李永明

(森諾科技有限公司，山東 青島 266000)

1 水平定向鉆穿越概述

在油氣輸送管道施工中，通常采用穿越的方法進(jìn)行市政道路以及大面積水域等難以直埋的障礙物的管道施工。相比于傳統(tǒng)的隧道穿越、開挖穿越，水平定向鉆穿越具有控向精準(zhǔn)、施工周期短、高效、可進(jìn)行長(zhǎng)距離穿越、有利于保護(hù)周邊環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，水平定向鉆技術(shù)的發(fā)展已初步成熟，設(shè)備型號(hào)齊全，可適用于各種規(guī)模的施工以及復(fù)雜多變的地形地質(zhì)，現(xiàn)在水平定向鉆技術(shù)能夠穿越的距離達(dá)到了兩千米。水平定向鉆穿越設(shè)計(jì)不僅需要工程力學(xué)以及流體力學(xué)方面的分析，還與施工現(xiàn)場(chǎng)的管道外腐蝕、管道規(guī)格等設(shè)施密切聯(lián)系。

2 水平定向鉆的系統(tǒng)構(gòu)成

水平定向鉆主要由鉆機(jī)、鉆具、泥漿系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)四大部分組成[1]。

2.1 鉆機(jī)

鉆機(jī)主要由鉆桿和柴油發(fā)電機(jī)構(gòu)成。柴油發(fā)電機(jī)能夠?yàn)殂@機(jī)提供足夠的動(dòng)力支持，它是最為關(guān)鍵的組成部分。為保證鉆機(jī)正常作業(yè)，需要有恒定的輸出功率，所以必須使發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作。鉆桿通常有液壓或者機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆桿等類型，鉆桿通過(guò)旋轉(zhuǎn)扭矩作用于孔底的鉆頭最終完成回拖和鉆進(jìn)作業(yè)。水平定向鉆進(jìn)行施工時(shí)最為重要的數(shù)據(jù)是旋轉(zhuǎn)扭矩以及回拖力，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要綜合考量工程的體量確定出穿越的性能，最終選擇出鉆機(jī)的機(jī)型。

2.2 鉆具

鉆具由鉆頭、擴(kuò)孔器、卸扣(U型環(huán))鉆桿以及旋轉(zhuǎn)接頭(單動(dòng)接頭)四部分構(gòu)成。在施工現(xiàn)場(chǎng)，鉆具安置在出土點(diǎn)場(chǎng)地，水平定向鉆安置在入土點(diǎn)場(chǎng)地。

2.3 導(dǎo)向系統(tǒng)

這一部分在整個(gè)施工過(guò)程中占據(jù)著非常重要的作用，它的選用同樣非常關(guān)鍵，關(guān)乎著施工過(guò)程的順利與否。這一部分主要有有線導(dǎo)向系統(tǒng)和無(wú)線導(dǎo)向系統(tǒng)。對(duì)于后者，它重要的組成部分是手持式地表探測(cè)器以及隱藏在鉆頭中的探頭[2]。

對(duì)于一些穿越困難的地質(zhì)條件，比如河流或者湖泊，因?yàn)楸砻骐y以正常走動(dòng)，而且鉆孔達(dá)到的深度很大，就會(huì)造成信號(hào)的屏蔽，很難接收到，因此就需要用到有線導(dǎo)向系統(tǒng)。

2.4 泥漿系統(tǒng)

這一部分的主要作用就是保證擴(kuò)孔的順利進(jìn)行，以便管線能夠進(jìn)行回拖作業(yè)。

首先需要在泥漿罐里面添加入水份、膨脹土和添加劑等，再進(jìn)行足夠的攪拌確保混合均勻，然后利用泥漿泵再進(jìn)行加大壓力的處理，利用鉆桿的通道直至鉆具的噴嘴位置。對(duì)穿越段的地質(zhì)進(jìn)行沖刷，同時(shí)將鉆屑進(jìn)行收集，能夠?qū)︺@進(jìn)起到很大的助力。此外，添加入泥漿還能夠起到降低溫度的作用，防止溫度太高而被損壞。

與此同時(shí)，泥漿系統(tǒng)的關(guān)鍵還在于，在回拖的過(guò)程中，可以減少這一過(guò)程中的摩擦力。正常情況下，回拖時(shí)管道是包裹在泥漿之中的，所以在實(shí)際的操作中，假如孔道比較理想的話，那么需要的拉力也就相對(duì)較低很多。

