城市燃?xì)夤艿蓝ㄏ蜚@對接穿越技術(shù)要點(diǎn)研究

陳 偉

（漳州安然燃?xì)庥邢薰荆＝?漳州 363000）

1 工程概況

某市燃?xì)夤艿理?xiàng)目建設(shè)長度為3.2 km，管材選用PE100管道，管壁厚度為SDR11，管道直徑為Φ315 mm，設(shè)計(jì)壓力為0.7 MPa。該燃?xì)夤艿朗┕ろ毚┰郊扔泻恿?，穿越長度共計(jì)350 m，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件、用地狀況及河流水文地質(zhì)情況等，擬定采取定向鉆對接方式進(jìn)行燃?xì)夤艿来┰绞┕ぁ?/p>

2 現(xiàn)場地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場勘測結(jié)果及相關(guān)資料顯示，該穿越區(qū)域地質(zhì)條件按巖性、成因時(shí)代、分布特征及物理力學(xué)性質(zhì)等主要可分為雜填土層、卵石層、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層以及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層4個(gè)地質(zhì)層，各地層實(shí)際分布情況見表1。

2.1 雜填土層

雜填土層中主要包括碎石、塊石和黏性土，土質(zhì)并不均勻，其中碎石含量為35%～44%，可見粒徑為30mm～100mm，最大粒徑超過了100mm，并且現(xiàn)場均有分布。

2.2 卵石層

卵石層中有60%左右的顆粒粒徑超過了200 mm，粒徑2 mm～90 mm的礫石含量約為20%，剩下的20%主要是砂和黏性土。卵石層的顆粒磨圓度比較好，且大多都呈亞圓形，母巖成分是凝灰?guī)r，強(qiáng)度高，但級配、分選性、膠結(jié)程度都比較差。

2.3 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層

強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層的原巖結(jié)構(gòu)已有大部分被風(fēng)化破壞，風(fēng)化程度并一致，且原巖碎塊中夾雜有土、少量云母碎片和高嶺土土斑團(tuán)。

2.4 中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層

中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層中的主要構(gòu)成成分為粉砂質(zhì)及泥質(zhì)，并含有少量的云母碎片和高嶺土土斑團(tuán)。巖層稍有裂隙發(fā)育，且?guī)r芯比較完整，巖層的單軸飽和抗炎強(qiáng)度為12.4MPa，說明該巖層為軟巖，巖體的質(zhì)量等級為IV級，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD是70%～80%，該巖層最大厚度為9.60m。

2.5 地下水

經(jīng)現(xiàn)場勘測得知，勘測深度范圍內(nèi)的地下水主要是第四系松散巖類孔隙潛水，基本都富藏于雜填土層和卵石層內(nèi)，同時(shí)，雜填土層透水性為中等透水性，并和地表水系有密切聯(lián)系；卵石層為強(qiáng)透水性。

3 穿越方案選擇

根據(jù)《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設(shè)計(jì)規(guī)范》（SY/T 6968—2021）中的相關(guān)內(nèi)容[1-2]，擬定了3種穿越方案，即快挖換填、套管隔離、改良地層，下面就3種方案進(jìn)行對比，見表2。

表2 3種燃?xì)夤艿来┰椒桨笇Ρ?/p>

根據(jù)表1所述，根據(jù)這次燃?xì)夤艿来┰胶恿鳜F(xiàn)場地質(zhì)條件及相關(guān)要求，現(xiàn)場開挖換填施工條件不充分，并且為保證定向鉆進(jìn)一次成功率，最終未選用開挖換填方案和改良地層方案，而是采用技術(shù)比較成熟的套管隔離方案進(jìn)行穿越。

表1 各地層分布情況

4 套管隔離穿越方案設(shè)計(jì)

科學(xué)可行的方案設(shè)計(jì)是保證套管隔離穿越順利進(jìn)行的前提條件[3]。因此，在正式進(jìn)行穿越施工前，根據(jù)現(xiàn)場施工條件及實(shí)際施工需要對套管隔離穿越方案進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括入土角、出土角設(shè)計(jì)、套管確定、定向鉆設(shè)備和夯管機(jī)確定以及對接穿越施工工藝。

4.1 入土角及出土角設(shè)計(jì)

入土角及出土角是影響穿越施工精度的2個(gè)重要因素。因此，該項(xiàng)目在綜合考慮穿越施工的長度、深度及管道彈性敷設(shè)條件等因素的基礎(chǔ)上，確定入土角及出土角均為10°，滿足入土角8°～18°、出土角4°～12°的相關(guān)規(guī)范要求[4]。

4.2 套管確定

穿越施工所用套管選用的是直縫高頻電阻焊鋼管，鋼管材質(zhì)為Q235B，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)參考《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》GB/T9711—2017。這是因?yàn)樘坠茼毚┻^深度6m～8m的卵石層到達(dá)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，使用直縫管相比螺旋縫管在相同受力的情況下可以防止管道出現(xiàn)變形，且比無縫管的造價(jià)成本低。具體來說，該項(xiàng)目中入土端的套管為外直徑813mm、壁厚25mm的DN800直縫高頻電阻焊鋼管，長度為48m；出土端為了增加導(dǎo)向控向的成功率，適當(dāng)擴(kuò)大了出土端鋼管的規(guī)格，選用的是外直徑1016mm、壁厚25mm的DN1000直縫高頻電阻焊鋼管，長度為48m。

