水平定向鉆拖拉法在長輸管道中小型穿越中的應用

高云來

吉林石油集團工程建設有限責任公司 吉林松原 138000

隨著我國城鎮化建設的不斷發展，以及各地區對能源需求的不斷提高，長輸管道線路設計越來越受地方規劃和地理位置限制,但又不可避免地需要經過一些規劃區、航道、景觀化河流、經濟養殖塘、城市道路、高速公路、鐵路、建筑密集區、地下障礙物密集區等地段。以往的長輸管道施工中一般只有在大中型穿越采用水平定向鉆，最小穿越長度受管道曲率半徑影響，一般穿越長度均在500m以上，穿越深度在10m以上；中小型穿越一般采用開挖或頂管方式穿越，但是管道穿越這些特殊地區,如果按照開挖或頂管方式敷設,往往造成高賠補、高成本且風險大、工期長，不利于各相關管理部門的利益角。

慶鐵四線改造工程是國家重點工程之一，是振興東北重要戰略工程，要求質量高、工期短，6標段線路工程沿長春市寬城區、綠園區近郊敷設進入垂楊站，沿線經濟發達，居民區、道路、養殖塘、大棚、園林等密集分布，且距離四線3～10m為在役的一線、二線和三線，施工空間受限。如采用開挖敷設，賠償費用在8000萬以上，且協調周期長，不能滿足工期要求。經過技術經濟分析，水平定向鉆拖拉法在本工程中得到了廣泛應用，全線共有2km/18處穿越利用了該技術，包括居民房密集區、道路、養殖塘、大棚、河流、地下障礙物密集區等，最小穿越長度60m，最大穿越長度240m。

1 工作原理

1.1 工作原理

根據設計斷面圖和鋼管的最小曲率半徑設計鉆桿的鉆進軌跡（包括造斜段和鋪設段），依據地勘資料計算最大回拖力，選擇適用的鉆機和泥漿配比；設置工作坑和接收坑，鉆機就位后，按預先設計好的軌跡驅動契形鉆頭鉆出一個導向孔，期間利用地面儀器接收鉆頭內傳送器發出的信息，控制鉆頭走向；然后用適當尺寸和特殊類型的擴孔器進行擴孔，并將預制好的管道回拖就位，完成管道穿越工作。

1.2 工藝參數

1.2.1 造斜段距離

式中：L——造斜段距離，（m）；

h——管道埋深，（m）；

R——造斜段的曲率半徑，需要考慮鉆桿和管道的曲率半徑，（m)。

1.2.2 鉆桿入土角角度

式中：α——鉆桿入土角，（°）；

其它字母意義同（式1）

1.2.3 鉆桿出土角角度

鉆桿出土角按導向鉆桿及拖拉管道允許的曲率半徑較大值確定，一般控制在5°～8°。

1.2.4最大拉力

水平定向鉆最大拉力計算經驗公式見（式3）

式中：F拉—計算的拉力（t）；

L2—穿越管道的長度（m）；

f—摩擦系數，取0.1～0.3；

D—管子的直徑（m）；

γ泥—泥漿的密度（），一般取1.17～1.22；

δ1—管子的壁厚（m）；

k粘—粘滯系數，0.01～0.03。

以慶鐵四線第6標段長客公路穿越為例，該穿越長度L2=240m，摩擦系數f取0.2，管子直徑D=0.711m，泥漿的密度取1.2t/m3，管子壁厚δ1=0.009m，粘滯系數k粘取0.02，根據公式計算出本工程管道的回拖力為:

F拉=3.14×240×0.2×[（0.711×0.711×1.2/4）-7.85×0.009×（0.711-0.009）]+0.02×3.14×0.711×240=26.1（t）

