定向鉆穿越管道回拖抱管原因分析及處理

尚仲虎，徐大榮，楊海濱，楊志華 (中石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司襄陽(yáng)輸油處，湖北 襄陽(yáng) 441002)

定向鉆穿越管道回拖抱管原因分析及處理

尚仲虎，徐大榮，楊海濱，楊志華 (中石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司襄陽(yáng)輸油處，湖北 襄陽(yáng) 441002)

針對(duì)某輸油管道穿越河流段改造工程，選用?426×8.7 L360直縫埋弧焊鋼管對(duì)原管道進(jìn)行替換。在定向鉆穿越回拖過(guò)程中，當(dāng)管道回拖經(jīng)過(guò)砂質(zhì)地層結(jié)構(gòu)時(shí)，管道發(fā)生抱管，鉆機(jī)回拖力達(dá)到最大值無(wú)法將管道回拖，回拖被迫終止24h。對(duì)管道回拖經(jīng)過(guò)砂質(zhì)地層時(shí)抱管產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。把定向鉆與氣動(dòng)夯管錘的技術(shù)特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，通過(guò)氣動(dòng)夯管錘的震動(dòng)作用，降低地層土體剪切強(qiáng)度，克服定向鉆回拖輸油管道外壁的摩擦阻力，使管道在氣動(dòng)夯錘震動(dòng)力和鉆機(jī)牽引力作用下，解決砂質(zhì)地層中定向鉆回拖抱管問(wèn)題。

定向鉆;管道;回拖;抱管;氣動(dòng)夯管錘

某輸油管道建成至今已有30多年的歷史，建設(shè)初期穿越河道采用大開挖方式進(jìn)行管道敷設(shè)，設(shè)計(jì)深度在河床下2.5m。隨著地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，對(duì)砂卵石的需求不斷增大，當(dāng)?shù)夭缮皹I(yè)蓬勃發(fā)展，在穿越管道上下游河道內(nèi)挖砂取土，穿越段河床不斷下切，導(dǎo)致河道寬度增加60m左右，造成河床內(nèi)管道裸露，靠近岸邊管道多處懸空，嚴(yán)重威脅著輸油生產(chǎn)安全.為了更快更好地徹底解決該穿越段安全隱患，確保輸油管道安全運(yùn)行，采用定向鉆穿越進(jìn)行換管改造。

為了確保穿越工程順利完成，采用DDW-1500型鉆機(jī)，回拖力為150t，控向設(shè)備采用英國(guó)Sharewell公司生產(chǎn)的MGS定向系統(tǒng),在整個(gè)穿越過(guò)程中采用地面信標(biāo)系統(tǒng)(Tru-Trucker system)配合MGS系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤定位,確保管道穿越準(zhǔn)確無(wú)誤。改造段管道穿越長(zhǎng)度436m,選用?426×8.7 L360直縫埋弧焊鋼管，入土角為9°，出土角為7°,穿越段的曲率半徑為1500D(D為管道直徑)。定向鉆穿越入土點(diǎn)端砂層長(zhǎng)度為30m，穿越出土點(diǎn)端砂層長(zhǎng)度為75m。2008年11月9日管道開始回拖，當(dāng)回拖到入土點(diǎn)砂層(距離接點(diǎn)位置約70m時(shí))，管道發(fā)生抱管[1]，鉆機(jī)回拖力達(dá)到最大，回拖被迫中止。

1 管道回拖抱管原因分析

(1)定向鉆擴(kuò)孔分4次完成，最后使用?26″擴(kuò)孔器完成擴(kuò)孔。穿越砂質(zhì)地層105m，由于砂層自穩(wěn)性差，隨著孔徑擴(kuò)大，孔壁穩(wěn)定性也變得越來(lái)越差。當(dāng)管道回拖時(shí)鉆桿和管道把砂層擾動(dòng)，造成回拖孔坍塌，坍塌的砂在孔內(nèi)堆積。

(2)由于砂質(zhì)地層標(biāo)高高于孔底約12m，鉆進(jìn)擴(kuò)孔時(shí)很順暢的假象沒(méi)有引起司鉆高度重視，擴(kuò)孔鉆進(jìn)沒(méi)有完全將孔內(nèi)的砂取出，導(dǎo)致大量砂流入孔底，理論上約有25.7m3砂滯留在孔中。原因是擴(kuò)孔器體積小，由于擴(kuò)孔器在擴(kuò)孔時(shí)前后存在壓差，大量的泥沙從擴(kuò)孔器與孔道的環(huán)形空間流走，砂滯留在孔中并形成巖屑床。

