定向鉆技術在航煤管道穿越黃河中的應用研究

黎雙周

摘要：某公司至蘭州中川機場的航煤管道有3種穿越黃河的方式，對可采用的3種穿越方案進行類比，確定航煤管道采用定向鉆方式穿越黃河。定向鉆技術有許多突出特點，關鍵是確定實施過程中的各項參數。根據工程實際情況，確定此次定向鉆穿越過程中的工程等級及實施參數，并對各項參數進行校核，通過計算確定鉆機回拖力。然后按照確定的參數進行施工，順利完成了航煤管道穿越黃河的工作，穿越完全符合設計要求。而且施工作業期間沒有發生任何安全事故，保護了環境，減少了土壤植被的破壞，節約了大量的工程費用，并且投用后的航煤管道運行安全。

關鍵詞：定向鉆；航煤管道；穿越；黃河

中圖分類號：TE 973.4????????????????????????? 文獻標志碼：A

0引言

隨著航空運輸的快速發展，蘭州中川機場航煤用量也逐年迅速增加。蘭州中川機場所需航煤一直是通過公路運輸，而隨著航煤用量的迅速增加，公路運輸方式已無法滿足中川機場用油需求。并且公路運輸運費高、損耗大、危險性高，存在不利于生態保護等一系列難以解決的問題。因此，為保證中川機場航煤的供應，建設某公司至中川機場的航煤管道。通過管道輸送航煤，具有輸送安全、損耗低、無污染等優點；可以從根本上解決航煤運輸不暢的問題，緩解交通壓力，消除公路運輸風險，滿足中川機場用油需求和降低用油成本。

1實施方案選擇原則

航煤管道穿越黃河處黃河河道呈東西走向，航煤管道為南北走向，無法避繞。因黃河水利委員會明確表示不允許采用跨越方式通過黃河，并且管道輸送的油品為烴類混合物質，易燃易爆，具有一定的壓力，一旦發生航煤泄漏，對黃河水體會產生嚴重影響，因此不宜采用跨越方案。受地理條件、地質結構和現場實際情況的限制，開挖方式及鉆爆隧道穿越方案均不易實現。

為遵守國家及當地政府的法律、法規，本著安全第一、環保優先，重視環境保護，節約土地，盡可能減少對不可再生資源的占用；同時采用先進、成熟技術的原則，決定對航煤管道必經大型河流黃河采用穿越技術進行。

適宜采用的穿越方式有頂管隧道、盾構隧道及定向鉆等穿越方案。

2穿越方案的類比分析

2.1頂管隧道方案

根據穿越處兩側場地的地形地貌特點，南側為某油品罐區，北側為丘陵，場地均受限，綜合考慮可將北岸作為始發井，始發井距離岸堤約230 m、井深27 m、直徑10 m；南岸作為接收井，豎井距離南岸大堤堤腳70 m、井深31 m、直徑9m。隧道斷面采用“一”字型，坡度為0.5%、穿越長度約550m。

2.2盾構隧道方案

盾構法施工工藝較復雜，投資較高，適用于通航、長距離、地層條件復雜的河流穿越，本工程穿越為通航河流，穿越主要地層為泥質砂巖。根據穿越處兩側地形綜合考慮，穿越方式與頂管隧道穿越方式相同。

2.3定向鉆穿越方案

根據穿越處兩側地形及現場條件，可將定向鉆入土點置于南岸場區內，距離大堤堤腳282 m，出土點置于距離北岸岸堤約724 m 。定向鉆穿越水平長度為1190 m，穿越層主要為泥質砂巖層，南側入土段需穿越約5 m 的卵石層，采取夯套管穿越。

三種穿越方案類比一覽表見表1所列。

三種穿越方案均為非開挖方式且安全通過。但盾構及頂管隧道穿越方案缺點明顯。定向鉆方案雖入土點卵石層需采取措施處理，但厚度不深，可采取夯套管后施工。施工時完全在河流兩岸陸地上進行，具有不破壞大堤、不擾動河床、不影響通航，對環境影響較小、施工周期較短、管道運營安全、綜合造價低等優點，綜合考慮各方面因素，確定航煤管道采用定向鉆方式穿越黃河。

3定向鉆技術的特點

定向鉆是通過造斜、導向等手段，使鉆孔在鉆進時發生轉向，并沿預定軌跡達到目標點的技術，該技術結合了電子技術、鉆探設備以及鉆探工藝的創新[1] 。定向鉆技術在石油工業中發展較為成熟，能夠被很好地運用到管線敷設施工中[2]。

