水平定向鉆在崖城13-1高欄支線管道中的應(yīng)用

王 猛 孫國民

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451

0 前言

水平定向鉆(Horizontal Directional Drilling,HDD)是一種非開挖施工技術(shù),在不開挖地表?xiàng)l件下,經(jīng)過導(dǎo)向鉆孔、擴(kuò)孔和回拖等工序,進(jìn)行管纜穿越鋪設(shè)。美國在1971年首次將水平定向鉆用于管道穿越Rajaro河,為管道鋪設(shè)提供一種新方法。隨著鉆井技術(shù)、探測和導(dǎo)向技術(shù)的發(fā)展,水平定向鉆技術(shù)得以進(jìn)一步發(fā)展,并廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)油氣管道、電纜、光纜、陸上油氣和海洋油氣管道鋪設(shè)施工中。2003年，Hubline天然氣管道分四次穿越波士頓海灣;2013年，Petronas公司在Ketapang項(xiàng)目12″(1″=25.4 mm)氣管道實(shí)施海對海水平定向鉆,穿越已建的18″管道;2014年，MobileBay管道更換,在Mobile灣淺海穿越[1]。國內(nèi)在1985年首次實(shí)施管道黃河穿越施工。相比國外,國內(nèi)水平定向鉆技術(shù)應(yīng)用于海底管道工程較少。2004年,甬滬寧管道定向鉆穿越一處陡峭海坡,穿越長度1 800 m[1]。外釣-冊子管道定向鉆工程穿越長度達(dá)2 350 m[2-3]。

本文對崖城13-1高欄支線管道陸對海定向鉆穿越進(jìn)行研究,提出了一種適用陸上鉆進(jìn)、海上回拖的海底管道登岸穿越方案。并對復(fù)雜地層穿越路由選取、回拖力計(jì)算、入土點(diǎn)固定、鋪管船就位位置、出土點(diǎn)后管道穩(wěn)定性、出土點(diǎn)懸跨等關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究。

1 地形和地質(zhì)條件

崖城13-1高欄支線管道定向鉆穿越位置位于珠海市金灣區(qū)高欄島。高欄島登岸地質(zhì)為風(fēng)化巖?；鶐r地層延伸至海底。海底土壤從上至下依次為淤泥、粉質(zhì)黏土、夾雜貝殼的黏土和基巖。在海岸線和波浪破碎區(qū)存在大量礫石,但只存在于地表。管道穿越線路應(yīng)選擇在穩(wěn)定地層,如中低風(fēng)化巖、黏土層等。入土點(diǎn)處于52 m高程位置,管道與處理廠陸地管道對接。出土點(diǎn)的初步選擇應(yīng)考慮選擇在鋪管船可進(jìn)行鋪管作業(yè)的水深位置前一段距離內(nèi)。

根據(jù)初步確定的入土點(diǎn)和出土點(diǎn),從圖1穿越地形與地質(zhì)圖可以看出,管道穿越兩類地層,即巖石和黏土。結(jié)合土壤取樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,水平樁號0～640段地層為花崗巖層,但巖層風(fēng)化程度不同。樁號640～860段,上部淤泥質(zhì)黏土層,厚6.1～7.5 m,呈流塑狀,高壓縮性,滲透性微弱;其下為粉砂層,厚5～6 m,結(jié)構(gòu)中密狀;中部為黏土層,可塑狀為主,局部呈流塑狀,厚3～9 m;中砂層厚3～5 m,結(jié)構(gòu)稍密至中密狀,滲透性較強(qiáng);管道需在淤泥質(zhì)黏土、粉砂、黏土、中砂層中穿越。

