大直徑長距離定向鉆穿越管道回拖設(shè)計與施工

游 赟，劉 俊，，郎明春，鐘一杰

1.重慶科技學(xué)院，重慶 401331

2.四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川成都 610057

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程進(jìn)一步加快，油氣需求不斷增長。油氣管道建設(shè)雖然經(jīng)歷了國內(nèi)外新冠疫情的反復(fù)、新能源產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展等眾多外部不利因素影響，但在“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)能源加快轉(zhuǎn)型、北方地區(qū)“氣代煤”持續(xù)推進(jìn)下，仍保持了穩(wěn)定發(fā)展。根據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截至2022 年底，我國新建成油氣管道里程約4 668 km，油氣管道總里程累計達(dá)15.5 × 104km[1]。中俄東線工程是我國四大油氣戰(zhàn)略通道的重要組成部分，自2020年7月，其南段管道工程項目在江蘇省實施開展。江蘇省域地區(qū)水網(wǎng)密布，地表水文情況較復(fù)雜，建設(shè)的大直徑天然氣管道需要連續(xù)穿越連片魚塘、蟹塘等障礙。采取定向鉆穿越是實現(xiàn)天然氣管道快速高效安裝的有效手段。該技術(shù)通過設(shè)計鉆孔軌跡、先開導(dǎo)向孔后進(jìn)行擴(kuò)孔和反向回拖來完成非開挖管道敷設(shè)。相較于其他敷設(shè)方式，定向鉆穿越避免了施工過程中的開挖作業(yè)，降低了管道施工難度，減少了對周圍建（構(gòu)）筑物的破壞和水土流失，具有適應(yīng)性強(qiáng)、施工周期短、安全性較高、成本低等明顯優(yōu)勢[2]。但對于大直徑、長距離的大型定向鉆穿越工程現(xiàn)階段仍面臨較多技術(shù)困難，其中管道回拖作為定向鉆穿越的最后關(guān)鍵步驟，面對復(fù)雜多變的施工環(huán)境和地層情況極易產(chǎn)生坍塌，造成回拖失敗[3]。為此，探索分析管道回拖過程的受力計算、設(shè)備配置、擴(kuò)孔、減阻等工程實際問題，確定合理的回拖關(guān)鍵參數(shù)和施工技術(shù)方案，可為提高大直徑、長距離天然氣管道定向鉆穿越的一次成功率提供參考。

1 基本概況

中俄東線工程江蘇段某天然氣管道水域穿越段設(shè)計壓力為10 MPa，輸送溫度為?1.6～50 ℃，采用L555M 直縫埋弧焊鋼管，管道規(guī)格為D1 219 mm×27.5 mm，3LPE 加強(qiáng)級外防腐。在距輸氣管道水平距離10 m 處敷設(shè)光纜套管，其規(guī)格為D114 mm ×6.0 mm ，Q235B 焊接鋼管。該段地處長江中下游地區(qū)沖擊平原，地區(qū)等級三級。地形平坦開闊，地表水系發(fā)達(dá)，主要為連片魚塘，周圍主要作物為小麥、水稻和果樹等。場區(qū)內(nèi)地層主要由第四系層（Q4al+pl）粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、砂土和粉土組成，覆蓋層厚度大于80.0 m，較為松散，屬于典型的軟土層。設(shè)計定向鉆穿越曲線如圖1所示。

圖1 穿越曲線

穿越段水平長度1 441.95 m，實長1 444.22 m，入土角為8°，出土角為6°，曲率半徑為1 828.5 m，管頂最小埋深20 m。水平段管道管中設(shè)計標(biāo)高約為?21.51 m，入土點標(biāo)高為2.3 m，出土點標(biāo)高為1.4 m。

2 管道回拖力計算分析

在大直徑天然氣管道建設(shè)中，目前大多采用高鋼級材料，管道剛性強(qiáng)、自重大，在孔道中浮力大，與孔壁摩擦阻力大，這些都導(dǎo)致管道回拖受力狀況復(fù)雜。在工程實際中常用的回拖力計算方法主要參考GB 50424—2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》[4]和SY/T 6968—2021《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設(shè)計規(guī)范》[5]。

