定向鉆技術(shù)在航煤管道穿越黃河中的應(yīng)用研究

黎雙周

摘要：某公司至蘭州中川機(jī)場(chǎng)的航煤管道有3種穿越黃河的方式，對(duì)可采用的3種穿越方案進(jìn)行類比，確定航煤管道采用定向鉆方式穿越黃河。定向鉆技術(shù)有許多突出特點(diǎn)，關(guān)鍵是確定實(shí)施過程中的各項(xiàng)參數(shù)。根據(jù)工程實(shí)際情況，確定此次定向鉆穿越過程中的工程等級(jí)及實(shí)施參數(shù)，并對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行校核，通過計(jì)算確定鉆機(jī)回拖力。然后按照確定的參數(shù)進(jìn)行施工，順利完成了航煤管道穿越黃河的工作，穿越完全符合設(shè)計(jì)要求。而且施工作業(yè)期間沒有發(fā)生任何安全事故，保護(hù)了環(huán)境，減少了土壤植被的破壞，節(jié)約了大量的工程費(fèi)用，并且投用后的航煤管道運(yùn)行安全。

關(guān)鍵詞：定向鉆；航煤管道；穿越；黃河

中圖分類號(hào)：TE 973.4????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

隨著航空運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，蘭州中川機(jī)場(chǎng)航煤用量也逐年迅速增加。蘭州中川機(jī)場(chǎng)所需航煤一直是通過公路運(yùn)輸，而隨著航煤用量的迅速增加，公路運(yùn)輸方式已無法滿足中川機(jī)場(chǎng)用油需求。并且公路運(yùn)輸運(yùn)費(fèi)高、損耗大、危險(xiǎn)性高，存在不利于生態(tài)保護(hù)等一系列難以解決的問題。因此，為保證中川機(jī)場(chǎng)航煤的供應(yīng)，建設(shè)某公司至中川機(jī)場(chǎng)的航煤管道。通過管道輸送航煤，具有輸送安全、損耗低、無污染等優(yōu)點(diǎn)；可以從根本上解決航煤運(yùn)輸不暢的問題，緩解交通壓力，消除公路運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)，滿足中川機(jī)場(chǎng)用油需求和降低用油成本。

1實(shí)施方案選擇原則

航煤管道穿越黃河處黃河河道呈東西走向，航煤管道為南北走向，無法避繞。因黃河水利委員會(huì)明確表示不允許采用跨越方式通過黃河，并且管道輸送的油品為烴類混合物質(zhì)，易燃易爆，具有一定的壓力，一旦發(fā)生航煤泄漏，對(duì)黃河水體會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此不宜采用跨越方案。受地理?xiàng)l件、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的限制，開挖方式及鉆爆隧道穿越方案均不易實(shí)現(xiàn)。

為遵守國(guó)家及當(dāng)?shù)卣姆伞⒎ㄒ?guī)，本著安全第一、環(huán)保優(yōu)先，重視環(huán)境保護(hù)，節(jié)約土地，盡可能減少對(duì)不可再生資源的占用；同時(shí)采用先進(jìn)、成熟技術(shù)的原則，決定對(duì)航煤管道必經(jīng)大型河流黃河采用穿越技術(shù)進(jìn)行。

適宜采用的穿越方式有頂管隧道、盾構(gòu)隧道及定向鉆等穿越方案。

2穿越方案的類比分析

2.1頂管隧道方案

根據(jù)穿越處兩側(cè)場(chǎng)地的地形地貌特點(diǎn)，南側(cè)為某油品罐區(qū)，北側(cè)為丘陵，場(chǎng)地均受限，綜合考慮可將北岸作為始發(fā)井，始發(fā)井距離岸堤約230 m、井深27 m、直徑10 m；南岸作為接收井，豎井距離南岸大堤堤腳70 m、井深31 m、直徑9m。隧道斷面采用“一”字型，坡度為0.5%、穿越長(zhǎng)度約550m。

2.2盾構(gòu)隧道方案

盾構(gòu)法施工工藝較復(fù)雜，投資較高，適用于通航、長(zhǎng)距離、地層條件復(fù)雜的河流穿越，本工程穿越為通航河流，穿越主要地層為泥質(zhì)砂巖。根據(jù)穿越處兩側(cè)地形綜合考慮，穿越方式與頂管隧道穿越方式相同。

