陸對海水平定向鉆穿越技術研究

唐丕鑫，陳 超，黃水祥，董德龍，楊 旭

(1．中海油研究總院有限責任公司，北京 100028；2.中國石油管道工程有限公司天津分公司，天津 300457)

0 引言

管道是海上油氣輸送上岸的主要方式[1]，對于管道登陸段，由于水較淺，鋪管船受吃水限制不能施工，通常采用船舶牽引或陸地絞車牽引的方式進行鋪管施工作業(yè)[2]。若遇到登陸段地貌復雜、海況惡劣、處于限制區(qū)等因素，牽引法不適用于管道登陸上岸的施工作業(yè)。為避免上述問題，通常采用陸對海水平定向鉆穿越的方式進行管道登陸段施工作業(yè)[3]。

陸對海水平定向鉆穿越是指入土點在陸上，出土點在海上，同時在海上進行回拖的施工技術[4]。其具有控向精準、施工高效、適應性強、環(huán)境影響小等特點[5]。近年來，陸對海水平定向鉆穿越技術在甬滬寧輸油管道杭州灣海洋管道登陸段、崖城13-1管道高欄支線海底管道登陸段均有應用，效果良好[6]。本文結合南海某登陸管道項目，對陸對海定向鉆穿越技術開展研究，并給出設計分析和施工方案。

1 穿越曲線設計

該項目結合海底管道用管情況，從便于管道施工的角度考慮，定向鉆穿越段鋼管采用與海底管道一致的類型與材質，管道尺寸為Φ610 mm×23.83 mm，鋼級為X65，直縫埋弧焊鋼管，制造標準采用 API SPEC 5L PSL2。

綜合考慮管道埋深、管徑及曲率半徑，確定該項目定向鉆穿越入土角和出土角均為10°，入土點、出土點水平間距為2.44 km，為滿足定向鉆海上出土后管道返平及后續(xù)鋪管船拾管鋪設的要求，在海上出土點側設置返平段，長度約400 m，返平段管道與穿越段管道一起拖拉施工，總穿越長度約2.8 km。穿越段最低點設計標高為-19 m，位于黏土層。穿越曲線示意圖如圖1所示。

圖1 穿越曲線示意圖

該項目采用國際管道研究協(xié)會《Installation of Pipelines by Horizontal Directional Drilling, An Engineering Design Guide》推薦的方法計算管道最大回拖力[2]?；赝狭τ嬎惴种本€段和曲線段分段進行，分別計算各段的回拖力增量，疊加得到管道最大回拖力。

直線段的回拖力主要由管道與泥漿之間的摩擦力、管道與泥漿之間的粘滯力及管道浮重分量組成，直管段回拖力計算公式為：

F=Fμ+FK±FP

(1)

Fμ=μsoilWPLcosβ

(2)

FK=πDLμmud

(3)

FP=WPLsinβ

(4)

式中：Fμ為管道與泥漿之間的摩擦力，kN；FK為管道與泥漿之間的粘滯力，kN；FP為管道浮重分量，kN；μsoil為管道與孔壁之間的摩擦系數；μmud為土壤粘滯系數；WP為考慮鉆孔液浮力后管道單位長度的凈重, kN/m；L為直線段長度，m；D為管徑，m；β為管道傾角，(°)。

曲線段的回拖力主要由管道與泥漿之間的摩擦力、管道與泥漿之間的粘滯力及管道彎曲產生的附加阻力組成，曲線段回拖力計算公式為：

F=2Fμ+FK±Fd

(5)

Fμ=μsoilN

(6)

式中:N為弧線的平均法向力，kN;Fd為管道彎曲產生的附加阻力，kN。

通過對直線段和曲線段管道回拖力計算后，得到計算最大回拖力約965 kN。由于本項目為陸對海定向鉆穿越，海上穿越施工風險較大，為確保該工程順利實施，考慮安全系數3.0，因此實際選用最大回拖力不小于2 895 kN的鉆機。

2 穿越段管道保護

定向鉆穿越段管道無混凝土配重層，直管段管道外防腐采用加強級3層PE防腐層，總厚度為4.2 mm，其中底層熔結環(huán)氧粉末涂層厚度≥150 μm，中間層膠粘劑層厚度≥170 μm；熱煨彎管外防腐采用無溶劑液體環(huán)氧涂層(干膜厚度≥200 μm)+輻射交聯(lián)熱縮帶，熱縮帶基材厚度≥1.0 mm，膠層厚度≥1.5 mm，帶間搭接厚度不小于50 mm；接頭補口采用纖維增強型定向鉆專用輻射交聯(lián)熱收縮補口帶。

定向鉆穿越段管道兩端設置塊狀鋁合金犧牲陽極進行保護。本項目海底管道登陸上岸后需設置絕緣接頭，將陸上管道和海底管道的陰極保護隔離，絕緣接頭安裝時保持水平。

穿越段管道主體施工及海上側作業(yè)區(qū)域布置前，需對返平段進行預挖溝作業(yè)，使管道達到設計埋深2.0 m。返平段預挖溝的溝底寬度為5 m，管溝邊坡比為1：4，管溝挖溝深度為距管頂2.0 m。為保障管道在安裝期和運營期的安全，待與海底管道連接完成后進行管溝回填，管溝回填粗砂至海床面。

