西氣東輸二線涇河定向鉆對(duì)穿工程的設(shè)計(jì)與施工

曾志華，蘇衛(wèi)鋒，錢 峰，楊 威

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

西氣東輸二線涇河定向鉆對(duì)穿工程的設(shè)計(jì)與施工

曾志華，蘇衛(wèi)鋒，錢 峰，楊 威

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

西氣東輸二線工程陜西涇陽縣涇河穿越是國內(nèi)首條已完工管徑最大的管道長距離定向鉆對(duì)穿工程,穿越全長1 040 m，并行穿越D 1 219 mm×27.5 mm主管和D 114 mm×6.5 mm光纜套管兩條管道，該工程地質(zhì)復(fù)雜、施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。穿越地層主要為卵石層、粉砂層和粉質(zhì)黏土層，采用大開挖深基坑埋管+長距離夯套管+定向鉆對(duì)穿的組合穿越施工方案，施工中進(jìn)行了多種技術(shù)創(chuàng)新，為國內(nèi)外類似管徑定向鉆穿越工程設(shè)計(jì)和施工提供了借鑒。

定向鉆對(duì)穿；夯套管；基坑埋管

1 工程概況

涇陽涇河穿越工程是西氣東輸二線東段中衛(wèi)—棗陽段控制性工程之一，位于陜西省涇陽縣境內(nèi)，穿越曲線布置見圖1。

穿越處地區(qū)等級(jí)為三級(jí)，穿越場區(qū)為沖積平原地貌，河兩岸相對(duì)較開闊，河道寬約320 m，設(shè)計(jì)洪水水位為405.11m，設(shè)計(jì)流速為3.13 m/s，設(shè)計(jì)沖刷深度為6.44 m。穿越地層主要為卵礫石層、粉砂層和粉質(zhì)黏土層。其中卵礫石顆粒形狀以亞圓形為主，骨架顆粒粒徑20～150mm，含量60%～80%。

穿越工程等級(jí)為大型，并行穿越2條管道，分別為輸氣管道D 1 219 mm×27.5 mm和硅管套管D 114 mm×6.4 mm，間距為15 m，輸氣管道設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，擬采用大開挖深基坑埋管+長距離夯套管+定向鉆對(duì)穿組合穿越方式，東岸穿越入土角9°6′，西岸入土角9°，定向鉆穿越水平長度為1 037 m，實(shí)際長度為1 040 m。

2 定向鉆穿越設(shè)計(jì)要點(diǎn)

定向鉆穿越必須克服河兩岸厚4~18 m的卵礫石層，且保證管道最小埋深應(yīng)大于設(shè)計(jì)洪水位沖刷線以下6 m。穿越設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

（1）河床下穿越水平直線段選擇在硬塑性高的粉質(zhì)黏土和粉砂層。

（2）兩岸導(dǎo)向孔起始段采取鋼套管隔離穿過卵石圓礫層。其中主管道穿越采用D 2 000 mm鋼套管，硅管套管穿越采用D 508 mm鋼套管。

（3）選擇西 （南）岸為主穿越場地，布設(shè)HK-250型鉆機(jī)，東 （北）作為輔助穿越場地，布設(shè)DD-140B型鉆機(jī)，兩臺(tái)鉆機(jī)從兩岸同時(shí)開鉆，河床中間對(duì)接；先進(jìn)行光纜套管穿越，然后再進(jìn)行主管穿越。

（4） 為了盡可能保證鉆孔順暢，避免穿越角度過大產(chǎn)生管道回拖塌孔，減少回拖時(shí)孔壁對(duì)管道的摩阻力，穿越曲線力求平緩順直，穿越入土角選擇9°左右。

（5） 兩岸基坑均設(shè)置在水位線之上，減少施工排水的困難，東岸入土側(cè)開挖基坑深度7 m，埋設(shè)套管長度77 m；西岸入土側(cè)開挖基坑深度5 m，埋設(shè)套管長度58 m。兩岸采取開挖基坑鋪設(shè)套管的長度為135 m，夯套管總長147 m。