4.3 定向鉆設(shè)備及夯管機(jī)確定

為防止穿越巖層施工中出現(xiàn)鉆桿斷裂的問題，選擇120 mm鉆桿進(jìn)行擴(kuò)孔，并對鉆桿進(jìn)行無損檢測，以確保鉆桿質(zhì)量。鉆機(jī)選用1臺德國海瑞克250 t 水平定向鉆機(jī)（作為主鉆機(jī)，用于導(dǎo)向、擴(kuò)孔及管道回拖）及1臺北京土行孫120 t鉆機(jī)（作為輔助鉆機(jī)，用于輔助進(jìn)行下套管及導(dǎo)向?qū)樱畲笈ぞ貫?1000 N·m，最大回?cái)U(kuò)直徑為Φ1000 mm。夯管系統(tǒng)選用TT2000 型氣動夯管錘+VHP700空壓機(jī)。同時(shí)，為了確保套管的入土角能夠滿足10°要求，提前在工作坑中布置了10°的操作平臺及相應(yīng)的導(dǎo)軌，且導(dǎo)軌中心軸線和套管夯進(jìn)的中心軸線保持一致，來保證套管夯進(jìn)的精度。在夯進(jìn)套管的過程中須邊夯進(jìn)邊焊接，并使用鉆進(jìn)驅(qū)動攪龍清理鋼套管內(nèi)的渣土[5]。

4.4 定向鉆對接穿越工藝

為解決導(dǎo)向孔鉆進(jìn)施工中鉆頭方向控制難的問題，在兩端夯管的基礎(chǔ)上，采取定向鉆對接穿越工藝，即在入土端和出土端各布置1臺鉆機(jī)，其中入土端的鉆機(jī)為主鉆機(jī)，出土端的鉆機(jī)做輔助。正式施工時(shí)，使用先進(jìn)的ParatrackⅡ控向系統(tǒng)控制2臺鉆機(jī)到達(dá)距離出土點(diǎn)150m～200m的區(qū)域進(jìn)行對接，且穿越軸線上方全程鋪有交流磁信號電纜。定向鉆對接穿越工藝流程如圖1所示。

圖1 定向鉆對接穿越工藝流程示意圖

5 對接穿越施工技術(shù)要點(diǎn)

對接穿越施工主要分為夯管施工及定向鉆對接施工2個(gè)部分，具體施工要點(diǎn)如下。

5.1 夯管施工

在夯管操作前，須提前挖好操作坑及接收坑，操作坑坑底長度以單根套管長度加3 m為準(zhǔn)、寬度為4 m、深度為2 m，接收坑坑底長度及寬度均為4 m、深度為2 m。同時(shí)，夯管前也需要全面檢查夯管錘的方位及水平角度，確保夯管錘中心軸線與設(shè)計(jì)中心線保持移植。如果夯管錘角度偏差大于0.5°，則需及時(shí)調(diào)整就位[6]。然后在沿著燃?xì)夤艿乐行木€兩側(cè)分別安裝一道長度12m的導(dǎo)軌，并用長度2 m的30號工字鋼做枕木鋪于導(dǎo)軌下面，并復(fù)驗(yàn)導(dǎo)軌中線，為后續(xù)夯管施工做好準(zhǔn)備。

夯管設(shè)備檢查合格后，用50t吊車把第一節(jié)套管吊到導(dǎo)軌上，并開啟操作閥試運(yùn)行夯管錘，無異常后按采用“輕錘慢進(jìn)”方法開始夯管施工，且邊夯管邊檢測鋼套管的入土角度，以保證鋼套管按設(shè)計(jì)要求的角度（10°）順利夯入卵石層。同時(shí)，因?yàn)榈谝桓撎坠芎贿M(jìn)方向的準(zhǔn)確性是影響整個(gè)夯管施工進(jìn)度的關(guān)鍵要素，所以當(dāng)夯進(jìn)第一根鋼套管500 mm之后，須對其方位及水平角度進(jìn)行全面檢查，如果角度偏差≤0.5°、軸線偏差≤1%夯進(jìn)長度，就可以繼續(xù)夯進(jìn)操作；如果角度偏差或軸線偏差超出上述限值，就需要糾偏后再進(jìn)行夯進(jìn)。第一根夯進(jìn)時(shí)，也需要在操作坑外留4 m的管尾，與第二根鋼套管焊接。另外，在夯管過程中每夯進(jìn)8 m就要復(fù)測一次，保證鋼套管夯進(jìn)的精度始終滿足入土角10°的要求。重復(fù)上述工作依次完成其他套管夯進(jìn)施工。