3 陸對海定向鉆施工方案

3.1 方案簡介

綜合考慮現(xiàn)場場地條件、施工機具布置、施工效率、施工風險等因素后，該項目采用陸上預制管道，由海上駁船上安裝的鉆機及在陸上設置的推管機配合完成回拖工作。

水平定向鉆穿越施工時，鉆機安裝在陸上鉆機場地，用于導向孔、預擴孔作業(yè)，施工時采用對穿工藝從陸地向海中鉆導向孔，鉆頭從海底出土后將其牽引至海上駁船，之后進行擴孔工作，擴孔結束后把鉆機安裝在駁船上進行洗孔和回拖等后續(xù)作業(yè)。管道在陸上入土點場地預制，沿穿越軸線延伸方向進行預制，預制作業(yè)需要在回拖之前完成?；赝献鳂I(yè)時，由駁船上鉆機提供牽引，入土點主鉆機位置布置推管機配合回拖，直到管道回拖出水面后完成回拖作業(yè)，再由鋪管船進行后續(xù)管道的敷設。定向鉆穿越施工工藝流程圖如圖2所示。

圖2 定向鉆穿越施工工藝流程圖

3.2 場地布置

海上出土側作業(yè)區(qū)域布置采用平板駁船。駁船將固定在出土側，主要布置鉆機、控制室、吊機、發(fā)電機、泥漿泵、泥漿處理系統(tǒng)等設備，同時具備擺放鉆桿鉆具的空間。施工時，置換的鉆桿、需要的泥漿、油料等將由工作船直接從陸地運輸到駁船上。平板駁船主要實施海上導向孔施工、連接鉆桿和鉆具、預擴孔作業(yè)，并進行管道回拖。出土側駁船設備布置示意圖如圖3所示。

圖3 出土側駁船設備布置示意圖

陸地入土側場地布置示意圖如圖4所示，鉆機及其相關設備均位于入土點。

圖4 陸地入土側場地布置示意圖

3.3 導向孔施工

本項目穿越長度約2.8 km，為避免一次穿越過長鉆桿扭矩難以滿足要求，采用導向孔對穿工藝，即采用2臺定向鉆鉆機分別從海陸兩側對鉆導向孔，通過對接鉆孔完成導向孔施工，導向孔施工示意圖如圖5所示。

圖5 導向孔施工示意圖

2臺鉆機分別就位于導向孔的入土點和出土點位置，進行導向孔穿越施工。主、輔鉆機鉆頭相距5 m 內后，主鉆機根據計算機顯示探頭與旋轉磁鐵的相對位置調整鉆頭方向，并控制主鉆機鉆頭進入輔助鉆機鉆完的孔內，同時完成輔助鉆機回抽鉆桿、主鉆機鉆頭跟進至完成導向孔施工。對接作業(yè)完成后，輔助鉆機繼續(xù)后退鉆頭，主鉆機鉆頭隨后鉆進，直至主鉆機鉆頭從出土側出土[7]。

3.4 預擴孔

導向孔完成、鉆頭及無磁鉆鋌拆卸后，裝上擴孔器進行二級預擴孔。在安裝好第1級擴孔器后，采用浮吊吊起擴孔器，配合入土點主鉆機完成400 m拾管作業(yè)后從出土點入洞開始第1級擴孔。在完成本級擴孔后，在入土點將擴孔器卸下并安裝認孔器，將鉆桿正向從洞內送出到出土點，除了認孔外，還將起到洗孔的作用。接下來拆下認孔器，安裝第2級擴孔器，浮吊及入土點主鉆機配合重復之前的流程，開始第2級擴孔和認孔。

3.5 管道回拖

該項目管道采用平板駁船鉆機牽引，推管機提供推力進行回拖。在回拖前，預制管道提前就位并墊起貓背使管道呈向下的角度，這樣在預制管道入洞時能夠與入土角吻合，以減小回拖力。在入土點將回拖使用的鉆具與鉆桿連接，在出土點將鉆機與卸下認孔器后的鉆桿相連。同時入土點主鉆機移位，調整地錨高度，將推管機固定在地錨上。最后，駁船上鉆機開始輸送泥漿并進行回拖，同時監(jiān)測回拖力數據。回拖施工示意圖如圖6所示。

圖6 回拖施工示意圖

4 結束語

本文以南海某登陸管道為靶項目，開展陸對海定向鉆穿越技術研究，根據穿越曲線設計結果和管道最大回拖力計算結果，優(yōu)選鉆機模塊，合理設置鉆孔、擴孔、回拖等施工工藝，完成施工方案設計。相關研究和實踐證明，陸對海定向鉆穿越具有控向精準、施工高效等特點。