倪龍君

大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心，黑龍江大慶 163000

1 工程概況

合川氣田合深4 區(qū)塊開發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)地面工程嘉陵江穿越位于四川省廣安市武勝縣中心鎮(zhèn)大通村附近，該工程穿越管道為GC1 級壓力管道，設(shè)計(jì)壓力9 MPa，管徑D508 mm。嘉陵江為通航河道，航道等級為Ⅲ級。穿越斷面枯汛期水面寬度變化較大[1]，400～550 m。定向鉆穿越段水平長度為1 980 m，實(shí)長為1 987.58 m。入土角為12°，出土角為7°?；【€段采用彈性敷設(shè)，曲率半徑為762 m（1 500D）。

2 施工情況

2.1 確定施工工序

定向鉆施工流程如圖1所示。

圖1 定向鉆施工流程

2.2 前期準(zhǔn)備

2.2.1 鉆機(jī)及鉆桿選型

水平定向鉆鉆機(jī)選型除要考慮最大回拖力這一重要數(shù)據(jù)外，同時(shí)還需兼顧鉆機(jī)最大輸出扭矩及鉆桿參數(shù)是否滿足施工需要。水平定向鉆回拖時(shí)的拉力計(jì)算公式如下：

式中：Fp為計(jì)算拉力，kN；L為穿越管段曲線長度，m；f為摩擦系數(shù)，取0.3；γm為泥漿重度，kN/m3，取11.5；δ1為管道壁厚，m；λS為鋼材重度，kN/m3，取78.5；Wb為定向鉆回拖過程中單位長度配重，kN/m；kv為黏滯系數(shù)，kN·s/m2，取0.175。

經(jīng)計(jì)算，本次回拖理論計(jì)算拉力FP=840 kN,按照規(guī)范GB 50424—2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》[2]要求，水平定向鉆機(jī)回拖力宜按計(jì)算拉力的1.5～3 倍選擇[2?3]，在考慮安全系數(shù)的基礎(chǔ)上，本工程按3倍選取，得出本次穿越施工鉆機(jī)需回拖力至少應(yīng)為2 520 kN。通過對整體回拖管段鋪設(shè)地理環(huán)境、穿越段的敏感性綜合考慮，最終選用FDP1000 型鉆機(jī)，最大回拖力10 000 kN，滿足管道回拖要求，且同時(shí)滿足擴(kuò)孔扭矩要求。

長距離水平定向鉆施工過程中，鉆桿性能是決定整個(gè)定向穿越施工成功與否的關(guān)鍵[4]。若選用不當(dāng)，鉆桿受鉆機(jī)拉力、地下壓力及鉆進(jìn)過程中的扭轉(zhuǎn)力等因素影響易發(fā)生斷裂失效等事故，嚴(yán)重影響水平定向鉆穿越的施工進(jìn)度及質(zhì)量。

按照《油氣管道水平定向鉆穿越用鉆桿管理規(guī)定》相關(guān)要求，選取6?5/8in（1in=25.4 mm）鉆桿，其抗拉屈服強(qiáng)度可達(dá)6 700 kN，抗扭屈服強(qiáng)度可達(dá)263 380 N·m，符合本工程需要。鉆桿在定向穿越過程中，一直處于工作狀態(tài)，為保證穿越順利實(shí)施，在鉆桿進(jìn)場前對每根鉆桿進(jìn)行檢測，達(dá)到要求方可進(jìn)場使用。

2.2.2 泥漿配比

泥漿的主要成分為膨脹土，其主要作用是維持孔壁的穩(wěn)定，防止地層的塌落以及潤滑鉆頭。泥漿配比對穿越成功與否起決定性作用，具體比例取決于鉆孔時(shí)所面臨的地質(zhì)巖層情況，此次穿越地層自上而下分別為黏土、泥質(zhì)砂巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖。泥漿配比見表1。

表1 泥漿配比

2.3 水平定向鉆進(jìn)施工

2.3.1 導(dǎo)向孔

首先根據(jù)導(dǎo)向孔入土點(diǎn)、入土角度、出土點(diǎn)、出土角度、直線段深度等參數(shù)確定導(dǎo)向孔的軌跡線，通過導(dǎo)孔鉆頭對鉆孔軌跡進(jìn)行控制。導(dǎo)向孔鉆進(jìn)前，預(yù)先根據(jù)設(shè)計(jì)曲線等相關(guān)參數(shù)繪制鉆進(jìn)曲線，將二者反復(fù)對比最終確定導(dǎo)向孔的進(jìn)折角。鉆頭導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過程中，控向人員實(shí)時(shí)跟蹤測量，并做好記錄，在穿越曲線上每隔1 根鉆桿設(shè)置數(shù)據(jù)控制點(diǎn)，以此控制導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)。

