提高長輸管道水平定向鉆控向精度技術(shù)

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(jìn)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(fù)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(diào)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(dǎo)致“撞管”事故，后果不堪設(shè)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(jī)、料、法、環(huán)、測（5M1E） 六個方面，篩選出導(dǎo)致HDD 施工中控向精度不準(zhǔn)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(fēng)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(jìn)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(nèi)對探測精度有影響，管徑4 in 管道在3 m 范圍內(nèi)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出項目業(yè)主要求的HDD 橫向精度±0.5 m。

3.2 外部隨機(jī)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(jī)干擾造成的[3]，通過監(jiān)測外部環(huán)境發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(jī)干擾因素，是獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的關(guān)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(shè)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(shù)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(shè)是否不準(zhǔn)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(nèi)），制定了相應(yīng)對策和方案。

4.1 采用新一代控向系統(tǒng)——Paratrack導(dǎo)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(jìn)，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(zhǔn)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(zhǔn)確地顯示和規(guī)劃鉆進(jìn)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(shè)備進(jìn)行精度模擬實驗。其中一組探棒A 已在施工中應(yīng)用過，另一組B 是全新探棒。驗證結(jié)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(yīng)用現(xiàn)場表明：采用Paratrack 技術(shù)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(shù)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(jìn)水鉆確認(rèn)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(dāng)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(shè)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(jī)理如圖5 所示。

圖5 水鉆工作機(jī)理

通過電機(jī)提供動力，將水箱內(nèi)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(dá)300 m/s。當(dāng)水流沖開地層達(dá)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(jìn)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(jìn)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(nèi)。

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(biāo)和高程進(jìn)行測量，在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)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(dāng)鉆頭偏離設(shè)計曲線時，司鉆調(diào)整鉆進(jìn)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(shè)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(biāo)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(yán)重事故的風(fēng)險。

圖6 地下線圈示意

圖7 陰保樁通電

應(yīng)用結(jié)果表明：采用水鉆進(jìn)行在役管道定位，可以準(zhǔn)確判定在役管道的位置和走向；結(jié)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(jìn)行。

圖8 在役管道及鉆頭相對位置

5 結(jié)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(nèi)HDD 安全施工，有效避免了因穿越精度低造成的“撞車”風(fēng)險和損失。同時，引進(jìn)了更新版本的控向系統(tǒng)，降低了導(dǎo)向孔穿越偏差，可為類似HDD 穿越項目提供借鑒和參考。