城市燃氣管道定向鉆對接穿越技術要點研究

陳 偉

（漳州安然燃氣有限公司，福建 漳州 363000）

1 工程概況

某市燃氣管道項目建設長度為3.2 km，管材選用PE100管道，管壁厚度為SDR11，管道直徑為Φ315 mm，設計壓力為0.7 MPa。該燃氣管道施工須穿越既有河流，穿越長度共計350 m，根據現場地質條件、用地狀況及河流水文地質情況等，擬定采取定向鉆對接方式進行燃氣管道穿越施工。

2 現場地質條件

根據現場勘測結果及相關資料顯示，該穿越區域地質條件按巖性、成因時代、分布特征及物理力學性質等主要可分為雜填土層、卵石層、強風化泥質粉砂巖層以及中風化泥質粉砂巖層4個地質層，各地層實際分布情況見表1。

2.1 雜填土層

雜填土層中主要包括碎石、塊石和黏性土，土質并不均勻，其中碎石含量為35%～44%，可見粒徑為30mm～100mm，最大粒徑超過了100mm，并且現場均有分布。

2.2 卵石層

卵石層中有60%左右的顆粒粒徑超過了200 mm，粒徑2 mm～90 mm的礫石含量約為20%，剩下的20%主要是砂和黏性土。卵石層的顆粒磨圓度比較好，且大多都呈亞圓形，母巖成分是凝灰巖，強度高，但級配、分選性、膠結程度都比較差。

2.3 強風化泥質粉砂巖層

強風化泥質粉砂巖層的原巖結構已有大部分被風化破壞，風化程度并一致，且原巖碎塊中夾雜有土、少量云母碎片和高嶺土土斑團。

2.4 中風化泥質粉砂巖層

中風化泥質粉砂巖層中的主要構成成分為粉砂質及泥質，并含有少量的云母碎片和高嶺土土斑團。巖層稍有裂隙發育，且巖芯比較完整，巖層的單軸飽和抗炎強度為12.4MPa，說明該巖層為軟巖，巖體的質量等級為IV級，巖石質量指標RQD是70%～80%，該巖層最大厚度為9.60m。

2.5 地下水

經現場勘測得知，勘測深度范圍內的地下水主要是第四系松散巖類孔隙潛水，基本都富藏于雜填土層和卵石層內，同時，雜填土層透水性為中等透水性，并和地表水系有密切聯系；卵石層為強透水性。

3 穿越方案選擇

根據《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設計規范》（SY/T 6968—2021）中的相關內容[1-2]，擬定了3種穿越方案，即快挖換填、套管隔離、改良地層，下面就3種方案進行對比，見表2。

表2 3種燃氣管道穿越方案對比

根據表1所述，根據這次燃氣管道穿越河流現場地質條件及相關要求，現場開挖換填施工條件不充分，并且為保證定向鉆進一次成功率，最終未選用開挖換填方案和改良地層方案，而是采用技術比較成熟的套管隔離方案進行穿越。

表1 各地層分布情況

4 套管隔離穿越方案設計

科學可行的方案設計是保證套管隔離穿越順利進行的前提條件[3]。因此，在正式進行穿越施工前，根據現場施工條件及實際施工需要對套管隔離穿越方案進行細化設計，主要內容包括入土角、出土角設計、套管確定、定向鉆設備和夯管機確定以及對接穿越施工工藝。

4.1 入土角及出土角設計

入土角及出土角是影響穿越施工精度的2個重要因素。因此，該項目在綜合考慮穿越施工的長度、深度及管道彈性敷設條件等因素的基礎上，確定入土角及出土角均為10°，滿足入土角8°～18°、出土角4°～12°的相關規范要求[4]。

4.2 套管確定

穿越施工所用套管選用的是直縫高頻電阻焊鋼管，鋼管材質為Q235B，執行標準參考《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》GB/T9711—2017。這是因為套管須穿過深度6m～8m的卵石層到達強風化泥質粉砂巖層，使用直縫管相比螺旋縫管在相同受力的情況下可以防止管道出現變形，且比無縫管的造價成本低。具體來說，該項目中入土端的套管為外直徑813mm、壁厚25mm的DN800直縫高頻電阻焊鋼管，長度為48m；出土端為了增加導向控向的成功率，適當擴大了出土端鋼管的規格，選用的是外直徑1016mm、壁厚25mm的DN1000直縫高頻電阻焊鋼管，長度為48m。

4.3 定向鉆設備及夯管機確定

為防止穿越巖層施工中出現鉆桿斷裂的問題，選擇120 mm鉆桿進行擴孔，并對鉆桿進行無損檢測，以確保鉆桿質量。鉆機選用1臺德國海瑞克250 t 水平定向鉆機（作為主鉆機，用于導向、擴孔及管道回拖）及1臺北京土行孫120 t鉆機（作為輔助鉆機，用于輔助進行下套管及導向對接），最大扭矩為31000 N·m，最大回擴直徑為Φ1000 mm。夯管系統選用TT2000 型氣動夯管錘+VHP700空壓機。同時，為了確保套管的入土角能夠滿足10°要求，提前在工作坑中布置了10°的操作平臺及相應的導軌，且導軌中心軸線和套管夯進的中心軸線保持一致，來保證套管夯進的精度。在夯進套管的過程中須邊夯進邊焊接，并使用鉆進驅動攪龍清理鋼套管內的渣土[5]。