水平定向鉆機宜根據上述公式計算值的1.5～3倍選取，即本工程中選擇拉力70t的水平鉆機能夠滿足工程需要。

2 工藝流程及操作要點

2.1 工藝流程

見圖1。

圖1 水平定向鉆拖拉法工藝流程圖

2.2 操作要點

2.2.1 施工準備

（1）詳細了解施工圖紙及設計文件，掌握設計文件對穿越段的技術質量要求；并根據施工圖紙斷面設計鉆進軌跡，確定造斜段、直鋪段長度及鉆桿入土角角度。

（2）制定具體穿越方案，報業主或EPC、監理及當地相關主管部門審批。

（3）由協調部門配合業主代表與當地主管部門辦理施工許可手續，做好施工用地清點補償工作。

（4）做好用于施工的機械設備的檢修和養護工作（包括儀器、儀表校驗）。

（5）對參與施工的有關人員進行技術交底和HSE交底。

（6）各種主材和消耗材料準備到位。

2.2.2 測量放線

（1）用測量儀器放出管道預制作業帶及穿越段中心線、作業帶占地邊界線以及工作坑、接收坑位置，并設置標志樁、撒白灰線。穿越中心線每3～6m設置一個加密樁，并記錄樁高程與設計管道埋深的關系，以便導向時控制。

（2）向當地政府、村民及有關主管部門了解施工作業帶范圍內有無地下的線纜及埋地管線等障礙物，確定其位置、埋深及尺寸，并在線路與地下障礙物交叉范圍兩端各3m設置標志樁及警告牌，在樁上注明障礙物類型、走向、埋深及交叉點等數據。

2.2.3 修筑便道及作業帶清理

（1）進場施工便道盡量利用現有鄉村公路或機耕路，對于路面窄或承載力低的機耕路，對其進行加寬或加固后加以利用；對于無現有道路可利用的情況，選擇場地平整且預制作業帶離公路近的位置修筑連通便道，修筑施工便道時盡量避開耕作區、林區等植被茂密區，以減少破壞。修筑的施工便道必須保證設備、機具、材料轉運暢通。

（2）履帶式車輛直接在運輸公路、砼路上行駛時，路面上應墊上廢輪胎等軟性材料，防止破壞路面。

（3）當施工便道經過一些農田灌溉溝渠時，先在溝渠內敷設足夠流量的過流涵管，涵管埋深根據溝渠深確定，四周用草袋裝土填實，并用推土機壓實，施工后恢復原貌。

（4）預制作業帶選擇在鉆桿出土側，作業帶應平整干燥。

（5）擺放鉆機位置的地面應經壓實平整。

2.2.4 鉆機就位及泥漿配置

2.2.4.1 鉆機就位

鉆機入場后，根據設計出的導向軌跡確定鉆機的擺放位置，擺放場地必須平整并有一定的承載力。擺放鉆機盡量使入土點和出土點在一條直線上，以方便導向，并根據預先設計的導向軌跡調整鉆機傾斜度。鉆機方位調整完畢后，依靠鉆機動力將錨桿打入土中，使鉆機后支撐和前底座錨與地層固結穩定。

鉆機設備、泥漿設備安裝完成后，對設備進行調試、檢查，確保設備安全運行；導向設備儀器安裝完成后，對其進行校準，確保導向孔的精度。

2.2.4.2 泥漿配置

泥漿具有帶出鉆屑、護壁、潤滑、降溫等作用，水平定向鉆泥漿一般由水、膨潤土及泥漿添加劑（純堿、防塌劑、降失水劑、潤滑劑等）組成，水宜采用堿性水，膨潤土宜采用鈉膨潤土，配置好的泥漿PH值應控制在8～10。

泥漿配置中泥漿添加劑根據不同地層添加：

（1）粘土地層：可鉆性好、成孔性好，泥漿添加劑一般為純堿和降失水劑；

（2）砂層、細砂、卵石及少量礫石地層：成孔性一般、易塌、易漏水、吸水能力強且對機具磨損嚴重，泥漿添加劑一般為防塌劑（聚合物）、降失水劑和潤滑劑；

（3）成孔性極好的泥巖地層：一般只需加清水或清水加堿即可。

泥漿粘度值采用馬氏漏斗測量，各種地層的粘度值見表1。

表1 各地層泥漿粘度值表

2.2.5 設置作業坑

（1）作業坑分入口作業坑和出口作業坑，作業坑位置根據設計穿越管道長度確定，一般來說，入口作業坑和出口作業坑就是穿越管道的起始點；作業坑深度根據穿越管道設計深度確定。

