硬质岩层超长距离大口径水平定向钻天然气铺管施工研究

硬质岩层超长距离大口径水平定向钻天然气铺管施工研究

张启国

安徽省煤田地质局 安徽合肥 230088

摘要：在大口径天然气管道铺设过程中，水平定向钻不需要地面“开膛破肚”、管沟开挖就可以完成管道铺设，本文结合典型工程案例，分析讨论了孔道轨迹设计、工艺流程、测量方向、总体布置、泥浆配置、成孔、管道回拖等施工要点，对同类天然气管道定向钻施工具有一定的借鉴意义。

关键词：水平定向钻 硬质岩层 天然气管道 管道铺设 施工工艺

0 总体概述

管道穿越工程位于某市西六环路以东，军庄镇西山林场范围内，有林场防火公路沿隧道地表通过，上山道路比较崎岖，拟建管道位于山岭区，地形高差大，平均海拔高程150m-380m之间,山坡坡脚18°-50°，山脚处基岩风化严重，临近山脚处有裂隙发育，山体覆盖有林木。主管为φ1016mm×17.5mmL485M钢管；光缆套管为φ114mm×8mm无缝钢管；光缆套管平行于主管，间距10m。穿越出、入土点高差为13米，穿越深度18米，穿越入土角度为8.5°，2°出土。穿越水平直线长度1911.2米。

穿越平面按照曲线布置，起偏角8°，回收角16°，最大偏距57米，平面曲线长度为剖面的水平长度，总体曲线长度为1920.47米。

1 穿越地层情况

依据区域地质资料和本次详细勘察资料，结合室内试验，隧址区地层岩性主要为：第四系全新统坡洪积粉质黏土、碎石土及漂石土，侏罗系中统凝灰质砂岩、凝灰质砾岩，侏罗系下统凝灰岩及玄武岩等，局部存在断层角砾及方解石碳酸岩，岩性特征详述如下：

⑴第四系全新统坡洪积层（Q4^dl+pl）

a.粉质黏土（Q4 ^dl+pl1）：分布于管道出入口两侧坡脚处，层厚0.1～1.2m，淡黄褐色，硬塑状态，可手搓成4mm泥条，主要成分为黏性颗粒，含砾石，表层富含植被根系。

b.碎石土（Q4 ^dl+pl7）：分布于管道路线山顶局部低洼处及管道出入口坡面，层厚0.1～13.0m，深黄褐色，稍湿，碎石成分主要为凝灰质灰岩、砂岩、砾岩，玄武岩等，棱角状，粒径组成：2-20mm约占0~10%，大于20mm约占50%以上，余为黏性土充填。

c.漂石土（Q4 ^dl+pl8）：主要分布于冲沟及坡面，青灰色，中密至密实，稍湿，砾石成分主要以凝灰岩、凝灰质砂岩为主，岩质坚硬，锤击声脆、反弹。

⑵侏罗系地层（J）

a.凝灰质砂岩（J₂^Ss）：主要分布于隧址区K0+342～定向钻出土点洞身段，青灰色、紫红色、灰绿色，凝灰质结构，层状构造，局部为斑杂构造。强风化层厚2～15m，节理裂隙发育，岩体较破碎，岩石多呈块状、碎块状，岩质较硬。

b.凝灰质砾岩（J₂^Cg）：主要分布于隧址区K0+342～K1+075洞身段，胶结物灰绿色，砾石呈灰白、青灰色，钙质及硅质胶结为主，局部为泥质胶结，砾状结构，层状构造。强风化层厚度2~15m，节理裂隙发育，岩体破碎，岩石多呈块状、碎块状，岩质较硬；中风化，节理裂隙较发育，岩体较破碎，岩质硬。

c.凝灰岩（J₁^Tu）: 分布于隧址区定向钻入土点～K0+342洞身段，青灰色、灰绿色，凝灰质结构，层状构造或块状构造，局部为斑杂构造，局部岩体含砾10%~20%。强风化层厚5～15m，节理裂隙发育，岩体较破碎，岩质硬；中风化，岩体相对较完整，质地坚硬。

