劉艷利，周號(hào)中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊　065000

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水平定向鉆管道回拖受阻原因分析及措施

劉艷利，周號(hào)
中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊065000

摘要：介紹幾種常見的管道回拖和搶險(xiǎn)的輔助措施，包括滑輪組、夯管錘、推管機(jī)以及搶險(xiǎn)拉力機(jī)。在水平定向鉆施工搶險(xiǎn)過(guò)程中不能長(zhǎng)時(shí)間停泥漿泵，以防止泥漿固化。夯管錘助力回拖是最為常見的搶險(xiǎn)措施。推管機(jī)既可以助力回拖也可以反向搶險(xiǎn)回拖，對(duì)工程保障最為有利。滑輪組搶險(xiǎn)沒(méi)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)際效果不穩(wěn)定。而搶險(xiǎn)拉力機(jī)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該裝置可自動(dòng)控制，連續(xù)張拉，同時(shí)具有過(guò)載安全報(bào)警裝置，確保施工安全；多臺(tái)拉力機(jī)聯(lián)合使用時(shí)由遠(yuǎn)程控制裝置控制液壓拉力機(jī)協(xié)同工作、自動(dòng)同步，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

關(guān)鍵詞：水平定向鉆；管道；回拖；搶險(xiǎn)

水平定向鉆是一種通過(guò)地表設(shè)備以一定的出、入土角度穿越障礙物的非開挖技術(shù)。該技術(shù)起源于鉆井行業(yè)，20世紀(jì)60、70年代取得長(zhǎng)足發(fā)展，主要應(yīng)用于市政工程建設(shè)。1986年我國(guó)首次將該技術(shù)應(yīng)用于黃河石油管道穿越，該技術(shù)具有工期短、成本低的特點(diǎn)，并隨著我國(guó)管道建設(shè)的發(fā)展得到廣泛應(yīng)用。隨著水平定向鉆穿越項(xiàng)目的管徑逐漸增大，由720 mm 到1 219 mm，乃至中俄東線的1 422 mm，孔洞成孔質(zhì)量控制難度增加，塌孔、卡鉆問(wèn)題增多，從而導(dǎo)致管道回拖阻力過(guò)大。本文針對(duì)管道回拖時(shí)常見的問(wèn)題，進(jìn)行了原因分析并給出了解決措施。

1　管道回拖受阻原因

水平定向鉆管道回拖受阻會(huì)導(dǎo)致定向鉆穿越失敗。其內(nèi)因是，穿越地質(zhì)條件超出了定向鉆技術(shù)的適用范圍，孔徑不斷突破定向鉆擴(kuò)孔直徑極限，導(dǎo)致成孔質(zhì)量不可控；外因是施工過(guò)程中采取的預(yù)防和處置措施不當(dāng)。

正常的管道回拖阻力通常由回拖管道與成孔內(nèi)壁之間摩擦阻力、回拖管道拖拉頭管端阻力以及管道彎曲與孔壁引起的附加阻力構(gòu)成。成孔質(zhì)量較好時(shí)，回拖阻力主要是管道與成孔內(nèi)壁之間摩擦阻力，其大小可由下式計(jì)算：

式中：FL為計(jì)算回拖力，kN；L為穿越管段的長(zhǎng)度，m；f為摩擦系數(shù)，取0.3；D為鋼管的外徑，m；γm為泥漿重度，kN/m3，可取10.5～12.0；γs為鋼管重度，kN/m3，取78.5；δ為鋼管壁厚，m；Wf為回拖管道單位長(zhǎng)度配重，kN/m；K為粘滯系數(shù)，kN/m2，取0.18。

當(dāng)定向鉆成孔較差，其斷面有大有小、有高有低，鉆屑堆積，穿越軌跡也不平滑?；赝蠒r(shí)管端前部鉆屑累積，形成管端阻力，而當(dāng)時(shí)回拖管道局部曲率半徑小于1 200 D時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與孔壁的附加阻力。兩種阻力具體大小難以計(jì)算，客觀上取決于穿越巖土層的性質(zhì)，一般情況下管道在孔內(nèi)拖動(dòng)的距離越長(zhǎng)、穿越軌跡偏差越大，兩種阻力就越大。

