深圳市坂瀾大道天然氣高壓管線定向穿越工程

上海煤氣第二管線工程有限公司 王可棟 張樂珍

深圳市坂瀾大道天然氣高壓管線定向穿越工程

上海煤氣第二管線工程有限公司 王可棟 張樂珍

文章介紹了上海煤氣第二管線工程有限公司利用定向穿越技術(shù)在深圳西氣東輸工程中進(jìn)行高壓天然氣管道穿越的過程。

定向鉆 穿越 導(dǎo)向 泥漿 回拖

0 工程概況

深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)(中段)工程——坂瀾大道(環(huán)觀南路-機(jī)荷高速)3004號(hào)樁至3005號(hào)樁定向穿越工程，施工地點(diǎn)位于深圳市寶安區(qū)環(huán)觀南路與坂瀾大道交界處，此工程穿越坂瀾大道，起點(diǎn)樁號(hào)3004，向南敷設(shè)穿越坂瀾大道至樁號(hào)3005。

本段高壓管線采用L450(X65)，D813×19.1 mm直縫雙面埋弧焊接鋼管，穿越水平長(zhǎng)度435 m，曲線長(zhǎng)度444 m，設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa。光纜套管穿越長(zhǎng)度同主管線，管徑D114×6.3 mm無縫鋼管，與主管道同溝回拖。

根據(jù)本段工程相關(guān)設(shè)計(jì)資料、相關(guān)施工及驗(yàn)收規(guī)范，入土點(diǎn)選在3004號(hào)樁位置，入土角8°，高程87.57 m；出土點(diǎn)選在3005號(hào)樁位置，出土角5°，高程61.10 m。

根據(jù)深圳市市政設(shè)計(jì)研究院地勘結(jié)果，本工程依次穿越松填土層、素填土層、中風(fēng)化粗?；◢弾r層、粉質(zhì)粘土層。

1 設(shè)備機(jī)具

1.1 回拖力計(jì)算

因穿越管段在回拖過程中的受力非常復(fù)雜，所以很難建立起與實(shí)際工況非常吻合的并具有普遍適用性的力學(xué)模型，在實(shí)際工程中回拖力的計(jì)算大多采用經(jīng)驗(yàn)公式，目前常用的有三種計(jì)算方法：卸荷拱土壓力計(jì)算法、凈浮力計(jì)算法和絞盤計(jì)算法。根據(jù)本工程地質(zhì)條件，采用卸荷拱土壓力計(jì)算法進(jìn)行回拖力計(jì)算。

卸荷拱土壓力計(jì)算法的基本思路是：穿越管段在回拖中同時(shí)受到孔道上方塌落土的壓力和孔底支撐力的作用，管段本身的重量全部由孔底承擔(dān)(不考慮浮力作用)；孔道力上方塌落土的壓力根據(jù)穿越地層天然卸荷拱土壓力的高度進(jìn)行計(jì)算。管道穿越處土壤卸荷拱如圖1所示。

圖1 管道穿越處土壤卸荷拱示意

鋼管單位長(zhǎng)度的自重計(jì)算公式：

式中：P0—單位長(zhǎng)度穿越管段重量，kN/m；

D—鋼管的公稱外徑，mm；

S—鋼管的公稱壁厚，mm。

穿越管段的最大回拖力計(jì)算公式：

式中：Tmax—穿越管段的最大回拖力，kN；

p—單位長(zhǎng)度穿越管段所受的土壓力，kN/m；

ka—主動(dòng)土壓力系數(shù)，一般取0.3；

P0—單位長(zhǎng)度穿越管段重量，kN/m；

fe—管壁和孔壁之間的摩擦系數(shù)(無量綱，一般取 0.2～0.3)，與孔壁土質(zhì)、泥漿性能、管段外表面結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向孔曲線、擴(kuò)孔質(zhì)量有關(guān)，由施工單位根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定；

L—穿越管段長(zhǎng)度，m。

其中單位長(zhǎng)度穿越管段所受的土壓力p由垂直土壓力ph與側(cè)向土壓力pv組成，p=pv+ph(pv垂直土壓力；Ph測(cè)向土壓力)。

孔道上方天然卸荷拱的高度h：

式中：Pv—單位長(zhǎng)度穿越管段所受的垂直土壓力，kN/m；

re—穿越地層土的容重，kN/m3；

D0—穿越管段外徑，m；

De—最大擴(kuò)孔直徑，m；

h—穿越孔道上方天然卸荷拱的高度，m；fkp—穿越土層的堅(jiān)實(shí)系數(shù)；

λ—穿越孔壁的穩(wěn)定系數(shù)(無量綱)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取30～40；