(3)在地下水水壓力作用下，砂類地層易出現(xiàn)流砂現(xiàn)象，這時(shí)鉆孔在土壓和水壓的共同作用下，鉆孔穩(wěn)定性也將大大降低。雖然在不拖管擴(kuò)孔時(shí)阻力表現(xiàn)很小，好似鉆孔形狀保持完好，但當(dāng)回拖鋼管時(shí)，砂層孔壁坍塌后，砂隨管壁移動(dòng)產(chǎn)生位移，加快了砂土在管壁外的沉積速度，形成對(duì)管壁包裹，隨著管道進(jìn)入鉆孔的增加，摩擦阻力不斷增大。

(4)管道在沉積砂層介質(zhì)中回拖，由于顆粒之間缺乏膠結(jié)或膠結(jié)較差。而且砂層容易造成泥漿流失，使地層失去壓力平衡，并導(dǎo)致孔壁容易坍塌。

(5)對(duì)砂層或流砂地層鉆進(jìn)時(shí)，由于未采用適宜的優(yōu)質(zhì)泥漿,且鉆孔糾偏鉆桿的折角過(guò)大，導(dǎo)致成孔偏離設(shè)計(jì)的鉆孔軌跡，造成管道回拖時(shí)損傷孔壁，造成大面積孔壁坍塌，導(dǎo)致管道卡管或抱管。

管道回拖抱管是上面其中一種原因造成或者是幾種原因的疊加造成回拖失敗?？傊悄嗌傲魅牍艿篮涂妆谥g，砂的黏附力和剪切阻力增大，使管道回拖阻力不斷增加，最終導(dǎo)致管道回拖抱管。

2 管道回拖抱管處理方案的選擇

針對(duì)管道回拖抱管處理方法，定向鉆穿越方面專家及現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員綜合各方面因素，提供了3個(gè)可供選擇的處理方案。

(1)常規(guī)情況下在管道回拖過(guò)程中一旦出現(xiàn)抱管卡死現(xiàn)象，應(yīng)把鉆機(jī)調(diào)整到出土點(diǎn)端固定后進(jìn)行回拖，把鉆孔內(nèi)管道拖回至地面，然后按照正常程序進(jìn)行重新鉆孔。如果盲目借助外力進(jìn)行在入土點(diǎn)強(qiáng)行回拖，容易造成鉆桿斷裂。其次是管道拖拉頭前方砂層坍塌回拖力過(guò)大容易造成管道變形[2-3]。

(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，管道拖拉頭已經(jīng)到達(dá)岸邊，該處埋深約6m。采用直接開挖方式把管道拖拉頭挖出，拆除拖拉頭后重新在溝內(nèi)直接進(jìn)行管道焊接，管道焊接長(zhǎng)度約75m。該方案對(duì)河岸損壞比較大，需要征得河道部門同意。

(3)在管道末端采用氣動(dòng)夯管錘[4-5]進(jìn)行低頻沖擊，把定向鉆與氣動(dòng)夯管錘的技術(shù)特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，通過(guò)氣動(dòng)夯管錘的震動(dòng)作用，降低鉆孔壁剪切強(qiáng)度，克服定向鉆回拖輸油管道外壁的摩擦阻力，使管道在氣動(dòng)夯管錘震動(dòng)力和鉆機(jī)牽引力共同作用下，解決砂質(zhì)地層中定向鉆回拖抱管問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)對(duì)以上3個(gè)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比及方案可行性分析，首選方案為采用氣動(dòng)夯管錘震動(dòng)配合定向鉆牽引進(jìn)行回拖。