2.3定向鉆穿越方案

根據(jù)穿越處兩側(cè)地形及現(xiàn)場(chǎng)條件，可將定向鉆入土點(diǎn)置于南岸場(chǎng)區(qū)內(nèi)，距離大堤堤腳282 m，出土點(diǎn)置于距離北岸岸堤約724 m 。定向鉆穿越水平長(zhǎng)度為1190 m，穿越層主要為泥質(zhì)砂巖層，南側(cè)入土段需穿越約5 m 的卵石層，采取夯套管穿越。

三種穿越方案類比一覽表見表1所列。

三種穿越方案均為非開挖方式且安全通過。但盾構(gòu)及頂管隧道穿越方案缺點(diǎn)明顯。定向鉆方案雖入土點(diǎn)卵石層需采取措施處理，但厚度不深，可采取夯套管后施工。施工時(shí)完全在河流兩岸陸地上進(jìn)行，具有不破壞大堤、不擾動(dòng)河床、不影響通航，對(duì)環(huán)境影響較小、施工周期較短、管道運(yùn)營(yíng)安全、綜合造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮各方面因素，確定航煤管道采用定向鉆方式穿越黃河。

3定向鉆技術(shù)的特點(diǎn)

定向鉆是通過造斜、導(dǎo)向等手段，使鉆孔在鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)向，并沿預(yù)定軌跡達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了電子技術(shù)、鉆探設(shè)備以及鉆探工藝的創(chuàng)新[1] 。定向鉆技術(shù)在石油工業(yè)中發(fā)展較為成熟，能夠被很好地運(yùn)用到管線敷設(shè)施工中[2]。

定向鉆穿越施工過程，對(duì)地表土壤的干擾小，并且不會(huì)阻礙交通運(yùn)行，也不會(huì)破壞地表植被，進(jìn)而減少對(duì)居民正常生活的影響。施工精度高，穿越過程可以使管線繞過地下的障礙物，施工周期短、穿越成功率高、施工占地少等[3]。

4航煤管道穿越黃河的應(yīng)用

4.1穿越管道參數(shù)的確定

定向鉆技術(shù)的關(guān)鍵是確定施工過程中的各項(xiàng)參數(shù)。

4.1.1? 穿越工程等級(jí)及基礎(chǔ)參數(shù)

穿越處黃河兩堤間寬度為192 m，河床寬為172 m。穿越處多年平均水面寬度160 m，水深最深處約7.5 m。按照《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50423-2013）（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）水域穿越工程等級(jí)與設(shè)計(jì)洪水頻率劃分，該穿越工程的穿越工程等級(jí)為河流大型穿越工程。

4.1.2 穿越地層及埋深確定

穿越處地層主要為泥質(zhì)砂巖，適合定向鉆穿越。滿足最小埋深大于設(shè)計(jì)洪水沖刷線以下6 m 的要求；彈性敷設(shè)曲率半徑取1500倍的鋼管外徑，管頂距離百年一遇沖刷線下18.55 m，滿足規(guī)范要求。

4.1.3 管道選擇

根據(jù)《規(guī)范》的要求，穿越段鋼管壁厚計(jì)算見表2所列。

根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，穿越段管道選用 D219.1×10 L245M 直縫高頻電阻焊鋼管，采用三層 PE 加強(qiáng)級(jí)防腐，管道長(zhǎng)度1097.5 m。

4.1.4 管道主要參數(shù)校核

根據(jù)《規(guī)范》和《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》（GB 50470-2008）要求，對(duì)所選管道參數(shù)必須進(jìn)行校核確定，以滿足工程項(xiàng)目需要。

選擇的管道徑厚比為219.1 mm/8.8 mm=21.91<100，穿越用管的剛度滿足規(guī)范要求。

其主要的參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3所列。

計(jì)算過程中使用的管道參數(shù)選取見表4所列。

根據(jù)《規(guī)范》要求和計(jì)算結(jié)果，對(duì)穿越管道的強(qiáng)度、徑向穩(wěn)定性；管道回拖工況時(shí)的拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、外部環(huán)向應(yīng)力、拉力和彎曲產(chǎn)生的軸向應(yīng)力及外壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力；管道試壓工況下的試壓工況應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力、管道應(yīng)力；運(yùn)行工況應(yīng)力；定向鉆穿越管道徑向屈曲失穩(wěn)計(jì)算逐項(xiàng)進(jìn)行校核，校核結(jié)果均滿足要求。