1.1地質(zhì)條件

水平定向鉆適宜在巖石、砂土、粉土和黏性土地層施工，不適宜在弱膠結(jié)的中粗砂層、卵礫石層進(jìn)行穿越施工，這些地層結(jié)構(gòu)松散，成孔穩(wěn)定性差，極易發(fā)生塌孔埋鉆，造成很大的回拖阻力。但工程往往有各種具體原因需要定向鉆穿過(guò)這些地層，這時(shí)就必須采取一些措施來(lái)降低施工風(fēng)險(xiǎn)，例如采用夯套管隔離卵礫石，采用性能更好的泥漿來(lái)護(hù)壁等。盡管采取了輔助措施，但是管道回拖受阻不可避免，因?yàn)檩^大的卵礫石難以被泥漿攜帶，留在孔道內(nèi)越聚越多，使管道回拖時(shí)造成卡鉆。

1.2終孔直徑和擴(kuò)孔級(jí)數(shù)

水平定向鉆最終擴(kuò)孔直徑一般為回拖管道直徑的1.2～1.5倍。擴(kuò)孔級(jí)差一般為6、8、12 in（1in = 25.4 mm），當(dāng)然擴(kuò)孔級(jí)差因鉆機(jī)噸位大小和與之匹配的泥漿泵排量有所變化。這就意味著終孔直徑越大，擴(kuò)孔級(jí)差越小，擴(kuò)孔次數(shù)越多。對(duì)于穩(wěn)定的巖石層和黏土層來(lái)說(shuō)，減少擴(kuò)孔級(jí)差，多次擴(kuò)孔有利于攜帶鉆屑，成孔質(zhì)量容易保證，形成更大直徑的終孔，更利于管道回拖。但對(duì)于絕大多數(shù)土層、砂層等承載力較差的地質(zhì)條件，水平定向鉆施工時(shí)擴(kuò)孔器會(huì)產(chǎn)生沉降，擴(kuò)孔器沉降幅度與擴(kuò)孔速度和擴(kuò)孔時(shí)間成正比。同時(shí)擴(kuò)孔器在豎直方向會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)速度的變化范圍為380～320 mm/s［1］?？锥唇?jīng)過(guò)多次擴(kuò)、洗孔，鉆具對(duì)孔壁不斷抽吸、攪動(dòng)，導(dǎo)致孔洞成孔剖面不是理論上的圓形，而是水滴形、梨形、葫蘆形等多種形狀，導(dǎo)致定向鉆穿越軌跡存在偏差，同時(shí)過(guò)大的縱向高度使孔洞穩(wěn)定性降低，易塌孔卡鉆，影響正常的管道回拖［2］。

1.3夯套管

復(fù)雜地層的卵礫石一直為水平定向鉆穿越禁區(qū)，主要是由于卵礫石層地質(zhì)較為松散、地質(zhì)破碎，且卵礫石大小不等，軟硬不一，極難成孔［3］。隨著技術(shù)發(fā)展，目前有3種施工工藝可通過(guò)卵礫石層。第一種是直接開挖，去掉表層卵礫石；第二種是注水泥砂漿，進(jìn)行地質(zhì)改良，制造人造巖體；第三種是采用夯套管，隔離卵礫石層。施工設(shè)計(jì)通常采用夯套管技術(shù)，然而采用該工藝有一弊端就是套管與基巖接合處容易形成臺(tái)階，主要原因是結(jié)合部強(qiáng)度相差較大，擴(kuò)孔時(shí)擴(kuò)孔器與鋼套管旋轉(zhuǎn)切割時(shí)間較長(zhǎng)，容易造成鋼管破損，甚至卷曲。擴(kuò)、洗孔次數(shù)越多，形成的臺(tái)階越明顯。當(dāng)然夯套管的入土角度也比較重要，特別是大多數(shù)的夯套管施工，由于重力作用其實(shí)際入土角度要大于其設(shè)計(jì)入土角度（少數(shù)角度上傾，如洛陽(yáng)-駐馬店成品油管道黃河定向鉆穿越工程），穿越軌跡的不平滑過(guò)渡也會(huì)增加形成臺(tái)階概率。這些臺(tái)階會(huì)阻卡管道，增加回拖阻力，甚至使回拖失敗。