GB 50424—2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》中關(guān)于管道最大拉力的計算：

式中：Fp為管道最大計算拉力，kN；L為穿越管段曲線長度，m；f為摩擦系數(shù)，一般取0.3；D為鋼管外徑，m；δ為鋼管壁厚，m；γm為泥漿重度，kN/m3；γs為鋼材重度，取78.5 kN/m3；K為黏滯系數(shù)，kN·s/m2；Wf為回拖過程中單位長度配重，kN/m，當(dāng)管道在鉆孔中的凈浮力大于2 kN/m 時選擇配重措施。

SY/T 6968—2021《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于管道最大拉力的計算：

式中：FL為管道最大計算拉力，kN；Ds為管道外徑，包括鋼管外徑及保溫層厚度，m。

式（1）考慮了管道與孔壁之間的摩擦力和泥漿黏阻力影響，在管道單位長度豎直方向合力計算中，將管道截面圓環(huán)視為以壁厚為直徑的數(shù)個小圓重合而成，雖接近實際圓環(huán)面積，但不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致管道單位長度質(zhì)量計算結(jié)果偏小，從而導(dǎo)致回拖力計算結(jié)果偏大。式（2）在管道自重計算上針對鋼管截面積的計算進(jìn)行了優(yōu)化，并對管道外徑進(jìn)行了更加準(zhǔn)確的定義，在實際回拖力的計算中也較為準(zhǔn)確。

對此，本工程穿越長度為1 444.22 m，主鋼管外徑為1.219 m，壁厚為0.027 5 m，保溫層厚度考慮0.003 7 m，考慮到地層情況屬于偏軟地層，為有效維護(hù)邊壁穩(wěn)定性，泥漿重度取值為12 kN/m3，黏滯系數(shù)取0.18 kN·s/m2，經(jīng)式（2）計算得回拖計算拉力值為1 447.05 kN。光纜管外徑為0.114 m，壁厚為0.006 m，因為光纜管回拖不涉及泥漿，因此泥漿重度、黏滯系數(shù)取值0，配重取值0，經(jīng)式（2）計算得光纜管回拖計算拉力值為69.2 kN。根據(jù)規(guī)范要求考慮1.5～3 倍的安全系數(shù)，主管道最大回拖力為4 341.15 kN，光纜管最大回拖力為207.61 kN。

3 管道回拖施工設(shè)計與準(zhǔn)備

3.1 鉆具組合設(shè)計

在管道回拖前首先需確定回拖設(shè)備選型，主要包括鉆機(jī)和相關(guān)鉆具。鉆機(jī)的選擇根據(jù)回拖力大小進(jìn)行計算，根據(jù)前文對管道最大回拖力的計算結(jié)果（即4 341.15 kN），鉆機(jī)可選擇500 t 型鉆機(jī)。相對鉆機(jī)的選型，鉆具的選擇則需根據(jù)回拖力大小和地層特性綜合分析而定。鉆具主要包括鉆頭、擴(kuò)孔器、分動器和U型環(huán)等。在大直徑、長距離天然氣管道定向鉆穿越時，通常會使用光纜套管進(jìn)行光纜線的保護(hù)，光纜套管與輸氣管道水平相距10 m，并先于輸氣主管道回拖，以便后期形成泥漿循環(huán)回路。因此，鉆具組合分為光纜套管鉆具組合和輸氣主管道鉆具組合。