φ—穿越地層土的內(nèi)摩擦角，一般，砂層為30°～40°，粘土層為15°～25°；

根據(jù)朗肯土壓力理論，單位長(zhǎng)度穿越管段在回拖時(shí)所受的側(cè)向土壓力ph可按公式(5)計(jì)算：

根據(jù)以上各式，計(jì)算本次穿越回拖力理論最大值Tmax=1 084 kN(約110.6 t)。

1.2 鉆機(jī)選型

鉆機(jī)的選型按照回拖力理論計(jì)算值的1.5～3倍來選用，兼顧考慮回拖過程中如因卡鉆需要向管道中注水等其他因素，回拖力要保有一定余量。本次工程選用黃海機(jī)械廠FDP245非開挖鉆機(jī)(最大回拖力250 t)。

鉆機(jī)型號(hào)確定后，通過管線允許拉力與鉆機(jī)回拖力的比較進(jìn)行安全校核，即管線安全回拖需滿足：p定向鉆

表1 X65鋼的力學(xué)性能

2 管材焊接及防腐

管道選用直縫雙面埋弧焊接鋼管(UOE)，材質(zhì)為L(zhǎng)450(X65)，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)為《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件第2部分：B級(jí)鋼管》(GB/T 9711.2—99)。

壁厚：穿越管道設(shè)計(jì)規(guī)范中沒有關(guān)于鋼管徑向穩(wěn)定性的計(jì)算方法，現(xiàn)有的埋地管道徑向穩(wěn)定性的計(jì)算方法不適用于定向鉆穿越。由于設(shè)計(jì)規(guī)范的不完善，設(shè)計(jì)過程中沒有對(duì)管道徑向穩(wěn)定性進(jìn)行核算，會(huì)導(dǎo)致壁厚選取偏薄即回拖過程中發(fā)生管道徑向變形。

對(duì)于達(dá)到8 MPa、10 MPa、12MPa，甚至壓力更大的長(zhǎng)輸管道，根據(jù)設(shè)計(jì)壓力和鋼管的允許應(yīng)力計(jì)算出的壁厚就會(huì)很大，也滿足管道徑向穩(wěn)定性的要求，一般在回拖中不會(huì)發(fā)生徑向變形。本工程設(shè)計(jì)壓力為4 MPa，考慮到以往類似工程(設(shè)計(jì)壓力4.5MPa)發(fā)生過徑向變形事故，本工程壁厚按照設(shè)計(jì)壓力6.0 MPa進(jìn)行計(jì)算，取壁厚19.1 mm，在管道回拖后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量橢圓度，結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)。

管道焊接采用手工電弧焊打底，半自動(dòng)焊填充、蓋帽方法，焊接方式為下向焊。執(zhí)行《深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)工程焊接工藝規(guī)程》同時(shí)滿足《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》(SY/T 4103—2006)的規(guī)定；根焊采用AWS A5.1 E6010直徑4.0纖維素焊條，填充、蓋帽焊采用AWS A5.29 E71T8-Ni1直徑2.0藥芯焊絲。焊縫100%超聲探傷，符合《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測(cè)》(SY/T 4109—2005)I級(jí)合格；焊縫100%射線拍片，符合《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測(cè)》(SY/T 4109—2005)II級(jí)合格。

管道主體外防腐全部采用擠壓三層聚乙烯防腐，等級(jí)為加強(qiáng)級(jí)，符合《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(SY 0413—2002)，補(bǔ)口采用搭接式輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶(本工程采用美國(guó)瑞侃RayChem品牌熱縮套)，底漆為配套無溶劑環(huán)氧涂料，符合《輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶》(SY/T 4054—2003)要求。

3 施工方案

3.1 進(jìn)度安排

本工程計(jì)劃工期30天。

(1)前期準(zhǔn)備工作、設(shè)備進(jìn)場(chǎng)等3天；

(2)設(shè)備安裝調(diào)試1天；

(3)分級(jí)擴(kuò)孔、清孔20天；

(4)拖管1天；

(5)設(shè)備退場(chǎng)及現(xiàn)場(chǎng)清理。

3.2 施工工藝流程

施工工藝流程見圖2。

圖2 施工工程流程

3.3 施工準(zhǔn)備

踏勘現(xiàn)場(chǎng)并復(fù)測(cè)入土點(diǎn)、出土點(diǎn)標(biāo)高和水平距離，對(duì)穿越現(xiàn)場(chǎng)周圍建筑物、地形地貌、道路情況、水源等進(jìn)行調(diào)查，對(duì)布置鉆機(jī)等設(shè)備場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)量放線；查明地下設(shè)施及構(gòu)筑物的情況，與權(quán)屬單位溝通，編制交叉施工方案；檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)水源的水量及水質(zhì)情況；用GPS定位儀將設(shè)備精確定位于穿越基線上，根據(jù)管材、鉆桿的曲率半徑，場(chǎng)地、地質(zhì)情況及設(shè)計(jì)要求，制定出鉆進(jìn)軌跡，確定出入土點(diǎn)、出入土傾角、坡向、曲率等技術(shù)指標(biāo)，作出定向鉆進(jìn)的軌跡圖。

