長距離天然氣管道“三接一”定向穿越的過程控制

上海煤氣第一管線工程有限公司 宋紀慷

福州位于中國東南沿海，閩江橫貫市區東流入海。在福州次高壓天然氣管道的建設過程中，閩江及其支流是管網出現斷點的重要原因與瓶頸。福州次高壓天然氣管道工程（穿越閩江工程及三環二期工程）是福州市第一條長距離跨江管線，工程的順利竣工對福州城市天然氣管網的建設布局有著重要的意義。

1 工程概況和地質情況

福州次高壓天然氣管道工程建設地址位于福州市倉山區，設計壓力為1.6 MPa，設計溫度為常溫，其中穿越段管徑為D508 mm×11.9 mm直縫埋弧焊鋼管，材質為L290MB，焊接采用向下焊。穿越的起始點位于閩江北岸的魁岐，終點位于閩江南岸的紹岐，全長1 020 m。

該建設工程特點與難點是：布管段面場地限制，需采用“三接一”（因布管段面限制，將設計穿越管線分為三段布管，在回拖過程中，對分段管線進行組對焊接，從而形成一體完成穿越）方案實施回拖；因設計變更，出入土點發生變化，部分穿越段面地質勘探資料不全；定向鉆地層復雜，存在沉砂、縮徑、塌孔、卡鉆、斷桿等風險；工程實施過程中發生冒漿現象。

根據地勘報告，該工程段的巖土體自上而下分為7層，如表1所示。

表1 福州次高壓天然氣管道工程段巖土體地質特征

本工程穿越經過地層為①～⑤，以砂類土和碎石類土為主，夾有呈透鏡體分布的淤泥質黏土和亞黏土等軟弱黏性土，各土層分布和厚度變化較大。

2 泥漿配比

泥漿在定向穿越各個階段所起的作用不同：導向階段，將孔內的泥沙攜帶出孔外，維持孔壁的穩定，減少推進阻力；擴孔階段，很好的護壁效果，防止地層坍塌，提高泥漿攜帶能力；回拖階段，很好的護壁、攜砂能力，同時還有很好的潤滑能力，減少摩阻和扭矩。

施工中，不同的地層需要采用不同的泥漿。由于淤泥夾砂容易水化膨脹而引起縮徑卡鉆的潛在危險，因此泥漿的失水性能是關鍵。在提高黏度的同時加上定量的改性淀粉來控制失水。細砂層成孔性差，易沉砂，需要在泥漿中加入正電膠，以鈉土、純堿為主，形成一種“液體套管”。

本工程鉆導向孔，泥漿黏度50 s。根據孔的返漿或鉆具的扭矩情況進行調整配比。預擴孔，泥漿黏度在50～65 s之間，根據孔徑、地層層位的不同適當作出調整。洗孔和回拖，泥漿黏度60 s，觀察出、入土點從洞口流出的泥漿及固體顆粒含量（泥、砂等），及時調整泥漿配比，盡可能將孔內的泥沙攜帶出孔外，保證孔內光滑順暢，確保工程順利進行。

3 回拖力計算與設備選擇

3.1 管線回拖力計算

本工程穿越為D508 mm×11.9 mm鋼管，計算得出的管線最大回拖力為744.6 kN，且回拖力與泥漿切應力以及固相含量系數成正比。因此，在施工過程中，保持好泥漿的性能并且洗孔以降低孔內固體顆粒的含量，可以有效降低管道在洞內的黏滯綜合摩擦阻力，可以進一步降低回拖力。

3.2 設備選擇

計算得出的最大回拖拉力為744.6 kN。本次穿越施工實際取3倍的安全系數，即選用回拖力大于2 233.8 kN水平的穿越鉆機。從適用性與經濟性綜合考慮，本項目選用了回拖力為2 800 kN鉆機，以滿足施工回拖力要求。選用的鉆機性能參數見表2。

表2 鉆機性能

4 導向控制

本工程穿越管道彎曲曲率半徑為1500 D，設計入射角度為9 °，出土角度為6 °，每根鉆桿平均調整角度約為0.7 °，穿越最大深度為27 m。實際軌跡入射角度為11 °，出土角度為4.9 °，穿越最大深度為30.34 m。

導向、擴孔期間意外狀況的應對措施有：

4.1 頂力過大，扭矩異動

導向孔施工中，要根據不同地層變化，合理控制鉆機頂力，防止鉆桿可能出現因頂力過大而產生變形或斷裂。同時控向員必須對甲方所提供的圖紙、地勘資料認真研究，對穿越管線所經過地層做到心中有數，并對過程技術參數有一個詳細如實的記錄。司鉆員需要密切觀察鉆機頂力和扭矩的變化，遇到不正常的情況，必須停機分析，解決問題后才能繼續開機施工。

4.2 冒漿

定向鉆鉆進時，根據地層變化情況，適當控制鉆進速度。注意查看入土點的返漿情況，進入硬地層時增加來回掃孔次數，防止孔內被石硝、砂礫堵塞，確?？變饶酀{流動通暢。同時定向鉆擴孔時，根據地層選用合適的擴孔器。施工時還要注意返出泥漿內含砂比例情況。其中泥漿是定向鉆穿越必備的潤滑劑，合理選擇泥漿配比，可以保證孔壁不塌方，保持泥漿的飽和度和減小摩擦。