3 定向鉆穿越施工主要過程及難點(diǎn)處理措施

由于穿越管道管徑太大，穿越地層變化頻繁，穿越距離大于1 000 m，且缺乏類似管徑定向鉆施工經(jīng)驗(yàn)，施工時(shí)遇到了許多問題，經(jīng)不斷摸索、嘗試、組織各方專家研討，及時(shí)解決了難題。下面介紹施工主要過程及難點(diǎn)處理措施。

3.1 測(cè)量及磁場布線

施工場地以及中心線附近全部是果樹，視覺效果很差，測(cè)量放線難度很大，因此采用衛(wèi)星定位進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量。

根據(jù)定向鉆對(duì)穿的需要，磁場線須從河?xùn)|岸沿河道布設(shè)到河西岸，磁場覆蓋整個(gè)穿越地段，為保證磁場線不被洪水沖走，在河流中間加樁固定，確保磁場線位置和對(duì)接的精確性。

3.2 夯套管

國內(nèi)目前用于D 2 000 mm以上鋼套管的夯管設(shè)備的夯管長度還沒有超過100 m的，為了盡可能地減少夯套管長度，地下水位以上粉土段和部分卵礫石層采用大開挖深基坑，然后在基坑底開始夯套管通過卵礫石層，夯至粉質(zhì)黏土層為止，最后預(yù)埋鋼套管，回填基坑至自然地面。整個(gè)夯套管長度控制在70~75 m施工能力所允許的范圍內(nèi)。套管前端采用喇叭口形式，以防止發(fā)生卷邊及回拖過程中套管口卡住回拖管。圖2為現(xiàn)場夯管照片。

3.3 光纜管施工

光纜管導(dǎo)向孔鉆進(jìn)中，HK-250主鉆機(jī)采用D 168mm （65/8 in）鉆桿，輔助鉆機(jī)采用D 127 mm（5 in）鉆桿，均采用D 245 mm （9 5/8 in）鉆頭。在鉆進(jìn)至130m左右時(shí)，推力增大至25kN，行走速度緩慢，地錨后移；在鉆進(jìn)至150m時(shí)鉆進(jìn)受阻，傾角無法調(diào)節(jié)，經(jīng)現(xiàn)場技術(shù)討論后，將鉆頭拔出，更換成泥漿馬達(dá)，然后繼續(xù)鉆進(jìn)，效果良好。于2010年5月16日導(dǎo)向孔對(duì)接成功，5月18日光纜管回拖成功，光纜管的成功回拖給主管穿越提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)涇河穿越的地質(zhì)情況有了更進(jìn)一步的了解。

3.4 主管導(dǎo)向孔鉆進(jìn)

在兩岸套管內(nèi)下中心定位器，以保證導(dǎo)向孔的位置處于套管的正中心。在具備主管穿越的條件后，開始主管導(dǎo)向孔鉆進(jìn)，將剛出套管進(jìn)入粉質(zhì)黏土的第一根鉆桿導(dǎo)向孔的傾角抬高1.5°，這樣可以減小回拖時(shí)卡套管的風(fēng)險(xiǎn)。由于借鑒了光纜管導(dǎo)向孔穿越的經(jīng)驗(yàn)，主管導(dǎo)向孔鉆進(jìn)順利，兩臺(tái)鉆機(jī)相互協(xié)調(diào)工作進(jìn)行雙向?qū)蚩椎膶?duì)接。于2010年6月6日主管導(dǎo)向孔對(duì)接成功。

對(duì)接成功后，輔助鉆機(jī)逐步回退鉆桿，同時(shí)，主鉆機(jī)一邊采集輔助鉆機(jī)信號(hào)，一邊利用采集的信號(hào)控制鉆進(jìn)方向，使之逐步向輔助鉆機(jī)已形成的導(dǎo)向孔平緩趨進(jìn)，直至沿導(dǎo)向孔出土，完成整個(gè)導(dǎo)向孔的穿越。