圖1 穿越地形與地質(zhì)圖Fig.1 HDD topographic-geological map

各穿越段地層可行性評估分析和解決措施見表1。其中,孔壁穩(wěn)定性[4-6]和管道足夠埋深[7-8]是確保定向鉆可行性[9]的最重要問題。

表1 路由穿越地層評估表

2 穿越路由

確定穿越路由需考慮以下因素:地形和地質(zhì)條件、與陸地管道界面、與海底管道鋪設(shè)界面、管道路權(quán)范圍等。第1節(jié)已對地形和地質(zhì)條件進(jìn)行了分析,確定了管道穿越地層,不再贅述。入土點(diǎn)應(yīng)考慮與陸地管道界面,通過在入土點(diǎn)后采用彎頭拐平與陸地管道連接,連接點(diǎn)位置設(shè)置絕緣接頭。出土點(diǎn)位置應(yīng)位于已經(jīng)申請的海底管道路權(quán)邊界內(nèi)。由于鉆機(jī)場地位置的限制,鉆機(jī)無法布置在海底管道路由軸線方向,需要采用兩次彈性鋪設(shè)將路由調(diào)整至路由邊界內(nèi)。第一次彈性鋪設(shè)在出土點(diǎn)前通過定向鉆鋪設(shè),彈性鋪設(shè)的彎曲半徑應(yīng)符合GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱GB 50423—2013)[10]要求;第二次彈性鋪設(shè)通過鋪管船完成,彈性鋪設(shè)的彎曲半徑應(yīng)保證管道受土壤阻力與彎曲回彈力的平衡,按式(1)[11]計(jì)算：

H≤R(μWs+FR)

(1)

式中:H為管道所受水平張力,kN;μ為海床摩擦系數(shù);Ws為管道水下重,kN/m;FR為被動土壤力,kN/m。保守考慮,忽略FR的影響,經(jīng)過計(jì)算半徑R取1 300 m。

綜合以上因素,穿越路由如下:入土點(diǎn)高程 52.15 m,入土角18°;出土點(diǎn)海床高程-10.79 m,出土角6°;最低點(diǎn)水平段管底高程-40.0 m;管頂距海床最小埋深14.5 m;彈性鋪設(shè)半徑為1 500倍管道外徑915 m;總穿越長度872.1 m。穿越路由見圖2～3,分段數(shù)據(jù)見表2。

圖2 水平定向鉆路由平面圖Fig.2 HDD route plan

圖3 水平定向鉆路由斷面圖Fig.3 HDD Route Vertical Profile

表2 水平定向鉆穿越路由分段數(shù)據(jù)表

3 穿越方案

陸地水平定向鉆施工主要包括導(dǎo)向鉆孔、擴(kuò)孔及管道回拖三個(gè)階段。根據(jù)穿越地質(zhì)條件和成孔情況,可能還需要洗孔,以確?？妆诒M量光滑,避免回拖過程中孔壁劃傷管道。如果穿越距離超過2 000 m,在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)階段,需要采用導(dǎo)向孔對接技術(shù)。

與陸上穿越不同,陸海水平定向鉆需綜合考慮定向鉆穿越施工和海底管道施工,包括確定導(dǎo)向鉆進(jìn)方向、擴(kuò)孔方向、與海底管道鋪管連接、出土點(diǎn)管道后保護(hù)問題等。對于陸海穿越,存在兩種方向的穿越方案。

崖城項(xiàng)目管道如采用海對陸穿越,需要增加鉆機(jī)平臺,且高欄島近岸海況較惡劣,一年重現(xiàn)期波高3.6 m,底流速度1.06 m/s,波流載荷較大影響平臺穩(wěn)定性。完成穿越后,還需移除鉆機(jī)平臺,鋪管船就位并回收管道,繼續(xù)海底管道鋪設(shè)。如采用陸對海穿越,在陸地布置鉆機(jī)場地,完成導(dǎo)向鉆孔、擴(kuò)孔后,鋪管船就位預(yù)制管道,并將管道回拖至陸地后,繼續(xù)完成后續(xù)管道鋪設(shè)。因此本項(xiàng)目采用陸對海方案優(yōu)點(diǎn)明顯。此外,根據(jù)本文第1節(jié)中分析,巖石段鉆進(jìn)和擴(kuò)孔的速度較慢;黏土段鉆孔速度較快,可考慮管道回拖和擴(kuò)孔同步完成。為減少鋪管船待機(jī)時(shí)間,在巖石段完成擴(kuò)孔后,黏土段進(jìn)行導(dǎo)向鉆孔,同時(shí)鋪管船就位預(yù)制管道,將鉆頭打撈至船舶作業(yè)線,進(jìn)行管道回拖。穿越分步程序如下。

