摘 要

摘　要：3300m長江天然氣管道穿越工程是世界上首次在大口徑管道穿越領(lǐng)域內(nèi)實施如此長距離的管道穿越工程，面臨導(dǎo)向孔對接難度大、擴孔扭矩大、鉆井液性能要求高及回收處理難度

摘　要：3300m長江天然氣管道穿越工程是世界上首次在大口徑管道穿越領(lǐng)域內(nèi)實施如此長距離的管道穿越工程，面臨導(dǎo)向孔對接難度大、擴孔扭矩大、鉆井液性能要求高及回收處理難度大、回拖阻力大等技術(shù)難題。為此，針對性地采用了以下技術(shù)措施：①確定合理的鉆具組合，研發(fā)并應(yīng)用了新型Æ193.7mm(S-135)高強度鉆桿，采用了新型全程導(dǎo)向電纜技術(shù)及旋轉(zhuǎn)磁鐵對接技術(shù)，成功地完成了導(dǎo)向孔施工；②采用新型設(shè)計的可抗大扭矩的Æl68.3mm(V-150)鉆桿，優(yōu)化了擴孔器構(gòu)造，改進了水力參數(shù)的選擇，成功降低了擴孔扭矩，完成了擴孔施工，同時極大地提高了擴孔效率；③設(shè)計專門針對大噸位回拖阻力的特殊地錨，并通過漂管作業(yè)、加入高效潤滑劑、采用新型玻璃鋼防腐技術(shù)保護管道外防腐層的技術(shù)措施，保證了回拖施工順利完成；④優(yōu)選鉆井液配方，保證了孔洞的穩(wěn)定及鉆屑的順利返排；⑤成功應(yīng)用離心機回收處理鉆井液系統(tǒng)，保證了回收鉆井液的質(zhì)量。上述一系列的技術(shù)創(chuàng)新，確保了3300 m長江天然氣管道穿越工程的順利完成，同時也創(chuàng)造或刷新年了多項管道穿越世界紀(jì)錄。

關(guān)鍵詞：長江天然氣管道  穿越施工  水平定向鉆進  對接施工  長距離  大扭矩  砂層鉆進  鉆井液回收  離心機

Engineering difficulties and technical innovation in the Jiangyin Yangtze River Crossing Project 3300m HDD

Abstract：The Jiangyin Yangtze River Crossing Project sets up a rccord with the length of horizontal directional drilling(HDI))of 3300 meters in the world．Many technical difficulties have been inevitably encountered in pilot hole docking，reaming torque，property requirement and recovery processing of drilling fluids，and pull-back resistance，and so on．In view of this，first at the pilot hole drilling stage，a reasonable drill tool assembly was chosen，and a new type drill pipeÆ193.7mm(S-135)with a high strength was applied along with fully guided cable and rotating magnate docking technologies．Then at the reaming stage，a newly-designed drill pipeÆ168.3mm(V-150)was adopted along with the optimized reamers and the improved hydraulic parameters to successfully reduce the reaming torque and significantly improve the reaming efficiency．And at the pullback stage，a specific ground anchor was designed for such large-tonnage pullback strength，high performance anti-friction lubricants were carried by the coaxial distribution delivery tube，and glass fiber reinforced plastics were also utilized for the pipeline coating．Finally，the drilling fluid formula was optimally selected to ensure the hole stability and flowback of drilling cuttings，and a centrifugal was used to recycle the drilling mud to ensure the mud performance．The above technical innovation not only ensured the smooth and successful completion of this HDD project，but broke many records in this respect．

Keywords：Yangtze River，natural gas pipeline，horizontal directional drilling(HDD)，crossing construction，docking，long distance，huge torque，sand strata，drilling mud recycle，centrifugal

長江定向鉆管道穿越工程成功與否直接影響著江都如東天然氣管道項目泰興芙蓉段的貫通實施。此次3300m長江天然氣管道穿越工程是世界上首次在大口徑管道穿越領(lǐng)域內(nèi)實施如此長距離的穿越施工，相對于以前施工的穿越工程，其施工風(fēng)險已經(jīng)不是單純的線性倍數(shù)增加，而是呈指數(shù)倍增加，施工中一個小的疏忽就可能引起極嚴(yán)重的后果^[1-7]。為此，項目施工人員詳細(xì)規(guī)劃了施工中的每一個細(xì)節(jié)，大膽采用了許多創(chuàng)新工藝，精心操作，及時處理施工中的難題，最終成功完成了管道穿越施工。

