西氣東輸二線涇河定向鉆對穿工程的設計與施工

曾志華，蘇衛鋒，錢 峰，楊 威

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

西氣東輸二線涇河定向鉆對穿工程的設計與施工

曾志華，蘇衛鋒，錢 峰，楊 威

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

西氣東輸二線工程陜西涇陽縣涇河穿越是國內首條已完工管徑最大的管道長距離定向鉆對穿工程,穿越全長1 040 m，并行穿越D 1 219 mm×27.5 mm主管和D 114 mm×6.5 mm光纜套管兩條管道，該工程地質復雜、施工難度大、風險高。穿越地層主要為卵石層、粉砂層和粉質黏土層，采用大開挖深基坑埋管+長距離夯套管+定向鉆對穿的組合穿越施工方案，施工中進行了多種技術創新，為國內外類似管徑定向鉆穿越工程設計和施工提供了借鑒。

定向鉆對穿；夯套管；基坑埋管

1 工程概況

涇陽涇河穿越工程是西氣東輸二線東段中衛—棗陽段控制性工程之一，位于陜西省涇陽縣境內，穿越曲線布置見圖1。

穿越處地區等級為三級，穿越場區為沖積平原地貌，河兩岸相對較開闊，河道寬約320 m，設計洪水水位為405.11m，設計流速為3.13 m/s，設計沖刷深度為6.44 m。穿越地層主要為卵礫石層、粉砂層和粉質黏土層。其中卵礫石顆粒形狀以亞圓形為主，骨架顆粒粒徑20～150mm，含量60%～80%。

穿越工程等級為大型，并行穿越2條管道，分別為輸氣管道D 1 219 mm×27.5 mm和硅管套管D 114 mm×6.4 mm，間距為15 m，輸氣管道設計壓力為10 MPa，擬采用大開挖深基坑埋管+長距離夯套管+定向鉆對穿組合穿越方式，東岸穿越入土角9°6′，西岸入土角9°，定向鉆穿越水平長度為1 037 m，實際長度為1 040 m。

2 定向鉆穿越設計要點

定向鉆穿越必須克服河兩岸厚4~18 m的卵礫石層，且保證管道最小埋深應大于設計洪水位沖刷線以下6 m。穿越設計要點如下：

（1）河床下穿越水平直線段選擇在硬塑性高的粉質黏土和粉砂層。

（2）兩岸導向孔起始段采取鋼套管隔離穿過卵石圓礫層。其中主管道穿越采用D 2 000 mm鋼套管，硅管套管穿越采用D 508 mm鋼套管。

（3）選擇西 （南）岸為主穿越場地，布設HK-250型鉆機，東 （北）作為輔助穿越場地，布設DD-140B型鉆機，兩臺鉆機從兩岸同時開鉆，河床中間對接；先進行光纜套管穿越，然后再進行主管穿越。

（4） 為了盡可能保證鉆孔順暢，避免穿越角度過大產生管道回拖塌孔，減少回拖時孔壁對管道的摩阻力，穿越曲線力求平緩順直，穿越入土角選擇9°左右。

（5） 兩岸基坑均設置在水位線之上，減少施工排水的困難，東岸入土側開挖基坑深度7 m，埋設套管長度77 m；西岸入土側開挖基坑深度5 m，埋設套管長度58 m。兩岸采取開挖基坑鋪設套管的長度為135 m，夯套管總長147 m。

3 定向鉆穿越施工主要過程及難點處理措施

由于穿越管道管徑太大，穿越地層變化頻繁，穿越距離大于1 000 m，且缺乏類似管徑定向鉆施工經驗，施工時遇到了許多問題，經不斷摸索、嘗試、組織各方專家研討，及時解決了難題。下面介紹施工主要過程及難點處理措施。

