陸對海定向鉆穿越技術在海洋工程的探索與實踐

李大全，王文龍，林貽海，張智樞，張秀林

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

崖城13-1 管道高欄支線工程項目，需要在已建荔灣3-1 至珠海高欄終端天然氣管道旁，新建1條24 英寸天然氣分輸管道。該項目登陸段施工，如采用常規海底管道預挖溝回填方式，將面臨以下主要施工難點和風險：一是登陸段近岸端地貌復雜、海況惡劣、回頭浪大，海底管道預挖溝難度大；二是新建管線距離已建管線較近，需對已建管線后保護設施進行移除，對其安全性存在一定施工風險；三是海底管道預挖溝、已建管線后保護設施移除和回填保護作業工程量大，投入資源多，將大幅增加項目成本，破壞已有設施和環境。

為解決上述問題，探索采用水平定向鉆穿越的方式進行登陸段施工作業，以避免上述所面臨的施工難點和風險。水平定向鉆穿越技術最早出現在20世紀70 年代，是傳統的打孔與油田定向鉆技術的結合[1]，常應用于陸域工程復雜地質條件下的穿越工程。隨著定向鉆穿越技術不斷發展和進步，定向鉆穿越在海洋油氣工程領域作為一項新的施工技術[2]，在海底管道穿越航道、沖涮區和障礙物等方面問題上，提出了新的解決思路和實踐方案。本文以崖城13-1 管道高欄支線項目登陸段施工，探索采用陸對海定向鉆穿越技術為例，對陸對海定向鉆穿越技術的技術方案、施工原理和實際應用效果進行詳細介紹。

1 陸對海定向鉆穿越曲線設計

崖城13-1 管道高欄支線項目工程采用陸對海的定向鉆穿越技術進行施工，定向鉆穿越完成后，通過高欄終端的鉆機和鋪管船之間的緊密配合，將鋪管船上焊接預制好的海底管道逐根回拖至高欄終端，完成登陸段施工回拖作業。

通過對該登陸段海底管道定向鉆穿越設計和計算分析，該登陸段定向鉆穿越管線為：610 mm ×22.2 mm，材質為API 5L X65，防腐層設計為三層聚丙烯（Three layer polypropylene， 3LPP）。本工程彈性彎曲段的最小曲率半徑為1 500 D。彈性敷設段海管除應滿足最小曲率半徑要求外，還應滿足海底管道本身強度的要求，即由海底管道的軸向應力（σL）、內壓產生的環向應力(σh）和彈性敷設產生的彎曲應力組合的當量應力不應大于0.9 σs。彎曲應力按式（1）計算：

考慮彎曲應力時，應力校核按式（2）計算校核：

彈性敷設管段強度校核結果見表1。

表1 彈性敷設海管強度校核結果

高欄終端水平段管線底面標高為EL.(+)52.15 m，定向鉆穿越水平長度為853.77 m，實際長度為867.5 m。入土點位于已建海底管道登陸點北側50 m，入土角為20°；出土點位于海底，水深約8.6 m，出土角為6°。定向鉆穿越最低點管線底面標高為EL.(-)40 m，相對入土點穿越深度92.15 m，曲率半徑為915 m（1 500 D）。定向鉆穿越設計曲線如圖1 所示。

圖1 陸對海定向鉆穿越曲線

2 陸對海定向鉆穿越技術

2.1 定向鉆施工流程

本次定向鉆穿越施工流程為：定向鉆設備安裝調試→從陸地向水下鉆導向孔→鉆通巖石層→鉆頭從入土點拔回→正推逐級擴孔→鉆頭從海底出土→抽回鉆頭→粘土段正推擴孔→擴孔鉆頭上鋪管船→卸鉆頭/連接管道→管道在鋪管船預制/開始回拖→回拖完成，進行相關檢測。

2.2 導向孔精度控制

為確保海底管線在海底的出土位置和角度滿足設計要求，同時確保海管路由附近已建海底管線的安全，必須精確控制導向孔精度。

2.2.1 精確測量放線 按照設計圖紙，使用GPS 準確定位穿越施工的入土點和出土點，從而得到精確的穿越軸線，在放線階段須嚴格控制測量放線精度，防止穿越軸線與設計軸線發生偏移誤差[3]。

