水平定向鉆回拖施工中注水平衡法的改進

屠言輝，張興洲，馬點飛，尚飛

1.中國石油天然氣管道局東南亞項目經理部，河北廊坊065000

2.中國石油天然氣管道局穿越分公司，河北廊坊065000

水平定向鉆回拖施工中注水平衡法的改進

屠言輝1，張興洲2，馬點飛2，尚飛1

1.中國石油天然氣管道局東南亞項目經理部，河北廊坊065000

2.中國石油天然氣管道局穿越分公司，河北廊坊065000

在大口徑管道水平定向鉆回拖施工中，通常采用在管道內安裝一條PE管，并通過邊回拖邊往PE管內注水的方法來平衡管道浮力，從而達到減小管道回拖阻力的目的。該方法的缺點是PE管安裝時易造成PE管焊口斷裂，PE管上水時上水泵、上水管易發生故障，該方法不利于采用夯擊鋼管方法以輔助回拖等。將上述傳統的采用單根直徑較大的PE管改成采用兩根直徑相對較小的PE管，注水方式由PE管內注水改為PE管外注水，以此平衡管道浮力可較好地克服以上的缺點。結合哈薩克斯坦伊犁河定向鉆穿越工程管道的回拖實例，介紹了采用上述新回拖工藝后成功實施回拖的過程。工程實踐表明，回拖過程中回拖拉力平穩，均≤3 000 kN，一次回拖成功，且均未使用夯管錘輔助回拖措施。

水平定向鉆；回拖阻力；管道浮力；注水平衡

隨著近年來國內長輸管道突飛猛進的發展，管道的直徑也越來越大，尤其是正在建設的西氣東輸三線項目，管道直徑達到1 219 mm。在這種大口徑管道的水平定向鉆施工過程中，大口徑問題給定向鉆擴孔工藝、泥漿技術以及管道回拖措施等都帶來了挑戰。其中管道回拖是水平定向鉆施工的最后一步，也是最為關鍵的一步，管道回拖措施不當將直接導致工程的失敗[1]。

1 注水平衡法的由來

在水平定向鉆大口徑管道回拖工序中，隨著回拖的進行，管道回拖力的大小決定著回拖的成功與否。回拖力的大小與地下孔洞的穩定性和地下管道受孔洞中泥漿的浮力作用有關。假設地下孔洞是個規則的圓形，且管道在回拖時處在圓形孔洞的中間，那么管道對已成型的孔壁就產生較小的摩擦，孔壁可以維持較好的穩定性而不至于塌孔，管道也可以很容易地從孔洞中回拖。

但事實并非如此簡單，在大口徑管道水平定向鉆施工中，導向孔完成后往往要經過3～5遍的擴孔，甚至采取更多的其他擴孔工序才能達到最終回拖管道的要求。在擴孔工序中，由于擴孔器自身的重量導致孔洞的中心軸線向下移動，因此最后一遍擴孔后所形成的地下孔洞斷面往往是一個近似梨狀，見圖1。由于梨狀孔洞內充滿著泥漿，回拖過程中管道受到泥漿的浮力作用而向上浮起，尤其是大口徑管道的回拖，這種浮力很大，很可能導致管道被楔死在梨狀孔洞上部的狹窄空間內，從而導致管道回拖力劇增甚至回拖失敗。

圖1 梨狀孔洞

為了避免上述楔死現象，對于直徑1 016 mm以上的管道，在回拖過程中通常采用向管道內注水的方法以平衡管道外部泥漿的浮力。應用注水平衡法時，如果注水過少，則達不到降浮的效果；如果注水過多則會使整條管道緊貼孔洞下壁滑動，從而造成回拖力的增大。因此有必要對注水平衡法進行深入研究，以尋求最佳注水參數。

2 傳統注水平衡法的缺陷

水平定向鉆所形成的孔洞軌跡為兩邊高中間低，為了讓清水在管道內盡量均勻分布，一般采用在管道內安裝一條PE管的方法，在回拖過程中通過邊回拖邊往PE管內注水的方式來達到平衡管道浮力的目的，見圖2。

圖2 國內常用注水平衡法PE管安裝示意

采用傳統注水平衡法主要有以下缺陷。

（1）需安裝直徑較大的PE管。在鋼管道內安裝PE管采用直接拖拽的方式，由于安裝時難以控制拖拽力，因而易造成PE管焊口斷裂，導致回拖的失敗。如對于直徑為1 016 mm以上的鋼管道，若要達到注水平衡浮力的目的，需要采用直徑800 mm以上的PE管。

（2）在邊回拖邊注水的過程中，上水泵、上水管易發生故障，現場操作人員易發生失誤等，從而導致上水速度跟不上管道回拖速度，降低了降浮效果。

（3）當鋼管回拖受阻時，一般的補救方法是在管尾安裝夯管錘，而后通過夯擊鋼管以輔助回拖。在這種補救措施中，不僅PE管的注水需要停止，而且在每一次夯擊時，由于鋼管受PE管的靜止慣性作用，從而降低了夯管錘的向前夯擊效果。