3.1 測量及磁場布線

施工場地以及中心線附近全部是果樹，視覺效果很差，測量放線難度很大，因此采用衛星定位進行坐標測量。

根據定向鉆對穿的需要，磁場線須從河東岸沿河道布設到河西岸，磁場覆蓋整個穿越地段，為保證磁場線不被洪水沖走，在河流中間加樁固定，確保磁場線位置和對接的精確性。

3.2 夯套管

國內目前用于D 2 000 mm以上鋼套管的夯管設備的夯管長度還沒有超過100 m的，為了盡可能地減少夯套管長度，地下水位以上粉土段和部分卵礫石層采用大開挖深基坑，然后在基坑底開始夯套管通過卵礫石層，夯至粉質黏土層為止，最后預埋鋼套管，回填基坑至自然地面。整個夯套管長度控制在70~75 m施工能力所允許的范圍內。套管前端采用喇叭口形式，以防止發生卷邊及回拖過程中套管口卡住回拖管。圖2為現場夯管照片。

3.3 光纜管施工

光纜管導向孔鉆進中，HK-250主鉆機采用D 168mm （65/8 in）鉆桿，輔助鉆機采用D 127 mm（5 in）鉆桿，均采用D 245 mm （9 5/8 in）鉆頭。在鉆進至130m左右時，推力增大至25kN，行走速度緩慢，地錨后移；在鉆進至150m時鉆進受阻，傾角無法調節，經現場技術討論后，將鉆頭拔出，更換成泥漿馬達，然后繼續鉆進，效果良好。于2010年5月16日導向孔對接成功，5月18日光纜管回拖成功，光纜管的成功回拖給主管穿越提供了寶貴的經驗，并對涇河穿越的地質情況有了更進一步的了解。

3.4 主管導向孔鉆進

在兩岸套管內下中心定位器，以保證導向孔的位置處于套管的正中心。在具備主管穿越的條件后，開始主管導向孔鉆進，將剛出套管進入粉質黏土的第一根鉆桿導向孔的傾角抬高1.5°，這樣可以減小回拖時卡套管的風險。由于借鑒了光纜管導向孔穿越的經驗，主管導向孔鉆進順利，兩臺鉆機相互協調工作進行雙向導向孔的對接。于2010年6月6日主管導向孔對接成功。

對接成功后，輔助鉆機逐步回退鉆桿，同時，主鉆機一邊采集輔助鉆機信號，一邊利用采集的信號控制鉆進方向，使之逐步向輔助鉆機已形成的導向孔平緩趨進，直至沿導向孔出土，完成整個導向孔的穿越。

3.5 擴孔、洗孔作業

考慮主管管徑和穿越地層特點，分五級擴孔，孔徑分別為 762 mm （30 in）、 914 mm （36 in）、1 067 mm （42 in）、1 321 mm （52 in）、 1 524 mm（60 in）。由于穿越距離較長，鉆機空載扭矩較大，而鉆桿允許扭矩有限，為了提高擴孔效率，增大擴孔扭矩，采用雙鉆機同步多級擴孔的施工工藝。

（1）一級D 762 mm擴孔。使用擴孔器組合為D 762 mm擴孔器 +D 610 mm（24 in）桶式擴孔器，在擴至150 m處時，扭矩擺動突然變大，進尺緩慢，最慢的一根鉆桿耗時268 min，在擴至220 m時恢復正常，一級擴孔繼續進行。在擴至780 m時，扭矩再次增大，頻繁出現卡鉆現象，推測鉆具出現泥抱鉆現象，擴孔單根時間達到360 min。經過10 d時間，一級擴孔終于完成，出土擴孔器全部被黏泥包死，大大削弱了它的切削能力。

（2）二級D 914 mm擴孔。使用擴孔器組合為D 610 mm扶正器+D 914 mm刀板式擴孔器。在擴至720 m時，擴孔進尺緩慢，頻繁出現卡鉆現象，回推受阻，最后采取出土點鉆機反回拖，將擴孔器拉出，經過洗孔后重新擴孔才順利進行。

（3）三級D 1067mm擴孔。擴孔前進行了一次洗孔，采用D 762mm扶正器+D 1067mm刀板式擴孔器組合。借鑒前兩級擴孔的經驗，此次擴孔進展順利。

（4）四級D 1 321 mm擴孔。鑒于擴孔扭矩較大導致HK-250鉆機總是出現故障，為了確保施工的順利進行，將HK-250鉆機換成DD-1330鉆機，開始四級擴孔，擴孔器組合為D 889 mm（35 in）桶式擴孔器+D 1 312 mm刀板式擴孔器，經過5 d時間完成四級擴孔。