1.4其他

除了上述影響管道回拖力的因素以外，回拖管道的配重、管道吊裝位置和貓背角度大小、滾輪架的多少或發(fā)送溝的長(zhǎng)短曲直都會(huì)影響管道的回拖力。甚至是鉆具的損壞，例如漕港河穿越施工中拖拉頭軸承損壞；西氣東輸二線東段琶江穿越，出現(xiàn)擴(kuò)孔器牙輪脫落，導(dǎo)致回拖受阻。

2　水平定向鉆管道助力回拖措施

水平定向鉆管道回拖受阻，是繼續(xù)助力回拖還是反向回拖管道進(jìn)行重復(fù)洗孔，可根據(jù)回拖力增加幅度、回拖速度減緩程度以及回拖管道的距離綜合考慮。如果已經(jīng)回拖了大部分穿越的管道，而且回拖力增加有限，一般采取繼續(xù)回拖；為了避免加力造成的斷鉆桿風(fēng)險(xiǎn)，通常采取助力回拖方式。助力回拖最常見的方式是夯管錘助力回拖，還有一種比較新穎的助力方式是推管機(jī)助力。

2.1夯管錘助力

國(guó)外在水平定向鉆施工中，通常采用夯管錘助力的方式解決管道回拖受阻的問(wèn)題。美國(guó)阿拉巴馬州科登灘海穿越工程管徑為914 mm，穿越水平長(zhǎng)度為1 371.6 m，該工程主要地質(zhì)為砂層、黏土和淤泥。預(yù)計(jì)回拖力2 254 kN（230 t），鉆機(jī)采用3 430 kN （350 t）鉆機(jī)。由于埋深在35～45 m為弱膠結(jié)的黏土，在此區(qū)域出現(xiàn)塌孔，回拖力達(dá)到3018kN（308t）未能拖動(dòng)管道。為了保證鉆具和管道的安全，立即啟動(dòng)緊急預(yù)案，采用夯管錘助力回拖（見圖1），當(dāng)鉆機(jī)拉力達(dá)到1 333 kN（136 t），解卡成功，順利完成管道回拖。

圖1　夯管錘助力回拖

2.2推管機(jī)助力

推管機(jī)助力回拖來(lái)源于海瑞克公司的直接鋪管法，該技術(shù)將小型隧道掘進(jìn)設(shè)備和水平定向鉆技術(shù)結(jié)合，即將頂管所需的推力由推管機(jī)通過(guò)管道提供給機(jī)頭切削刀盤。最大規(guī)格推管機(jī)可以產(chǎn)生7 350 kN （750 t）的推力通過(guò)推管機(jī)的夾持器同時(shí)推動(dòng)小型隧道掘進(jìn)設(shè)備和管道，每個(gè)行程5 m。

廣東省天然氣管網(wǎng)二期工程的珠海LNG管道崖門水道定向鉆穿越工程位于珠海和江門交界處的珠江水系入?？诘狞S茅海水域，穿越管徑1 016 mm，穿越長(zhǎng)度2 700 m。穿越地質(zhì)復(fù)雜，軟硬交錯(cuò)，主要地層為全風(fēng)化的花崗巖、礫砂層和殘積土層。該定向鉆工程于2012年12月開工，2013年7月開始管道回拖，管道回拖至1 250 m處出現(xiàn)回拖力增大，最大啟動(dòng)回拖力達(dá)到2 940 kN（300 t）未見移動(dòng)，于是采取推管機(jī)HK500PT助力回拖。首先將推管機(jī)與地錨固定連接，采用地錨箱澆筑混凝土方式作為地錨，推管機(jī)夾持器有橡膠層防止對(duì)管道防腐層破壞，根據(jù)鋼管口徑設(shè)定夾持器壓力，然后根據(jù)工況再設(shè)定推力，準(zhǔn)備就緒后開始助力回拖。當(dāng)推管機(jī)推力達(dá)到784 kN（80 t）時(shí)，管道開始移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)解卡。此后又在1 400 m等多處間歇采取推管機(jī)助力回拖，在最后幾十根鉆桿的回拖施工中，每根鉆桿都需要助力回拖，最終在7月31號(hào)回拖順利完成。這是推管機(jī)助力回拖技術(shù)在我國(guó)首次應(yīng)用。