（2）入口作業坑與造斜段相連，用于檢測鉆桿的鉆進角度和旋轉扭動等工作狀態，出口作業坑與管道發送溝相連。

（3）作業坑溝壁不夠穩定時，可采用鋼板樁加固。

2.2.6 導向鉆孔

（1）選擇合適的鉆頭和導向頭，將探測棒插入導向頭內，導向頭后端與鉆桿連接。

（2）控制鉆桿的入射角度和鉆頭斜面的方向,緩慢給進而不旋轉鉆頭，完成造斜段鉆進；然后旋轉鉆頭并提供給進力,使鉆頭沿水平直線鉆進，完成直線段鉆進。

（3）鉆機配有一手持步履跟蹤式導向儀,用以確定鉆頭位置及各項數據,監測鉆頭是否偏離設計軌跡。在造斜段鉆頭每鉆進10cm 就測一次鉆頭的位置,在平敷段則每隔20cm 監測一次。如果發現偏離軌道,就通過調整鉆頭斜面的方向進行糾偏,但糾偏不能太急也不要過度。

（4）司鉆要認真記錄鉆進過程中的扭矩、推力、泥漿壓力，以便給擴孔提供依據。

2.2.7 鉆進操作的注意事項

（1）鉆桿的上、下接頭應對正，邊緩慢給進動力邊慢轉上扣不得擰得過緊。鉆桿上的螺紋應潔凈，旋扣前應涂上絲扣油，鉆桿直徑宜大于73mm，曲率半徑不應小于鉆桿外徑的1200倍。彎曲和有損傷的鉆桿不得使用；

（2）鉆進速度不宜過快,應根據地層條件合理調定給進力；

（3）造斜頂進時,每次頂進尺度控制在0.5m左右為好,曲線要緩；

（4）鉆桿內不得進臟物,以免堵塞鉆頭噴嘴；

（5）按規范開動鉆機后不要馬上用全負荷鉆進,而應先進行試運轉,待確定各部分運轉正常后方可開始鉆進。

2.2.8 擴孔

（1）擴孔操作過程:卸下導向鉆頭,在鉆桿尾端連接擴孔器,開動鉆機旋轉、回拉擴孔器進行擴孔。回拉過程中須不斷加接鉆桿(始終保持鉆桿不能沒入孔洞中),擴孔器回拉到入土點后卸下,再在出口工作坑的鉆桿尾端接上大一號的擴孔器,如此多次逐級擴孔直至預定孔徑，一般要求最終擴孔孔徑是拖拉管道的1.3～1.5倍。

（2）在鉆桿回拉擴孔過程中,需通過鉆桿注入泥漿,以減少摩擦,降低回轉扭矩和回拉阻力,同時泥漿還有固壁、防止孔洞塌方和冷卻鉆頭的作用。旋轉回擴頭切削下來的泥土與膨潤土漿混合形成泥漿后流到出口工作坑的集漿坑里,實現了將土排出的目的。

（3）應根據擴孔過程扭矩及拉力的大小決定回拖前是否擴孔。

2.2.9 管道預制

（1）管道預制中心線應與水平定向鉆鉆進軌跡在同一條支線上。如預制作業帶長度大于或等于穿越管道長度，則按一段預制；如預制作業帶小于穿越管道長度，則根據兩者關系，分兩段或多段預制，但應盡量減少分段數量。

（2）管道預制包括運布管、組焊、無損檢測、防腐補口補傷、單體清管試壓、電火花檢漏、封堵及拖拉頭焊接等工序，各道工序均在預制場地進行。

（3）管道運布管、組焊等工藝及技術質量要求同主線路。設計有要求時，無損檢測除100%射線探傷外還須進行100%超聲波探傷，射線探傷合格標準為Ⅱ級，超聲波探傷合格標準為100%，焊口不允許二次返修。

