摘 要

摘　要：3300m長(zhǎng)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(shí)施如此長(zhǎng)距離的管道穿越工程，面臨導(dǎo)向孔對(duì)接難度大、擴(kuò)孔扭矩大、鉆井液性能要求高及回收處理難度

摘　要：3300m長(zhǎng)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(shí)施如此長(zhǎng)距離的管道穿越工程，面臨導(dǎo)向孔對(duì)接難度大、擴(kuò)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(duì)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(qiáng)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(duì)接技術(shù)，成功地完成了導(dǎo)向孔施工；②采用新型設(shè)計(jì)的可抗大扭矩的Æl68.3mm(V-150)鉆桿，優(yōu)化了擴(kuò)孔器構(gòu)造，改進(jìn)了水力參數(shù)的選擇，成功降低了擴(kuò)孔扭矩，完成了擴(kuò)孔施工，同時(shí)極大地提高了擴(kuò)孔效率；③設(shè)計(jì)專門針對(duì)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(rùn)滑劑、采用新型玻璃鋼防腐技術(shù)保護(hù)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(jī)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(zhǎng)江天然氣管道穿越工程的順利完成，同時(shí)也創(chuàng)造或刷新年了多項(xiàng)管道穿越世界紀(jì)錄。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)江天然氣管道  穿越施工  水平定向鉆進(jìn)  對(duì)接施工  長(zhǎng)距離  大扭矩  砂層鉆進(jìn)  鉆井液回收  離心機(jī)

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(zhǎng)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(xiàng)目泰興芙蓉段的貫通實(shí)施。此次3300m長(zhǎng)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(shí)施如此長(zhǎng)距離的穿越施工，相對(duì)于以前施工的穿越工程，其施工風(fēng)險(xiǎn)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(gè)小的疏忽就可能引起極嚴(yán)重的后果^[1-7]。為此，項(xiàng)目施工人員詳細(xì)規(guī)劃了施工中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，大膽采用了許多創(chuàng)新工藝，精心操作，及時(shí)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(diǎn)

1．1　工程概況

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

 

1．2　穿越地層概況

3300m長(zhǎng)江天然氣管道穿越項(xiàng)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(gè)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(shí)，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(shí)，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(diǎn)

1)導(dǎo)向孔對(duì)接難度大。管道穿越距離長(zhǎng)，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(duì)接技術(shù)^[8]。而此前沒有如此長(zhǎng)距離的對(duì)接經(jīng)驗(yàn)，采用何種外部引導(dǎo)磁場(chǎng)，對(duì)接區(qū)如何精確校準(zhǔn)，對(duì)接成功后如何推送長(zhǎng)距離鉆桿，長(zhǎng)距離套管的施工技術(shù)都成了必須要解決的技術(shù)難點(diǎn)。

2)擴(kuò)孔扭矩大。因?yàn)榇舜喂艿来┰降貙又饕獮榉凵皩?，為不穩(wěn)定地層，而且管道穿越距離超長(zhǎng)，導(dǎo)致擴(kuò)孔扭矩過大，經(jīng)初步計(jì)算擴(kuò)孔扭矩超過40000N·m，實(shí)際施工中擴(kuò)孔扭矩最大能達(dá)到70000N·m，這對(duì)鉆桿的選擇、擴(kuò)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(zhǎng)距離管道穿越，鉆井液的攜帶性和流動(dòng)性會(huì)減弱，入出土點(diǎn)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(dòng)性要強(qiáng)。而此次地層的穩(wěn)定性較弱，需要鉆井液具有較強(qiáng)的護(hù)壁功能。

4)鉆井液回收處理難度大。因?yàn)榇舜喂艿来┰降貙又饕獮樯皩硬⒑幸欢ǖ酿ち?，傳統(tǒng)的鉆井液回收系統(tǒng)已經(jīng)不適用于此次長(zhǎng)距離管道穿越的鉆井液回收處理，必須對(duì)傳統(tǒng)的鉆井液回收技術(shù)進(jìn)行革新以滿足此次長(zhǎng)距離管道穿越施工的需要。

5)回拖阻力大。此次長(zhǎng)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(jì)算與實(shí)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(chǎng)作為引導(dǎo)，保證穿越曲線精準(zhǔn)。此技術(shù)是國(guó)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(duì)接區(qū)。通過3次對(duì)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(hào)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(shì)。

2)采用旋轉(zhuǎn)磁鐵進(jìn)行精確對(duì)接。旋轉(zhuǎn)磁鐵導(dǎo)向?qū)蛹夹g(shù)是目前世界上較為先進(jìn)的導(dǎo)向孔對(duì)接技術(shù)，對(duì)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(duì)接技術(shù)完成了導(dǎo)向孔對(duì)接。

3)優(yōu)化鉆具組合。為了解決長(zhǎng)距離管道穿越中對(duì)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(jì)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(jìn)力，成功完成了3次管道穿越的推送施工。

 