1　工程概況及難點

1．1　工程概況

江都一如東天然氣管道項目3期工程泰興  芙蓉段管道在靖江與江陰之間穿越長江，有2根Æ7llmm天然氣管道，同時并行Æ406.4mm成品油管道，每根管道長度均為3300m(圖1)。

 

1．2　穿越地層概況

3300m長江天然氣管道穿越項目所穿越地層如圖2所示。

 

1)⑥a為粉質(zhì)黏土夾粉土：灰黃、黃灰色，可塑，局部含少量鈣質(zhì)結(jié)核或砂礓，直徑為5～30mm，個別直徑可達(dá)50～70mm，承載力特征值為l80kPa。

2)⑥1為粉砂(局部細(xì)砂)：灰黃、黃灰色，飽和，中度密實，含少量直徑為5～40mm的砂礓，具低壓縮性，工程性質(zhì)一般，承載力特征值為l80kPa。

3)⑥2為粉砂、細(xì)砂：灰黃、黃灰色，飽和，密實，層底與上部粉質(zhì)黏土接觸處局部含直徑為5～50mm的砂礓塊，層下部含少量直徑為2～20mm的礫粒，具低壓縮性，工程性質(zhì)較好，承載力特征值為300kPa。

1．3　工程難點

1)導(dǎo)向孔對接難度大。管道穿越距離長，單穿技術(shù)在鉆桿鉆具方面已經(jīng)無法達(dá)到施工要求，所以必須采用對接技術(shù)^[8]。而此前沒有如此長距離的對接經(jīng)驗，采用何種外部引導(dǎo)磁場，對接區(qū)如何精確校準(zhǔn)，對接成功后如何推送長距離鉆桿，長距離套管的施工技術(shù)都成了必須要解決的技術(shù)難點。

2)擴孔扭矩大。因為此次管道穿越地層主要為粉砂層，為不穩(wěn)定地層，而且管道穿越距離超長，導(dǎo)致擴孔扭矩過大，經(jīng)初步計算擴孔扭矩超過40000N·m，實際施工中擴孔扭矩最大能達(dá)到70000N·m，這對鉆桿的選擇、擴孔器選型、水眼配置、鉆井液排量的選擇、噴漿短節(jié)的選擇都有較高的要求^[9-10]。

3)鉆井液性能要求高。長距離管道穿越，鉆井液的攜帶性和流動性會減弱，入出土點兩側(cè)不容易返漿，致使鉆屑不能隨鉆井液攜帶出洞，故鉆井液的流動性要強。而此次地層的穩(wěn)定性較弱，需要鉆井液具有較強的護壁功能。

4)鉆井液回收處理難度大。因為此次管道穿越地層主要為砂層并含有一定的黏粒，傳統(tǒng)的鉆井液回收系統(tǒng)已經(jīng)不適用于此次長距離管道穿越的鉆井液回收處理，必須對傳統(tǒng)的鉆井液回收技術(shù)進行革新以滿足此次長距離管道穿越施工的需要。

5)回拖阻力大。此次長距離管道穿越摩擦力大，導(dǎo)致整體回拖阻力大^[11-13]，通過理論計算與實踐應(yīng)用，成功地降低了回拖阻力，使得同拖施工順利完成。

2　工藝創(chuàng)新

2．1　導(dǎo)向孔技術(shù)創(chuàng)新

1)采用全程人工磁場作為引導(dǎo)，保證穿越曲線精準(zhǔn)。此技術(shù)是國內(nèi)首次在大型河流穿越施工中使用，效果良好。在陸上布設(shè)小線圈，江中布設(shè)海纜，成功將兩邊鉆頭引導(dǎo)至對接區(qū)。通過3次對接穿越可知全程海纜是最為穩(wěn)定有效的控向引導(dǎo)信號源，尤其是在江面較寬、航道交通繁忙的跨江穿越工程中具有較大優(yōu)勢。

2)采用旋轉(zhuǎn)磁鐵進行精確對接。旋轉(zhuǎn)磁鐵導(dǎo)向?qū)蛹夹g(shù)是目前世界上較為先進的導(dǎo)向孔對接技術(shù)，對接有效范圍可達(dá)70m，3次管道穿越施工中成功采用旋轉(zhuǎn)磁鐵對接技術(shù)完成了導(dǎo)向孔對接。