定向鉆穿越施工過程，對地表土壤的干擾小，并且不會阻礙交通運行，也不會破壞地表植被，進而減少對居民正常生活的影響。施工精度高，穿越過程可以使管線繞過地下的障礙物，施工周期短、穿越成功率高、施工占地少等[3]。

4航煤管道穿越黃河的應用

4.1穿越管道參數的確定

定向鉆技術的關鍵是確定施工過程中的各項參數。

4.1.1? 穿越工程等級及基礎參數

穿越處黃河兩堤間寬度為192 m，河床寬為172 m。穿越處多年平均水面寬度160 m，水深最深處約7.5 m。按照《油氣輸送管道穿越工程設計規范》（GB 50423-2013）（以下簡稱《規范》）水域穿越工程等級與設計洪水頻率劃分，該穿越工程的穿越工程等級為河流大型穿越工程。

4.1.2 穿越地層及埋深確定

穿越處地層主要為泥質砂巖，適合定向鉆穿越。滿足最小埋深大于設計洪水沖刷線以下6 m 的要求；彈性敷設曲率半徑取1500倍的鋼管外徑，管頂距離百年一遇沖刷線下18.55 m，滿足規范要求。

4.1.3 管道選擇

根據《規范》的要求，穿越段鋼管壁厚計算見表2所列。

根據表2的計算結果，穿越段管道選用 D219.1×10 L245M 直縫高頻電阻焊鋼管，采用三層 PE 加強級防腐，管道長度1097.5 m。

4.1.4 管道主要參數校核

根據《規范》和《油氣輸送管道線路工程抗震技術規范》（GB 50470-2008）要求，對所選管道參數必須進行校核確定，以滿足工程項目需要。

選擇的管道徑厚比為219.1 mm/8.8 mm=21.91<100，穿越用管的剛度滿足規范要求。

其主要的參數計算結果見表3所列。

計算過程中使用的管道參數選取見表4所列。

根據《規范》要求和計算結果，對穿越管道的強度、徑向穩定性；管道回拖工況時的拉應力、彎曲應力、外部環向應力、拉力和彎曲產生的軸向應力及外壓產生的環向應力；管道試壓工況下的試壓工況應力、環向應力產生的軸向應力、管道應力；運行工況應力；定向鉆穿越管道徑向屈曲失穩計算逐項進行校核，校核結果均滿足要求。

通過對管道抗震負荷計算，黃河穿越使用管材滿足抗拉伸、抗壓縮要求，可不考慮采取防震措施。

4.2鉆機選型

鉆機設備的能力按本次設計穿越距離計算。根據《規范》要求，按照公式（1）計算回拖力F （ KN ）：

F =Lf[（πD 2γ/4）-πδDγs-Wf ]+KπDL；（1）

式中：L 為穿越長度，1097.5 m；f 為摩擦系數，取0.3；D 為鋼管外徑，0.2191 m；γ為泥漿比重，12 kN/m3；γs 為鋼管重度，78.5 kN/m2；δ為鋼管壁厚0.01 m；Wf為回拖管道單位長度配重，kN/m；k 為粘滯系數，取0.18。

計算回拖力為122.2 KN，穿越管段回拖時，鉆機最大回拖力為計算值的1.5～3倍，選用鉆機回拖力宜為366.6 kN。確定選用 ZT-36型履帶自行走式全液壓定向鉆進鋪管鉆機進行鉆進回拖施工。

4.3定向鉆穿越黃河施工

（1）入土點、出土點選擇。根據穿越處兩側地形地貌，東岸為某油品罐區，入土點布于東側，距離南岸岸堤180 m，出土點布于北岸，利用灰渣場地作為定向鉆回拖布管場地，距離黃河主河道北側岸堤700 m。航煤管道穿越黃河入土點、出土點位置示意圖如圖1所示。

（2）不良地層的處理。黃河南側入土點存在對定向鉆不利的卵石層，厚度約6 m，埋深6～12 m，采用開挖夯套管法處理卵石層，入土角度為10°，采用套管隔離長度為50 m。

（3）入出土點場地的處理。管段定向鉆鉆機場地入土端60 m×60 m，出土端30 m×30 m。挖掘機整平原始地面后壓實，周圍挖0.5 m×0.5 m排水溝，以防雨天場地積水。在入、出土端場地內各挖泥漿池1個，大小為800 m3，泥漿池底部與四周用土工布鋪墊，以防泥漿滲漏到地層中。

