0.1 m。

應用現(xiàn)場表明：采用Paratrack 技術以及交流線圈，成功將HDD 施工控向偏差降低到了±0.2 m，滿足項目技術規(guī)范要求。

圖4 交流線圈定位偏差

4.2 探測在役管道與鉆頭的實時相對位置

4.2.1 引進水鉆確認管道位置

水鉆定位的工作原理是借助水的動能破開土壤，當水流撞擊到在役管道時，可以通過測定回聲確定管道位置。水鉆探測法具有定位精度高、設備體積小、使用靈活、工期短、費用低、對交通及居民生活無干擾等特點，最深可測得地面以下17 m的管道[5]。

水鉆定位工作機理如圖5 所示。

圖5 水鉆工作機理

通過電機提供動力，將水箱內的水泵出并加壓至金屬探管中（管徑有兩種：0.5 in 和4 in），探管前端有篩狀堵頭，布滿2 ～3 mm 直徑的小孔，在壓力作用下，水速可達300 m/s。當水流沖開地層達到管道位置處時，水流沖擊管道的聲音會通過金屬管傳遞回來，此時即可判定管道位置。然后通過GPS（RTK） 進行地面高程測量，減去深入地下管道的長度，即可算出埋地管道的具體位置。通過引進水鉆，完成了在役管道位置的地上探測，精度偏差在0.1 m 以內。

4.2.2 采用地下線圈實時探測在役管道與鉆頭之間的相對位置

一般情況下，都是在管道穿越曲線的頂部布置人工磁場線圈對線圈的坐標和高程進行測量，在導向孔鉆進時，通過探頭接收地面線圈的磁信號，通過系統(tǒng)軟件分析計算出鉆頭的位置，當鉆頭偏離設計曲線時，司鉆調整鉆進角度，以實現(xiàn)精確控向的目的。

在施工過程中，人工磁場產(chǎn)生的電磁場同樣會受到在役管道的干擾，可采用給在役管道通電的方式布設新的磁場（如圖6 所示）。與地表線圈形成的磁場相比，鉆頭與新磁場的距離更近，精度會更高[4]。因此通過陰保樁對在役管道通電（如圖7 所示），形成一條埋地的人工磁場，利用前期測得的在役管道坐標信息，作為地下線圈的參數(shù)輸入，確定了鉆頭與在役管道的相對位置，確定了鉆頭位置，降低了穿越偏差甚至“撞管”等嚴重事故的風險。

圖6 地下線圈示意

圖7 陰保樁通電

應用結果表明：采用水鉆進行在役管道定位，可以準確判定在役管道的位置和走向；結合地下人工磁場的采用，在穿越過程中隨時觀察鉆頭與在役管道的相對位置（如圖8 所示），保證了穿越安全順利進行。

圖8 在役管道及鉆頭相對位置

5 結束語

針對影響HDD 精度的主要因素所采取的對策保證了在狹小地域內HDD 安全施工，有效避免了因穿越精度低造成的“撞車”風險和損失。同時，引進了更新版本的控向系統(tǒng)，降低了導向孔穿越偏差，可為類似HDD 穿越項目提供借鑒和參考。