唐丕鑫，陳 超，黃水祥，董德龍，楊 旭

(1．中海油研究總院有限責任公司，北京 100028；2.中國石油管道工程有限公司天津分公司，天津 300457)

0 引言

管道是海上油氣輸送上岸的主要方式[1]，對于管道登陸段，由于水較淺，鋪管船受吃水限制不能施工，通常采用船舶牽引或陸地絞車牽引的方式進行鋪管施工作業(yè)[2]。若遇到登陸段地貌復雜、海況惡劣、處于限制區(qū)等因素，牽引法不適用于管道登陸上岸的施工作業(yè)。為避免上述問題，通常采用陸對海水平定向鉆穿越的方式進行管道登陸段施工作業(yè)[3]。

陸對海水平定向鉆穿越是指入土點在陸上，出土點在海上，同時在海上進行回拖的施工技術(shù)[4]。其具有控向精準、施工高效、適應(yīng)性強、環(huán)境影響小等特點[5]。近年來，陸對海水平定向鉆穿越技術(shù)在甬滬寧輸油管道杭州灣海洋管道登陸段、崖城13-1管道高欄支線海底管道登陸段均有應(yīng)用，效果良好[6]。本文結(jié)合南海某登陸管道項目，對陸對海定向鉆穿越技術(shù)開展研究，并給出設(shè)計分析和施工方案。

1 穿越曲線設(shè)計

該項目結(jié)合海底管道用管情況，從便于管道施工的角度考慮，定向鉆穿越段鋼管采用與海底管道一致的類型與材質(zhì)，管道尺寸為Φ610 mm×23.83 mm，鋼級為X65，直縫埋弧焊鋼管，制造標準采用 API SPEC 5L PSL2。

綜合考慮管道埋深、管徑及曲率半徑，確定該項目定向鉆穿越入土角和出土角均為10°，入土點、出土點水平間距為2.44 km，為滿足定向鉆海上出土后管道返平及后續(xù)鋪管船拾管鋪設(shè)的要求，在海上出土點側(cè)設(shè)置返平段，長度約400 m，返平段管道與穿越段管道一起拖拉施工，總穿越長度約2.8 km。穿越段最低點設(shè)計標高為-19 m，位于黏土層。穿越曲線示意圖如圖1所示。

圖1 穿越曲線示意圖

該項目采用國際管道研究協(xié)會《Installation of Pipelines by Horizontal Directional Drilling, An Engineering Design Guide》推薦的方法計算管道最大回拖力[2]?；赝狭τ嬎惴种本€段和曲線段分段進行，分別計算各段的回拖力增量，疊加得到管道最大回拖力。

直線段的回拖力主要由管道與泥漿之間的摩擦力、管道與泥漿之間的粘滯力及管道浮重分量組成，直管段回拖力計算公式為：

F=Fμ+FK±FP

(1)

Fμ=μsoilWPLcosβ

(2)

FK=πDLμmud

(3)

FP=WPLsinβ

(4)

式中：Fμ為管道與泥漿之間的摩擦力，kN；FK為管道與泥漿之間的粘滯力，kN；FP為管道浮重分量，kN；μsoil為管道與孔壁之間的摩擦系數(shù)；μmud為土壤粘滯系數(shù)；WP為考慮鉆孔液浮力后管道單位長度的凈重, kN/m；L為直線段長度，m；D為管徑，m；β為管道傾角，(°)。

曲線段的回拖力主要由管道與泥漿之間的摩擦力、管道與泥漿之間的粘滯力及管道彎曲產(chǎn)生的附加阻力組成，曲線段回拖力計算公式為：

F=2Fμ+FK±Fd

(5)

Fμ=μsoilN

(6)

式中:N為弧線的平均法向力，kN;Fd為管道彎曲產(chǎn)生的附加阻力，kN。

通過對直線段和曲線段管道回拖力計算后，得到計算最大回拖力約965 kN。由于本項目為陸對海定向鉆穿越，海上穿越施工風險較大，為確保該工程順利實施，考慮安全系數(shù)3.0，因此實際選用最大回拖力不小于2 895 kN的鉆機。

2 穿越段管道保護

定向鉆穿越段管道無混凝土配重層，直管段管道外防腐采用加強級3層PE防腐層，總厚度為4.2 mm，其中底層熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層厚度≥150 μm，中間層膠粘劑層厚度≥170 μm；熱煨彎管外防腐采用無溶劑液體環(huán)氧涂層(干膜厚度≥200 μm)+輻射交聯(lián)熱縮帶，熱縮帶基材厚度≥1.0 mm，膠層厚度≥1.5 mm，帶間搭接厚度不小于50 mm；接頭補口采用纖維增強型定向鉆專用輻射交聯(lián)熱收縮補口帶。

定向鉆穿越段管道兩端設(shè)置塊狀鋁合金犧牲陽極進行保護。本項目海底管道登陸上岸后需設(shè)置絕緣接頭，將陸上管道和海底管道的陰極保護隔離，絕緣接頭安裝時保持水平。

穿越段管道主體施工及海上側(cè)作業(yè)區(qū)域布置前，需對返平段進行預挖溝作業(yè)，使管道達到設(shè)計埋深2.0 m。返平段預挖溝的溝底寬度為5 m，管溝邊坡比為1：4，管溝挖溝深度為距管頂2.0 m。為保障管道在安裝期和運營期的安全，待與海底管道連接完成后進行管溝回填，管溝回填粗砂至海床面。

