水平定向鉆管道回拖受阻原因分析及措施

劉艷利，周號中國石油天然氣管道科學研究院，河北廊坊　065000

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水平定向鉆管道回拖受阻原因分析及措施

劉艷利，周號
中國石油天然氣管道科學研究院，河北廊坊065000

摘要：介紹幾種常見的管道回拖和搶險的輔助措施，包括滑輪組、夯管錘、推管機以及搶險拉力機。在水平定向鉆施工搶險過程中不能長時間停泥漿泵，以防止泥漿固化。夯管錘助力回拖是最為常見的搶險措施。推管機既可以助力回拖也可以反向搶險回拖，對工程保障最為有利。滑輪組搶險沒有監測數據，實際效果不穩定。而搶險拉力機有監測數據，該裝置可自動控制，連續張拉，同時具有過載安全報警裝置，確保施工安全；多臺拉力機聯合使用時由遠程控制裝置控制液壓拉力機協同工作、自動同步，技術優勢明顯。

關鍵詞：水平定向鉆；管道；回拖；搶險

水平定向鉆是一種通過地表設備以一定的出、入土角度穿越障礙物的非開挖技術。該技術起源于鉆井行業，20世紀60、70年代取得長足發展，主要應用于市政工程建設。1986年我國首次將該技術應用于黃河石油管道穿越，該技術具有工期短、成本低的特點，并隨著我國管道建設的發展得到廣泛應用。隨著水平定向鉆穿越項目的管徑逐漸增大，由720 mm 到1 219 mm，乃至中俄東線的1 422 mm，孔洞成孔質量控制難度增加，塌孔、卡鉆問題增多，從而導致管道回拖阻力過大。本文針對管道回拖時常見的問題，進行了原因分析并給出了解決措施。

1　管道回拖受阻原因

水平定向鉆管道回拖受阻會導致定向鉆穿越失敗。其內因是，穿越地質條件超出了定向鉆技術的適用范圍，孔徑不斷突破定向鉆擴孔直徑極限，導致成孔質量不可控；外因是施工過程中采取的預防和處置措施不當。

正常的管道回拖阻力通常由回拖管道與成孔內壁之間摩擦阻力、回拖管道拖拉頭管端阻力以及管道彎曲與孔壁引起的附加阻力構成。成孔質量較好時，回拖阻力主要是管道與成孔內壁之間摩擦阻力，其大小可由下式計算：

式中：FL為計算回拖力，kN；L為穿越管段的長度，m；f為摩擦系數，取0.3；D為鋼管的外徑，m；γm為泥漿重度，kN/m3，可取10.5～12.0；γs為鋼管重度，kN/m3，取78.5；δ為鋼管壁厚，m；Wf為回拖管道單位長度配重，kN/m；K為粘滯系數，kN/m2，取0.18。

當定向鉆成孔較差，其斷面有大有小、有高有低，鉆屑堆積，穿越軌跡也不平滑。回拖時管端前部鉆屑累積，形成管端阻力，而當時回拖管道局部曲率半徑小于1 200 D時，會產生與孔壁的附加阻力。兩種阻力具體大小難以計算，客觀上取決于穿越巖土層的性質，一般情況下管道在孔內拖動的距離越長、穿越軌跡偏差越大，兩種阻力就越大。

1.1地質條件

水平定向鉆適宜在巖石、砂土、粉土和黏性土地層施工，不適宜在弱膠結的中粗砂層、卵礫石層進行穿越施工，這些地層結構松散，成孔穩定性差，極易發生塌孔埋鉆，造成很大的回拖阻力。但工程往往有各種具體原因需要定向鉆穿過這些地層，這時就必須采取一些措施來降低施工風險，例如采用夯套管隔離卵礫石，采用性能更好的泥漿來護壁等。盡管采取了輔助措施，但是管道回拖受阻不可避免，因為較大的卵礫石難以被泥漿攜帶，留在孔道內越聚越多，使管道回拖時造成卡鉆。

