天然氣管道嘉陵江穿越質量安全控制與分析

倪龍君

大慶油田技術監督中心，黑龍江大慶 163000

1 工程概況

合川氣田合深4 區塊開發先導試驗地面工程嘉陵江穿越位于四川省廣安市武勝縣中心鎮大通村附近，該工程穿越管道為GC1 級壓力管道，設計壓力9 MPa，管徑D508 mm。嘉陵江為通航河道，航道等級為Ⅲ級。穿越斷面枯汛期水面寬度變化較大[1]，400～550 m。定向鉆穿越段水平長度為1 980 m，實長為1 987.58 m。入土角為12°，出土角為7°。弧線段采用彈性敷設，曲率半徑為762 m（1 500D）。

2 施工情況

2.1 確定施工工序

定向鉆施工流程如圖1所示。

圖1 定向鉆施工流程

2.2 前期準備

2.2.1 鉆機及鉆桿選型

水平定向鉆鉆機選型除要考慮最大回拖力這一重要數據外，同時還需兼顧鉆機最大輸出扭矩及鉆桿參數是否滿足施工需要。水平定向鉆回拖時的拉力計算公式如下：

式中：Fp為計算拉力，kN；L為穿越管段曲線長度，m；f為摩擦系數，取0.3；γm為泥漿重度，kN/m3，取11.5；δ1為管道壁厚，m；λS為鋼材重度，kN/m3，取78.5；Wb為定向鉆回拖過程中單位長度配重，kN/m；kv為黏滯系數，kN·s/m2，取0.175。

經計算，本次回拖理論計算拉力FP=840 kN,按照規范GB 50424—2015《油氣輸送管道穿越工程施工規范》[2]要求，水平定向鉆機回拖力宜按計算拉力的1.5～3 倍選擇[2?3]，在考慮安全系數的基礎上，本工程按3倍選取，得出本次穿越施工鉆機需回拖力至少應為2 520 kN。通過對整體回拖管段鋪設地理環境、穿越段的敏感性綜合考慮，最終選用FDP1000 型鉆機，最大回拖力10 000 kN，滿足管道回拖要求，且同時滿足擴孔扭矩要求。

長距離水平定向鉆施工過程中，鉆桿性能是決定整個定向穿越施工成功與否的關鍵[4]。若選用不當，鉆桿受鉆機拉力、地下壓力及鉆進過程中的扭轉力等因素影響易發生斷裂失效等事故，嚴重影響水平定向鉆穿越的施工進度及質量。

按照《油氣管道水平定向鉆穿越用鉆桿管理規定》相關要求，選取6?5/8in（1in=25.4 mm）鉆桿，其抗拉屈服強度可達6 700 kN，抗扭屈服強度可達263 380 N·m，符合本工程需要。鉆桿在定向穿越過程中，一直處于工作狀態，為保證穿越順利實施，在鉆桿進場前對每根鉆桿進行檢測，達到要求方可進場使用。

2.2.2 泥漿配比

泥漿的主要成分為膨脹土，其主要作用是維持孔壁的穩定，防止地層的塌落以及潤滑鉆頭。泥漿配比對穿越成功與否起決定性作用，具體比例取決于鉆孔時所面臨的地質巖層情況，此次穿越地層自上而下分別為黏土、泥質砂巖、砂巖、泥質砂巖。泥漿配比見表1。

表1 泥漿配比

2.3 水平定向鉆進施工

2.3.1 導向孔

首先根據導向孔入土點、入土角度、出土點、出土角度、直線段深度等參數確定導向孔的軌跡線，通過導孔鉆頭對鉆孔軌跡進行控制。導向孔鉆進前，預先根據設計曲線等相關參數繪制鉆進曲線，將二者反復對比最終確定導向孔的進折角。鉆頭導向孔鉆進過程中，控向人員實時跟蹤測量，并做好記錄，在穿越曲線上每隔1 根鉆桿設置數據控制點，以此控制導向孔的鉆進。

2.3.2 擴孔施工

導向孔鉆成后，卸下鉆頭、無磁鉆鋌及控向系統，根據地質狀況，選擇合適類型擴孔器進行擴孔。本工程根據現場導向孔鉆進時反饋的地質數據，最終選擇了牙輪擴孔器，擴孔時鉆具組合依次為鉆桿+擴孔器+鉆桿，根據勘探資料及導向孔鉆進時反饋的地勢情況，初步確定擴孔的級別和次數，擴孔級次順序見表2[5]。

表2 嘉陵江擴孔級次順序

2.3.3 管道回拖

管道回拖過程中管道與鉆桿連接順序如圖2 所示，在回拖前應先對鉆桿進行泥漿清洗并查看各泥漿噴嘴是否暢通，確保合格后進行連接[6]。回拖過程中時刻關注扭矩、拉力變化，確保其變化范圍不超過標準規范的規定；除不可抗力原因，回拖過程中禁止停拖。

圖2 管道回拖示意

3 施工過程中相關控制措施

3.1 泥漿凈化及跑冒措施

3.1.1 泥漿凈化措施

根據本次定向穿越工程環境的敏感性及需三次擴孔施工的特點，施工過程中存在泥漿需求量大以及泥漿中砂粒粒徑超標風險。為保證工程穩定運行，降低泥漿中大粒徑砂對螺桿的影響，最終確定設置泥漿循環凈化裝置。