3.5 擴(kuò)孔、洗孔作業(yè)

考慮主管管徑和穿越地層特點(diǎn)，分五級(jí)擴(kuò)孔，孔徑分別為 762 mm （30 in）、 914 mm （36 in）、1 067 mm （42 in）、1 321 mm （52 in）、 1 524 mm（60 in）。由于穿越距離較長，鉆機(jī)空載扭矩較大，而鉆桿允許扭矩有限，為了提高擴(kuò)孔效率，增大擴(kuò)孔扭矩，采用雙鉆機(jī)同步多級(jí)擴(kuò)孔的施工工藝。

（1）一級(jí)D 762 mm擴(kuò)孔。使用擴(kuò)孔器組合為D 762 mm擴(kuò)孔器 +D 610 mm（24 in）桶式擴(kuò)孔器，在擴(kuò)至150 m處時(shí)，扭矩?cái)[動(dòng)突然變大，進(jìn)尺緩慢，最慢的一根鉆桿耗時(shí)268 min，在擴(kuò)至220 m時(shí)恢復(fù)正常，一級(jí)擴(kuò)孔繼續(xù)進(jìn)行。在擴(kuò)至780 m時(shí)，扭矩再次增大，頻繁出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，推測(cè)鉆具出現(xiàn)泥抱鉆現(xiàn)象，擴(kuò)孔單根時(shí)間達(dá)到360 min。經(jīng)過10 d時(shí)間，一級(jí)擴(kuò)孔終于完成，出土擴(kuò)孔器全部被黏泥包死，大大削弱了它的切削能力。

（2）二級(jí)D 914 mm擴(kuò)孔。使用擴(kuò)孔器組合為D 610 mm扶正器+D 914 mm刀板式擴(kuò)孔器。在擴(kuò)至720 m時(shí)，擴(kuò)孔進(jìn)尺緩慢，頻繁出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，回推受阻，最后采取出土點(diǎn)鉆機(jī)反回拖，將擴(kuò)孔器拉出，經(jīng)過洗孔后重新擴(kuò)孔才順利進(jìn)行。

（3）三級(jí)D 1067mm擴(kuò)孔。擴(kuò)孔前進(jìn)行了一次洗孔，采用D 762mm扶正器+D 1067mm刀板式擴(kuò)孔器組合。借鑒前兩級(jí)擴(kuò)孔的經(jīng)驗(yàn)，此次擴(kuò)孔進(jìn)展順利。

（4）四級(jí)D 1 321 mm擴(kuò)孔。鑒于擴(kuò)孔扭矩較大導(dǎo)致HK-250鉆機(jī)總是出現(xiàn)故障，為了確保施工的順利進(jìn)行，將HK-250鉆機(jī)換成DD-1330鉆機(jī)，開始四級(jí)擴(kuò)孔，擴(kuò)孔器組合為D 889 mm（35 in）桶式擴(kuò)孔器+D 1 312 mm刀板式擴(kuò)孔器，經(jīng)過5 d時(shí)間完成四級(jí)擴(kuò)孔。

（5）五級(jí)D 1 524 mm擴(kuò)孔。由于扭矩比較大，擴(kuò)孔前進(jìn)行了一次D 1 067 mm桶式擴(kuò)孔器洗孔，然后進(jìn)行五級(jí)擴(kuò)孔，擴(kuò)孔器組合為D1194mm （47in）扶正器+D 1 524 mm刀板式擴(kuò)孔器，經(jīng)過4 d時(shí)間完成最后一級(jí)擴(kuò)孔。