由于本工程穿越段主要是粉土層、粉砂層、粉質(zhì)黏土層的特征，屬于偏軟地層，因此在進(jìn)行鉆進(jìn)時采用斜掌鉆頭。斜掌鉆頭不同于穿越巖石層常用的牙輪鉆頭，因其自身結(jié)構(gòu)和重量的優(yōu)勢，導(dǎo)向性能較好，有利于軟地層鉆進(jìn)過程中的控向。分動器選擇根據(jù)回拖力的計算值而定。經(jīng)計算，光纜套管最大回拖力為207.61 kN，由此光纜套管選擇30 t型分動器。輸氣主管道回拖的分動器根據(jù)前面計算的最大回拖力選擇500 t 型分動器。擴(kuò)孔器的選擇同樣需考慮地層偏軟的條件影響，為保證成孔的邊壁穩(wěn)定性，采用板式+桶式的組合式擴(kuò)孔器。該擴(kuò)孔器前部為板式，后部為帶有流道的桶式，流道的作用既保證泥漿的順利通過，又避免局部憋壓發(fā)生冒漿事故。鉆桿型號主要根據(jù)已確定的鉆機(jī)型號再結(jié)合鉆桿自身抗扭和抗拉特性來選擇，通常鉆桿性能能夠保證匹配鉆機(jī)80%的扭矩、拉力能力即可[6]，簡而言之“大鉆機(jī)配大鉆桿、小鉆機(jī)配小鉆桿”，本工程鉆機(jī)選型至少為500 t型鉆機(jī)，最終選擇6?5/8 in（1 in=25.4 mm）S?135 鋼級10.92 mm 壁厚的鉆桿。由此，不同類別管道回拖的鉆具組合見表1。

表1 管道回拖的鉆具組合

3.2 擴(kuò)孔方案

對于大直徑管道的回拖需要通過擴(kuò)孔形成大于管道口徑的孔道，這不僅有利于降低回拖摩阻，也便于泥漿系統(tǒng)循環(huán)排漿。擴(kuò)孔直徑的計算[7]：

式中：D0為管道鋪設(shè)的最終擴(kuò)孔直徑，mm；K1為經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)情況復(fù)雜性取值越大，一般取1.2～1.5。對于本項目D1 219 mm 的管道需擴(kuò)孔的直徑范圍圓整為1 450～1 800 mm?？紤]設(shè)計規(guī)范中要求最后一級擴(kuò)孔直徑至少比管徑大300 mm，且由于穿越段的地質(zhì)條件偏軟易塌陷，由此確定最后一級擴(kuò)孔尺寸選為1 700 mm。

工程中要滿足擴(kuò)孔尺寸達(dá)1 700 mm，擴(kuò)孔過程則需采用分級、多次擴(kuò)孔。導(dǎo)向孔的初始孔徑為750 mm，預(yù)設(shè)擴(kuò)孔級數(shù)為6級。根據(jù)隨著擴(kuò)孔級數(shù)的增加，每次擴(kuò)孔孔徑增量應(yīng)采取逐漸減小原則，采用下式計算并優(yōu)化取整，結(jié)果見表2。

表2 理論計算結(jié)果優(yōu)化取整

式中：Di為第i級擴(kuò)孔孔徑，mm；Df為初始孔徑，mm；n為擴(kuò)孔總級數(shù)。

由此，確定擴(kuò)孔方案為七級擴(kuò)孔+一次清孔，如表3所示。

表3 擴(kuò)孔方案

3.3 泥漿配比

泥漿在定向鉆施工中起到邊壁維穩(wěn)、排除鉆碴、平衡地層壓力、冷卻鉆頭、潤滑鉆具以及導(dǎo)向水射流等作用。在面臨復(fù)雜地層條件的長距離鉆進(jìn)中，鉆孔越長意味著土質(zhì)條件的變化越多，這就需要根據(jù)實際地質(zhì)情況、工藝措施和環(huán)境條件選擇不同類型的泥漿。泥漿配比的不同，會影響到泥漿的黏稠度和流動性，而泥漿的黏稠度和流動性存在著矛盾對立的關(guān)系[8]。