通過對(duì)管道抗震負(fù)荷計(jì)算，黃河穿越使用管材滿足抗拉伸、抗壓縮要求，可不考慮采取防震措施。

4.2鉆機(jī)選型

鉆機(jī)設(shè)備的能力按本次設(shè)計(jì)穿越距離計(jì)算。根據(jù)《規(guī)范》要求，按照公式（1）計(jì)算回拖力F （ KN ）：

F =Lf[（πD 2γ/4）-πδDγs-Wf ]+KπDL；（1）

式中：L 為穿越長(zhǎng)度，1097.5 m；f 為摩擦系數(shù)，取0.3；D 為鋼管外徑，0.2191 m；γ為泥漿比重，12 kN/m3；γs 為鋼管重度，78.5 kN/m2；δ為鋼管壁厚0.01 m；Wf為回拖管道單位長(zhǎng)度配重，kN/m；k 為粘滯系數(shù)，取0.18。

計(jì)算回拖力為122.2 KN，穿越管段回拖時(shí)，鉆機(jī)最大回拖力為計(jì)算值的1.5～3倍，選用鉆機(jī)回拖力宜為366.6 kN。確定選用 ZT-36型履帶自行走式全液壓定向鉆進(jìn)鋪管鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)回拖施工。

4.3定向鉆穿越黃河施工

（1）入土點(diǎn)、出土點(diǎn)選擇。根據(jù)穿越處兩側(cè)地形地貌，東岸為某油品罐區(qū)，入土點(diǎn)布于東側(cè)，距離南岸岸堤180 m，出土點(diǎn)布于北岸，利用灰渣場(chǎng)地作為定向鉆回拖布管場(chǎng)地，距離黃河主河道北側(cè)岸堤700 m。航煤管道穿越黃河入土點(diǎn)、出土點(diǎn)位置示意圖如圖1所示。

（2）不良地層的處理。黃河南側(cè)入土點(diǎn)存在對(duì)定向鉆不利的卵石層，厚度約6 m，埋深6～12 m，采用開挖夯套管法處理卵石層，入土角度為10°，采用套管隔離長(zhǎng)度為50 m。

（3）入出土點(diǎn)場(chǎng)地的處理。管段定向鉆鉆機(jī)場(chǎng)地入土端60 m×60 m，出土端30 m×30 m。挖掘機(jī)整平原始地面后壓實(shí)，周圍挖0.5 m×0.5 m排水溝，以防雨天場(chǎng)地積水。在入、出土端場(chǎng)地內(nèi)各挖泥漿池1個(gè)，大小為800 m3，泥漿池底部與四周用土工布鋪墊，以防泥漿滲漏到地層中。

回拖場(chǎng)地按10 m寬實(shí)施，在回拖場(chǎng)地內(nèi)，入土點(diǎn)與出土點(diǎn)所形成直線的延長(zhǎng)線上，采用聚乙烯滾動(dòng)支架進(jìn)行回拖，回拖分三次進(jìn)行。在出土點(diǎn)后的預(yù)制管段平整形成150 m的直管段，采取彈性敷設(shè)，敷設(shè)半徑不小于1 500倍的鋼管外徑。

（4）泥漿的配置。穿越地層主要是泥質(zhì)砂巖層。泥質(zhì)膠結(jié)差，成巖作用差，手掰易碎，屬極軟巖。泥漿選用膨潤(rùn)土+防塌劑+降失水劑+潤(rùn)滑劑；泥漿的配合比（Kg/m3）：1∶0.03∶0.04∶0.03［4］。進(jìn)行充分混合制成粘度為65 s 的高粘泥漿。實(shí)際使用過程中，隨使用工況的變化，再加入添加劑，配制出滿足要求的泥漿。