3　水平定向鉆管道回拖搶險(xiǎn)措施

3.1滑輪組加夯管錘搶險(xiǎn)

滑輪組搶險(xiǎn)設(shè)備是由卷?yè)P(yáng)機(jī)提供拉力，通過(guò)滑輪組多級(jí)增力。為了保證回拖噸位通常采用多組卷?yè)P(yáng)機(jī)并聯(lián)（見圖2），同時(shí)為了達(dá)到更好的搶險(xiǎn)效果，避免彈性回縮，可與夯管錘配合使用［4］。其施工簡(jiǎn)單，成本低廉，應(yīng)用最為廣泛。澀寧蘭復(fù)線某穿越工程，定向鉆穿越水平長(zhǎng)度1 309 m，曲線長(zhǎng)度1 310.6 m，穿越入土角16°，出土角9°，河床處最大埋深40 m。該工程前1 000 m管道回拖時(shí)，鉆桿回拖數(shù)據(jù)一切正常，拉力為853 kN（87 t）左右，到109根時(shí)，拉力增加到980 kN（100 t），隨后逐漸增加拉力到2 352 kN（240 t）后，拉力驟降，鉆具與回拖管道脫離。事故發(fā)生后，立即采用5 880 kN（600 t）滑輪組和19 600 kN（2 000 t）夯管錘組合解卡方案，當(dāng)滑輪組拉力達(dá)到2 450 kN（250 t）時(shí)，鋼管緩慢均勻移動(dòng)，解卡成功，三天后將拖入洞內(nèi)的鋼管全部拖出。

圖2　滑輪組搶險(xiǎn)

3.2推管機(jī)搶險(xiǎn)

推管機(jī)搶險(xiǎn)與推管機(jī)助力回拖工法類似。因?yàn)橥乒軝C(jī)由油缸提供頂推力，既可以回拖助力，也可以反向回拖搶險(xiǎn)。

中亞阿姆河定向鉆穿越工程，管徑1 422 mm，穿越長(zhǎng)度1 800 m，入土角7°，出土角6°，主要穿越地質(zhì)為含細(xì)礫石砂巖，分六級(jí)擴(kuò)孔，最終擴(kuò)孔直徑為1 829 mm（72 in）。考慮到管徑和長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)了海瑞克推管機(jī)HK750PT助力降低施工風(fēng)險(xiǎn)（見圖3）。由于成孔質(zhì)量較好，穿越軌跡平滑，并且采用800 mm 的PE管配重，使得管道最大回拖力在1617kN（165 t）左右，最終不需要推管機(jī)助力就完成了管道回拖。

圖3　中亞阿姆河HK750PT推管機(jī)

3.3搶險(xiǎn)拉力機(jī)

目前采用的滑輪組搶險(xiǎn)方式，每牽引4～6 m就需要人工逐次調(diào)整倒行程，需要調(diào)整鋼絲繩入位；沒(méi)有拉力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，鋼絲繩拉斷容易傷人，并且到底耗費(fèi)多大拉力也沒(méi)有依據(jù)。因此，開發(fā)了采用鋼絞線傳力的液壓搶險(xiǎn)拉力機(jī)。搶險(xiǎn)拉力機(jī)是以液壓油為動(dòng)力，推動(dòng)油缸、活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使前夾持器和后夾持器進(jìn)行荷載轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)管道牽引、重物回拖的一種新型牽引設(shè)備。該機(jī)選用公稱直徑為17.8 mm，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa的高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線作承力件，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。該套設(shè)備共有3組，可提供最大5 880 kN（600 t）回拖力。