本工程穿越地層主要為粉土層、粉質(zhì)黏土層，較為松散，在施工過程中應(yīng)注意孔壁縮孔的影響，同時因為松散土層存在裂隙，會存在冒漿風(fēng)險。因此，在循環(huán)泥漿配制中考慮加入CMC 進(jìn)行增黏，降低濾失；加入純堿調(diào)節(jié)pH 值，使膨潤土水化更加充分；加入SD?Ⅲ增強(qiáng)泥漿懸浮和攜砂功能。循環(huán)泥漿中土的體積分?jǐn)?shù)為4%～6%，CMC 體積分?jǐn)?shù)為0.2%～0.5%，純堿體積分?jǐn)?shù)為0.1%～0.3%，SD?Ⅲ體積分?jǐn)?shù)為0.1%～0.3%。在泥漿循環(huán)過程中，需定時對泥漿性能進(jìn)行監(jiān)測，使泥漿黏度控制在35×104～55×104m2/s，泥漿pH值控制在9～11[9]。

3.4 施工準(zhǔn)備

3.4.1 發(fā)送溝加貓背

為降低大直徑、長距離管道在發(fā)送過程中的阻力，除采取發(fā)送溝注水發(fā)送方式外，通過發(fā)送溝與入洞溝槽的開挖，使管頭在自然地面與開挖面存在高差形成自然貓背，以減小管道進(jìn)入孔道的角度。貓背的頂部與管道接觸的地方設(shè)置細(xì)土袋或沙袋來保護(hù)管道防腐層，在情況緊急的條件下也可用膨潤土袋來代替[10]。

3.4.2 配重降浮

大直徑管道在回拖過程中所受阻力主要來自摩擦力。若孔道內(nèi)摩擦系數(shù)一定時，主要影響則為單位長度接觸面壓力，包括泥漿對管道形成的向上浮力、管道自身重度形成的向下重力。本工程穿越的地層較為松散，泥漿會在邊壁維穩(wěn)方面起到重要作用，泥漿密度與邊壁維穩(wěn)效果往往成正比，這就會導(dǎo)致管道所受向上浮力往往大于管道自身重力，從而造成管道緊貼回拖孔道上壁，從而大大增加回拖阻力。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，當(dāng)管道在鉆孔中的凈浮力為大于2 kN/m 的上浮力時，應(yīng)采取配重降浮措施。故此，本工程采用規(guī)格為D800 mm×30.6 mm注水PE 管道進(jìn)行浮力平衡，配重降浮前后的浮力值變化：

式中：Ff1、Ff2分別為未采取配重降浮措施和采取配重降浮措施時的管道單位長度浮力，kN/m；γm為泥漿重度，取12.0 kN/m3。

根據(jù)設(shè)計參數(shù)，鋼管外徑為1.219 m，壁厚為0.027 5 m，保溫層厚度考慮0.003 7 m，計算結(jié)果如表4所示。

表4 配重降浮計算結(jié)果對比

通過計算結(jié)果可知，采取配重降浮措施后管道單位長度凈浮力為1.04 kN/m，方向向上，滿足降浮要求。

3.4.3 應(yīng)急準(zhǔn)備

1）推管機(jī)助推。推管機(jī)具有對穿越管道長度及作業(yè)場地要求低、附屬設(shè)備少、作業(yè)人員數(shù)量少、場地固定、無大分貝噪音等優(yōu)點，推、拉動作轉(zhuǎn)換方便且迅速[11]。在輔助回拖的工作中，將其安裝在出土點附近，用夾緊器抱住回拖管道，達(dá)到利用推管機(jī)的推拉力來減小鉆機(jī)回拖力的目的，并可用于解卡[12]。

