長距離天然氣管道“三接一”定向穿越的過程控制

上海煤氣第一管線工程有限公司 宋紀(jì)慷

福州位于中國東南沿海，閩江橫貫市區(qū)東流入海。在福州次高壓天然氣管道的建設(shè)過程中，閩江及其支流是管網(wǎng)出現(xiàn)斷點的重要原因與瓶頸。福州次高壓天然氣管道工程（穿越閩江工程及三環(huán)二期工程）是福州市第一條長距離跨江管線，工程的順利竣工對福州城市天然氣管網(wǎng)的建設(shè)布局有著重要的意義。

1 工程概況和地質(zhì)情況

福州次高壓天然氣管道工程建設(shè)地址位于福州市倉山區(qū)，設(shè)計壓力為1.6 MPa，設(shè)計溫度為常溫，其中穿越段管徑為D508 mm×11.9 mm直縫埋弧焊鋼管，材質(zhì)為L290MB，焊接采用向下焊。穿越的起始點位于閩江北岸的魁岐，終點位于閩江南岸的紹岐，全長1 020 m。

該建設(shè)工程特點與難點是：布管段面場地限制，需采用“三接一”（因布管段面限制，將設(shè)計穿越管線分為三段布管，在回拖過程中，對分段管線進行組對焊接，從而形成一體完成穿越）方案實施回拖；因設(shè)計變更，出入土點發(fā)生變化，部分穿越段面地質(zhì)勘探資料不全；定向鉆地層復(fù)雜，存在沉砂、縮徑、塌孔、卡鉆、斷桿等風(fēng)險；工程實施過程中發(fā)生冒漿現(xiàn)象。

根據(jù)地勘報告，該工程段的巖土體自上而下分為7層，如表1所示。

表1 福州次高壓天然氣管道工程段巖土體地質(zhì)特征

本工程穿越經(jīng)過地層為①～⑤，以砂類土和碎石類土為主，夾有呈透鏡體分布的淤泥質(zhì)黏土和亞黏土等軟弱黏性土，各土層分布和厚度變化較大。

2 泥漿配比

泥漿在定向穿越各個階段所起的作用不同：導(dǎo)向階段，將孔內(nèi)的泥沙攜帶出孔外，維持孔壁的穩(wěn)定，減少推進阻力；擴孔階段，很好的護壁效果，防止地層坍塌，提高泥漿攜帶能力；回拖階段，很好的護壁、攜砂能力，同時還有很好的潤滑能力，減少摩阻和扭矩。

施工中，不同的地層需要采用不同的泥漿。由于淤泥夾砂容易水化膨脹而引起縮徑卡鉆的潛在危險，因此泥漿的失水性能是關(guān)鍵。在提高黏度的同時加上定量的改性淀粉來控制失水。細砂層成孔性差，易沉砂，需要在泥漿中加入正電膠，以鈉土、純堿為主，形成一種“液體套管”。

本工程鉆導(dǎo)向孔，泥漿黏度50 s。根據(jù)孔的返漿或鉆具的扭矩情況進行調(diào)整配比。預(yù)擴孔，泥漿黏度在50～65 s之間，根據(jù)孔徑、地層層位的不同適當(dāng)作出調(diào)整。洗孔和回拖，泥漿黏度60 s，觀察出、入土點從洞口流出的泥漿及固體顆粒含量（泥、砂等），及時調(diào)整泥漿配比，盡可能將孔內(nèi)的泥沙攜帶出孔外，保證孔內(nèi)光滑順暢，確保工程順利進行。

3 回拖力計算與設(shè)備選擇

3.1 管線回拖力計算

本工程穿越為D508 mm×11.9 mm鋼管，計算得出的管線最大回拖力為744.6 kN，且回拖力與泥漿切應(yīng)力以及固相含量系數(shù)成正比。因此，在施工過程中，保持好泥漿的性能并且洗孔以降低孔內(nèi)固體顆粒的含量，可以有效降低管道在洞內(nèi)的黏滯綜合摩擦阻力，可以進一步降低回拖力。