為防止夯進(jìn)過程中鋼套管前端出現(xiàn)卷邊或變形，提前制作了鑄鋼切削環(huán)焊接在第一根鋼套管前端，以便切削地層。同時(shí)，鉆桿前端安裝了攪龍，邊夯進(jìn)邊清理套管中的積土，以防在鋼套管夯進(jìn)過程中因積土而增大前進(jìn)阻力使前進(jìn)速度減緩或停滯不前。攪龍輸送能力為3m3/h～5m3/h。攪龍取土示意圖如圖2所示。

圖2 攪龍取土示意圖

5.2 定向鉆施工

5.2.1 鉆機(jī)及配套設(shè)備就位

根據(jù)設(shè)計(jì)的穿越中心線布置主鉆機(jī)及輔助鉆機(jī)，待2臺鉆機(jī)均按要求就位后，再連接鉆機(jī)的各分系統(tǒng)，并試運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行鉆機(jī)性能檢測。同時(shí)，在2臺鉆機(jī)場地之間建立暢通的無線電通信系統(tǒng)，以便兩端進(jìn)行及時(shí)溝通。

5.2.2 建立人工磁場

順著燃?xì)夤艿来┰绞┕で€的中心線在地表采取人工方式敷設(shè)好電纜，然后連通交流電，使電纜成為定向鉆對接施工控向系統(tǒng)的電磁信號源。同時(shí)，沿穿越軸線按間距50 m設(shè)置3個(gè)交流基準(zhǔn)磁塊，以便于更好地控制對接精度。

5.2.3 導(dǎo)向孔施工

待鉆機(jī)設(shè)備及測量儀器等均準(zhǔn)備就緒后，打開控向儀、連通信號電纜、同時(shí)開啟兩臺鉆機(jī)，開始進(jìn)行鉆進(jìn)施工。導(dǎo)向孔鉆進(jìn)施工速度以3 m/h為準(zhǔn)，當(dāng)鉆進(jìn)1～2根鉆桿后，對各部位進(jìn)行檢驗(yàn)，以確保鉆進(jìn)施工的各項(xiàng)參數(shù)均滿足施工要求。當(dāng)輔助鉆機(jī)的鉆頭鉆進(jìn)到指定對接區(qū)域后，開啟鉆頭短節(jié)中的目標(biāo)磁鐵，使主鉆機(jī)鉆頭可根據(jù)目標(biāo)磁鐵發(fā)出的電磁信號按設(shè)計(jì)的穿越路線向前繼續(xù)鉆進(jìn)。導(dǎo)向孔鉆進(jìn)的同時(shí)，須配制泥漿并添加適量的潤滑劑，使導(dǎo)向孔邊鉆進(jìn)邊潤滑，降低鉆進(jìn)施工中的阻力，既能避免出現(xiàn)黏鉆、卡鉆等現(xiàn)象[7]，也可以確保導(dǎo)向孔孔壁的完整性。導(dǎo)向孔鉆進(jìn)施工示意圖如圖3所示。

圖3 導(dǎo)向孔鉆進(jìn)示意圖

5.2.4 對接

待主鉆機(jī)鉆頭和輔助鉆進(jìn)目標(biāo)磁鐵之間的距離小于5 m后，便可實(shí)施導(dǎo)向孔對接[8]。對接成功后，便操作輔助鉆進(jìn)退回鉆桿，而主鉆機(jī)則跟隨電磁信號的引導(dǎo)控制鉆頭方向，順著輔助鉆進(jìn)鉆好的導(dǎo)向孔繼續(xù)向前頂進(jìn)，直至鉆頭出土，最終完成導(dǎo)向孔施工。導(dǎo)向孔交會對接示意圖如圖4所示。

圖4 導(dǎo)向孔交會對接示意圖

5.2.5 管道擴(kuò)孔及回拖

完成導(dǎo)向孔對接施工后，在主鉆機(jī)上連接擴(kuò)孔器進(jìn)行2級擴(kuò)孔，最終擴(kuò)孔直接為580 mm。接著進(jìn)行洗孔作業(yè)。然后利用主鉆機(jī)按照400 kN～500 kN的拉力對管道進(jìn)行回拖作業(yè)，最終經(jīng)過5.5 h順利完成所有管道的回拖工作。

6 結(jié)語

綜上所述，通過實(shí)例證明，定向鉆對接穿越技術(shù)在燃?xì)夤艿来┰胶拥理?xiàng)目中有良好的應(yīng)用價(jià)值及推廣價(jià)值。由此也可得出結(jié)論，燃?xì)夤艿理?xiàng)目施工中會遇到各種各樣的環(huán)境條件，施工單位及相關(guān)技術(shù)人員要根據(jù)實(shí)際施工需要及現(xiàn)場環(huán)境條件等設(shè)計(jì)合理的管道施工方案，選擇合適的管道施工工藝，并嚴(yán)格控制各施工環(huán)節(jié)，才能保證燃?xì)夤艿理?xiàng)目施工達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量目標(biāo)及效益目標(biāo)。