2）夯管錘和滑輪組解卡。在管道回拖時如遇到回拖力增加至超出預(yù)計的最大安全拉力時，可判斷為管道在孔洞中遭遇孔壁坍塌導(dǎo)致抱管現(xiàn)象產(chǎn)生[13]。出現(xiàn)此種情況時，可在管尾安裝夯管錘進(jìn)行錘擊，使管道受到夯管錘的振擊后擺脫穿越孔洞的束縛，從而使得回拖作業(yè)得以繼續(xù)進(jìn)行[14]。夯錘安裝在回拖預(yù)制管段的尾端，使用橡膠高壓軟管與地面的空壓機(jī)相連，依靠空壓機(jī)輸出的氣壓調(diào)節(jié)夯錘的沖擊力。若采用夯管錘振擊遇卡管道后回拖仍然不能繼續(xù)進(jìn)行，則可判斷為穿越孔洞內(nèi)坍塌現(xiàn)象比較嚴(yán)重，管道無法繼續(xù)回拖；針對此現(xiàn)象，通過安裝動滑輪組，將其與回拖管道的尾部連接，將管道及時從孔洞中拽出，避免管道存留在孔洞內(nèi)時間過長而導(dǎo)致更大的解卡阻力。若單獨使用滑輪組尚不能將管道拽出，則可采用夯管錘與滑輪組的組合方式進(jìn)行[15]。

4 工程應(yīng)用與回拖效果分析

通過以上分析建立管道回拖施工方案指導(dǎo)工程應(yīng)用，最終本工程D1 219 mm × 27.5 mm 大直徑管道實現(xiàn)水域穿越實長1 444.22 m，一次性回拖成功，回拖總耗時6小時23分。

4.1 擴(kuò)孔、清孔分析

為保證大直徑管道順利回拖，回拖施工前結(jié)合擴(kuò)孔、清孔的司鉆記錄，對拉力值和扭矩值的波動范圍和變化情況進(jìn)行分析，判斷前期施工效果，特別是孔壁穩(wěn)定性能否滿足回拖條件。

擴(kuò)孔、清孔過程中的拉力值主要指鉆機(jī)對擴(kuò)孔器的拉力大小。最大拉力值代表裝卸替換完鉆桿后，鉆機(jī)再次啟動時拉動擴(kuò)孔器的力，可理解為最大靜摩擦力；最小拉力值可理解為擴(kuò)孔器的滑動摩擦力。扭矩值反映了回拖過程中擴(kuò)孔器鉆頭對土體的切削程度，扭矩值越高，說明孔內(nèi)切削程度越高；扭矩值越穩(wěn)定，說明孔內(nèi)邊壁情況越穩(wěn)定，同時也側(cè)面反映了前期擴(kuò)孔情況的效果越好。最后一級1 700 mm 擴(kuò)孔的最大、最小拉力值和扭矩值變化如圖2、圖3所示。

圖2 擴(kuò)孔最大和最小拉力值變化

圖3 擴(kuò)孔最大和最小扭矩值變化

圖中，擴(kuò)孔過程中的拉力最大值為612 kN、最小值為408 kN，整體數(shù)據(jù)均勻；扭矩最大值為36 kN·m、最小值為24 kN·m，并在26 ～30 kN·m范圍內(nèi)出現(xiàn)波動。其中，在穿越長度800 m 前后存在數(shù)值的突變情況，分析此處存在一定幅度的切削，其后趨于穩(wěn)定，判斷最后一級擴(kuò)孔后孔壁穩(wěn)定性整體偏好。

最后一級1 700 mm 清孔的最大、最小拉力值和扭矩值變化如圖4、圖5所示。

圖4 清孔最大和最小拉力值變化

圖5 清孔最大和最小扭矩值變化

圖中，清孔過程中的拉力最大值為612 kN、最小值為408 kN，整體數(shù)據(jù)均勻；扭矩值最大值為30 kN·m、最小值為22 kN·m，在22～26 kN·m范圍內(nèi)出現(xiàn)波動。相對于最后一級擴(kuò)孔扭矩數(shù)據(jù)，清孔扭矩數(shù)據(jù)整體值更低，呈現(xiàn)出存在3 處小幅度的切削，可判斷最后一級清孔后整體成孔性能較好，具備了回拖條件。