一般情況下，孔道都是很大的，孔壁的穩(wěn)定性也不是很好，因此，在加入泥漿之后，對(duì)孔壁能夠起到加固的效果，減少孔壁破壞的情況[3]。

3 工程施工步驟

首先按照設(shè)計(jì)文件，確定水平定向鉆的出土地點(diǎn)、入土地點(diǎn)以及管道中線的位置，通過(guò)水平定向鉆進(jìn)行鉆孔，緊接著放入套管；在鉆頭出土之后，在套管的一端安裝上擴(kuò)孔器以及預(yù)制好的管線，擴(kuò)孔器的個(gè)數(shù)需要安裝實(shí)際的情況進(jìn)行確定；此外，需要穿越的管線需要提前進(jìn)行焊接、試壓和檢驗(yàn)，全部合格之后才能進(jìn)行回拖[4]。然后通過(guò)鉆機(jī)將擴(kuò)孔器以及管線進(jìn)行回拖操作，待管線完全置于孔道內(nèi)，在鉆機(jī)的入土處露出端頭即可。

3.1 道路

在實(shí)際的操作過(guò)程中，在出土位置和入土位置處均必須放置大型機(jī)械，因此就需要道路進(jìn)行運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備。盡量利用現(xiàn)有道路進(jìn)行修整確保達(dá)到要求，減少新建道路的比例，也可以利用管線的施工便道，盡量控制這方面的資金投入。

3.2 施工場(chǎng)地

3.2．1 鉆機(jī)方面

在鉆機(jī)的施工場(chǎng)地方面，大約需要用到30m×45m的場(chǎng)地面積。同時(shí)在周圍布置800mm×800mm的排水溝，以便排出廢水。此外，需要挖掘2處泥漿池，尺寸為8m×10m×1.5m。在挖掘時(shí)，必須保證泥漿池的穩(wěn)定性，邊坡必須穩(wěn)定可靠，避免出現(xiàn)滑坡等危險(xiǎn)。場(chǎng)地需要做到干凈、整齊、穩(wěn)固，方面鉆機(jī)的施工作業(yè)。

3.2.2 管道方面

一般情況下，管道穿越的長(zhǎng)度都比較長(zhǎng)，因此在預(yù)制管道時(shí)需要在管道場(chǎng)地方面預(yù)留出放置管道的場(chǎng)地。假如場(chǎng)地不允許，就難以保證工程的正常施工。在管道的場(chǎng)地方面也需要平整出一塊30m×45m的場(chǎng)地，留出足夠的寬度保證管道的作業(yè)。預(yù)留的場(chǎng)地長(zhǎng)度，需要確保管線在焊接之后能夠正常放置。在正式回拖之前，就需要將管道進(jìn)行焊接、試壓和檢驗(yàn)，同時(shí)做好防腐工作。

3.2.3 現(xiàn)場(chǎng)勘察

在確定好位置之后，就需要對(duì)對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行實(shí)地的測(cè)量勘察，同時(shí)出具詳細(xì)的測(cè)量圖紙，這是后續(xù)工作的基礎(chǔ)和前提，因此是十分必要的。

3.2.4 設(shè)計(jì)參數(shù)

在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須確定好合適的出土的角度和入土的角度以及彈性敷設(shè)的曲率半徑。根據(jù)眾多的水平定向鉆的施工案例實(shí)踐，入土角控制在8°～12°之間，出土角控制在4°～8°之間。為了保證水平定向鉆的順利作業(yè)，必須確保穿越管道的彈性敷設(shè)段曲率半徑在出、入土段大于或者大于1200D，這樣才能保證管線的順利回拖[4]。

3.2.5 鉆孔施工

布置鉆機(jī)，協(xié)調(diào)配套機(jī)械進(jìn)行到工作狀態(tài)，準(zhǔn)備控向的參數(shù)數(shù)據(jù)，攪拌好泥漿，嘗試進(jìn)行鉆機(jī)作業(yè)，進(jìn)行導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)，進(jìn)行擴(kuò)孔的操作，對(duì)管道進(jìn)行回拖，清管測(cè)徑[4]。在鉆孔施工完畢之后，需要對(duì)未用到的泥漿進(jìn)行回收和處理，同時(shí)需要對(duì)破壞的場(chǎng)地進(jìn)行恢復(fù)。