3 陸對海定向鉆施工方案

3.1 方案簡介

綜合考慮現(xiàn)場場地條件、施工機具布置、施工效率、施工風險等因素后，該項目采用陸上預制管道，由海上駁船上安裝的鉆機及在陸上設(shè)置的推管機配合完成回拖工作。

水平定向鉆穿越施工時，鉆機安裝在陸上鉆機場地，用于導向孔、預擴孔作業(yè)，施工時采用對穿工藝從陸地向海中鉆導向孔，鉆頭從海底出土后將其牽引至海上駁船，之后進行擴孔工作，擴孔結(jié)束后把鉆機安裝在駁船上進行洗孔和回拖等后續(xù)作業(yè)。管道在陸上入土點場地預制，沿穿越軸線延伸方向進行預制，預制作業(yè)需要在回拖之前完成?；赝献鳂I(yè)時，由駁船上鉆機提供牽引，入土點主鉆機位置布置推管機配合回拖，直到管道回拖出水面后完成回拖作業(yè)，再由鋪管船進行后續(xù)管道的敷設(shè)。定向鉆穿越施工工藝流程圖如圖2所示。

圖2 定向鉆穿越施工工藝流程圖

3.2 場地布置

海上出土側(cè)作業(yè)區(qū)域布置采用平板駁船。駁船將固定在出土側(cè)，主要布置鉆機、控制室、吊機、發(fā)電機、泥漿泵、泥漿處理系統(tǒng)等設(shè)備，同時具備擺放鉆桿鉆具的空間。施工時，置換的鉆桿、需要的泥漿、油料等將由工作船直接從陸地運輸?shù)今g船上。平板駁船主要實施海上導向孔施工、連接鉆桿和鉆具、預擴孔作業(yè)，并進行管道回拖。出土側(cè)駁船設(shè)備布置示意圖如圖3所示。

圖3 出土側(cè)駁船設(shè)備布置示意圖

陸地入土側(cè)場地布置示意圖如圖4所示，鉆機及其相關(guān)設(shè)備均位于入土點。

圖4 陸地入土側(cè)場地布置示意圖

3.3 導向孔施工

本項目穿越長度約2.8 km，為避免一次穿越過長鉆桿扭矩難以滿足要求，采用導向孔對穿工藝，即采用2臺定向鉆鉆機分別從海陸兩側(cè)對鉆導向孔，通過對接鉆孔完成導向孔施工，導向孔施工示意圖如圖5所示。

圖5 導向孔施工示意圖

2臺鉆機分別就位于導向孔的入土點和出土點位置，進行導向孔穿越施工。主、輔鉆機鉆頭相距5 m 內(nèi)后，主鉆機根據(jù)計算機顯示探頭與旋轉(zhuǎn)磁鐵的相對位置調(diào)整鉆頭方向，并控制主鉆機鉆頭進入輔助鉆機鉆完的孔內(nèi)，同時完成輔助鉆機回抽鉆桿、主鉆機鉆頭跟進至完成導向孔施工。對接作業(yè)完成后，輔助鉆機繼續(xù)后退鉆頭，主鉆機鉆頭隨后鉆進，直至主鉆機鉆頭從出土側(cè)出土[7]。

3.4 預擴孔

導向孔完成、鉆頭及無磁鉆鋌拆卸后，裝上擴孔器進行二級預擴孔。在安裝好第1級擴孔器后，采用浮吊吊起擴孔器，配合入土點主鉆機完成400 m拾管作業(yè)后從出土點入洞開始第1級擴孔。在完成本級擴孔后，在入土點將擴孔器卸下并安裝認孔器，將鉆桿正向從洞內(nèi)送出到出土點，除了認孔外，還將起到洗孔的作用。接下來拆下認孔器，安裝第2級擴孔器，浮吊及入土點主鉆機配合重復之前的流程，開始第2級擴孔和認孔。

3.5 管道回拖

該項目管道采用平板駁船鉆機牽引，推管機提供推力進行回拖。在回拖前，預制管道提前就位并墊起貓背使管道呈向下的角度，這樣在預制管道入洞時能夠與入土角吻合，以減小回拖力。在入土點將回拖使用的鉆具與鉆桿連接，在出土點將鉆機與卸下認孔器后的鉆桿相連。同時入土點主鉆機移位，調(diào)整地錨高度，將推管機固定在地錨上。最后，駁船上鉆機開始輸送泥漿并進行回拖，同時監(jiān)測回拖力數(shù)據(jù)。回拖施工示意圖如圖6所示。

圖6 回拖施工示意圖

4 結(jié)束語

本文以南海某登陸管道為靶項目，開展陸對海定向鉆穿越技術(shù)研究，根據(jù)穿越曲線設(shè)計結(jié)果和管道最大回拖力計算結(jié)果，優(yōu)選鉆機模塊，合理設(shè)置鉆孔、擴孔、回拖等施工工藝，完成施工方案設(shè)計。相關(guān)研究和實踐證明，陸對海定向鉆穿越具有控向精準、施工高效等特點。