2.2.2 嚴控穿越中心線的磁方位角測量 在導向孔開鉆前，須準確測量穿越中心線的磁方位角，該數值是導向孔鉆進方向控制的原始依據，確保實際穿越曲線與設計曲線一致。通過在地表多點測量，對比分析各組數據，排除由于磁干擾而產生錯誤的數據，確定正確的磁方位角數值。如果各組數據相差較大（0.2°以上），則增加測量點（2～4 個），直到確定準確的磁方位角數值。

2.2.3 布置地面人工磁場輔助測量 定向鉆控向的原理是在定向鉆鉆頭后方，安裝有地磁導向系統的探測器，探測器中包含有三軸重力加速度計和三軸微磁場傳感器，根據探測到的重力場和磁場在各個傳感器中的分量，可以計算出鉆頭的姿態和朝向[4]，然后由數據傳輸系統將這些信息傳輸至地面操作系統中。在定向鉆穿越導向孔鉆進時，每鉆進一根鉆桿，測量一次鉆頭的傾角和方位角，根據這兩個數據計算出當前鉆進相對于上一次鉆進的上下和左右偏差，進而完成整個導向孔鉆進。由于地球磁場的微弱性和不穩定性，導致加速度計和磁力計采集的數據有一定的波動和誤差。通過在現場布置人工磁場，增加磁場強度和磁通量，可以有效提高加速度計、磁力計采集數據的準確性，從而提高定向鉆控向的精度（圖2）。

圖2 人工磁場布置示意圖

2.2.4 GPS 鉆頭跟蹤測量儀輔助定位 GPS 鉆頭跟蹤測量儀根據入土、出土點標定的GPS 坐標，建立穿越中心線的GPS 坐標系，GPS 鉆頭跟蹤測量儀發射磁信號（圖3），鉆頭探測器接收到信號后，由計算機計算出鉆頭相對穿越中心線的位置，在鉆進過程中隨時對鉆頭位置進行檢測和調整，從而精確控向。

2.2.5 嚴格控制導向孔按設計曲線鉆進 在鉆導向孔階段，對每一測量點的控向數據采取不同工具面角進行實時測量。在每個測量點，通過旋轉鉆頭，使工具面角分別在 0°，90°，180°，270°和 360°時進行控向數據的實時測量，取最接近五次實時測量數據平均值的工具面角作為控向數據采集時的工具面角，減少控向數據采集的誤差，防止鉆進曲線與設計曲線間產生偏移。

圖3 鉆頭定位示意圖

2.2.6 控向系統采用高精度數學模型 在水平定向鉆施工中，采用精度較高的平均角法和最小曲率法作為控向系統的數學模型，以求在相同的數據采集基礎上，得到較高的計算精度，從而提高控向的精度[5]。

嚴格按照規范要求施工，確保每根鉆桿的操作符合設計所規定的曲率半徑范圍，每根鉆桿的折角和方位角的變化值滿足規范規定的鉆桿折角范圍，折角不大于1.2°～1.3°，曲率半徑不小于1 500 m。

2.3 泥漿配置方案

本次穿越工程地質自上而下有：中風化花崗巖，全風化花崗巖，粉質粘土，零星分布粉砂，淤泥質粉質粘土，淤泥。考慮到工程穿越長度、管徑，地下水和地表水鈣鎂離子含量高，為避免鉆屑攜帶不干凈雜質，鉆桿被粘卡，使鉆桿扭矩增大，增加海底管道防腐層破壞等風險，確保穿越工程安全順利進行，泥漿配置至關重要。

2.3.1 泥漿室內試驗 根據穿越地層地質條件，在泥漿實驗室試配，并確定不同的泥漿配方，在施工過程中，根據地質情況和鉆進工藝，調整泥漿的配方和泥漿性能，推薦泥漿性能見下表2 和表3。

表2 泥漿動塑比、濾失量、返漿攜砂量表

表3 泥漿粘度表

泥漿配置方案主要是降低泥漿失水量，保證泥漿的護壁性、潤滑性，以及與地層鉆屑的親和性，防止泥漿失效，保證鉆屑被包裹在泥漿膠體中，防止鉆屑床的產生。

2.3.2 導向孔階段泥漿方案 在鉆導向孔階段，泥漿的主要作用是護壁、排屑，防止鉆屑床的產生。為提高鉆進效率，泥漿的配置方案需將泥漿在鉆頭噴嘴處的粘度控制在40～50 s。配方為水+(5-7)%膨潤土，泥漿用量主要依據泥漿馬達使用需求，使馬達產生足夠動力，泥漿流量為2 000 L/min，壓力約為3～5 MPa。