1.2終孔直徑和擴孔級數

水平定向鉆最終擴孔直徑一般為回拖管道直徑的1.2～1.5倍。擴孔級差一般為6、8、12 in（1in = 25.4 mm），當然擴孔級差因鉆機噸位大小和與之匹配的泥漿泵排量有所變化。這就意味著終孔直徑越大，擴孔級差越小，擴孔次數越多。對于穩定的巖石層和黏土層來說，減少擴孔級差，多次擴孔有利于攜帶鉆屑，成孔質量容易保證，形成更大直徑的終孔，更利于管道回拖。但對于絕大多數土層、砂層等承載力較差的地質條件，水平定向鉆施工時擴孔器會產生沉降，擴孔器沉降幅度與擴孔速度和擴孔時間成正比。同時擴孔器在豎直方向會產生振動，振動速度的變化范圍為380～320 mm/s［1］。孔洞經過多次擴、洗孔，鉆具對孔壁不斷抽吸、攪動，導致孔洞成孔剖面不是理論上的圓形，而是水滴形、梨形、葫蘆形等多種形狀，導致定向鉆穿越軌跡存在偏差，同時過大的縱向高度使孔洞穩定性降低，易塌孔卡鉆，影響正常的管道回拖［2］。

1.3夯套管

復雜地層的卵礫石一直為水平定向鉆穿越禁區，主要是由于卵礫石層地質較為松散、地質破碎，且卵礫石大小不等，軟硬不一，極難成孔［3］。隨著技術發展，目前有3種施工工藝可通過卵礫石層。第一種是直接開挖，去掉表層卵礫石；第二種是注水泥砂漿，進行地質改良，制造人造巖體；第三種是采用夯套管，隔離卵礫石層。施工設計通常采用夯套管技術，然而采用該工藝有一弊端就是套管與基巖接合處容易形成臺階，主要原因是結合部強度相差較大，擴孔時擴孔器與鋼套管旋轉切割時間較長，容易造成鋼管破損，甚至卷曲。擴、洗孔次數越多，形成的臺階越明顯。當然夯套管的入土角度也比較重要，特別是大多數的夯套管施工，由于重力作用其實際入土角度要大于其設計入土角度（少數角度上傾，如洛陽-駐馬店成品油管道黃河定向鉆穿越工程），穿越軌跡的不平滑過渡也會增加形成臺階概率。這些臺階會阻卡管道，增加回拖阻力，甚至使回拖失敗。

1.4其他

除了上述影響管道回拖力的因素以外，回拖管道的配重、管道吊裝位置和貓背角度大小、滾輪架的多少或發送溝的長短曲直都會影響管道的回拖力。甚至是鉆具的損壞，例如漕港河穿越施工中拖拉頭軸承損壞；西氣東輸二線東段琶江穿越，出現擴孔器牙輪脫落，導致回拖受阻。

2　水平定向鉆管道助力回拖措施

水平定向鉆管道回拖受阻，是繼續助力回拖還是反向回拖管道進行重復洗孔，可根據回拖力增加幅度、回拖速度減緩程度以及回拖管道的距離綜合考慮。如果已經回拖了大部分穿越的管道，而且回拖力增加有限，一般采取繼續回拖；為了避免加力造成的斷鉆桿風險，通常采取助力回拖方式。助力回拖最常見的方式是夯管錘助力回拖，還有一種比較新穎的助力方式是推管機助力。

2.1夯管錘助力

國外在水平定向鉆施工中，通常采用夯管錘助力的方式解決管道回拖受阻的問題。美國阿拉巴馬州科登灘海穿越工程管徑為914 mm，穿越水平長度為1 371.6 m，該工程主要地質為砂層、黏土和淤泥。預計回拖力2 254 kN（230 t），鉆機采用3 430 kN （350 t）鉆機。由于埋深在35～45 m為弱膠結的黏土，在此區域出現塌孔，回拖力達到3018kN（308t）未能拖動管道。為了保證鉆具和管道的安全，立即啟動緊急預案，采用夯管錘助力回拖（見圖1），當鉆機拉力達到1 333 kN（136 t），解卡成功，順利完成管道回拖。