1)巖石段導(dǎo)向鉆孔。鉆機(jī)組裝調(diào)試、泥漿系統(tǒng)安裝、鉆具連接等各項(xiàng)準(zhǔn)備工作就緒后,鉆機(jī)從陸地向海上鉆導(dǎo)向孔,將巖石段鉆通。

2)巖石段正向擴(kuò)孔。管道鋼管外徑610 mm,穿越段無混凝土配重層。按GB 50424—2015《油氣管道穿越工程施工規(guī)范》[12],擴(kuò)孔直徑應(yīng)為1.5倍管徑即900 mm。由于巖石硬度較高,采用三級擴(kuò)孔。

3)鋪管船就位。船艉作業(yè)線方向與預(yù)定穿越路由一致。

4)將剩余淤泥段鉆孔,并打撈導(dǎo)向鉆頭至鋪管船。管道預(yù)制并連接管道起始封頭和擴(kuò)孔頭。

5)陸上鉆機(jī)牽拉擴(kuò)孔頭及管道至陸上入土點(diǎn)?；赝吓c鋪管船的管道焊接作業(yè)同步進(jìn)行。淤泥段不單獨(dú)擴(kuò)孔,利用擴(kuò)孔頭在回拖過程中擴(kuò)孔。船舶拋錨固定后,回拖過程中完全依靠陸上鉆機(jī)拖拉完成。

船舶就位時(shí)間是保證管道安全回拖的重要因素。這是由于黏土層導(dǎo)向鉆孔時(shí)間較短,如果黏土層鉆通后長時(shí)間內(nèi)鋪管船不能就位,存在抱鉆風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際施工過程中,由于天氣原因,黏土層鉆通后等待4 d,鋪管船仍不能就位,為避免鉆桿被抱,先將鉆頭和鉆桿回收。待船舶就位后,又重新進(jìn)行黏土層導(dǎo)向鉆孔。

4 鋪管船就位位置

鋪管船就位位置應(yīng)考慮其作業(yè)的最小水深和S-lay鋪設(shè)所需懸鏈線長度,該長度為出土點(diǎn)至船舶作業(yè)線的距離,需根據(jù)管道尺寸、水深和鋪管船鋪設(shè)能力確定。此外,當(dāng)需要考慮棄管回收工況時(shí),預(yù)留的懸鏈線長度還應(yīng)保證在船舶的移動時(shí),孔內(nèi)管道不會被拖出出土點(diǎn)。本項(xiàng)目出土點(diǎn)水深約為10 m,使用OFFPIPE軟件[13]計(jì)算,管道鋪設(shè)的懸鏈線長度247.77 m,著泥點(diǎn)至出土點(diǎn)長度為54.86 m,見圖4。

圖4 S-lay鋪設(shè)長度圖Fig.4 S-lay laying pipeline length

5 回拖力計(jì)算

回拖力評估受許多變量的影響,包括管道屬性、擴(kuò)徑尺寸、鉆孔穩(wěn)定性、巖屑去除、土壤性質(zhì)、鉆井液性質(zhì)以及浮力控制措施的有效性。這些變量與具體的場地條件和承包商的施工程序也相關(guān)?，F(xiàn)有的理論計(jì)算方法中,評估這些變量需要有充足的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)。GB 50423—2013[10]和美國天然氣協(xié)會(AGA)的《定向鉆設(shè)計(jì)指南》[14]給出了兩種回拖力計(jì)算模型。

GB 50423—2013中的回拖力計(jì)算考慮管道受摩擦力和土壤粘滯力,但不考慮管道彎曲影響,計(jì)算見式(2)：

(2)