在西氣東輸二線項目渭河主河槽、灘地穿越工程以及中亞（哈）氣管道AB線項目伊犁河穿越工程中，穿越地層均為細砂層，安裝管道的直徑分別為1 219 mm和1 016 mm，管道均采用邊回拖邊向單根PE管內注水降浮的方式進行回拖。這兩個穿越工程的注水抗浮均以失敗或效果不佳告終，且均在回拖途中被迫中斷注水而采用夯管錘輔助回拖。實踐證明采用單根PE管注水降浮，效果不是很好。

3 改進創新

通過總結以往工程的經驗教訓，對上述PE管注水平衡法進行了改進，具體改進措施如下。

（1）將傳統的采用單根直徑較大的PE管改成采用兩根直徑相對較小的PE管，見圖3。圖3中單根PE管的截面積較小，但兩根PE管的截面積之和卻大于圖2中單根PE管的截面積。

圖3 改進后注水平衡法PE管的安裝示意

（2）注水方式由PE管內注水改為PE管外注水，即在PE管和鋼管之間的空間中注水。該方法的注水量比在PE管內注水要大，這避免了安裝較大直徑的PE管，而且易于控制注水量，從而使鋼管道在泥漿中處于近似懸浮的狀態。

（3）管道回拖前一次注水到位，而不采用邊回拖邊注水的方式。這樣可以有效避免因注水泵故障、注水管破裂以及指揮協調不當等而造成回拖失敗。

（4）鋼管尾部用厚盲板封堵，但預留1～2 m的管尾以便在發生回拖受阻時采取夯管措施。此時鋼管道內的PE管、清水、管尾預留部分因采用后盲板隔離而互不干擾，見圖4。

圖4 注水完畢后管尾封堵情況示意

4 工程實例

哈薩克斯坦伊犁河定向鉆穿越工程是中亞（哈）氣管道C線項目（連接國內西氣東輸三線）的控制性工程。伊犁河穿越點位于哈薩克斯坦國扎爾肯特市南阿拉木圖至霍爾果斯公路伊犁河橋東6.3 km處，與中亞（哈）氣管道AB線項目伊犁河穿越點相距50 m，主要穿越地層為棕灰色、密實的細砂層。伊犁河穿越管道規格D1 219 mm×27 mm，共包括兩條平行穿越管道（主管和備用管），間距50 m。穿越入土角10°，出土角5°，水平段埋深約為25 m，主管穿越水平長度1 014 m，備用管穿越水平長度976 m。主管和備用管均采用導向孔和5級擴孔工藝，最終的孔徑為D 1 575 mm，從開鉆至主管、備用管回拖完畢共歷時18 d。

該管道回拖時采用的抗浮措施是在D 1 219 mm鋼管內安裝兩根D 500 mm的PE管，兩根PE管同時邊焊接邊被拖拽至鋼管道內，PE管安裝完畢后兩端封堵，并向鋼管道內注水。經計算，向PE管和鋼管之間的空間中注入占空間體積70%的清水，鋼管在地下孔洞的泥漿中就可近似處于懸浮狀態。

主管和備用管均按此方法注水以平衡浮力，在回拖過程中回拖拉力平穩且均不超過3 000 kN，一次回拖成功且均未使用夯管錘輔助回拖。

5 結束語

通過對水平定向鉆穿越施工大口徑管道時，回拖采用注水平衡浮力的措施進行改進，有效地避免了以往工程中出現的平衡浮力效果不佳現象和回拖中途采用夯管錘輔助回拖的問題，大大降低了工程施工失敗的風險，使得注水平衡措施更加合理和更具可操作性。本文所闡述的改進措施可為今后大口徑管道水平定向鉆施工提供借鑒。

[1]王海，樓岱瑩，屠言輝.復雜地質條件下穿越施工典型問題及應對措施[J].非開挖技術，2013（6）：13-16.

Improvement of Water Filling Balance Method for Pipeline Pullback Operation ofHHDProject

TU Yanhui1，ZHANG Xingzhou2，MADianfei2，SHANG Fei1
1.SoutheastAsiaProjectManagementDepartment，ChinaPetroleum pipeline Bureau，Langfang065000，China
2.Crossing Company，China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang 065000，China

In large diameter steel pipeline pullback operation of HHD construction，the common method to decrease pullback resistance is to install a PE pipeline into the steel pipeline and fill water into the PE pipeline to balance the steel pipeline floating force.But while using that method，the PE pipeline welds are apt to break，water pump and water filling pipe have troubles easily as filling the PE pipeline，and that method has disadvantage in assistant pullback by tamping the steel pipeline.In the improved method，the single PE pipeline with larger diameter is substituted by the two PE pipelines with smaller diameter，and water filling into the single PE pipeline is changed by water filling to outside of the PE pipelines.In the HHD project of pipeline crossing Yili River in Kazakhstan，the successful application of the improvement method proves that the pullback force is steady and less than 3 000 kN，and assistant pullback measure of tamping does not be taken.

HDD；pullback resistance；pipeline floating force；balance by water filling

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.06.014

屠言輝（1982-），男，安徽宿州人，工程師，2009年畢業于中國地質大學（北京）地質工程專業，碩士，現從事石油天然氣管道建設工作。

2015-05-24