3)優(yōu)化鉆具組合。為了解決長距離管道穿越中對接成功后鉆桿推送阻力大而導(dǎo)致鉆桿彎曲破壞的問題，必須優(yōu)化鉆具組合，以保證推送力可以均勻地傳送。經(jīng)過理論計算和試鉆施工，得到了最優(yōu)的鉆具組合(圖3)，可以承受超過60t的推進力，成功完成了3次管道穿越的推送施工。

 

4)設(shè)計研發(fā)新型鉆桿。經(jīng)過鉆柱力學(xué)分析計算得出穿越3000m以后鉆桿推力超過50t，以前定向鉆施工中所采用的鉆桿已無法滿足此推力的要求，通過與國內(nèi)鉆具廠家合作，研發(fā)了Æl93.7mm(S-135)高強度鉆桿(在API標(biāo)準(zhǔn)中還無此類型鉆桿)，可抵抗超過90t的推力，成功用于此次管道穿越施工。

5)改進技術(shù)細(xì)節(jié)。改進控向線在鉆桿內(nèi)的固定方式，避免了在長距離管道穿越過程中高速流動的鉆井液對控向線長時間沖刷而引發(fā)的短路現(xiàn)象。合理配置噴漿短節(jié)的數(shù)量以及水嘴孔徑，使得在保持充分潤滑孔壁、減少摩擦阻力的同時，保證了鉆井液馬達(dá)的工作效率，提高了鉆進速度，縮短了導(dǎo)向孔的施工時間。

2．2　擴孔技術(shù)創(chuàng)新

如此長距離擴孔施工無先例可以參考，很多擴孔數(shù)據(jù)已經(jīng)超出了以前的施工經(jīng)驗。通過擴孔施工，發(fā)現(xiàn)長距離擴孔施工中許多鉆進參數(shù)規(guī)律已經(jīng)完全不同于短距離擴孔施工，主要表現(xiàn)為：

1)擴孔扭矩大，必須采用高強度鉆桿。擴孔施工中個別階段擴孔扭矩超過7×10⁴N·m，以前的鉆桿已經(jīng)無法滿足要求。采用與國內(nèi)鉆具廠家新設(shè)計生產(chǎn)的Æl68.3mm(V-150)高強度鉆桿，可以抵抗高扭矩和高拉力，在施工中成功克服了擴孔扭矩大的難題，順利完成了擴孔施工。

2)采用改進型板桶式擴孔器，提高了擴孔效率，降低了施工風(fēng)險(圖4)。采用新擴孔器后，在Æ711mm-B管道穿越四級擴孔施工中均是一次性完成了擴孔，出土后的擴孔器磨損很小，擴孔效果極好。根據(jù)B管的擴孔經(jīng)驗，在改進擴孔器切割方式的前提下，Æ711mm-A線進一步優(yōu)化了擴孔器水嘴的配置，使得鉆井液有效輔助切削，減小了擴孔扭矩，將原來的四級擴孔減少到三級(660.4mm、914.4mm、l066.8mm)，提高了施工效率，節(jié)約了工期。

 

3)加大鉆井液排量，改進水眼配置，提高水眼射速。擴孔水力參數(shù)對比情況見表1。

 

Æ406mm管道穿越擴孔施工時發(fā)現(xiàn)鉆井液排量低于2m²／min、水眼射速低于50m／s時擴孔扭矩大，鉆具磨損快。Æ711mm管道穿越擴孔施工時調(diào)整了施工參數(shù)，改進了擴孔器選型，使得擴孔扭矩得到了有效控制，鉆屑及時排除，水力切削充分，鉆具幾乎沒有磨損，加快了施工進度，保證了每次擴孔一次性成功。根據(jù)3次管道穿越對鉆進參數(shù)的調(diào)整情況，并結(jié)合現(xiàn)場實際可以達(dá)到的施工條件，最優(yōu)的鉆進參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見表2。

 

根據(jù)表2，Æ711mm-A線管道穿越擴孔在B線基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化了擴孔器水嘴的配置，將水眼個數(shù)控制在13個以內(nèi)，使鉆井液有效輔助切削，減小擴孔扭矩，將原來的四級擴孔減少到三級(660.4mm、914.4mm、1066.8mm)，提高了工作效率，縮短了施工工期。

