西氣東輸二線涇河定向鉆對穿工程的設(shè)計與施工

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穿工程的設(shè)計與施工

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)復雜、施工難度大、風險高。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+定向鉆對穿的組合穿越施工方案，施工中進行了多種技術(shù)創(chuàng)新，為國內(nèi)外類似管徑定向鉆穿越工程設(shè)計和施工提供了借鑒。

定向鉆對穿；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)等級為三級，穿越場區(qū)為沖積平原地貌，河兩岸相對較開闊，河道寬約320 m，設(shè)計洪水水位為405.11m，設(shè)計流速為3.13 m/s，設(shè)計沖刷深度為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，實際長度為1 040 m。

2 定向鉆穿越設(shè)計要點

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)計洪水位沖刷線以下6 m。穿越設(shè)計要點如下：

（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，東 （北）作為輔助穿越場地，布設(shè)DD-140B型鉆機，兩臺鉆機從兩岸同時開鉆，河床中間對接；先進行光纜套管穿越，然后再進行主管穿越。

（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，減少回拖時孔壁對管道的摩阻力，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，施工時遇到了許多問題，經(jīng)不斷摸索、嘗試、組織各方專家研討，及時解決了難題。下面介紹施工主要過程及難點處理措施。

3.1 測量及磁場布線

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

根據(jù)定向鉆對穿的需要，磁場線須從河東岸沿河道布設(shè)到河西岸，磁場覆蓋整個穿越地段，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，最后預埋鋼套管，回填基坑至自然地面。整個夯套管長度控制在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

光纜管導向孔鉆進中，HK-250主鉆機采用D 168mm （65/8 in）鉆桿，輔助鉆機采用D 127 mm（5 in）鉆桿，均采用D 245 mm （9 5/8 in）鉆頭。在鉆進至130m左右時，推力增大至25kN，行走速度緩慢，地錨后移；在鉆進至150m時鉆進受阻，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，然后繼續(xù)鉆進，效果良好。于2010年5月16日導向孔對接成功，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，并對涇河穿越的地質(zhì)情況有了更進一步的了解。

3.4 主管導向孔鉆進

在兩岸套管內(nèi)下中心定位器，以保證導向孔的位置處于套管的正中心。在具備主管穿越的條件后，開始主管導向孔鉆進，將剛出套管進入粉質(zhì)黏土的第一根鉆桿導向孔的傾角抬高1.5°，這樣可以減小回拖時卡套管的風險。由于借鑒了光纜管導向孔穿越的經(jīng)驗，主管導向孔鉆進順利，兩臺鉆機相互協(xié)調(diào)工作進行雙向?qū)蚩椎膶印Ｓ?010年6月6日主管導向孔對接成功。

對接成功后，輔助鉆機逐步回退鉆桿，同時，主鉆機一邊采集輔助鉆機信號，一邊利用采集的信號控制鉆進方向，使之逐步向輔助鉆機已形成的導向孔平緩趨進，直至沿導向孔出土，完成整個導向孔的穿越。

3.5 擴孔、洗孔作業(yè)

考慮主管管徑和穿越地層特點，分五級擴孔，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，鉆機空載扭矩較大，而鉆桿允許扭矩有限，為了提高擴孔效率，增大擴孔扭矩，采用雙鉆機同步多級擴孔的施工工藝。

（1）一級D 762 mm擴孔。使用擴孔器組合為D 762 mm擴孔器 +D 610 mm（24 in）桶式擴孔器，在擴至150 m處時，扭矩擺動突然變大，進尺緩慢，最慢的一根鉆桿耗時268 min，在擴至220 m時恢復正常，一級擴孔繼續(xù)進行。在擴至780 m時，扭矩再次增大，頻繁出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，推測鉆具出現(xiàn)泥抱鉆現(xiàn)象，擴孔單根時間達到360 min。經(jīng)過10 d時間，一級擴孔終于完成，出土擴孔器全部被黏泥包死，大大削弱了它的切削能力。

（2）二級D 914 mm擴孔。使用擴孔器組合為D 610 mm扶正器+D 914 mm刀板式擴孔器。在擴至720 m時，擴孔進尺緩慢，頻繁出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，回推受阻，最后采取出土點鉆機反回拖，將擴孔器拉出，經(jīng)過洗孔后重新擴孔才順利進行。

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

（4）四級D 1 321 mm擴孔。鑒于擴孔扭矩較大導致HK-250鉆機總是出現(xiàn)故障，為了確保施工的順利進行，將HK-250鉆機換成DD-1330鉆機，開始四級擴孔，擴孔器組合為D 889 mm（35 in）桶式擴孔器+D 1 312 mm刀板式擴孔器，經(jīng)過5 d時間完成四級擴孔。

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

3.6 主管回拖

為了確保回拖一次成功，在回拖前采用PE管注水降浮；為了減小回拖風險，回拖前采用1 524 mm桶式擴孔器進行了兩次洗孔，盡可能減少孔洞內(nèi)的鉆屑，減小回拖阻力。回拖時采用1 372 mm （54 in）桶式擴孔器+500 t萬向節(jié)+回拖管道，以滾輪架方式進行發(fā)送。使用吊管機對管道的方向進行調(diào)整，并使用認孔器，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)運大型推管機到?jīng)芎蝇F(xiàn)場，在回拖受阻時進行推管作業(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，添加有機潤滑劑保護鉆屑，解決“泥抱鉆”問題。

（3）制作了特定的修孔器，擴孔完成后，從入土點往出土點方向?qū)θ胪炼颂坠芘c粉質(zhì)黏土接口附近反復進行修孔作業(yè)，減小回拖風險。

（4）管道回拖受阻時，首次使用推管機來幫助管道回拖，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+定向鉆對穿組合穿越方案；施工中進行了多種技術(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)黏土層擴孔時卡鉆、抱鉆及管道回拖卡管等各種問題，對擴孔器進行了優(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，同時也為國內(nèi)外類似管徑定向鉆穿越工程的設(shè)計和施工提供了借鑒。

[1]賈偉波.定向鉆對穿與夯管技術(shù)的綜合應(yīng)用[J].建筑機械化，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 （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、咨詢工作。

2010-11-16；

2011-12-09