5 “三接一”回拖節點控制

因布管段面場地限制，本次穿越采用“三接一”方案。為了保證回拖成功，降低風險，防止因長時間組對焊接造成塌孔等事故，對過程中各個節點的時間控制尤其重要。每次的回拖停止時間宜控制在2.5 h內。必須提前組織專題討論會，制訂出專項回拖施工方案，經專家評審通過后再實施具體工作。

5.1 準備工作

（1） 布管。三段穿越管分別長444 m、324 m、252 m，并排布管，管尾對齊；回拖前完成焊口探傷合格，壓力試驗合格，防腐層電火花檢測無漏點。

（2） 回拖現場設置暗室，拍片結束后可在最短時間內完成結果報告。

（3） 墊管。在出土點位置開挖30 m長、2 m寬、1.5 m深的發送溝，方便管子入洞；發送溝附近挖好一個焊接工作坑，以備出現返修情況；后面采用打土堆（保證其內無磚塊、石塊等硬物），每20 m一個土堆，土堆高50 cm，土堆上再墊袋裝膨潤土，回拖前，用水澆濕膨潤土，可以有效降低摩擦因數起保護管子的作用。

（4） 管線檢查合格后，將準備好的回拖管頭焊接到管線上，并進行加強，保證拖管頭焊接牢固（最大抗拖力在3 000 kN以上）；檢查擴孔器內各通道及各泥漿噴嘴，確保暢通后進行連接。

（5） 回拖。采用的方式是鉆桿+600 mm桶式擴孔器+3 000 kN回拖萬向節+3 000 kN “U”形環+穿越管線；在3 000 kN回拖萬向節和回拖管道之間增加2個抗拖力為3 000 kN的卸扣，目的在于調整回拖過程中的角度。

（6） 最后一遍洗孔時，加大泥漿的黏稠度，盡可能把孔內的砂子懸浮起來并帶出孔外。

（7） 所有施工人員、探傷人員和設備機具到位。施工中使用的機具設備包括1臺350 t挖機、2臺220 t挖機、1臺120 t挖機、1臺50 kW發電機、2臺20 kW電焊機、1臺電火花檢漏儀、1臺外對口器、2臺打磨機、1臺鼓風機和1臺探傷暗室。

5.2 回拖對口焊接施工措施

（1） 提前打磨好坡口，待第1根444 m穿越管回拖到指定位置（管尾距發送溝約 100 m），和第 2根管324 m穿越管組對。2臺挖掘機在管道對口處，調整組對管道高低和水平；1臺挖掘機居中將部分管道吊起懸空，減小管道摩擦力；另1臺挖掘機在管道末端縱向調整管道。組對過程用時約20 min。

（2） 2名有經驗的焊工同時開始焊接，D508鋼管焊接完成用時約需50 min。焊接完成后，用鼓風機對焊口進行冷卻，用時約15 min。

（3） 待焊口冷卻，進行現場拍片、超聲探傷和讀片。D508鋼管需要拍6張片，拍1張需要8 min，用時約50 min完成；在施工現場設暗室，拍片完成15 min左右即可讀片得到結果。

（4） 拍片完成后，開始拖管。定向鉆機1根鉆桿（9.6 m左右）的回拖裝卸時間約4 min，從焊口處拖至發送溝（約100 m）的時間需要約45 min。讀片合格后，立即進行防腐作業，用時約15 min。防腐層冷卻采用風冷和水冷相結合。

（5） 為了保護防腐口，在該處拖管方向增加 1只犧牲套，保護剛剛完成的焊口防腐。

（6） 通過以上環節，完成對口焊接工作約需要2.5 h。

（7） 第3根252 m管按同樣步驟實施。

按照專項回拖施工方案實施后，福州次高壓天然氣管道工程中的穿江管道回拖從上午8:40開始，歷經12 h20 min，于當晚21:00管道順利出洞。

5.3 焊接技術措施

“三接一”回拖過程中，焊接質量是整個工序的關鍵環節，一次通過可以保證既定方案的按計劃實施。如焊口不合格，則大大增加了回拖過程的風險。為了確保焊接一次合格，可以采取以下措施：

（1） 選用經驗豐富的焊工，在施工前進行技術交底，嚴格按L290鋼管焊接工藝評定要求施焊。

（2） 提前用旋轉鋼絲刷將坡口兩側各50 mm表面上的油污、浮銹等清除干凈，確保坡口無水、無油和無銹；在焊接前進行預熱，溫度為70～100 ℃，減少產生氣孔缺陷的可能。強調打磨工序，層間必須仔細清除熔渣和飛濺物，確保焊渣清除干凈。

（3） 用防風棚，防止大風對焊接產生影響，同時在管口的一端做好封閉，防止穿堂風的影響。

（4）在現場備1臺探傷機以防意外。

6 結語

福州次高壓天然氣管道工程現場施工過程中，通過對地勘的分析，對泥漿進行針對性的配比，選擇適用的定向鉆機，在導向擴孔時密切關注推力、扭矩、壓力等參數的變化，發現問題分析應對。在回拖實施前詳細掌握各環節需要的時間數據并做出合理的節點安排等措施。最終，使得閩江穿越工程回拖一次成功，為企業類似的長距離“多接一”定向鉆施工過程積累了寶貴的經驗。