4)設(shè)計(jì)研發(fā)新型鉆桿。經(jīng)過鉆柱力學(xué)分析計(jì)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(guó)內(nèi)鉆具廠家合作，研發(fā)了Æl93.7mm(S-135)高強(qiáng)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(jìn)技術(shù)細(xì)節(jié)。改進(jìn)控向線在鉆桿內(nèi)的固定方式，避免了在長(zhǎng)距離管道穿越過程中高速流動(dòng)的鉆井液對(duì)控向線長(zhǎng)時(shí)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(rùn)滑孔壁、減少摩擦阻力的同時(shí)，保證了鉆井液馬達(dá)的工作效率，提高了鉆進(jìn)速度，縮短了導(dǎo)向孔的施工時(shí)間。

2．2　擴(kuò)孔技術(shù)創(chuàng)新

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

1)擴(kuò)孔扭矩大，必須采用高強(qiáng)度鉆桿。擴(kuò)孔施工中個(gè)別階段擴(kuò)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(guó)內(nèi)鉆具廠家新設(shè)計(jì)生產(chǎn)的Æl68.3mm(V-150)高強(qiáng)度鉆桿，可以抵抗高扭矩和高拉力，在施工中成功克服了擴(kuò)孔扭矩大的難題，順利完成了擴(kuò)孔施工。

2)采用改進(jìn)型板桶式擴(kuò)孔器，提高了擴(kuò)孔效率，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)(圖4)。采用新擴(kuò)孔器后，在Æ711mm-B管道穿越四級(jí)擴(kuò)孔施工中均是一次性完成了擴(kuò)孔，出土后的擴(kuò)孔器磨損很小，擴(kuò)孔效果極好。根據(jù)B管的擴(kuò)孔經(jīng)驗(yàn)，在改進(jìn)擴(kuò)孔器切割方式的前提下，Æ711mm-A線進(jìn)一步優(yōu)化了擴(kuò)孔器水嘴的配置，使得鉆井液有效輔助切削，減小了擴(kuò)孔扭矩，將原來的四級(jí)擴(kuò)孔減少到三級(jí)(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(jìn)水眼配置，提高水眼射速。擴(kuò)孔水力參數(shù)對(duì)比情況見表1。

 

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

 

根據(jù)表2，Æ711mm-A線管道穿越擴(kuò)孔在B線基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了擴(kuò)孔器水嘴的配置，將水眼個(gè)數(shù)控制在13個(gè)以內(nèi)，使鉆井液有效輔助切削，減小擴(kuò)孔扭矩，將原來的四級(jí)擴(kuò)孔減少到三級(jí)(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(duì)鉆井液的配制要求非常高。組織了鉆井液專家，專門針對(duì)此次管道穿越設(shè)計(jì)了鉆井液配方，并經(jīng)過大量的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定了最優(yōu)的鉆井液配比方案^[14]。

5)采用離心機(jī)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(zhǎng)距離管道穿越對(duì)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(jìn)行循環(huán)利用。在實(shí)踐中對(duì)比了傳統(tǒng)鉆井液回收系統(tǒng)及新型離心機(jī)鉆井液回收處理系統(tǒng)的應(yīng)用效果，并進(jìn)行了理論分析，應(yīng)用效果證明使用離心機(jī)成功去除了有害固相，保證了鉆井液的性能，為此次長(zhǎng)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(zhǎng)，理論計(jì)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(diǎn)，主要從以下4個(gè)方面進(jìn)行了技術(shù)上的創(chuàng)新，施工效果良好。

1)設(shè)計(jì)特殊地錨。通過計(jì)算回拖阻力，設(shè)計(jì)了專門針對(duì)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(zhǎng)，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(jìn)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(rùn)滑劑，降低回拖阻力。通過大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，鉆井液技術(shù)人員確定了最優(yōu)的潤(rùn)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(hù)防腐層。管道穿越距離長(zhǎng)且回拖阻力大可能會(huì)導(dǎo)致防腐層的破壞，穿越工程采用環(huán)氧玻璃鋼對(duì)管道防腐層進(jìn)行保護(hù)，在施工中有效地保護(hù)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(jì)結(jié)果見表3。

 

3　結(jié)論

對(duì)3300m長(zhǎng)江天然氣管道穿越工程的難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行了分析，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

1)導(dǎo)向孔階段，經(jīng)過嚴(yán)格的理論計(jì)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(qiáng)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(duì)接技術(shù)，使得對(duì)接施工順利實(shí)施。

2)擴(kuò)孔階段，采用了新型Æ168.3mm(V-150)鉆桿，改進(jìn)了擴(kuò)孔器類型，優(yōu)化了水力參數(shù)，成功完成了擴(kuò)孔施工，極大地提高了擴(kuò)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(hù)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(jī)回收處理鉆井液系統(tǒng)。經(jīng)過大量的試驗(yàn)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(jī)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(guó)石油天然氣管道局穿越分公司

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