（5）鉆進(jìn)實(shí)施。定向鉆進(jìn)設(shè)備在入土點(diǎn)鉆進(jìn)一小直徑導(dǎo)向孔，鉆進(jìn)過程中通過監(jiān)控和手持控制器調(diào)整鉆頭，使鉆孔按設(shè)計(jì)的軌跡鉆進(jìn)，導(dǎo)向孔實(shí)際曲線與設(shè)計(jì)穿越曲線偏差不大于1%，且橫向偏差為±0.5 m、上下偏差為±0.3 m，出土點(diǎn)橫向偏差為±3 m、縱向偏差為+9 m～-3 m。并從出土點(diǎn)鉆出地面，完成導(dǎo)向孔的施工鉆進(jìn)。航煤管道鉆進(jìn)剖面示意圖如圖2所示。

（6）擴(kuò)孔。擴(kuò)孔用擴(kuò)孔器，可加快擴(kuò)孔速度和提升孔壁的圓滑度，對(duì)孔徑內(nèi)的巖塊和顆粒進(jìn)行充分?jǐn)D壓，加強(qiáng)孔壁的堅(jiān)固性和孔內(nèi)清潔性，便于拖管施工，減小擴(kuò)孔扭矩和拖管阻力，提升泥漿流動(dòng)性［5］。在出土點(diǎn)連接擴(kuò)孔器，擴(kuò)孔直徑應(yīng)保證不小于329 mm，將其孔道逐漸擴(kuò)大到穿越管徑的設(shè)計(jì)要求。在擴(kuò)孔時(shí)要確保孔壁穩(wěn)定，避免坍塌、卡管等不利現(xiàn)象發(fā)生，分3級(jí)擴(kuò)孔完成。

（7）管線預(yù)制及回拖。管線預(yù)制在回拖前完成，并進(jìn)行管道防腐層和補(bǔ)口補(bǔ)傷處理，環(huán)向焊縫均進(jìn)行100%射線檢測(cè)和100%超聲波檢測(cè)。管道回拖過程中鉆機(jī)設(shè)備能否提供足夠大的回拖力是管道回拖成功的重要保證，而在實(shí)際施工中主要研究如何減少阻力、降低回拖力，因此管道回拖阻力的計(jì)算極為重要［5］。本工程采用最大回拖力360 KN的鉆機(jī)進(jìn)行回拖，擴(kuò)孔完成后，采用回拉將出土處的管線回拖到入土點(diǎn)，完成管道鋪設(shè)安裝。回拖期間連續(xù)作業(yè)一次性完成。為保證連續(xù)回拖作業(yè)，在設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的擴(kuò)孔尺寸基礎(chǔ)上增加一級(jí)擴(kuò)孔，使孔洞與管道之間的間隙更大，加大泥漿濃度，使管道在回拖過程中懸浮在空洞中，管道焊縫處采用定向鉆專用補(bǔ)口帶包裹，管道回拖前增加一次洗孔。在回拖時(shí)，應(yīng)保證管口對(duì)焊和焊口檢測(cè)的時(shí)間不超過4 h，做好回拖的連續(xù)性，回拖速度控制在1.0 m/min，避免因停工造成阻力增大、塌孔及已回拖的管道在孔內(nèi)發(fā)生抱管事故[7]。

中川航煤管道穿越黃河段僅用65 d 的時(shí)間順利完成，穿越工藝完全符合設(shè)計(jì)要求，施工作業(yè)期間沒有發(fā)生任何安全事故。自投用至今，輸送航煤90萬 t 之多，沒有發(fā)生泄漏、腐蝕、污染事故。

5結(jié)論

定向鉆技術(shù)在航煤管道穿越黃河中的應(yīng)用，能夠提升工程建設(shè)效率，保護(hù)環(huán)境，減少土壤植被破壞，降低工程費(fèi)用，保證航煤管道投用后的安全運(yùn)行。施工過程中泥漿的配置極為關(guān)鍵，并需根據(jù)不同施工階段適時(shí)調(diào)整泥漿配比。在施工過程中隨時(shí)監(jiān)控鉆機(jī)的扭矩、泥漿攜帶出巖屑的情況，進(jìn)行綜合分析地質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取措施，保證鉆進(jìn)的順利進(jìn)行。中川機(jī)場(chǎng)航煤管道穿越黃河工程一次性鉆進(jìn)1190 m，施工及使用效果良好，穿越一次成功。為類似項(xiàng)目建設(shè)提供了一定的參考經(jīng)驗(yàn)。

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