3 氣動(dòng)夯管錘配合定向鉆牽引方案實(shí)施

3.1氣動(dòng)夯管錘機(jī)理

圖1 氣動(dòng)夯管錘結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

夯管錘系統(tǒng)中主要設(shè)備是夯管錘，圖1為夯管錘結(jié)構(gòu)示意圖。氣動(dòng)夯管錘工作原理如下：利用空壓機(jī)提供壓縮空氣，通過(guò)配氣桿驅(qū)動(dòng)沖錘在缸體中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，打擊砧子夯擊鋼管。沖擊錘屬于低頻、高沖擊能量型氣動(dòng)沖擊設(shè)備并通過(guò)球閥調(diào)節(jié)供氣量，測(cè)試沖擊頻率，供氣量越大，沖擊頻率越高。施工時(shí)，氣動(dòng)夯管錘的沖擊力直接作用在鋼管的后端，通過(guò)鋼管傳遞到管道抱管段，使抱管段砂層或土層與管體之間液化，減小管體與砂層、土層之間的摩擦力[6]。如果穿越地層較干、鋪管長(zhǎng)度較長(zhǎng)、直徑較大時(shí)，應(yīng)考慮注漿潤(rùn)滑[7]。

氣動(dòng)夯管錘無(wú)需后背力，提供的沖擊力很大，最大瞬間沖擊力可達(dá)600t以上(可調(diào))，且可以和管線相連接，前進(jìn)和后退方向均可調(diào)整。氣動(dòng)夯管錘要求的鋼管最小壁厚如表1所示。

3.2牽引方案

表1 氣動(dòng)夯管錘要求的最小鋼管壁厚

施工方于2008年11月10日調(diào)來(lái)一臺(tái)BH350型夯管錘(含17～20m3空壓機(jī)1臺(tái)，配套機(jī)具和管路1套)，在管端安裝事先加工好的卡具，連接好氣動(dòng)夯管錘與空壓機(jī)之間的管路。首先啟動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行回拖管道，當(dāng)達(dá)到一定回拖力時(shí)，啟動(dòng)氣動(dòng)夯管錘，當(dāng)氣動(dòng)夯錘管啟動(dòng)5min后，管道開始慢慢進(jìn)入鉆孔，15min后管道回拖正常，停止夯擊管道。氣動(dòng)夯管錘配合定向鉆牽引處理管道回拖抱管取得成功。

4 結(jié) 論

(1)利用氣動(dòng)夯管錘輔助水平定向鉆完成管道回拖抱管問(wèn)題，與其他處理方式相比縮短施工工期、節(jié)約資金，截止目前該穿越段管道已經(jīng)安全運(yùn)行5a。

(2)利用氣動(dòng)夯管錘輔助定向鉆，處理因抱管停止24h回拖的管道取得成功。

(3)當(dāng)采用定向鉆穿越砂層時(shí)，針對(duì)穿越管道規(guī)格可以提前加工好卡具，在管道回拖時(shí)提前安裝好氣動(dòng)夯管錘以備不時(shí)之需。

(4)在非開挖技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣的今天，熟練掌握和運(yùn)行各項(xiàng)非開挖施工技術(shù)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，互相結(jié)合，充分發(fā)揮各自的技術(shù)特點(diǎn)，可以解決單一技術(shù)手段難以解決的問(wèn)題。

[1]李曉芬，烏效鳴，王海，等.對(duì)非開挖鉆孔縮徑抱管問(wèn)題的分析探討[J].探礦工程-巖土鉆掘工程，2008(2)：63-65.

[2]施建華，林路晨，安關(guān)峰.淺談國(guó)外非開挖施工設(shè)備[J].西部探礦工程，2002(4)：92-93.

[3]車延崗，董向宇.氣動(dòng)夯管錘的研制及應(yīng)用研究[J].探礦工程-巖土鉆掘工程，2007(9)：66-69.

[4]劉剛，徐舟，羅京新，等.定向鉆穿越回拖管道徑向變形原因分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2008(4)：60-61.

[5]徐海良，龍國(guó)健，梁武.非開挖氣動(dòng)沖擊錘的技術(shù)現(xiàn)狀及研究前景分析[J].鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2005(3)：1-7.

[6]李萬(wàn)才.夯管錘在非開挖敷設(shè)燃?xì)夤艿乐械膽?yīng)用[J].煤氣與熱力，2003(3)：177-178.

[7]朱波，張永高.應(yīng)用水平定向鉆安裝管道時(shí)回拖拉力的計(jì)算方法[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2005(10)：41-44.

2013-06-22

尚仲虎(1969-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事輸油管道安全及腐蝕控制管理方面的研究工作。

TE933

A

1673-1409(2013)26-0152-02

[編輯] 洪云飛