圖1　夯管錘助力回拖

2.2推管機助力

推管機助力回拖來源于海瑞克公司的直接鋪管法，該技術將小型隧道掘進設備和水平定向鉆技術結合，即將頂管所需的推力由推管機通過管道提供給機頭切削刀盤。最大規格推管機可以產生7 350 kN （750 t）的推力通過推管機的夾持器同時推動小型隧道掘進設備和管道，每個行程5 m。

廣東省天然氣管網二期工程的珠海LNG管道崖門水道定向鉆穿越工程位于珠海和江門交界處的珠江水系入海口的黃茅海水域，穿越管徑1 016 mm，穿越長度2 700 m。穿越地質復雜，軟硬交錯，主要地層為全風化的花崗巖、礫砂層和殘積土層。該定向鉆工程于2012年12月開工，2013年7月開始管道回拖，管道回拖至1 250 m處出現回拖力增大，最大啟動回拖力達到2 940 kN（300 t）未見移動，于是采取推管機HK500PT助力回拖。首先將推管機與地錨固定連接，采用地錨箱澆筑混凝土方式作為地錨，推管機夾持器有橡膠層防止對管道防腐層破壞，根據鋼管口徑設定夾持器壓力，然后根據工況再設定推力，準備就緒后開始助力回拖。當推管機推力達到784 kN（80 t）時，管道開始移動，實現解卡。此后又在1 400 m等多處間歇采取推管機助力回拖，在最后幾十根鉆桿的回拖施工中，每根鉆桿都需要助力回拖，最終在7月31號回拖順利完成。這是推管機助力回拖技術在我國首次應用。

3　水平定向鉆管道回拖搶險措施

3.1滑輪組加夯管錘搶險

滑輪組搶險設備是由卷揚機提供拉力，通過滑輪組多級增力。為了保證回拖噸位通常采用多組卷揚機并聯（見圖2），同時為了達到更好的搶險效果，避免彈性回縮，可與夯管錘配合使用［4］。其施工簡單，成本低廉，應用最為廣泛。澀寧蘭復線某穿越工程，定向鉆穿越水平長度1 309 m，曲線長度1 310.6 m，穿越入土角16°，出土角9°，河床處最大埋深40 m。該工程前1 000 m管道回拖時，鉆桿回拖數據一切正常，拉力為853 kN（87 t）左右，到109根時，拉力增加到980 kN（100 t），隨后逐漸增加拉力到2 352 kN（240 t）后，拉力驟降，鉆具與回拖管道脫離。事故發生后，立即采用5 880 kN（600 t）滑輪組和19 600 kN（2 000 t）夯管錘組合解卡方案，當滑輪組拉力達到2 450 kN（250 t）時，鋼管緩慢均勻移動，解卡成功，三天后將拖入洞內的鋼管全部拖出。

圖2　滑輪組搶險

3.2推管機搶險

推管機搶險與推管機助力回拖工法類似。因為推管機由油缸提供頂推力，既可以回拖助力，也可以反向回拖搶險。

中亞阿姆河定向鉆穿越工程，管徑1 422 mm，穿越長度1 800 m，入土角7°，出土角6°，主要穿越地質為含細礫石砂巖，分六級擴孔，最終擴孔直徑為1 829 mm（72 in）。考慮到管徑和長度，設計了海瑞克推管機HK750PT助力降低施工風險（見圖3）。由于成孔質量較好，穿越軌跡平滑，并且采用800 mm 的PE管配重，使得管道最大回拖力在1617kN（165 t）左右，最終不需要推管機助力就完成了管道回拖。

圖3　中亞阿姆河HK750PT推管機

3.3搶險拉力機

目前采用的滑輪組搶險方式，每牽引4～6 m就需要人工逐次調整倒行程，需要調整鋼絲繩入位；沒有拉力監測數據，鋼絲繩拉斷容易傷人，并且到底耗費多大拉力也沒有依據。因此，開發了采用鋼絞線傳力的液壓搶險拉力機。搶險拉力機是以液壓油為動力，推動油缸、活塞往復運動，使前夾持器和后夾持器進行荷載轉換，從而實現管道牽引、重物回拖的一種新型牽引設備。該機選用公稱直徑為17.8 mm，抗拉強度為1 860 MPa的高強度、低松弛鋼絞線作承力件，其主要技術參數見表1。該套設備共有3組，可提供最大5 880 kN（600 t）回拖力。