2.3.3 擴孔階段泥漿方案 在擴孔階段，泥漿的主要作用是護壁和排屑，合理控制泵的排量，提高流速，增大鉆屑攜帶能力。泥漿配制粘度要求70～90 s；配方為水+(8-10)%膨潤土+正電懸浮劑1%，泥漿用量主要依據動力擴孔器的使用需求，使動力鉆具產生足夠動力，泥漿流量為3 000～4 000 L/min，壓力約 3～5 MPa。

2.3.4 洗孔、回拖階段泥漿方案 回拖階段，海底管道回拖力主要有兩部分構成，一是由于重力和浮力作用引起的摩擦力，二是由于泥漿結構粘度引起的粘滯阻力。通過改變這兩個參數可以降低回拖力，有效降低施工風險。針對這兩個參數，回拖時的泥漿除滿足護壁[6]、防塌孔的功能外，應適當減小泥漿粘度，減小回拖力。泥漿配制粘度要求60～70 s，配方為水+(7-10)%膨潤土。泥漿用量主要給孔內及時補給泥漿，泥漿排量約為500～2 000 L/min，壓力約 0.5～1 MPa。

在施工階段，需根據不同地質情況，適時調整泥漿配制方案，根據不同地層斷面及時調整泥漿性能。

2.4 巖石層和覆蓋層分段施工

本次陸對海定向鉆穿越工程土質層分為巖石層和覆蓋層，由于巖石段擴孔時間長，為防止出土側覆蓋層的塌孔或縮孔，將擴孔分兩個階段進行，一是巖石層擴孔，二是覆蓋層擴孔，不同土質層需要擴孔級數、級差（表4），所使用擴孔器型式和直徑均不相同。

表4 管道擴孔級數、級差表

2.4.1 巖石層擴孔 由陸地向海上鉆進入土側巖石層導向孔，鉆穿巖石層后，將鉆頭拔回，進行巖石層擴孔。巖石層擴孔采用正推擴孔工藝，鉆具安裝動力擴孔器進行施工（圖4）。動力擴孔器工作原理是利用泥漿馬達輸出的動力帶動切削盤高速旋轉，從而達到切削巖石的目的[7]。巖石層正推擴孔時，鉆具連接方式為鉆機→鉆桿→（扶正器）→動力擴孔器。動力擴孔器的高速平穩運轉使得孔洞內壁非常光滑，有效降低了海底管道回拖時防腐層的破損風險。

圖4 巖石層正推擴孔示意圖

2.4.2 覆蓋層擴孔 待巖石層擴孔完成后，進行出土側覆蓋層的導向孔鉆進，導向孔鉆進完成、鉆頭在海底出土后，根據海上磁靶定位系統， 工作原理是從已知點發射一個特定的磁場信號，由導向系統探測器接收這個信號，探測器根據接收到的信號方向和強度來確定自己與磁靶的相對空間位置，根據磁靶的位置計算出鉆頭的當前位置，通過連續的磁靶定位，可以精確確定鉆頭位置和深度（圖5）。結合潛水員聯合確認鉆頭位置，并將鉆頭從入土點抽回，更換為覆蓋層正推筒板式擴孔器，進行覆蓋層的正推擴孔。

圖5 覆蓋層正推擴孔示意圖

2.5 海底管道回拖

覆蓋層擴孔作業完成、鉆頭從海底出土后，由潛水員用卸扣將鋪管船作業線上的AR 纜與擴孔鉆頭上的連接孔連接，將鉆頭拉出水面，放在托管架上，拆卸擴孔鉆頭，如圖6 所示。

圖6 在托管架上拆卸擴孔鉆頭示意圖

使用鋪管船的吊機將回拖旋轉接頭和回拖擴孔器吊裝至拆卸擴孔鉆頭的位置與鉆桿進行連接，將鋪管船作業線上預制好的管道逐步送至連接位置，利用卸扣和回拖旋轉接頭連接。回拖時鉆具連接方式為：鉆機→鉆桿→加重鉆桿→回拖擴孔器→旋轉接頭→卸扣→海底管線（鋪管船），如圖7 所示。

圖7 回拖時鉆具連接方式示意圖

海底管道回拖作業采取在鋪管船作業線預制，由高欄終端陸地鉆機牽引回拖的方式，管線預制與牽引回拖交叉進行，即預制一段、回拖一段，回拖時盡量要減少管線在孔內完全靜止的時間，如圖8所示。