表1　搶險(xiǎn)拉力機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

2014年12月，課題組將研制的2組搶險(xiǎn)拉力機(jī)在河北廊坊進(jìn)行牽引試驗(yàn)的測(cè)試（見圖4）。該試驗(yàn)由2根12 m長(zhǎng)的D 813 mm鋼管，3個(gè)橫梁，2臺(tái)5 t卷?yè)P(yáng)機(jī)，20個(gè)滑輪以及鋼絲繩等組成。一端焊接橫梁Ⅰ，并固定2臺(tái)搶險(xiǎn)拉力機(jī)，另一端焊接橫梁Ⅱ，橫梁Ⅱ上布置2臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)和10個(gè)定滑輪，橫梁Ⅲ一端焊接10個(gè)動(dòng)滑輪組，通過(guò)鋼絲繩與卷?yè)P(yáng)機(jī)連接，另一端通過(guò)D 17.8 mm鋼絞線與搶險(xiǎn)拉力機(jī)連接。卷?yè)P(yáng)機(jī)提供阻力，通過(guò)滑輪組放大阻力用于搶險(xiǎn)拉力機(jī)牽引。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：搶險(xiǎn)拉力機(jī)完全可以應(yīng)用于管道回拖搶險(xiǎn)，提高管道搶險(xiǎn)時(shí)效。

圖4　搶險(xiǎn)拉力機(jī)試驗(yàn)

4　結(jié)論

在水平定向鉆施工搶險(xiǎn)過(guò)程中要當(dāng)機(jī)立斷，不能長(zhǎng)時(shí)間停泥漿泵，以防止泥漿固化。夯管錘助力回拖是最為常見的搶險(xiǎn)措施，推管機(jī)既可以助力回拖也可以反向搶險(xiǎn)回拖，對(duì)工程保障最為有利。在搶險(xiǎn)措施中滑輪組搶險(xiǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，實(shí)際效果不穩(wěn)定。而搶險(xiǎn)拉力機(jī)有數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，該裝置自動(dòng)控制，連續(xù)張拉，同時(shí)具有過(guò)載安全警報(bào)裝置，確保施工安全；多臺(tái)拉力機(jī)聯(lián)合使用時(shí)由遠(yuǎn)程控制裝置控制液壓拉力機(jī)協(xié)同工作、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)同步，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

參考文獻(xiàn)

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Causes and Countermeasures of Pipeline Stuck During Back- dragging Operation of HDD

LIU Yanli，ZHOU Hao
CNPC Pipeline Research Institute，Langfang 065000，China

Abstract：Several common auxiliary measures for pipeline back- dragging and emergency handling are presented，including adopting methods such as block and tackle，pipe hammer，pipe pushing machine and tensile machine. During emergency handling in HDD construction，the mud pump must not be stopped for a long time so as to prevent mud solidification. Pipe hammer aidded back- dragging is the most common emergency handling measure，and pipe- pushing machine can be used in aidded back- dragging or reverse back- dragging operation for emergency handling. At first，the block and tackle mode is applied for tensile machine，but it is lack of monitoring data and works unsteadily. The new developed hydraulic tensile machine possesses the functions of data monitoring，countinuing tensile and automatic overload alarm，and can ensures construction safety. When several hydraulic tensile machines work together，they will be controlled by the remote controlequipment to work coordinately，and the technicaladvantages are obviously.

Keywords：HDD；pipeline；back- dragging；emergency handling

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.013

作者簡(jiǎn)介：

劉艷利（1980-），男，河北徐水人，工程師，2005年畢業(yè)于河北科技師范學(xué)院，碩士，現(xiàn)主要從事非開挖技術(shù)的研究工作。

Email：yanlihuiling@163.com

收稿日期：2015- 08- 13；修回日期：2015- 12- 26