4 泥漿工藝

控制好泥漿配比、泥漿量、泥漿壓力是能否順利施工的關(guān)鍵因素，由于穿越經(jīng)過地層不同，為了保證孔壁穩(wěn)定、連續(xù)帶出泥砂巖屑，必須根據(jù)不同土質(zhì)改變泥漿配比、泥漿排量、泥漿壓力，在施工過程中我們主要有以下控制原則：

(1)導(dǎo)向造斜段：泥漿的流動(dòng)性能要好，結(jié)構(gòu)性要強(qiáng)，保證巖屑攜帶和孔眼清潔，控制泥漿的失水，防止粘土的水化膨脹。

(2)導(dǎo)向水平段：要及時(shí)調(diào)解處理劑劑量，在泥漿的性能調(diào)整上要大大地增強(qiáng)其抑制性，嚴(yán)格控制泥漿的失水量，防止粘土的水化膨脹，防塌、防卡；適當(dāng)降低粘度的切力，提高泥漿的助變性和流動(dòng)性，保持巖屑順利返出地面；保證泥漿的潤(rùn)滑性，減少鉆具阻力。

(3)擴(kuò)孔：增強(qiáng)泥漿的造壁性，防止孔壁塌方，防止縮徑。預(yù)擴(kuò)孔階段要求泥漿具有很好的護(hù)壁效果，提高泥漿攜帶能力。

(4)回拖：提高泥漿的潤(rùn)滑性，保證降低摩阻，增強(qiáng)攜巖效果，嚴(yán)格防止鉆屑床的形成，防塌、防卡。

(5)在整個(gè)鉆進(jìn)過程中，應(yīng)做好通訊聯(lián)絡(luò)，使關(guān)鍵人員在整個(gè)過程中均處于受控狀態(tài)，及時(shí)準(zhǔn)確得處理施工問題，確保定向穿越一次成功。

漿液配制：本工程漿液主要成分為水、膨潤(rùn)土、純堿、高粘土、石墨粉及其他聚合物。根據(jù)不同地質(zhì)控制粘度(馬氏漏斗粘度s)，砂層、砂礫石層條件下粘度控制在45～55 s；粘土層條件下粘度控制在35～40 s；卵礫石層條件下粘度控制在70～90 s。pH控制在8～9，pH值影響造漿速度、造漿量，當(dāng)pH值不合適時(shí)，膨潤(rùn)土?xí)呐錆{水中析出。

漿液用量：導(dǎo)向時(shí)泥漿用量相對(duì)較少，擴(kuò)孔或回拖時(shí)由于鉆孔直徑較大，所需泥漿量相對(duì)較多?？筛鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)公式Q=(D2/13)K×104初步計(jì)算每分鐘泥漿用量，實(shí)際應(yīng)用時(shí)參考理論值放大，其中Q表示泥漿用量(L/m)，D表示鉆頭直徑(m)，粘土中K取2～3，砂石地質(zhì)條件中K取4～5。

回流漿液的處理：回流漿液的處理方法一般有稀釋排放法、脫水法、回填法、固化法等。本工程在入土點(diǎn)開挖10 m×10 m×3 m排漿池，在出土點(diǎn)開挖10 m×10 m×2 m排漿池，泥漿通過排漿池收集，經(jīng)沉淀處理再經(jīng)過泥漿回收系統(tǒng)(過濾)回收使用，沒法處理的泥漿用罐車外運(yùn)，防止泥漿四溢，污染環(huán)境。

5 導(dǎo)向

導(dǎo)向孔施工是穿越工程的控制性施工工序，本工程采用165型牙輪鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，司鉆手嚴(yán)格按照D300×500司鉆操作規(guī)程進(jìn)行操作，密切觀察各儀表的讀數(shù)變化，充分掌握地下鉆進(jìn)情況，隨時(shí)做好鉆進(jìn)參數(shù)調(diào)整；定向手嚴(yán)格按照定向操作，密切觀察定位儀讀數(shù)，及時(shí)將必要的信息反饋給司鉆手，密切配合司鉆手做好鉆進(jìn)工作；泥漿工觀察泥漿返出情況，以便準(zhǔn)確判斷鉆進(jìn)過程中的地質(zhì)情況，以此決策鉆進(jìn)漿配比及供給，確保鉆導(dǎo)向孔一次成功，具體導(dǎo)向記錄見表3。