2.3.2 擴(kuò)孔施工

導(dǎo)向孔鉆成后，卸下鉆頭、無磁鉆鋌及控向系統(tǒng)，根據(jù)地質(zhì)狀況，選擇合適類型擴(kuò)孔器進(jìn)行擴(kuò)孔。本工程根據(jù)現(xiàn)場導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時(shí)反饋的地質(zhì)數(shù)據(jù)，最終選擇了牙輪擴(kuò)孔器，擴(kuò)孔時(shí)鉆具組合依次為鉆桿+擴(kuò)孔器+鉆桿，根據(jù)勘探資料及導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時(shí)反饋的地勢情況，初步確定擴(kuò)孔的級別和次數(shù)，擴(kuò)孔級次順序見表2[5]。

表2 嘉陵江擴(kuò)孔級次順序

2.3.3 管道回拖

管道回拖過程中管道與鉆桿連接順序如圖2 所示，在回拖前應(yīng)先對鉆桿進(jìn)行泥漿清洗并查看各泥漿噴嘴是否暢通，確保合格后進(jìn)行連接[6]?；赝线^程中時(shí)刻關(guān)注扭矩、拉力變化，確保其變化范圍不超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定；除不可抗力原因，回拖過程中禁止停拖。

圖2 管道回拖示意

3 施工過程中相關(guān)控制措施

3.1 泥漿凈化及跑冒措施

3.1.1 泥漿凈化措施

根據(jù)本次定向穿越工程環(huán)境的敏感性及需三次擴(kuò)孔施工的特點(diǎn)，施工過程中存在泥漿需求量大以及泥漿中砂粒粒徑超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。為保證工程穩(wěn)定運(yùn)行，降低泥漿中大粒徑砂對螺桿的影響，最終確定設(shè)置泥漿循環(huán)凈化裝置。

泥漿凈化處理流程為：利用反循環(huán)砂石泵（見圖3）將沉降池中的泥漿送到泥漿凈化裝置的粗篩網(wǎng)，將粒徑3 mm 以上的顆粒分離出來，完成一級過濾。經(jīng)過粗篩篩選的泥漿由凈化裝置的渣漿泵抽吸，通過旋流器分選，粒徑微細(xì)的泥沙通過旋流器下端的沉沙嘴排入細(xì)篩，完成二級過濾。經(jīng)細(xì)篩脫水篩選后，較干燥的細(xì)渣料分離出來，剩下的泥漿再次返回儲漿槽，處理后的干凈泥漿從旋流器溢流管進(jìn)入中儲箱，然后沿總出漿管再次進(jìn)入泥漿的攪拌罐，完成三級過濾，重新配置合格后泵送入孔[7]。

圖3 反循環(huán)砂石泵

3.1.2 泥漿跑冒控制措施

冒漿是定向鉆進(jìn)過程中常見的問題，其主要危害有：一是泥漿滲入孔壁，改變孔壁周邊地質(zhì)層的應(yīng)力，給工程施工增加安全風(fēng)險(xiǎn)；二是泥漿跑冒會使其化學(xué)成分對穿江段地表環(huán)境產(chǎn)生影響，造成環(huán)保事故；三是冒漿發(fā)生后，泥漿使用量增加，致使施工費(fèi)用增加。產(chǎn)生冒漿的主要原因：一是泥漿壓力超過地表承受壓力；二是穿越過程中地表存在空洞、裂隙等地質(zhì)因素；三是泥漿黏稠度較大，流動(dòng)性低，為保證流動(dòng)性壓力增加，產(chǎn)生冒漿。

通過分析冒漿原因，得出泥漿壓力是冒漿產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。因此，在鉆進(jìn)過程中，重點(diǎn)對泥漿壓力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)合回拖過程中的地質(zhì)條件及不同的鉆進(jìn)階段，把控鉆機(jī)扭力、泥漿壓力等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時(shí)針對冒漿制訂專項(xiàng)預(yù)案，并設(shè)置專班進(jìn)行跟蹤，一旦發(fā)現(xiàn)穿越過程中有冒漿現(xiàn)象及時(shí)按照預(yù)案進(jìn)行處理。

3.2 導(dǎo)向孔質(zhì)量保證措施

導(dǎo)向孔鉆進(jìn)質(zhì)量直接決定著管道穿越路徑與設(shè)計(jì)路徑是否一致，是定向鉆穿越成功與否的重要一環(huán)。在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過程中，控向人員通過對講機(jī)與司鉆人員保持實(shí)時(shí)溝通，確定工具面的角度和推進(jìn)以及鉆進(jìn)長度。控向人員通過繪制控向曲線，與設(shè)計(jì)曲線、設(shè)計(jì)鉆進(jìn)傾斜角和方位角進(jìn)行對比，當(dāng)鉆進(jìn)曲線與設(shè)計(jì)曲線偏差超出標(biāo)準(zhǔn)要求值時(shí)，及時(shí)通過調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)等措施進(jìn)行糾正[8]。