3.6 主管回拖

為了確?；赝弦淮纬晒Γ诨赝锨安捎肞E管注水降??；為了減小回拖風(fēng)險(xiǎn)，回拖前采用1 524 mm桶式擴(kuò)孔器進(jìn)行了兩次洗孔，盡可能減少孔洞內(nèi)的鉆屑，減小回拖阻力?；赝蠒r(shí)采用1 372 mm （54 in）桶式擴(kuò)孔器+500 t萬向節(jié)+回拖管道，以滾輪架方式進(jìn)行發(fā)送。使用吊管機(jī)對(duì)管道的方向進(jìn)行調(diào)整，并使用認(rèn)孔器，保證回拖管與套管的中心線和角度保持一致，最終使管道順利入洞；調(diào)運(yùn)大型推管機(jī)到?jīng)芎蝇F(xiàn)場，在回拖受阻時(shí)進(jìn)行推管作業(yè)，在回拖前先將地錨下好，并將設(shè)備調(diào)試到位備用。

4 穿越技術(shù)創(chuàng)新

（1）首次嘗試使用大直徑168 mm鉆桿鉆導(dǎo)向孔。

（2）調(diào)整了泥漿配方，添加銨鹽來降低濾失量、調(diào)整流變性，添加有機(jī)潤滑劑保護(hù)鉆屑，解決“泥抱鉆”問題。

（3）制作了特定的修孔器，擴(kuò)孔完成后，從入土點(diǎn)往出土點(diǎn)方向?qū)θ胪炼颂坠芘c粉質(zhì)黏土接口附近反復(fù)進(jìn)行修孔作業(yè)，減小回拖風(fēng)險(xiǎn)。

（4）管道回拖受阻時(shí)，首次使用推管機(jī)來幫助管道回拖，為大管徑的定向鉆穿越回拖提供了一種新的施工方式。

5 結(jié)束語

涇河穿越工程設(shè)計(jì)上選擇了合理的方案、合理的穿越角度和地層，確定了大開挖深基坑埋管+長距離夯套管+定向鉆對(duì)穿組合穿越方案；施工中進(jìn)行了多種技術(shù)創(chuàng)新，解決了D 1 219 mm大管徑鋼管定向鉆穿越高硬塑性的粉質(zhì)黏土層擴(kuò)孔時(shí)卡鉆、抱鉆及管道回拖卡管等各種問題，對(duì)擴(kuò)孔器進(jìn)行了優(yōu)化組合。該工程于2010年5月10日開鉆，8月7日一次回拖成功。其順利完工表明國內(nèi)定向鉆穿越技術(shù)又得到了大跨步提升，同時(shí)也為國內(nèi)外類似管徑定向鉆穿越工程的設(shè)計(jì)和施工提供了借鑒。

[1]賈偉波.定向鉆對(duì)穿與夯管技術(shù)的綜合應(yīng)用[J].建筑機(jī)械化，2009，29（9）：57-66.

[2]屠言輝，苗冀清，徐樹楓，水平定向鉆穿越中的對(duì)接技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2011，（5）：26-30.

Design and Construction of Jing River Horizontal Opposite-directional Drilling Crossing Project of Second West to East Gas Pipeline

ZENG Zhi-hua（China Petroleum Pipeline Engineering Corporation， Langfang 065000,China）,SU Weifeng,QIAN Feng,et al.

The Jing River crossing in Jingyang County as a bottleneck engineering of the Second West to East Gas Pipeline Project is the completed long-distance horizontal opposite-directional drilling crossing with the biggest pipeline diameter in China,which has the overall length of 1 040 m and two parallel crossing steel pipelines,namely a main D 1 219 mm×27.5 mm gas pipeline and a D 114 mm×6.5 mm optical fiber cable casing.The crossing engineering encountered the complex geological layers of pebble,sand and powdery clay.The combinatorial construction scheme,i.e.large excavation of deep foundation pit for burying pipeline+long-distance temping casing+horizontal opposite-directional drilling crossing,was adopted,and many technical innovations were made.This HHD crossing engineering provides reference for design and construction of similar projects at home and abroad.

horizontal opposite-directional drilling crossing;tamping casing;pit for burying pipeline

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.013

曾志華 （1979-）,男，江西樂安人，工程師，2006年畢業(yè)于中國石油大學(xué) （北京）巖土工程專業(yè)，現(xiàn)從事油氣管道線路及穿跨越工程設(shè)計(jì)、咨詢工作。

2010-11-16；

2011-12-09