定向鉆穿越管道回拖抱管原因分析及處理

尚仲虎，徐大榮，楊海濱，楊志華 (中石化管道儲運分公司襄陽輸油處，湖北 襄陽 441002)

定向鉆穿越管道回拖抱管原因分析及處理

尚仲虎，徐大榮，楊海濱，楊志華 (中石化管道儲運分公司襄陽輸油處，湖北 襄陽 441002)

針對某輸油管道穿越河流段改造工程，選用?426×8.7 L360直縫埋弧焊鋼管對原管道進行替換。在定向鉆穿越回拖過程中，當管道回拖經過砂質地層結構時，管道發生抱管，鉆機回拖力達到最大值無法將管道回拖，回拖被迫終止24h。對管道回拖經過砂質地層時抱管產生原因進行分析。把定向鉆與氣動夯管錘的技術特點有機結合，通過氣動夯管錘的震動作用，降低地層土體剪切強度，克服定向鉆回拖輸油管道外壁的摩擦阻力，使管道在氣動夯錘震動力和鉆機牽引力作用下，解決砂質地層中定向鉆回拖抱管問題。

定向鉆;管道;回拖;抱管;氣動夯管錘

某輸油管道建成至今已有30多年的歷史，建設初期穿越河道采用大開挖方式進行管道敷設，設計深度在河床下2.5m。隨著地方經濟建設的發展，對砂卵石的需求不斷增大，當地采砂業蓬勃發展，在穿越管道上下游河道內挖砂取土，穿越段河床不斷下切，導致河道寬度增加60m左右，造成河床內管道裸露，靠近岸邊管道多處懸空，嚴重威脅著輸油生產安全.為了更快更好地徹底解決該穿越段安全隱患，確保輸油管道安全運行，采用定向鉆穿越進行換管改造。

為了確保穿越工程順利完成，采用DDW-1500型鉆機，回拖力為150t，控向設備采用英國Sharewell公司生產的MGS定向系統,在整個穿越過程中采用地面信標系統(Tru-Trucker system)配合MGS系統進行準確跟蹤定位,確保管道穿越準確無誤。改造段管道穿越長度436m,選用?426×8.7 L360直縫埋弧焊鋼管，入土角為9°，出土角為7°,穿越段的曲率半徑為1500D(D為管道直徑)。定向鉆穿越入土點端砂層長度為30m，穿越出土點端砂層長度為75m。2008年11月9日管道開始回拖，當回拖到入土點砂層(距離接點位置約70m時)，管道發生抱管[1]，鉆機回拖力達到最大，回拖被迫中止。

1 管道回拖抱管原因分析

(1)定向鉆擴孔分4次完成，最后使用?26″擴孔器完成擴孔。穿越砂質地層105m，由于砂層自穩性差，隨著孔徑擴大，孔壁穩定性也變得越來越差。當管道回拖時鉆桿和管道把砂層擾動，造成回拖孔坍塌，坍塌的砂在孔內堆積。

(2)由于砂質地層標高高于孔底約12m，鉆進擴孔時很順暢的假象沒有引起司鉆高度重視，擴孔鉆進沒有完全將孔內的砂取出，導致大量砂流入孔底，理論上約有25.7m3砂滯留在孔中。原因是擴孔器體積小，由于擴孔器在擴孔時前后存在壓差，大量的泥沙從擴孔器與孔道的環形空間流走，砂滯留在孔中并形成巖屑床。

(3)在地下水水壓力作用下，砂類地層易出現流砂現象，這時鉆孔在土壓和水壓的共同作用下，鉆孔穩定性也將大大降低。雖然在不拖管擴孔時阻力表現很小，好似鉆孔形狀保持完好，但當回拖鋼管時，砂層孔壁坍塌后，砂隨管壁移動產生位移，加快了砂土在管壁外的沉積速度，形成對管壁包裹，隨著管道進入鉆孔的增加，摩擦阻力不斷增大。

(4)管道在沉積砂層介質中回拖，由于顆粒之間缺乏膠結或膠結較差。而且砂層容易造成泥漿流失，使地層失去壓力平衡，并導致孔壁容易坍塌。

(5)對砂層或流砂地層鉆進時，由于未采用適宜的優質泥漿,且鉆孔糾偏鉆桿的折角過大，導致成孔偏離設計的鉆孔軌跡，造成管道回拖時損傷孔壁，造成大面積孔壁坍塌，導致管道卡管或抱管。

管道回拖抱管是上面其中一種原因造成或者是幾種原因的疊加造成回拖失敗。總之是泥砂流入管道和孔壁之間，砂的黏附力和剪切阻力增大，使管道回拖阻力不斷增加，最終導致管道回拖抱管。

2 管道回拖抱管處理方案的選擇

針對管道回拖抱管處理方法，定向鉆穿越方面專家及現場技術人員綜合各方面因素，提供了3個可供選擇的處理方案。

(1)常規情況下在管道回拖過程中一旦出現抱管卡死現象，應把鉆機調整到出土點端固定后進行回拖，把鉆孔內管道拖回至地面，然后按照正常程序進行重新鉆孔。如果盲目借助外力進行在入土點強行回拖，容易造成鉆桿斷裂。其次是管道拖拉頭前方砂層坍塌回拖力過大容易造成管道變形[2-3]。