3.3 回拖質(zhì)量安全措施

由于回拖作業(yè)帶距離較長，且前期回拖管道沿地勢鋪設(shè)，途經(jīng)多處丘陵及農(nóng)田。管道焊接組對時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力將隨著管道回拖進(jìn)行釋放，隨著應(yīng)力的傳導(dǎo)，回拖管道將呈類似蛇形擺動(dòng)前進(jìn)，若不采取措施，將增加回拖過程中的安全隱患及防腐層破損風(fēng)險(xiǎn)，為此采取了如下措施。

1）在管尾和管道受力部位配備多臺大型挖掘機(jī)對管道進(jìn)行輔助控制，防止其擺動(dòng)。

2）因玻璃鋼防腐層比PE防腐層具有更好的耐摩擦性，在管道原PE 防腐層外增加玻璃鋼防腐層作為犧牲層，以增加防腐層抗破壞能力。

3）回拖前對管道防腐層完整性進(jìn)行全面檢查，現(xiàn)場使用FDL?DC30型電火花檢測儀進(jìn)行電火花檢測，確?；赝锨肮艿劳暾浴２⒂啥ㄏ蜚@機(jī)組安排專人沿主管巡視，及時(shí)清理回拖管段下尖銳異物，防止管道落地刮傷玻璃鋼防護(hù)層，巡視過程中發(fā)現(xiàn)玻璃鋼破損處及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)。

4）在地勢較為平緩且長度超過100 m 的區(qū)域，設(shè)置寬1 m、深0.5 m 的發(fā)送溝（見圖4），在發(fā)送溝內(nèi)注入水，通過浮力降低防腐層與地面的摩擦，同時(shí)對管道回拖起到潤滑作用。

圖4 發(fā)送溝斷面示意

5）在高低起伏較大的區(qū)域設(shè)置發(fā)送墩，如圖5 所示，在發(fā)送墩上撒膨潤土粉。管道回拖過程中連續(xù)向土墩上澆水，增加與管道之間的潤滑性，減小摩擦力。在坡頂和大的轉(zhuǎn)彎處設(shè)置滑輪滾架，如圖6所示，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)檩唲?dòng)摩擦，減小回拖力，同時(shí)配備挖掘機(jī)，使用吊裝帶穩(wěn)固回拖管道并防止移位。

圖5 管道墩示意

圖6 防滾架

6）為保證管道順利入洞，在距離出土點(diǎn)49 m處搭設(shè)貓背，如圖7所示，使管道的入土角度和出土角度保持一致，保證管道順利進(jìn)洞。

圖7 貓背示意

通過上述措施，一方面可以有效降低回拖管道與地面摩擦而造成防腐層破損的概率，另一方面對管道回拖起到一定的助力作用。

4 整體穿越效果

本次嘉陵江穿越選用水平定向鉆，該方法具有不破壞江流生態(tài)環(huán)境、滿足各類環(huán)保要求以及由于穿越段地層內(nèi)部的氧及其他腐蝕性物質(zhì)很少穿越管道不易腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，保證管道運(yùn)行時(shí)間更長。后期在對回拖管段防腐層完整性進(jìn)行抽檢時(shí)，出土點(diǎn)防腐層外觀未見明顯劃痕，采用雷迪防腐層檢測儀進(jìn)行防腐層絕緣電阻測試，測試結(jié)果為10 025 Ω·m2，按照GB 50424—2015 中相關(guān)要求，評定結(jié)果為優(yōu)秀。管道整體回拖時(shí)間約24 h，比計(jì)劃工期72 h提升工效150%。

通過實(shí)時(shí)控制定向鉆鉆桿角度及泥漿壓力等參數(shù)，在管道受力點(diǎn)合理采用挖掘機(jī)穩(wěn)管、設(shè)置發(fā)送溝等措施，回拖全過程未發(fā)生冒漿、管道甩尾傷人等安全環(huán)保事故，管道防腐層完整性良好，確保了項(xiàng)目順利推進(jìn)，管道回拖成功時(shí)的現(xiàn)場場景如圖8所示。

圖8 嘉陵江DN500管道回拖現(xiàn)場

5 結(jié)束語

本次天然氣管道嘉陵江管道穿越過程中，鉆進(jìn)、回拖及管道本體防腐采取的有效控制措施，為保證穿越工程的安全、環(huán)保、質(zhì)量等提供了有力的支持，還可為今后同等規(guī)模管道穿越施工提供借鑒。