表3 導(dǎo)向鉆進(jìn)記錄

控向技術(shù)設(shè)備采用英國(guó)DCI公司生產(chǎn)的DIGITARK定向系統(tǒng)，該定位儀可通過坡度、鐘點(diǎn)數(shù)、埋深及三點(diǎn)一線技術(shù)，能夠確保鉆孔軌跡達(dá)到設(shè)計(jì)求，縱向偏差不大于1 m；橫向偏差不大于2 m；以上措施能夠確保導(dǎo)向孔不會(huì)呈“S”形。

6 擴(kuò)孔

本工程將導(dǎo)向孔孔徑擴(kuò)大至所鋪設(shè)的管徑1.3～1.5倍，以滿足穿越土層及擬拖管道的要求。鋪設(shè)外徑D927mm(主管D813 mm+光纜管D114)的鋼管，需要經(jīng)過：D450 mm、D550 mm、D650 mm、D750 mm、D850 mm、D950 mm、D1 050 mm、D1 150 mm、D1 250 mm、D1 350 mm10次預(yù)擴(kuò)孔及D1 200 mm清孔。

7 回拖

本工程回拖采用“二接一”方式，回拖2根長(zhǎng)度為222 m的鋼管?；赝锨皽?zhǔn)備及過程如下：

(1)導(dǎo)向孔鉆進(jìn)完成進(jìn)行擴(kuò)孔工作同時(shí)完成回拖管道的擺管，鋪墊，加固及沿線的防護(hù)工作。由于此次穿越適宜開挖漂浮溝，在管道入土點(diǎn)挖發(fā)送浮溝，溝內(nèi)加注泥漿，以防防腐層被破壞；

(2)回拖前仔細(xì)檢查擴(kuò)孔器噴嘴暢通，備4臺(tái)挖機(jī)及1臺(tái)80 t汽車吊供回拖時(shí)擺管及組對(duì)管道；

(3)回拖前檢查發(fā)電機(jī)及照明設(shè)備、焊機(jī)、焊材等是否能正常使用，確認(rèn)相關(guān)人員到場(chǎng)及相關(guān)工序符合要求；

(4)擴(kuò)孔完成后，裝上擴(kuò)孔器、萬向旋轉(zhuǎn)接頭、“U”型環(huán)，將D1 100 mm的擴(kuò)孔器與D927 mm(主管D813 mm+光纜管D114 mm)的鋼管用分動(dòng)器連接，然后管線檢查合格后，用起重機(jī)將回拖管道角度與定向鉆出土點(diǎn)角度順直，同時(shí)鋼管下墊上袋裝膨潤(rùn)土，以防防腐層被破壞，在鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)牽引下，拖入已成形的軌跡孔洞；

(5)預(yù)擴(kuò)孔的鉆桿倒運(yùn)：按穿越長(zhǎng)度及預(yù)擴(kuò)孔次數(shù)倒運(yùn)鉆桿；

(6)在拖管前檢查拖管頭要焊接牢固，并經(jīng)檢驗(yàn)確認(rèn)無缺陷；尤其檢查光纜套管是否牢固焊接在拖管頭上；

(7)拖管前要對(duì)管線進(jìn)行全面檢查確保防腐層無損；

(8)拖管過程中，要指派防腐專業(yè)人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤監(jiān)測(cè)，如有劃傷，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)防腐，確保鋼管防腐層不被破壞；

(9)拖管過程中回拖速度控制均勻。

2010年10月3日上午6:00管線與鉆桿連接完畢，8:00點(diǎn)開始回拖，10:30開始“二接一”組對(duì)、焊接、無損檢測(cè)、防腐，16:40開始回拖第二根管至20:30回拖全部結(jié)束，全過程比較順利共耗時(shí)14 h30 min。此次穿越回拖過程中泥漿最大流量800 L/min，泥漿最大壓力3 MPa，實(shí)際最大回拖力82 t。

8 結(jié)束語

此次坂瀾大道定向穿越是我公司第一次在深圳市進(jìn)行高壓燃?xì)夤艿来┰?，它的順利完成為組織后續(xù)大型定向鉆施工奠定了基礎(chǔ)，我公司正積極總結(jié)本次穿越經(jīng)驗(yàn)，爭(zhēng)取在深圳西氣東輸二線工程中發(fā)揮更大作用。

High Pressure Natural Gas Pipeline Directional Drilling Project at Banlan Avenue Shenzhen

Shanghai Gas No.2 Pipelines Engineering Co., Ltd. Wang Kedong Zhang Lezhen

This paper introduces that Shanghai Gas No.2 Pipelines Engineering Co., Ltd. utilize directional drilling technology in high pressure natural gas pipeline traverse construction process in Shenzhen West-East gas transmission project.

directional drilling, traverse, orientation, slurry, pullback