（4）防腐補口按正常要求施工外，還需在靠穿越側補口帶與原防腐層搭接處設置一道犧牲補口帶，以確保回拖過程原補口帶的質量。所有補口、補傷位置均應進行電火花檢漏，檢漏電壓一般為15kv，以無漏點為合格。

（5）設計有要求時，穿越管段要求單獨進行清管、測徑及試壓，清管次數不少于3次，以管內無明顯雜物為合格；測徑采用鋁板+直板清管器進行（鋁板10～12mm厚，直徑為最小管道內徑的92.5%），測徑以測徑板無變形、褶皺為合格；試壓應采用潔凈水為介質，強度試驗壓力為設計壓力的1.5倍，穩壓時間4h，以無泄漏為合格，嚴密性試驗壓力為設計壓力，穩壓時間24h，以壓降不大于試驗壓力值的1%且不大于0.1Mpa為合格。

（6）管道試壓合格后，用清管器將管道內游離水排凈，然后將管道兩側管口用封堵滿焊焊死?？看┰絺裙芏硕骂^還須設置拖拉頭。

2.2.10 管道回拖

（1）管道回拖前應開挖發送溝，發送溝的長度及深度應滿足發送管道曲率半徑要求。

（2）管道回拖時各部件連接順序：動力頭—動力頭保護短節—鉆桿—擴孔器—分動器—U型環—拖拉頭—管道。

（3）原則上要求擴孔（或清孔）與管道回拖連續進行，中間不允許有長時間的非作業停頓。

（4）回拖時鉆機應先開泵打水，保證擴孔器排漿暢通，當擴孔器快要入土時，鉆機開始旋轉，通過鉆桿輸送泥漿到擴孔器，一邊旋轉一邊回拉。

（5）回拉過程中要密切注意拉力、扭矩、水壓等參數的變化，要隨時關注現場有無異常情況出現，及時處理多余的泥漿，回拉整個過程要保持連續性。

（6）在管道即將入土位置設置防腐工檢漏，確保進入孔道的管道防腐層無損傷、無漏點。

3 注意事項

（1）導向工作是施工中的一個重點，影響擴孔、托管的質量及速度，應事先設計好所需的軌跡數值，使整個軌跡盡量形成一條平滑的曲線。導向過程出現偏差，不宜猛糾硬調。地面接收儀器精度不宜小于0.1。

（2）鉆機必須用地錨固定，如回拉力大，可在鉆機后方再設置一個地錨牽引。

（3）組裝鉆具時必須在插銷孔中穿入鐵絲固定，以防止螺母在回拖過程中松動脫落。

（4）要保持孔內清潔，不要殘留過多鉆屑，清孔時宜采用擠壓式擴孔器，操作鉆機時應“慢拉快轉”。

（5）在回拖過程中要時刻注意兩側的返漿現象，如果沒有返漿，要分析實際原因。

（6）拖管時由于客觀原因限制中途需要停頓時，要隔一段時間向孔中發送一次清洗液，不能使孔內壁的殘留鉆屑失水后抱死管道。

（7）鉆進、擴孔和回拖過程中，要采取措施（如砌筑泥漿池等）防止泥漿外流，施工結束后應由具有相應資質的單位處理泥漿。

水平定向鉆拖拉法施工避免了傳統開挖施工對居民生活的干擾,對交通、河道、環境、周邊建筑物基礎的破壞和不良影響，適應環保的各項要求；施工受季節影響小，具有施工周期短、勞動強度低、成功率高、施工安全可靠等特點，且占地少、工程造價低、進出場地速度快，施工場地可以靈活調整，尤其在城市及近郊施工時可以充分顯示出其上述優越性。這些優勢使得該技術在長輸管道敷設施工中具有廣泛的應用前景。

1 《油氣長輸管道工程施工及驗收規范》GB50369-2014

2 《油氣輸送管道穿越工程施工規范》GB50424-2007

3 《水平定向鉆進管線鋪設工程技術規范》