4.2 回拖分析

回拖力是鉆機(jī)對回拖管道的拉力大小，最大拉力值表征了裝卸替換完鉆桿后，鉆機(jī)再次啟動時拉動管道的力，可理解為最大靜摩擦力；最小拉力值則可理解為管道的滑動摩擦力。工程中，通過鉆機(jī)調(diào)整最大拉力帶動管道位移。

在管道回拖過程中，由于受孔內(nèi)摩擦力、泥漿拖拽力等因素影響，阻力逐漸增大，回拖最大拉力值呈現(xiàn)階梯式遞增的變化情況。管道回拖過程中的拉力值變化如圖6 所示，其中最大拉力值的峰值為2 449 kN，最小拉力值的峰值為816 kN。由圖可見，整個回拖拉力值體現(xiàn)了整體回拖過程較為平穩(wěn)，數(shù)值在1 170 m 前后發(fā)生突變，分析此處接近入土點，判斷為地層交界處發(fā)生了孔壁坍塌情況。

圖6 回拖過程中拉力值變化

管道回拖過程中鉆機(jī)的最大和最小扭矩值變化如圖7 所示，扭矩值最大值的峰值為36 kN·m、最小值的峰值為16 kN·m。由圖可見，初始階段的扭矩值呈現(xiàn)先大后小再趨于穩(wěn)定的變化，這與回拖開始時會在出土點洞口處產(chǎn)生一定的切削情況對應(yīng)。后續(xù)扭矩值存在小幅波動，約在1 170 m 位置處表現(xiàn)了一個明顯切削，但扭矩值變化仍在正常范圍內(nèi)，且后續(xù)數(shù)值也趨于平穩(wěn)。這與回拖拉力值的突變點相對應(yīng)，可以判斷塌孔情況可控。

圖7 回拖過程中扭矩值變化

5 結(jié)束語

某大直徑、長距離天然氣管道水域定向鉆穿越在粉土層、粉質(zhì)黏土層等軟土地層條件的工程施工中，充分關(guān)注管道回拖的設(shè)計與施工關(guān)鍵點，確保一次性回拖的成功，同時為整個穿越工程的質(zhì)量和安全起到良好的控制作用?，F(xiàn)將本項目在管道回拖設(shè)計與施工過程中獲得的經(jīng)驗總結(jié)如下，以期為同類工程提供借鑒。

1）天然氣管道規(guī)格D1 219 mm×27.5 mm，穿越段實長1 444.22 m，為大直徑、長距離穿越工程，管道剛性強(qiáng)、自重大，回拖受力狀況較復(fù)雜。通過分析工程實際中常用的回拖力計算方法，計算出回拖拉力值為1 447.05 kN，在考慮安全系數(shù)后，確定主管道最大回拖力4 341.15 kN，以此作為鉆機(jī)選型和鉆具組合設(shè)計的依據(jù)。

2）考慮工程穿越段主要是粉土層、粉砂層、粉質(zhì)黏土層的特征，屬于偏軟地層，由此確定了回拖鉆具組合方式，并對擴(kuò)孔方案進(jìn)行計算和優(yōu)化取整，設(shè)計為七級擴(kuò)孔+一次清孔。泥漿配比考慮加入CMC 進(jìn)行增黏，降低濾失；加入純堿調(diào)節(jié)pH值，使膨潤土水化更加充分；加入SD?Ⅲ增強(qiáng)泥漿懸浮和攜砂功能。

3）在回拖施工準(zhǔn)備中，針對大直徑、長距離管道回拖設(shè)計了發(fā)送溝+貓背、配重降浮兩種有利于回拖減阻的措施，并對可能發(fā)生的卡鉆作出了推管機(jī)助推、夯管錘和滑輪組解卡的應(yīng)急方案。

4）結(jié)合工程司鉆記錄，對最后一級1 700 mm擴(kuò)孔、1 700 mm 清孔和管道回拖過程進(jìn)行了受力值變化分析，判斷出孔壁穩(wěn)定性良好，僅在接近入土點地層交界處發(fā)生了孔壁坍塌情況，但整體可控，確保了一次回拖成功。