城市燃气管道定向钻对接穿越技术要点研究

陈 伟

（漳州安然燃气有限公司，福建 漳州 363000）

1 工程概况

某市燃气管道项目建设长度为3.2 km，管材选用PE100管道，管壁厚度为SDR11，管道直径为Φ315 mm，设计压力为0.7 MPa。该燃气管道施工须穿越既有河流，穿越长度共计350 m，根据现场地质条件、用地状况及河流水文地质情况等，拟定采取定向钻对接方式进行燃气管道穿越施工。

2 现场地质条件

根据现场勘测结果及相关资料显示，该穿越区域地质条件按岩性、成因时代、分布特征及物理力学性质等主要可分为杂填土层、卵石层、强风化泥质粉砂岩层以及中风化泥质粉砂岩层4个地质层，各地层实际分布情况见表1。

2.1 杂填土层

杂填土层中主要包括碎石、块石和黏性土，土质并不均匀，其中碎石含量为35%～44%，可见粒径为30mm～100mm，最大粒径超过了100mm，并且现场均有分布。

2.2 卵石层

卵石层中有60%左右的颗粒粒径超过了200 mm，粒径2 mm～90 mm的砾石含量约为20%，剩下的20%主要是砂和黏性土。卵石层的颗粒磨圆度比较好，且大多都呈亚圆形，母岩成分是凝灰岩，强度高，但级配、分选性、胶结程度都比较差。

2.3 强风化泥质粉砂岩层

强风化泥质粉砂岩层的原岩结构已有大部分被风化破坏，风化程度并一致，且原岩碎块中夹杂有土、少量云母碎片和高岭土土斑团。

2.4 中风化泥质粉砂岩层

中风化泥质粉砂岩层中的主要构成成分为粉砂质及泥质，并含有少量的云母碎片和高岭土土斑团。岩层稍有裂隙发育，且岩芯比较完整，岩层的单轴饱和抗炎强度为12.4MPa，说明该岩层为软岩，岩体的质量等级为IV级，岩石质量指标RQD是70%～80%，该岩层最大厚度为9.60m。

2.5 地下水

经现场勘测得知，勘测深度范围内的地下水主要是第四系松散岩类孔隙潜水，基本都富藏于杂填土层和卵石层内，同时，杂填土层透水性为中等透水性，并和地表水系有密切联系；卵石层为强透水性。

3 穿越方案选择

根据《油气输送管道工程水平定向钻穿越设计规范》（SY/T 6968—2021）中的相关内容[1-2]，拟定了3种穿越方案，即快挖换填、套管隔离、改良地层，下面就3种方案进行对比，见表2。

表2 3种燃气管道穿越方案对比

根据表1所述，根据这次燃气管道穿越河流现场地质条件及相关要求，现场开挖换填施工条件不充分，并且为保证定向钻进一次成功率，最终未选用开挖换填方案和改良地层方案，而是采用技术比较成熟的套管隔离方案进行穿越。

表1 各地层分布情况

4 套管隔离穿越方案设计

科学可行的方案设计是保证套管隔离穿越顺利进行的前提条件[3]。因此，在正式进行穿越施工前，根据现场施工条件及实际施工需要对套管隔离穿越方案进行细化设计，主要内容包括入土角、出土角设计、套管确定、定向钻设备和夯管机确定以及对接穿越施工工艺。

4.1 入土角及出土角设计

入土角及出土角是影响穿越施工精度的2个重要因素。因此，该项目在综合考虑穿越施工的长度、深度及管道弹性敷设条件等因素的基础上，确定入土角及出土角均为10°，满足入土角8°～18°、出土角4°～12°的相关规范要求[4]。

4.2 套管确定

穿越施工所用套管选用的是直缝高频电阻焊钢管，钢管材质为Q235B，执行标准参考《石油天然气工业管线输送系统用钢管》GB/T9711—2017。这是因为套管须穿过深度6m～8m的卵石层到达强风化泥质粉砂岩层，使用直缝管相比螺旋缝管在相同受力的情况下可以防止管道出现变形，且比无缝管的造价成本低。具体来说，该项目中入土端的套管为外直径813mm、壁厚25mm的DN800直缝高频电阻焊钢管，长度为48m；出土端为了增加导向控向的成功率，适当扩大了出土端钢管的规格，选用的是外直径1016mm、壁厚25mm的DN1000直缝高频电阻焊钢管，长度为48m。

4.3 定向钻设备及夯管机确定

为防止穿越岩层施工中出现钻杆断裂的问题，选择120 mm钻杆进行扩孔，并对钻杆进行无损检测，以确保钻杆质量。钻机选用1台德国海瑞克250 t 水平定向钻机（作为主钻机，用于导向、扩孔及管道回拖）及1台北京土行孙120 t钻机（作为辅助钻机，用于辅助进行下套管及导向对接），最大扭矩为31000 N·m，最大回扩直径为Φ1000 mm。夯管系统选用TT2000 型气动夯管锤+VHP700空压机。同时，为了确保套管的入土角能够满足10°要求，提前在工作坑中布置了10°的操作平台及相应的导轨，且导轨中心轴线和套管夯进的中心轴线保持一致，来保证套管夯进的精度。在夯进套管的过程中须边夯进边焊接，并使用钻进驱动搅龙清理钢套管内的渣土[5]。