3.2 設(shè)備選擇

計算得出的最大回拖拉力為744.6 kN。本次穿越施工實際取3倍的安全系數(shù)，即選用回拖力大于2 233.8 kN水平的穿越鉆機。從適用性與經(jīng)濟性綜合考慮，本項目選用了回拖力為2 800 kN鉆機，以滿足施工回拖力要求。選用的鉆機性能參數(shù)見表2。

表2 鉆機性能

4 導(dǎo)向控制

本工程穿越管道彎曲曲率半徑為1500 D，設(shè)計入射角度為9 °，出土角度為6 °，每根鉆桿平均調(diào)整角度約為0.7 °，穿越最大深度為27 m。實際軌跡入射角度為11 °，出土角度為4.9 °，穿越最大深度為30.34 m。

導(dǎo)向、擴孔期間意外狀況的應(yīng)對措施有：

4.1 頂力過大，扭矩異動

導(dǎo)向孔施工中，要根據(jù)不同地層變化，合理控制鉆機頂力，防止鉆桿可能出現(xiàn)因頂力過大而產(chǎn)生變形或斷裂。同時控向員必須對甲方所提供的圖紙、地勘資料認(rèn)真研究，對穿越管線所經(jīng)過地層做到心中有數(shù)，并對過程技術(shù)參數(shù)有一個詳細如實的記錄。司鉆員需要密切觀察鉆機頂力和扭矩的變化，遇到不正常的情況，必須停機分析，解決問題后才能繼續(xù)開機施工。

4.2 冒漿

定向鉆鉆進時，根據(jù)地層變化情況，適當(dāng)控制鉆進速度。注意查看入土點的返漿情況，進入硬地層時增加來回掃孔次數(shù)，防止孔內(nèi)被石硝、砂礫堵塞，確?？變?nèi)泥漿流動通暢。同時定向鉆擴孔時，根據(jù)地層選用合適的擴孔器。施工時還要注意返出泥漿內(nèi)含砂比例情況。其中泥漿是定向鉆穿越必備的潤滑劑，合理選擇泥漿配比，可以保證孔壁不塌方，保持泥漿的飽和度和減小摩擦。

5 “三接一”回拖節(jié)點控制

因布管段面場地限制，本次穿越采用“三接一”方案。為了保證回拖成功，降低風(fēng)險，防止因長時間組對焊接造成塌孔等事故，對過程中各個節(jié)點的時間控制尤其重要。每次的回拖停止時間宜控制在2.5 h內(nèi)。必須提前組織專題討論會，制訂出專項回拖施工方案，經(jīng)專家評審?fù)ㄟ^后再實施具體工作。

5.1 準(zhǔn)備工作

（1） 布管。三段穿越管分別長444 m、324 m、252 m，并排布管，管尾對齊；回拖前完成焊口探傷合格，壓力試驗合格，防腐層電火花檢測無漏點。

（2） 回拖現(xiàn)場設(shè)置暗室，拍片結(jié)束后可在最短時間內(nèi)完成結(jié)果報告。

（3） 墊管。在出土點位置開挖30 m長、2 m寬、1.5 m深的發(fā)送溝，方便管子入洞；發(fā)送溝附近挖好一個焊接工作坑，以備出現(xiàn)返修情況；后面采用打土堆（保證其內(nèi)無磚塊、石塊等硬物），每20 m一個土堆，土堆高50 cm，土堆上再墊袋裝膨潤土，回拖前，用水澆濕膨潤土，可以有效降低摩擦因數(shù)起保護管子的作用。

（4） 管線檢查合格后，將準(zhǔn)備好的回拖管頭焊接到管線上，并進行加強，保證拖管頭焊接牢固（最大抗拖力在3 000 kN以上）；檢查擴孔器內(nèi)各通道及各泥漿噴嘴，確保暢通后進行連接。

（5） 回拖。采用的方式是鉆桿+600 mm桶式擴孔器+3 000 kN回拖萬向節(jié)+3 000 kN “U”形環(huán)+穿越管線；在3 000 kN回拖萬向節(jié)和回拖管道之間增加2個抗拖力為3 000 kN的卸扣，目的在于調(diào)整回拖過程中的角度。