回拖場地按10 m寬實施，在回拖場地內，入土點與出土點所形成直線的延長線上，采用聚乙烯滾動支架進行回拖，回拖分三次進行。在出土點后的預制管段平整形成150 m的直管段，采取彈性敷設，敷設半徑不小于1 500倍的鋼管外徑。

（4）泥漿的配置。穿越地層主要是泥質砂巖層。泥質膠結差，成巖作用差，手掰易碎，屬極軟巖。泥漿選用膨潤土+防塌劑+降失水劑+潤滑劑；泥漿的配合比（Kg/m3）：1∶0.03∶0.04∶0.03［4］。進行充分混合制成粘度為65 s 的高粘泥漿。實際使用過程中，隨使用工況的變化，再加入添加劑，配制出滿足要求的泥漿。

（5）鉆進實施。定向鉆進設備在入土點鉆進一小直徑導向孔，鉆進過程中通過監控和手持控制器調整鉆頭，使鉆孔按設計的軌跡鉆進，導向孔實際曲線與設計穿越曲線偏差不大于1%，且橫向偏差為±0.5 m、上下偏差為±0.3 m，出土點橫向偏差為±3 m、縱向偏差為+9 m～-3 m。并從出土點鉆出地面，完成導向孔的施工鉆進。航煤管道鉆進剖面示意圖如圖2所示。

（6）擴孔。擴孔用擴孔器，可加快擴孔速度和提升孔壁的圓滑度，對孔徑內的巖塊和顆粒進行充分擠壓，加強孔壁的堅固性和孔內清潔性，便于拖管施工，減小擴孔扭矩和拖管阻力，提升泥漿流動性［5］。在出土點連接擴孔器，擴孔直徑應保證不小于329 mm，將其孔道逐漸擴大到穿越管徑的設計要求。在擴孔時要確保孔壁穩定，避免坍塌、卡管等不利現象發生，分3級擴孔完成。

（7）管線預制及回拖。管線預制在回拖前完成，并進行管道防腐層和補口補傷處理，環向焊縫均進行100%射線檢測和100%超聲波檢測。管道回拖過程中鉆機設備能否提供足夠大的回拖力是管道回拖成功的重要保證，而在實際施工中主要研究如何減少阻力、降低回拖力，因此管道回拖阻力的計算極為重要［5］。本工程采用最大回拖力360 KN的鉆機進行回拖，擴孔完成后，采用回拉將出土處的管線回拖到入土點，完成管道鋪設安裝。回拖期間連續作業一次性完成。為保證連續回拖作業，在設計規范規定的擴孔尺寸基礎上增加一級擴孔，使孔洞與管道之間的間隙更大，加大泥漿濃度，使管道在回拖過程中懸浮在空洞中，管道焊縫處采用定向鉆專用補口帶包裹，管道回拖前增加一次洗孔。在回拖時，應保證管口對焊和焊口檢測的時間不超過4 h，做好回拖的連續性，回拖速度控制在1.0 m/min，避免因停工造成阻力增大、塌孔及已回拖的管道在孔內發生抱管事故[7]。

中川航煤管道穿越黃河段僅用65 d 的時間順利完成，穿越工藝完全符合設計要求，施工作業期間沒有發生任何安全事故。自投用至今，輸送航煤90萬 t 之多，沒有發生泄漏、腐蝕、污染事故。

5結論

定向鉆技術在航煤管道穿越黃河中的應用，能夠提升工程建設效率，保護環境，減少土壤植被破壞，降低工程費用，保證航煤管道投用后的安全運行。施工過程中泥漿的配置極為關鍵，并需根據不同施工階段適時調整泥漿配比。在施工過程中隨時監控鉆機的扭矩、泥漿攜帶出巖屑的情況，進行綜合分析地質情況，發現異常及時采取措施，保證鉆進的順利進行。中川機場航煤管道穿越黃河工程一次性鉆進1190 m，施工及使用效果良好，穿越一次成功。為類似項目建設提供了一定的參考經驗。

參考文獻：

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[4] 鄧秀林.長輸管道粉質粘土、砂土層定向鉆穿越關鍵工序控制[J].化學工程與裝備，2020（5）：61-63.

[5] 朱傳清.長距離大高差天然氣集輸管道定向鉆穿越施工方法[J].石油化工建設，2022，44（3）：104-106.

[6] 李子涵.大口徑長距水平定向鉆管道回拖影響因素顯著性分析[D ].合肥：安徽建筑大學，2022.

[7] 賈雷，李靜濤.定向鉆法長距離穿越巖石山體難點分析及應用[J].城市燃氣，2022（4）：4-9.