式中:FL為計(jì)算回拖力,kN;L為管道長度,m;μsoil為管道與孔壁的摩擦系數(shù);D為管道外徑,m;γm為泥漿重度,kN/m3;Wst為鋼管重,kN/m;Wf為回拖管道單位長度配重,kN/m;K為粘滯系數(shù),kN/m2,規(guī)范建議值為0.18 kN/m2。計(jì)算的回拖力還需考慮1.5～3倍的安全系數(shù)。

AGA《定向鉆設(shè)計(jì)指南》中回拖力的計(jì)算模型考慮管道受孔壁摩擦力、重力分量和泥漿拖曳阻力。計(jì)算回拖力需將管道考慮為一系列直線和曲線段,依次從管道一側(cè)分解到鉆機(jī)一側(cè),以確定每個(gè)節(jié)段末端的拉力。每一段的初始拉力等于前一段最后的拉力?？偦赝狭Φ扔诖┰骄€路中每個(gè)直線段和曲線段回拖力的和。

直線段管道兩端受拉力按式(3)計(jì)算：

T2-T1=|F|+TD±WsLsinθ

(3)

式中:F為摩擦力,F=μsoilWsLcosθ,kN;μsoil為管道與孔壁的摩擦系數(shù);TD為泥漿流體拖曳力,TD=πDL μmud,kN;μmud為泥漿流體阻力系數(shù),kN/m2；Ws為考慮泥漿浮力后管道重,kN/m;L為管道長度,m;θ為管道傾斜角,°;D為管道外徑,m。

彎曲段管道兩端受拉力按式(4)計(jì)算：

T2-T1=2|F|+TD±WsLcosθ

(4)

均值張力T在計(jì)算過程中,可假設(shè)初值,對式(3)進(jìn)行迭代求解,直到T≈(T1+T2)/2。

總回拖力Tt為各管段回拖力的和,按式(5)計(jì)算：

(5)

需要注意的是,AGA方法用于計(jì)算摩擦阻力和流體阻力系數(shù)是基于工程項(xiàng)目應(yīng)用中可用的數(shù)據(jù)推薦的。這些系數(shù)被有意地合并為變量,以便在獲得更好的信息時(shí)進(jìn)行修改。例如,對于流體阻力系數(shù)為172 Pa的結(jié)果比以前推薦的拉力計(jì)算更準(zhǔn)確,值為345 Pa[15]。

對比式(2)和式(3)可以看出,對于直管,兩種計(jì)算模型均考慮管道受到庫侖摩擦力,但GB 50423—2013不考慮管道傾斜的重力分量貢獻(xiàn)。對于彎管,GB 50423—2013中未考慮,AGA方法考慮了彎管簡化受力模型。因此,AGA方法比GB 50423—2013的更符合實(shí)際情況。更精確的回拖力計(jì)算需要考慮動態(tài)分析以及更復(fù)雜的模型[16-18]。

依據(jù)GB 50423—2013和AGA方法分別計(jì)算回拖力,其中GB 50423—2013結(jié)果取1.5倍安全系數(shù),計(jì)算參數(shù)和結(jié)果見表3,結(jié)果差異不大。

表3 回拖力計(jì)算表

6 穩(wěn)定性問題

穿越段管道應(yīng)在安裝、水壓試驗(yàn)和運(yùn)行期間保持穩(wěn)定。當(dāng)管道被拖進(jìn)孔內(nèi)后,不受波流載荷作用,不存在穩(wěn)定性問題。因此，回拖過程中孔外管道穩(wěn)定性應(yīng)予以考慮。一般情況下,穿越段管道無混凝土配重層,當(dāng)管道重量不滿足穩(wěn)定性要求時(shí),應(yīng)確保管道發(fā)生側(cè)向移動之前,將管道回拖至孔內(nèi),或采取措施防止管道發(fā)生側(cè)向移位,如注水或限位等?；赝贤瓿蓵r(shí),出土點(diǎn)后會保留一定長度的無配重管。該段管道的海底穩(wěn)定性可能存在問題,必須進(jìn)行管道穩(wěn)定性分析。對于不再進(jìn)行挖溝的管道,應(yīng)盡量縮短留在孔外管道長度。管道穩(wěn)定性根據(jù)DNV-RP-F109[11]3.5節(jié)中歸納法穩(wěn)定性準(zhǔn)則計(jì)算。