2 施工方案

2.1铺管曲线

根据设计、地勘资料，在结合现场勘查地形、地貌特点，入土点高程159.00m,出土点高程146m,水平段设计高程141m。本次穿越水平长度为1911.2米，穿越深度为18米。入土角为8.5度，出土角为2度，出土点高差为13米，曲率半径1500d。穿越平面按照曲线布置，起偏角8°，回收角16°，最大偏距57米，平面曲线长度为剖面的水平长度，总体曲线长度为1920.47米。

2.2 现场勘察、测量放线

测量、放线流程工序见图2：

图1 测量、放线流程工序图

2.3 导向孔轨迹施工设计

⑴确定钻孔类型和钻孔轨迹的形式：钻孔类型和钻孔轨迹形式主要考虑的因素有管材选择、敷设深度和线型要求，工程地质、钻机回转扭矩和回拖力、现有管道物探资料、地上附着障碍物、山体或者水体上覆层厚度、施工难度和经济性指标等条件。

⑵确定出入土点和造斜段：钻机侧为入土点，对向为出土点；造斜段是导向孔出入土点和水平段之间的倾斜段落，造斜段和水平段之间需要满足管线回拖的曲率半径要求。

⑶确定钻孔轨迹参数：参数包括造斜段长度、倾角，水平段长度、深度，钻孔轨迹的合理设计和精确施工，是管线能否成功回拖的关键。

2.4 场地布置

1.入钻点场地布置：①对入钻点长80m×宽65m计5200㎡的范围内进行清理(其中盾构场地1500㎡，定向钻施工场地3700㎡)，以满足入钻点设备场区施工需求，如受场地限制，也可根据现场的实际情况摆放配套设备；②施工现场在一号施工平台内挖一个长35m、宽25m、深4m体积为1400m

³的泥浆池，池内用防水膜铺筑，池子周围修封闭式梯形护堤并夯实，以防止泥浆渗漏（此泥浆池主要用于蓄泥浆，等到回拖时往孔内注入泥浆用）；③存放膨润土的场地需加筑土台，顶部铺竹板作为隔离层，存放膨润土上用雨布覆盖。④本次穿越由于地理位置的原因，还要开挖一个长10 m、宽5m、深3m的蓄水池；⑤入钻点现场占地周围用彩钢板围挡，并设置必要的防护警示标志、安排专门保卫人员值守；⑥详细现场设备布置见北平台施工平面布置图。

2.出钻点场地布置：①在连接焊接作业带和出钻点3700㎡的施工场地平整，对现有的地形地貌进行调整，分两个台阶；以满足出土点场区总体布置施工要求；②根据现场条件，靠近主管出土点附近开挖一个26×25×2.5泥浆池，池内用防水膜铺筑，池子周围修封闭式梯形护堤，以防止泥浆渗漏；③回拖方法采用吊车吊起，以确保管道的安全；④出入钻点现场占地周围用彩钢板围挡，并设置必要的防护警示标志、安排专门保卫人员值守；⑤本次穿越由于地理位置的原因，还要开挖一个长8 m、宽5m、深2m的蓄水池；⑥详细现场设备布置见南平台施工平面布置图。

2.5 泥浆配制

1.水源选用

水源采用就近淡水（协调当地民用自来水、民用自备井），在钻机开钻前，提前采集水样，进行含盐量PH值的分析检验，要求含盐量（NaCl）不大于1%，含钙量（Ca++）不大于120毫克/升，待检查水样合格后方可进行泥浆的配制。

2.泥浆配置

应根据不同的地质条件，在泥浆实验室试配并确定不同的泥浆配方。在施工过程中，应根据地质情况和钻进工艺，调整泥浆的配方和泥浆的性能。泥浆粘度的现场测量宜用马氏漏斗，每2小时测量一次。泥浆粘度可参照表1确定：

表1 ：泥浆粘度表(秒)

2.6管道发送

受地理环境及现场条件约束，本次穿越采用在吊车吊起回拖预制管进行辅助发送施工。穿越管道为8接1施工，管道预制作业带与穿越轴线有夹角，在管道回拖过程需要摆动管道以满足多次焊接需求。