表1　搶險拉力機主要技術指標

2014年12月，課題組將研制的2組搶險拉力機在河北廊坊進行牽引試驗的測試（見圖4）。該試驗由2根12 m長的D 813 mm鋼管，3個橫梁，2臺5 t卷揚機，20個滑輪以及鋼絲繩等組成。一端焊接橫梁Ⅰ，并固定2臺搶險拉力機，另一端焊接橫梁Ⅱ，橫梁Ⅱ上布置2臺卷揚機和10個定滑輪，橫梁Ⅲ一端焊接10個動滑輪組，通過鋼絲繩與卷揚機連接，另一端通過D 17.8 mm鋼絞線與搶險拉力機連接。卷揚機提供阻力，通過滑輪組放大阻力用于搶險拉力機牽引。該實驗結果表明：搶險拉力機完全可以應用于管道回拖搶險，提高管道搶險時效。

圖4　搶險拉力機試驗

4　結論

在水平定向鉆施工搶險過程中要當機立斷，不能長時間停泥漿泵，以防止泥漿固化。夯管錘助力回拖是最為常見的搶險措施，推管機既可以助力回拖也可以反向搶險回拖，對工程保障最為有利。在搶險措施中滑輪組搶險沒有數據監測，實際效果不穩定。而搶險拉力機有數據監測，該裝置自動控制，連續張拉，同時具有過載安全警報裝置，確保施工安全；多臺拉力機聯合使用時由遠程控制裝置控制液壓拉力機協同工作、實現自動同步，技術優勢明顯。

參考文獻

［1］艾志久，鮮勇，夏換，等.水平定向鉆穿越擴孔器動態變化及其對擴孔形狀的影響［J］.科技導報，2014，32（16）：54- 57.

［2］劉艷利，王寶忠，趙慧玲，等.西二線渭河水平定向鉆孔洞剖面質量控制［J］.油氣儲運，2014（4）：433- 436.

［3］李朝儀，唐學鈁，葉文建.水平定向鉆進技術在砂卵礫石層中的成功應用［J］.天然氣工業，2009，29（12）：87- 89.

［4］王磊，張超，賈世民，等.氣動夯管錘和滑輪組在定向鉆回拖中的應用［J］.油氣儲運，2013（6）：669- 671.

Causes and Countermeasures of Pipeline Stuck During Back- dragging Operation of HDD

LIU Yanli，ZHOU Hao
CNPC Pipeline Research Institute，Langfang 065000，China

Abstract：Several common auxiliary measures for pipeline back- dragging and emergency handling are presented，including adopting methods such as block and tackle，pipe hammer，pipe pushing machine and tensile machine. During emergency handling in HDD construction，the mud pump must not be stopped for a long time so as to prevent mud solidification. Pipe hammer aidded back- dragging is the most common emergency handling measure，and pipe- pushing machine can be used in aidded back- dragging or reverse back- dragging operation for emergency handling. At first，the block and tackle mode is applied for tensile machine，but it is lack of monitoring data and works unsteadily. The new developed hydraulic tensile machine possesses the functions of data monitoring，countinuing tensile and automatic overload alarm，and can ensures construction safety. When several hydraulic tensile machines work together，they will be controlled by the remote controlequipment to work coordinately，and the technicaladvantages are obviously.

Keywords：HDD；pipeline；back- dragging；emergency handling

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.013

作者簡介：

劉艷利（1980-），男，河北徐水人，工程師，2005年畢業于河北科技師范學院，碩士，現主要從事非開挖技術的研究工作。

Email：yanlihuiling@163.com

收稿日期：2015- 08- 13；修回日期：2015- 12- 26