4.4 定向鉆對接穿越工藝

為解決導向孔鉆進施工中鉆頭方向控制難的問題，在兩端夯管的基礎上，采取定向鉆對接穿越工藝，即在入土端和出土端各布置1臺鉆機，其中入土端的鉆機為主鉆機，出土端的鉆機做輔助。正式施工時，使用先進的ParatrackⅡ控向系統控制2臺鉆機到達距離出土點150m～200m的區域進行對接，且穿越軸線上方全程鋪有交流磁信號電纜。定向鉆對接穿越工藝流程如圖1所示。

圖1 定向鉆對接穿越工藝流程示意圖

5 對接穿越施工技術要點

對接穿越施工主要分為夯管施工及定向鉆對接施工2個部分，具體施工要點如下。

5.1 夯管施工

在夯管操作前，須提前挖好操作坑及接收坑，操作坑坑底長度以單根套管長度加3 m為準、寬度為4 m、深度為2 m，接收坑坑底長度及寬度均為4 m、深度為2 m。同時，夯管前也需要全面檢查夯管錘的方位及水平角度，確保夯管錘中心軸線與設計中心線保持移植。如果夯管錘角度偏差大于0.5°，則需及時調整就位[6]。然后在沿著燃氣管道中心線兩側分別安裝一道長度12m的導軌，并用長度2 m的30號工字鋼做枕木鋪于導軌下面，并復驗導軌中線，為后續夯管施工做好準備。

夯管設備檢查合格后，用50t吊車把第一節套管吊到導軌上，并開啟操作閥試運行夯管錘，無異常后按采用“輕錘慢進”方法開始夯管施工，且邊夯管邊檢測鋼套管的入土角度，以保證鋼套管按設計要求的角度（10°）順利夯入卵石層。同時，因為第一根鋼套管夯進方向的準確性是影響整個夯管施工進度的關鍵要素，所以當夯進第一根鋼套管500 mm之后，須對其方位及水平角度進行全面檢查，如果角度偏差≤0.5°、軸線偏差≤1%夯進長度，就可以繼續夯進操作；如果角度偏差或軸線偏差超出上述限值，就需要糾偏后再進行夯進。第一根夯進時，也需要在操作坑外留4 m的管尾，與第二根鋼套管焊接。另外，在夯管過程中每夯進8 m就要復測一次，保證鋼套管夯進的精度始終滿足入土角10°的要求。重復上述工作依次完成其他套管夯進施工。

為防止夯進過程中鋼套管前端出現卷邊或變形，提前制作了鑄鋼切削環焊接在第一根鋼套管前端，以便切削地層。同時，鉆桿前端安裝了攪龍，邊夯進邊清理套管中的積土，以防在鋼套管夯進過程中因積土而增大前進阻力使前進速度減緩或停滯不前。攪龍輸送能力為3m3/h～5m3/h。攪龍取土示意圖如圖2所示。

圖2 攪龍取土示意圖

5.2 定向鉆施工

5.2.1 鉆機及配套設備就位

根據設計的穿越中心線布置主鉆機及輔助鉆機，待2臺鉆機均按要求就位后，再連接鉆機的各分系統，并試運轉進行鉆機性能檢測。同時，在2臺鉆機場地之間建立暢通的無線電通信系統，以便兩端進行及時溝通。

5.2.2 建立人工磁場

順著燃氣管道穿越施工曲線的中心線在地表采取人工方式敷設好電纜，然后連通交流電，使電纜成為定向鉆對接施工控向系統的電磁信號源。同時，沿穿越軸線按間距50 m設置3個交流基準磁塊，以便于更好地控制對接精度。

5.2.3 導向孔施工

待鉆機設備及測量儀器等均準備就緒后，打開控向儀、連通信號電纜、同時開啟兩臺鉆機，開始進行鉆進施工。導向孔鉆進施工速度以3 m/h為準，當鉆進1～2根鉆桿后，對各部位進行檢驗，以確保鉆進施工的各項參數均滿足施工要求。當輔助鉆機的鉆頭鉆進到指定對接區域后，開啟鉆頭短節中的目標磁鐵，使主鉆機鉆頭可根據目標磁鐵發出的電磁信號按設計的穿越路線向前繼續鉆進。導向孔鉆進的同時，須配制泥漿并添加適量的潤滑劑，使導向孔邊鉆進邊潤滑，降低鉆進施工中的阻力，既能避免出現黏鉆、卡鉆等現象[7]，也可以確保導向孔孔壁的完整性。導向孔鉆進施工示意圖如圖3所示。

圖3 導向孔鉆進示意圖

5.2.4 對接

待主鉆機鉆頭和輔助鉆進目標磁鐵之間的距離小于5 m后，便可實施導向孔對接[8]。對接成功后，便操作輔助鉆進退回鉆桿，而主鉆機則跟隨電磁信號的引導控制鉆頭方向，順著輔助鉆進鉆好的導向孔繼續向前頂進，直至鉆頭出土，最終完成導向孔施工。導向孔交會對接示意圖如圖4所示。

圖4 導向孔交會對接示意圖

5.2.5 管道擴孔及回拖

完成導向孔對接施工后，在主鉆機上連接擴孔器進行2級擴孔，最終擴孔直接為580 mm。接著進行洗孔作業。然后利用主鉆機按照400 kN～500 kN的拉力對管道進行回拖作業，最終經過5.5 h順利完成所有管道的回拖工作。

6 結語

綜上所述，通過實例證明，定向鉆對接穿越技術在燃氣管道穿越河道項目中有良好的應用價值及推廣價值。由此也可得出結論，燃氣管道項目施工中會遇到各種各樣的環境條件，施工單位及相關技術人員要根據實際施工需要及現場環境條件等設計合理的管道施工方案，選擇合適的管道施工工藝，并嚴格控制各施工環節，才能保證燃氣管道項目施工達到預期的質量目標及效益目標。