4 設(shè)計(jì)采取的安全措施

(1)做好前期測(cè)量勘察工作，保證穿越地質(zhì)條件滿足定向鉆的要求，不在水網(wǎng)較多、地質(zhì)較差的地段進(jìn)行穿越，同時(shí)降低沿線的水土保持的程度，保證管道的安全。

(2)根據(jù)穿越的類型，在計(jì)算管線的壁厚時(shí)，加大設(shè)計(jì)的系數(shù)，從而提高管線的壁厚。

(3)對(duì)于在大型河流進(jìn)行穿越的管線，需要在兩岸布置截?cái)嚅y，避免由于管線的泄漏造成河流的污染。

(4)提高管道的防腐等級(jí)，對(duì)于穿越段采用三層PE加強(qiáng)級(jí)外防腐技術(shù)。

(5)在穿越硬質(zhì)巖石等地質(zhì)環(huán)境時(shí)，設(shè)置光敏固化玻璃鋼防護(hù)層，對(duì)管道防腐層進(jìn)行保護(hù)。

5 工程實(shí)例

5.1 西南成品油管道穿越

西南成品油管道工程采用水平定向鉆技術(shù)穿越南寧市2處魚塘和1處道路，其中魚塘總長(zhǎng)度約為320m，道路寬14m。輸油管道的管徑為DN450，壁厚為10.3mm，管道的設(shè)計(jì)壓力為10MPa，穿越處地質(zhì)條件為中風(fēng)化泥巖層，穿越長(zhǎng)度為700m。水平定向鉆入土角10°，出土角9°，曲率半徑為1500D，管道穿越處水平段設(shè)計(jì)埋深35m。

穿越段需要提高管道的防腐等級(jí)，因此此處管道的防腐材料選擇加強(qiáng)級(jí)三層PE外防腐，同時(shí)再增加光敏固化玻璃鋼防護(hù)層。

5.2 珠三角成品油管道穿越

珠三角成品油管道需要穿越江門市羅江河，此處穿越采用水平定向鉆技術(shù)進(jìn)行穿越。管道的管徑為DN400，壁厚為8.7mm，管道的設(shè)計(jì)壓力為9.5MPa，穿越處地質(zhì)條件為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，穿越長(zhǎng)度為500m。水平定向鉆入土角9°，出土角8°，曲率半徑為1500D，管道穿越處水平段設(shè)計(jì)埋深12m。

穿越段需要提高管道的防腐等級(jí)，因此此處管道的防腐材料選擇加強(qiáng)級(jí)三層PE外防腐，同時(shí)再增加光敏固化玻璃鋼防護(hù)層。

6 結(jié)論

根據(jù)眾多的施工案例，我們發(fā)現(xiàn)，在水平定向鉆的實(shí)際操作中，影響施工的關(guān)鍵因素是最大回拖力，而它會(huì)受到管線長(zhǎng)度、外徑、壁厚、曲率半徑等條件的制約。

(1)目前水平定向鉆的施工已經(jīng)取得了很多成功的案例，工藝技術(shù)也越來(lái)越完善，但是依然會(huì)受到很多的因素的制約和限制。盡管現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境一樣，但是施工隊(duì)伍或者施工時(shí)間的不同，也可能會(huì)帶來(lái)不同的效果。因此在施工過(guò)程中，成熟的技術(shù)和完備的施工機(jī)械就非常有必要。在實(shí)際的操作中，需要按照現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，合理調(diào)整設(shè)計(jì)的參數(shù)數(shù)據(jù)，以符合實(shí)際的需要，保證設(shè)計(jì)的圖紙能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。

(2)在實(shí)際的水平定向鉆施工作業(yè)時(shí)，由于受到很多外在因素的制約，因此管道的出、入土的角度有時(shí)會(huì)出現(xiàn)大于設(shè)計(jì)角度的問(wèn)題。所以在進(jìn)行設(shè)置的過(guò)程中，如果受到現(xiàn)場(chǎng)條件的制約，設(shè)計(jì)可以按照現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際的環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。

(3)管道在進(jìn)行水平定向鉆穿越的過(guò)程中，很大程度上會(huì)受到當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境的影響。如果當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件比較復(fù)雜或者穿越段比較困難，應(yīng)當(dāng)盡量多設(shè)置密探孔，以便確?？辈鞙y(cè)量的準(zhǔn)確性。