（5）五級D 1 524 mm擴孔。由于扭矩比較大，擴孔前進行了一次D 1 067 mm桶式擴孔器洗孔，然后進行五級擴孔，擴孔器組合為D1194mm （47in）扶正器+D 1 524 mm刀板式擴孔器，經過4 d時間完成最后一級擴孔。

3.6 主管回拖

為了確保回拖一次成功，在回拖前采用PE管注水降浮；為了減小回拖風險，回拖前采用1 524 mm桶式擴孔器進行了兩次洗孔，盡可能減少孔洞內的鉆屑，減小回拖阻力。回拖時采用1 372 mm （54 in）桶式擴孔器+500 t萬向節+回拖管道，以滾輪架方式進行發送。使用吊管機對管道的方向進行調整，并使用認孔器，保證回拖管與套管的中心線和角度保持一致，最終使管道順利入洞；調運大型推管機到涇河現場，在回拖受阻時進行推管作業，在回拖前先將地錨下好，并將設備調試到位備用。

4 穿越技術創新

（1）首次嘗試使用大直徑168 mm鉆桿鉆導向孔。

（2）調整了泥漿配方，添加銨鹽來降低濾失量、調整流變性，添加有機潤滑劑保護鉆屑，解決“泥抱鉆”問題。

（3）制作了特定的修孔器，擴孔完成后，從入土點往出土點方向對入土端套管與粉質黏土接口附近反復進行修孔作業，減小回拖風險。

（4）管道回拖受阻時，首次使用推管機來幫助管道回拖，為大管徑的定向鉆穿越回拖提供了一種新的施工方式。

5 結束語

涇河穿越工程設計上選擇了合理的方案、合理的穿越角度和地層，確定了大開挖深基坑埋管+長距離夯套管+定向鉆對穿組合穿越方案；施工中進行了多種技術創新，解決了D 1 219 mm大管徑鋼管定向鉆穿越高硬塑性的粉質黏土層擴孔時卡鉆、抱鉆及管道回拖卡管等各種問題，對擴孔器進行了優化組合。該工程于2010年5月10日開鉆，8月7日一次回拖成功。其順利完工表明國內定向鉆穿越技術又得到了大跨步提升，同時也為國內外類似管徑定向鉆穿越工程的設計和施工提供了借鑒。

[1]賈偉波.定向鉆對穿與夯管技術的綜合應用[J].建筑機械化，2009，29（9）：57-66.

[2]屠言輝，苗冀清，徐樹楓，水平定向鉆穿越中的對接技術[J].石油工程建設，2011，（5）：26-30.

Design and Construction of Jing River Horizontal Opposite-directional Drilling Crossing Project of Second West to East Gas Pipeline

ZENG Zhi-hua（China Petroleum Pipeline Engineering Corporation， Langfang 065000,China）,SU Weifeng,QIAN Feng,et al.

The Jing River crossing in Jingyang County as a bottleneck engineering of the Second West to East Gas Pipeline Project is the completed long-distance horizontal opposite-directional drilling crossing with the biggest pipeline diameter in China,which has the overall length of 1 040 m and two parallel crossing steel pipelines,namely a main D 1 219 mm×27.5 mm gas pipeline and a D 114 mm×6.5 mm optical fiber cable casing.The crossing engineering encountered the complex geological layers of pebble,sand and powdery clay.The combinatorial construction scheme,i.e.large excavation of deep foundation pit for burying pipeline+long-distance temping casing+horizontal opposite-directional drilling crossing,was adopted,and many technical innovations were made.This HHD crossing engineering provides reference for design and construction of similar projects at home and abroad.

horizontal opposite-directional drilling crossing;tamping casing;pit for burying pipeline

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.013

曾志華 （1979-）,男，江西樂安人，工程師，2006年畢業于中國石油大學 （北京）巖土工程專業，現從事油氣管道線路及穿跨越工程設計、咨詢工作。

2010-11-16；

2011-12-09