由于本項(xiàng)目管道鋪設(shè)后挖溝管頂1 m,采用彎曲半徑915 m平滑孔內(nèi)管道與海底管道,得到的孔外無配重管道長度為34.84 m。對該段管道進(jìn)行穩(wěn)定性分析。1 a重現(xiàn)期有義波高3.6 m,譜峰周期8.1 s。1 a重現(xiàn)期底部流速1.06 m/s。10 a重現(xiàn)期有義波高4.2 m,譜峰周期9.9 s，10 a重現(xiàn)期底部流速1.37 m/s。管道穩(wěn)定所需重量計(jì)算結(jié)果，管道水下重量216 N/m，穩(wěn)定需要重量7 594 N/m。結(jié)果表明,孔外無配重管道穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求。但由于兩端約束效應(yīng),即孔內(nèi)管道受土壤約束與穩(wěn)定的有配重管道,不穩(wěn)定管道發(fā)生側(cè)向位移也被控制在有限范圍內(nèi)。且管道在鋪設(shè)完成后進(jìn)行挖溝,短期穩(wěn)定性不滿足要求并不影響管道完整性。

7 出土點(diǎn)懸跨

由于出土點(diǎn)角度、管道剛度和土壤剛度等因素影響,管道回拖入土位置可能發(fā)生自由懸跨。管道懸跨的設(shè)計(jì)應(yīng)與管道后保護(hù)方案結(jié)合考慮。如海底管道鋪設(shè)后不挖溝,需在出土點(diǎn)進(jìn)行預(yù)開溝,以使出土點(diǎn)處管道路由平滑,減小跨長和跨高。如出土點(diǎn)后管道鋪設(shè)后挖溝,可對管道懸跨進(jìn)行分析,在懸跨管道強(qiáng)度滿足規(guī)范要求情況下,無需進(jìn)行海床預(yù)處理工作。

崖城管道鋪設(shè)后挖溝。因此對出土點(diǎn)后管道進(jìn)行懸跨計(jì)算分析。使用Orcaflex軟件[19]進(jìn)行有限元分析,模擬的管道總長度為100 m,孔內(nèi)管道長為50 m,孔外管道為50 m,其他參數(shù)按表2和表3。計(jì)算的最大跨高為0.054 m,懸跨可忽略,見圖5。管道最大Von Mises應(yīng)力為265.3 MPa,強(qiáng)度滿足DNV-OS-F101要求[20],因此可不進(jìn)行預(yù)開溝，見圖6。

圖5 出土點(diǎn)懸跨高度圖Fig.5 Span height near exit point

圖6 出土點(diǎn)后管道最大Von Mises應(yīng)力圖Fig.6 Max Von Mises stress of pipeline after exit point

8 結(jié)論

海底管道定向鉆存在挑戰(zhàn)和復(fù)雜性,如路由高程差大，土壤性質(zhì)復(fù)雜、波流環(huán)境影響、海底管道安裝策略和浮力控制以及孔壁穩(wěn)定性。國內(nèi)海底管道還涉及海上路權(quán)限制,因此線路選擇時(shí)需予以詳細(xì)評估。陸對海管道回拖方案需結(jié)合海底管道鋪設(shè)的方案制定,鋪管船的就位位置應(yīng)結(jié)合回拖長度和船舶能力分析確定。定向鉆穿越為管道提供更大的埋深,但運(yùn)行期修復(fù)是無法實(shí)施的,出土點(diǎn)管道穩(wěn)定性和懸跨應(yīng)通過分析以滿足規(guī)范要求。

水平定向鉆作為一種非開挖技術(shù)與近岸開挖方案相比,具有施工周期短、對環(huán)境的影響小,以及降低工程成本等優(yōu)點(diǎn)。建議對定向鉆適用的項(xiàng)目進(jìn)行方案可行性研究,與常規(guī)海底管道登岸方案在技術(shù)可行性、工期、費(fèi)用等方面進(jìn)行綜合對比,選取海底管道登岸最優(yōu)方案。