圖8 海底管道回拖示意圖

海底管道回拖完成后，為防止回拖海底管道受鋪管船移船及正常鋪管作業影響，在高欄終端陸地采用抱卡抱住回拖后的管體，并采用鋼絲繩將抱卡連接在鉆機基礎上，防止海底管道施工作業拖拉移動已安裝就位的回拖管道。待海底管道正常鋪設一定距離后，鉆機回拖力測試顯示回拖管道不再受到鋪管船正常鋪設施工影響，即可拆除抱卡、解除鉆機基礎，進行陸地回拖海底管道與終端工藝管線的連接施工作業。

3 實施效果

在海底管道回拖過程中，高欄終端陸地定向鉆機回拖力和鋪管船的張緊器張力數值均在設計要求范圍內，且數值變化平穩，連續作業并一次回拖成功。海底管道回拖完成后，海管實際穿越曲線滿足設計精度要求，定向鉆水下出土點位置和角度均在設計范圍內。

通過對登陸段海底管道進行測徑檢測，測量板狀態良好（圖9），未發生明顯變形[8]。海底管道拖拉出導向孔后，海底管道3LPP 外防腐層、拖拉封頭與海底管道之間的節點防腐熱縮帶狀態良好[9]。海底管道外防腐層饋電測試檢驗孔隧內管線防腐層質量，導電率小于標準值，評價結果為“優”[10]，證明孔隧內管線外防腐層狀態良好。

圖9 海底管道回拖完成后狀態

4 分析與討論

本文以崖城13-1 管道高欄支線項目海底管道登陸段施工為例，介紹了海底管道登陸段定向鉆穿越技術方案、施工原理和實際應用效果。是結合陸地定向鉆穿越和海底管道鋪設回拖技術施工的探索與實踐，與陸地定向鉆穿越施工最大的區別在于，受天氣和海況影響較大，且需要陸地定向鉆機與海上的鋪管船緊密配合。

在項目實施過程中，遭遇了巖石層硬度過高和涌浪較大等困難。針對巖石層硬度過高，鉆導向孔和擴孔時，鉆頭損壞嚴重，多次更換鉆頭和打撈掉落在孔道內的扶正塊及牙輪，并不斷優化鉆頭和扶正圈的結構，確保了定向鉆穿越施工按期完工。針對鋪管船起始鋪設配合回拖作業時涌浪較大，“海洋石油202”鋪管船穩性不足等情況，導致作業線焊接效率較低，返修率較高，通過調整熟練焊工和改變預熱方式，提高了焊接質量，保證了海底管道作業線預制和回拖工作密切配合的順利完成。

4.1 選擇合適的擴孔器

本工程在穿越擴孔過程中遭遇到高硬度巖石層，通過改變擴孔器的結構形式（包括擴孔器整體結構、擴孔器前扶正圈機構，以及鉆頭上牙輪布局、安裝角度和不同齒形牙輪排列情況）和提高擴孔器的結構強度（包括擴孔器結構材質強度和鉆頭牙輪齒的硬度），減少了高強度巖石擴孔過程中巖屑卡鉆和鉆具損壞現象，順利完成高硬度巖石層的擴孔作業。如圖10 和圖11 所示。

圖10 優化前的擴孔器

圖11 優化后的擴孔器

4.2 選擇天氣良好的作業時間窗口

由于陸對海定向鉆穿越施工主要涉及到海上鋪管船和陸地鉆機，受鋪管船自身作業穩性要求和海底管道鋪設作業環境條件的限制，選擇天氣良好的回拖作業施工窗口，能有效提高鋪管船上海底管道預制質量（焊接一次合格率）和效率，避免在回拖過程中發生臨時棄管帶來的海底管道破壞和回拖失敗等問題，確保回拖作業連續并一次成功。

5 結 論

海洋油氣開發海底管道登陸段施工采用定向鉆穿越技術的探索與實踐，使我們掌握了陸對海定向鉆穿越技術，為后續國內類似油氣輸送管道定向鉆穿越的設計和施工提供了寶貴經驗。

崖城13-1 管道高欄支線項目海底管道登陸段施工，采用陸對海定向鉆穿越方案施工周期約為70天，較原海底管道預挖溝回填方案節省工期約110天，節省費用約3 000 萬元。該工程項目不僅降低對環境的影響，提高工程施工效率，且大幅降低了工程施工成本，具有重要的推廣價值和社會效益。