（6） 最后一遍洗孔時，加大泥漿的黏稠度，盡可能把孔內(nèi)的砂子懸浮起來并帶出孔外。

（7） 所有施工人員、探傷人員和設(shè)備機具到位。施工中使用的機具設(shè)備包括1臺350 t挖機、2臺220 t挖機、1臺120 t挖機、1臺50 kW發(fā)電機、2臺20 kW電焊機、1臺電火花檢漏儀、1臺外對口器、2臺打磨機、1臺鼓風(fēng)機和1臺探傷暗室。

5.2 回拖對口焊接施工措施

（1） 提前打磨好坡口，待第1根444 m穿越管回拖到指定位置（管尾距發(fā)送溝約 100 m），和第 2根管324 m穿越管組對。2臺挖掘機在管道對口處，調(diào)整組對管道高低和水平；1臺挖掘機居中將部分管道吊起懸空，減小管道摩擦力；另1臺挖掘機在管道末端縱向調(diào)整管道。組對過程用時約20 min。

（2） 2名有經(jīng)驗的焊工同時開始焊接，D508鋼管焊接完成用時約需50 min。焊接完成后，用鼓風(fēng)機對焊口進行冷卻，用時約15 min。

（3） 待焊口冷卻，進行現(xiàn)場拍片、超聲探傷和讀片。D508鋼管需要拍6張片，拍1張需要8 min，用時約50 min完成；在施工現(xiàn)場設(shè)暗室，拍片完成15 min左右即可讀片得到結(jié)果。

（4） 拍片完成后，開始拖管。定向鉆機1根鉆桿（9.6 m左右）的回拖裝卸時間約4 min，從焊口處拖至發(fā)送溝（約100 m）的時間需要約45 min。讀片合格后，立即進行防腐作業(yè)，用時約15 min。防腐層冷卻采用風(fēng)冷和水冷相結(jié)合。

（5） 為了保護防腐口，在該處拖管方向增加 1只犧牲套，保護剛剛完成的焊口防腐。

（6） 通過以上環(huán)節(jié)，完成對口焊接工作約需要2.5 h。

（7） 第3根252 m管按同樣步驟實施。

按照專項回拖施工方案實施后，福州次高壓天然氣管道工程中的穿江管道回拖從上午8:40開始，歷經(jīng)12 h20 min，于當(dāng)晚21:00管道順利出洞。

5.3 焊接技術(shù)措施

“三接一”回拖過程中，焊接質(zhì)量是整個工序的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一次通過可以保證既定方案的按計劃實施。如焊口不合格，則大大增加了回拖過程的風(fēng)險。為了確保焊接一次合格，可以采取以下措施：

（1） 選用經(jīng)驗豐富的焊工，在施工前進行技術(shù)交底，嚴(yán)格按L290鋼管焊接工藝評定要求施焊。

（2） 提前用旋轉(zhuǎn)鋼絲刷將坡口兩側(cè)各50 mm表面上的油污、浮銹等清除干凈，確保坡口無水、無油和無銹；在焊接前進行預(yù)熱，溫度為70～100 ℃，減少產(chǎn)生氣孔缺陷的可能。強調(diào)打磨工序，層間必須仔細清除熔渣和飛濺物，確保焊渣清除干凈。

（3） 用防風(fēng)棚，防止大風(fēng)對焊接產(chǎn)生影響，同時在管口的一端做好封閉，防止穿堂風(fēng)的影響。

（4）在現(xiàn)場備1臺探傷機以防意外。

6 結(jié)語

福州次高壓天然氣管道工程現(xiàn)場施工過程中，通過對地勘的分析，對泥漿進行針對性的配比，選擇適用的定向鉆機，在導(dǎo)向擴孔時密切關(guān)注推力、扭矩、壓力等參數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)問題分析應(yīng)對。在回拖實施前詳細掌握各環(huán)節(jié)需要的時間數(shù)據(jù)并做出合理的節(jié)點安排等措施。最終，使得閩江穿越工程回拖一次成功，為企業(yè)類似的長距離“多接一”定向鉆施工過程積累了寶貴的經(jīng)驗。