4)優(yōu)化鉆井液配比，使得鉆井液與地層的適應(yīng)性達(dá)到最優(yōu)。此次管道穿越地層主要為粉細(xì)砂層，但是其中也經(jīng)過了粉質(zhì)黏土層、淤泥質(zhì)粉黏層、黏土層等多種地層，本身砂層的成孔性就比較差。因此，對鉆井液的配制要求非常高。組織了鉆井液專家，專門針對此次管道穿越設(shè)計了鉆井液配方，并經(jīng)過大量的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗確定了最優(yōu)的鉆井液配比方案^[14]。

5)采用離心機除去鉆井液中的有害固相，有效地保證了鉆井液性能。此次長距離管道穿越對于鉆井液回收處理非常嚴(yán)格，要保證回收處理后有效除去鉆井液中的有害固相，鉆井液性能保持優(yōu)良，可以進行循環(huán)利用。在實踐中對比了傳統(tǒng)鉆井液回收系統(tǒng)及新型離心機鉆井液回收處理系統(tǒng)的應(yīng)用效果，并進行了理論分析，應(yīng)用效果證明使用離心機成功去除了有害固相，保證了鉆井液的性能，為此次長距離管道穿越的成功提供了有效保證。

2．3　回拖施工技術(shù)創(chuàng)新

由于管道穿越距離長，理論計算出管道回拖阻力大(Æ7llmm管道回拖阻力超過300t)^[15-16]，故必須解決回拖阻力大可能引起的施工難點，主要從以下4個方面進行了技術(shù)上的創(chuàng)新，施工效果良好。

1)設(shè)計特殊地錨。通過計算回拖阻力，設(shè)計了專門針對大噸位回拖阻力的地錨(圖5)，以抵抗大的回拖阻力。

 

2)漂管減阻。管道穿越距離長，相應(yīng)的管道摩擦阻力就大，施工人員因地制宜，利用現(xiàn)有河流進行漂管作業(yè)，極大地降低了管道的回拖阻力。

3)加入高效潤滑劑，降低回拖阻力。通過大量的現(xiàn)場試驗，鉆井液技術(shù)人員確定了最優(yōu)的潤滑劑加入量，有效地降低了回拖阻力。

4)采用環(huán)氧玻璃鋼保護防腐層。管道穿越距離長且回拖阻力大可能會導(dǎo)致防腐層的破壞，穿越工程采用環(huán)氧玻璃鋼對管道防腐層進行保護，在施工中有效地保護了管道的3LPE外防腐層，防止了摩擦、劃傷等工程事故的發(fā)生^[17-18]。

5)回拖阻力統(tǒng)計結(jié)果見表3。

 

3　結(jié)論

對3300m長江天然氣管道穿越工程的難點及創(chuàng)新點進行了分析，相關(guān)經(jīng)驗總結(jié)如下：

1)導(dǎo)向孔階段，經(jīng)過嚴(yán)格的理論計算及試鉆施工確定了合理的鉆具組合，研發(fā)并成功應(yīng)用了新型Æ193.7mm(S-135)高強度鉆桿，采用了新型全程導(dǎo)向電纜技術(shù)及旋轉(zhuǎn)磁鐵對接技術(shù)，使得對接施工順利實施。

2)擴孔階段，采用了新型Æ168.3mm(V-150)鉆桿，改進了擴孔器類型，優(yōu)化了水力參數(shù)，成功完成了擴孔施工，極大地提高了擴孔效率。

3)回拖階段，采用了新型地錨，保證了回拖施工的安全。采用漂管施工，降低了回拖阻力。外防腐層增加了新型玻璃鋼防腐技術(shù)，有效地保護了防腐層。經(jīng)過一系列技術(shù)創(chuàng)新，大大降低了回拖阻力，使得回拖施工順利完成。

4)優(yōu)選鉆井液配方，成功應(yīng)用離心機回收處理鉆井液系統(tǒng)。經(jīng)過大量的試驗及理論分析研究，合理地選擇了適用于此次穿越地層的鉆井液配方，保證了孔洞的穩(wěn)定及鉆屑的順利返排。成功應(yīng)用了離心機回收處理鉆井液系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)鉆井液回收系統(tǒng)的不足，保證了回收鉆井液的質(zhì)量，為此次管道穿越的成功奠定了基礎(chǔ)。

 

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本文作者：吳益泉  呂桂明  徐良奎  張盼軍  冒乃兵

作者單位：中國石油天然氣管道局穿越分公司

  中國石油西氣東輸管道公司管道建設(shè)項目部