3 施工难点及解决方案

3.1扩孔修孔钻具组合

本工程地层特点是穿越硬质岩层，岩石平均强度达40Mpa，最大100Mpa石，并且伴有裂隙破碎带，这就要求在成孔过程中，确保孔道轨迹符合要求，孔道圆滑无突变，具体可采取以下措施：

1、在扩孔钻头后加浮筒增加浮力，使钻头不下沉，避免扩孔形成台阶，浮筒可根据扩孔孔径不同，通过计算制作；

2、扩孔时，小孔径每3径，大孔径每2径，应进行1次洗孔，托换出孔内碎屑物；

3、根据实际扩孔扭矩等情况，必要情况可进行台阶修复，对此我单位有特殊的施工工艺。

3.2降低拉力措施

回拖管采取开挖发送沟并沟内注水漂管的方式进行回拖，可有效保护管道防腐层减少回拖拉力。穿越回拖的直径较大，管道较长，需要考虑孔内浮力问题，可经过分阶段试算，采用管内配重的方式平衡浮力，以大道降低回拖摩阻力的目的。

3.3管道防腐措施

本工程的重点难点在于保护管道保护层、防腐层在回拖中不被损坏，在定向钻工序中严格控制施工质量，在导向、预扩孔、回拖、泥浆配置等工序中控制。

（1）穿越中风化底层，管道及焊口全部做CND光敏固化玻璃钢保护套。CND光敏固化玻璃钢保护套第一根管道采取3.8mm厚度，剩余7根采取正常厚度2.5mm。

（2）管线回拖前确保是否按照设计要求对所有焊接接头进行全周长 100%超声波无损探伤检验，采用射线对 100%的焊缝全周长进行复验，合格级别均为为Ⅱ级，是否合格，是否进行了试压、测径、扫线。确认合格后方能回拖；

（3）本工程采用吊车配合推管器发送管道，减少管道与发送体的接触面积，从而减小摩擦阻力保护防腐层。

（4）管道回拖前，采用组合式钻头清孔，校核确保实际成孔线型和设计轨迹的一致性，减少管线回拖时产生的摩阻力，确保防腐层无损伤进入孔洞。

（5）在回拖作业前，进行管道试回拖，以便获取管道保护套和防腐层的磨损状况，并及时做出优化调整。

（6）回拖前后，准备好接头防腐、破损修复和质量检验，安排专人巡查管线状况。

3.4回拖8接1施工措施

设计轨迹线与起终点连接线有平面弯曲，每节管段长度240米，采用8接1的方式回拖，这给工程带来很多困难因素，为了减小这些因素对回拖造成的影响采取以下几项措施：

（1）设计轨迹线与起终点连接线有平面弯曲，管道回拖时进洞难度加大，需要考虑管道摩阻力增大和防腐层加速磨损范围。

2. 回拖焊接作业带小，回拖管道焊接、检测时间长。需各个施工单位做好沟通和配合，减小交叉作业中不可预见的问题出现的概率。

4 结语

水平定向钻穿越硬质岩层大口径天然气管道施工工艺成功应用于某市西六环中段天然气工程项目，成功在复杂地层环境下铺设了大口径长距离管道，讨论了孔道轨迹设计、工艺流程、测量方向、总体布置、泥浆配置、成孔、管道回拖等施工要点，取得了显著的经济及社会效益，在同类工程中具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]《输气管道工程设计规范》GB50251-2015

[2]《城镇燃气输配工程施工及验收规范》CJJ33-2005.

[3]张宝强,江勇,曹永利, 等.水平定向钻管道穿越技术的最新发展[J].油气储运,2017,36(5):558-562. DOI:10.6047/j.issn.1000-8241.2017.05.014.

[4]楼岱莹.大口径管道定向钻穿越扩孔施工的技术探讨[J].非开挖技术,2009,26(4):13-16.

作者简介：张启国（1964.11—），男，高级工程师，主要研究方向为地质工程。

基金项目：2019年度安徽省住房城乡建设科学技术支撑计划“硬岩伴破碎带地层大口径水平定向钻燃气铺管工艺关键技术研究”（2019YF-29）