4.4 定向钻对接穿越工艺

为解决导向孔钻进施工中钻头方向控制难的问题，在两端夯管的基础上，采取定向钻对接穿越工艺，即在入土端和出土端各布置1台钻机，其中入土端的钻机为主钻机，出土端的钻机做辅助。正式施工时，使用先进的ParatrackⅡ控向系统控制2台钻机到达距离出土点150m～200m的区域进行对接，且穿越轴线上方全程铺有交流磁信号电缆。定向钻对接穿越工艺流程如图1所示。

图1 定向钻对接穿越工艺流程示意图

5 对接穿越施工技术要点

对接穿越施工主要分为夯管施工及定向钻对接施工2个部分，具体施工要点如下。

5.1 夯管施工

在夯管操作前，须提前挖好操作坑及接收坑，操作坑坑底长度以单根套管长度加3 m为准、宽度为4 m、深度为2 m，接收坑坑底长度及宽度均为4 m、深度为2 m。同时，夯管前也需要全面检查夯管锤的方位及水平角度，确保夯管锤中心轴线与设计中心线保持移植。如果夯管锤角度偏差大于0.5°，则需及时调整就位[6]。然后在沿着燃气管道中心线两侧分别安装一道长度12m的导轨，并用长度2 m的30号工字钢做枕木铺于导轨下面，并复验导轨中线，为后续夯管施工做好准备。

夯管设备检查合格后，用50t吊车把第一节套管吊到导轨上，并开启操作阀试运行夯管锤，无异常后按采用“轻锤慢进”方法开始夯管施工，且边夯管边检测钢套管的入土角度，以保证钢套管按设计要求的角度（10°）顺利夯入卵石层。同时，因为第一根钢套管夯进方向的准确性是影响整个夯管施工进度的关键要素，所以当夯进第一根钢套管500 mm之后，须对其方位及水平角度进行全面检查，如果角度偏差≤0.5°、轴线偏差≤1%夯进长度，就可以继续夯进操作；如果角度偏差或轴线偏差超出上述限值，就需要纠偏后再进行夯进。第一根夯进时，也需要在操作坑外留4 m的管尾，与第二根钢套管焊接。另外，在夯管过程中每夯进8 m就要复测一次，保证钢套管夯进的精度始终满足入土角10°的要求。重复上述工作依次完成其他套管夯进施工。

为防止夯进过程中钢套管前端出现卷边或变形，提前制作了铸钢切削环焊接在第一根钢套管前端，以便切削地层。同时，钻杆前端安装了搅龙，边夯进边清理套管中的积土，以防在钢套管夯进过程中因积土而增大前进阻力使前进速度减缓或停滞不前。搅龙输送能力为3m3/h～5m3/h。搅龙取土示意图如图2所示。

图2 搅龙取土示意图

5.2 定向钻施工

5.2.1 钻机及配套设备就位

根据设计的穿越中心线布置主钻机及辅助钻机，待2台钻机均按要求就位后，再连接钻机的各分系统，并试运转进行钻机性能检测。同时，在2台钻机场地之间建立畅通的无线电通信系统，以便两端进行及时沟通。

5.2.2 建立人工磁场

顺着燃气管道穿越施工曲线的中心线在地表采取人工方式敷设好电缆，然后连通交流电，使电缆成为定向钻对接施工控向系统的电磁信号源。同时，沿穿越轴线按间距50 m设置3个交流基准磁块，以便于更好地控制对接精度。

5.2.3 导向孔施工

待钻机设备及测量仪器等均准备就绪后，打开控向仪、连通信号电缆、同时开启两台钻机，开始进行钻进施工。导向孔钻进施工速度以3 m/h为准，当钻进1～2根钻杆后，对各部位进行检验，以确保钻进施工的各项参数均满足施工要求。当辅助钻机的钻头钻进到指定对接区域后，开启钻头短节中的目标磁铁，使主钻机钻头可根据目标磁铁发出的电磁信号按设计的穿越路线向前继续钻进。导向孔钻进的同时，须配制泥浆并添加适量的润滑剂，使导向孔边钻进边润滑，降低钻进施工中的阻力，既能避免出现黏钻、卡钻等现象[7]，也可以确保导向孔孔壁的完整性。导向孔钻进施工示意图如图3所示。

图3 导向孔钻进示意图

5.2.4 对接

待主钻机钻头和辅助钻进目标磁铁之间的距离小于5 m后，便可实施导向孔对接[8]。对接成功后，便操作辅助钻进退回钻杆，而主钻机则跟随电磁信号的引导控制钻头方向，顺着辅助钻进钻好的导向孔继续向前顶进，直至钻头出土，最终完成导向孔施工。导向孔交会对接示意图如图4所示。

图4 导向孔交会对接示意图

5.2.5 管道扩孔及回拖

完成导向孔对接施工后，在主钻机上连接扩孔器进行2级扩孔，最终扩孔直接为580 mm。接着进行洗孔作业。然后利用主钻机按照400 kN～500 kN的拉力对管道进行回拖作业，最终经过5.5 h顺利完成所有管道的回拖工作。

6 结语

综上所述，通过实例证明，定向钻对接穿越技术在燃气管道穿越河道项目中有良好的应用价值及推广价值。由此也可得出结论，燃气管道项目施工中会遇到各种各样的环境条件，施工单位及相关技术人员要根据实际施工需要及现场环境条件等设计合理的管道施工方案，选择合适的管道施工工艺，并严格控制各施工环节，才能保证燃气管道项目施工达到预期的质量目标及效益目标。