泥漿凈化處理流程為：利用反循環砂石泵（見圖3）將沉降池中的泥漿送到泥漿凈化裝置的粗篩網，將粒徑3 mm 以上的顆粒分離出來，完成一級過濾。經過粗篩篩選的泥漿由凈化裝置的渣漿泵抽吸，通過旋流器分選，粒徑微細的泥沙通過旋流器下端的沉沙嘴排入細篩，完成二級過濾。經細篩脫水篩選后，較干燥的細渣料分離出來，剩下的泥漿再次返回儲漿槽，處理后的干凈泥漿從旋流器溢流管進入中儲箱，然后沿總出漿管再次進入泥漿的攪拌罐，完成三級過濾，重新配置合格后泵送入孔[7]。

圖3 反循環砂石泵

3.1.2 泥漿跑冒控制措施

冒漿是定向鉆進過程中常見的問題，其主要危害有：一是泥漿滲入孔壁，改變孔壁周邊地質層的應力，給工程施工增加安全風險；二是泥漿跑冒會使其化學成分對穿江段地表環境產生影響，造成環保事故；三是冒漿發生后，泥漿使用量增加，致使施工費用增加。產生冒漿的主要原因：一是泥漿壓力超過地表承受壓力；二是穿越過程中地表存在空洞、裂隙等地質因素；三是泥漿黏稠度較大，流動性低，為保證流動性壓力增加，產生冒漿。

通過分析冒漿原因，得出泥漿壓力是冒漿產生的關鍵因素。因此，在鉆進過程中，重點對泥漿壓力狀態進行監控，結合回拖過程中的地質條件及不同的鉆進階段，把控鉆機扭力、泥漿壓力等關鍵數據，同時針對冒漿制訂專項預案，并設置專班進行跟蹤，一旦發現穿越過程中有冒漿現象及時按照預案進行處理。

3.2 導向孔質量保證措施

導向孔鉆進質量直接決定著管道穿越路徑與設計路徑是否一致，是定向鉆穿越成功與否的重要一環。在導向孔鉆進過程中，控向人員通過對講機與司鉆人員保持實時溝通，確定工具面的角度和推進以及鉆進長度。控向人員通過繪制控向曲線，與設計曲線、設計鉆進傾斜角和方位角進行對比，當鉆進曲線與設計曲線偏差超出標準要求值時，及時通過調整鉆進參數等措施進行糾正[8]。

3.3 回拖質量安全措施

由于回拖作業帶距離較長，且前期回拖管道沿地勢鋪設，途經多處丘陵及農田。管道焊接組對時產生的應力將隨著管道回拖進行釋放，隨著應力的傳導，回拖管道將呈類似蛇形擺動前進，若不采取措施，將增加回拖過程中的安全隱患及防腐層破損風險，為此采取了如下措施。

1）在管尾和管道受力部位配備多臺大型挖掘機對管道進行輔助控制，防止其擺動。

2）因玻璃鋼防腐層比PE防腐層具有更好的耐摩擦性，在管道原PE 防腐層外增加玻璃鋼防腐層作為犧牲層，以增加防腐層抗破壞能力。

3）回拖前對管道防腐層完整性進行全面檢查，現場使用FDL?DC30型電火花檢測儀進行電火花檢測，確保回拖前管道完整性。并由定向鉆機組安排專人沿主管巡視，及時清理回拖管段下尖銳異物，防止管道落地刮傷玻璃鋼防護層，巡視過程中發現玻璃鋼破損處及時進行修補。

4）在地勢較為平緩且長度超過100 m 的區域，設置寬1 m、深0.5 m 的發送溝（見圖4），在發送溝內注入水，通過浮力降低防腐層與地面的摩擦，同時對管道回拖起到潤滑作用。

圖4 發送溝斷面示意

5）在高低起伏較大的區域設置發送墩，如圖5 所示，在發送墩上撒膨潤土粉。管道回拖過程中連續向土墩上澆水，增加與管道之間的潤滑性，減小摩擦力。在坡頂和大的轉彎處設置滑輪滾架，如圖6所示，將滑動摩擦轉變為輪動摩擦，減小回拖力，同時配備挖掘機，使用吊裝帶穩固回拖管道并防止移位。

圖5 管道墩示意

圖6 防滾架

6）為保證管道順利入洞，在距離出土點49 m處搭設貓背，如圖7所示，使管道的入土角度和出土角度保持一致，保證管道順利進洞。

圖7 貓背示意

通過上述措施，一方面可以有效降低回拖管道與地面摩擦而造成防腐層破損的概率，另一方面對管道回拖起到一定的助力作用。

4 整體穿越效果

本次嘉陵江穿越選用水平定向鉆，該方法具有不破壞江流生態環境、滿足各類環保要求以及由于穿越段地層內部的氧及其他腐蝕性物質很少穿越管道不易腐蝕等優點，保證管道運行時間更長。后期在對回拖管段防腐層完整性進行抽檢時，出土點防腐層外觀未見明顯劃痕，采用雷迪防腐層檢測儀進行防腐層絕緣電阻測試，測試結果為10 025 Ω·m2，按照GB 50424—2015 中相關要求，評定結果為優秀。管道整體回拖時間約24 h，比計劃工期72 h提升工效150%。

通過實時控制定向鉆鉆桿角度及泥漿壓力等參數，在管道受力點合理采用挖掘機穩管、設置發送溝等措施，回拖全過程未發生冒漿、管道甩尾傷人等安全環保事故，管道防腐層完整性良好，確保了項目順利推進，管道回拖成功時的現場場景如圖8所示。

圖8 嘉陵江DN500管道回拖現場

5 結束語

本次天然氣管道嘉陵江管道穿越過程中，鉆進、回拖及管道本體防腐采取的有效控制措施，為保證穿越工程的安全、環保、質量等提供了有力的支持，還可為今后同等規模管道穿越施工提供借鑒。