(2)根據現場探測，管道拖拉頭已經到達岸邊，該處埋深約6m。采用直接開挖方式把管道拖拉頭挖出，拆除拖拉頭后重新在溝內直接進行管道焊接，管道焊接長度約75m。該方案對河岸損壞比較大，需要征得河道部門同意。

(3)在管道末端采用氣動夯管錘[4-5]進行低頻沖擊，把定向鉆與氣動夯管錘的技術特點有機結合，通過氣動夯管錘的震動作用，降低鉆孔壁剪切強度，克服定向鉆回拖輸油管道外壁的摩擦阻力，使管道在氣動夯管錘震動力和鉆機牽引力共同作用下，解決砂質地層中定向鉆回拖抱管問題。

經過對以上3個方案進行經濟對比及方案可行性分析，首選方案為采用氣動夯管錘震動配合定向鉆牽引進行回拖。

3 氣動夯管錘配合定向鉆牽引方案實施

3.1氣動夯管錘機理

圖1 氣動夯管錘結構簡圖

夯管錘系統中主要設備是夯管錘，圖1為夯管錘結構示意圖。氣動夯管錘工作原理如下：利用空壓機提供壓縮空氣，通過配氣桿驅動沖錘在缸體中作往復運動，打擊砧子夯擊鋼管。沖擊錘屬于低頻、高沖擊能量型氣動沖擊設備并通過球閥調節供氣量，測試沖擊頻率，供氣量越大，沖擊頻率越高。施工時，氣動夯管錘的沖擊力直接作用在鋼管的后端，通過鋼管傳遞到管道抱管段，使抱管段砂層或土層與管體之間液化，減小管體與砂層、土層之間的摩擦力[6]。如果穿越地層較干、鋪管長度較長、直徑較大時，應考慮注漿潤滑[7]。

氣動夯管錘無需后背力，提供的沖擊力很大，最大瞬間沖擊力可達600t以上(可調)，且可以和管線相連接，前進和后退方向均可調整。氣動夯管錘要求的鋼管最小壁厚如表1所示。

3.2牽引方案

表1 氣動夯管錘要求的最小鋼管壁厚

施工方于2008年11月10日調來一臺BH350型夯管錘(含17～20m3空壓機1臺，配套機具和管路1套)，在管端安裝事先加工好的卡具，連接好氣動夯管錘與空壓機之間的管路。首先啟動鉆機進行回拖管道，當達到一定回拖力時，啟動氣動夯管錘，當氣動夯錘管啟動5min后，管道開始慢慢進入鉆孔，15min后管道回拖正常，停止夯擊管道。氣動夯管錘配合定向鉆牽引處理管道回拖抱管取得成功。

4 結 論

(1)利用氣動夯管錘輔助水平定向鉆完成管道回拖抱管問題，與其他處理方式相比縮短施工工期、節約資金，截止目前該穿越段管道已經安全運行5a。

(2)利用氣動夯管錘輔助定向鉆，處理因抱管停止24h回拖的管道取得成功。

(3)當采用定向鉆穿越砂層時，針對穿越管道規格可以提前加工好卡具，在管道回拖時提前安裝好氣動夯管錘以備不時之需。

(4)在非開挖技術應用越來越廣的今天，熟練掌握和運行各項非開挖施工技術，取長補短，互相結合，充分發揮各自的技術特點，可以解決單一技術手段難以解決的問題。

[1]李曉芬，烏效鳴，王海，等.對非開挖鉆孔縮徑抱管問題的分析探討[J].探礦工程-巖土鉆掘工程，2008(2)：63-65.

[2]施建華，林路晨，安關峰.淺談國外非開挖施工設備[J].西部探礦工程，2002(4)：92-93.

[3]車延崗，董向宇.氣動夯管錘的研制及應用研究[J].探礦工程-巖土鉆掘工程，2007(9)：66-69.

[4]劉剛，徐舟，羅京新，等.定向鉆穿越回拖管道徑向變形原因分析[J].油氣儲運，2008(4)：60-61.

[5]徐海良，龍國健，梁武.非開挖氣動沖擊錘的技術現狀及研究前景分析[J].鑿巖機械氣動工具，2005(3)：1-7.

[6]李萬才.夯管錘在非開挖敷設燃氣管道中的應用[J].煤氣與熱力，2003(3)：177-178.

[7]朱波，張永高.應用水平定向鉆安裝管道時回拖拉力的計算方法[J].筑路機械與施工機械化，2005(10)：41-44.

2013-06-22

尚仲虎(1969-)，男，工程師，現主要從事輸油管道安全及腐蝕控制管理方面的研究工作。

TE933

A

1673-1409(2013)26-0152-02

[編輯] 洪云飛