大口径供水管道定向钻穿越河道施工技术.pdf

35EngineeringConstruction2023年6 月建第55卷设程第6 期大口径供水管道定向钻穿越河道施工技术时振兴，丁永海（1.佛山水务环保股份有限公司，广东佛山52 8 0 0 0；2.海洋石油工程股份有限公司，广东深圳518 0 54）摘要：基于过北江DN1200供水管道定向钻穿越工程，本文较为系统地介绍了大口径管道定向钻穿越河道的关键技术。首先对穿越施工每道主要工序的关键技术进行介绍，其次提出本项目的施工难点及对应措施，最后说明了在项目最为关键的回拖阶段突遇拖头断裂以及最终管线成功拖出采取的措施。本文内容可为类似工程提供参考。关键词：大口径管道；定向钻；关键技术；施工难点；拖出措施中图分类号：TU990.3文献标识码：A文章编号：16 7 3-8 9 9 3（2 0 2 3)0 6-0 0 3 5-0 9doi:10.13402/j.gcjs.2023.06.074Construction technology of large caliber water supplyingpipeline acrossing the riverway by directional drillingSHI Zhenxing,DING Yonghai?2(1.Foshan Water Environmental Protection Co.,Ltd.,Foshan 528000,Guangdong,China;2.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Shenzhen 518054,Guangdong,China)Abstract:Based on DN1200 water supply pipeline crossing beijiang river project with directional drilling,the keytechnologies of large caliber pipeline acrossing the riverway with directional drilling are introduced elaborately andsystematically.Firstly,the key technology of the crossing constructions every major process is introduced.Secondly,it putforward construction difficulties and corresponding measures of this project.Finally,it illustrates the incident that thedrawing head abrupt failured at the most critical drag back stage of the project and measures that the pipeline was draggedout at last is illustrated.This project is representative and it can provide reference for similar projects.Key words:large caliber pipeline;directional drilling;key technology;construction difficulties;measures of draggingout管线定向钻穿越施工不影响被穿越区域地面或河道的交通、航线，对建构筑物、管线和周边环境影响小，同时又具备施工速度快、造价低、灵活性高等优势，在周边环境复杂的特定条件下相比于传统的沿线开挖施工的方式具有极其显著的优势。定向钻穿越技术对于地层的适应性较强，除了卵砾石层、砾石质量分数超过50%砂砾石层、含有大量孤石、漂石或障碍物的地层以及单轴抗压强度大于6 0 MPa的硬质岩层，广泛适用于穿越黏土、粉质黏土、粉砂、中砂层及软泥岩等地层，对于流砂层、软弱地层、松散砂层、若风化未风化地层采取特殊措施也能施工1-2 。定向钻穿越技术起源于2 0 世纪7 0 年代。1971年，美国工程师马丁彻林顿在解决管道穿越河流难题时突发灵感，将油田定向钻井的原理应用于管道水平穿越工程并对钻井设备进行了改造，于是发明了水平定向钻3 。19 8 5年，在长输管道穿越黄河工程中，中国石油天然气管道局三公司收稿日期：2 0 2 2-0 9-10作者简介：时振兴（19 8 7 一），男，工程师，一级建造师（建筑、市政），从事市政类工程建设管理工作。36建设程第55卷第6 期将定向钻技术引进我国，穿越管径为40 6 mm，长度为13 40 m3。2 0 0 3 年，随着我国重点工程西气东输工程的开工建设，定向钻技术在我国快速发展开来，并在工程实践中不断创造着世界记录3-4。近年来，很多学者在定向钻穿越施工的理论和实践方面进行了研究。陈曦5 对国内外7个定向钻回拖力理论计算公式进行了较为系统性的研究，认为绞盘计算方法为最优化公式，并通过中缅天然气管道工程进行验证，最后对绞盘计算方法进行了改进；石贤增等6 运用有限元软件abaqus对影响管道回拖力的管道半径、台阶高度、台阶曲率和孔管比分别进行了模拟分析，并通过灰色理论对这4中影响因素的相关性进行了分析；王洪培等7 运用FLAC3D软件建模对定向钻扩孔过程进行数值模拟，总结了扩孔级数与孔洞变形量的关系；高秋玲等8 根据工程经验提出了定向钻穿越从总体设计到各施工阶段可能遇到常见问题和预防措施；张庆等9 对定向钻穿越湘江复杂卵石地层的输气管道的施工风险和关键技术进行了介绍；尤伟星等10 对穿越黏土层、砂层、岩层等复杂地层的DN1200mm管道定向钻扩孔泥浆参数进行了研究。由于地质条件和施工环境的复杂性，前人的研究不一定能完全解决定向钻施工面临的所有问题，但是这些研究在定向钻穿越技术的完善方面奠定了基础。在工程实践中，小口径管线定向钻穿越工程占比较多，应用相对成熟，而大口径管线定向钻穿越工程通常属于重要的控制性工程，应用场景总体较少，但对于施工技术要求较高。本文基于过北江DN1200供水管道定向钻穿越工程，对大口径管道定向钻穿越施工的关键技术进行研究，同时介绍本项目回拖临近出洞拖头断裂的处理措施，以期望对今后类似工程提供参考。1工程概况过北江DN1200供水管道定向钻穿越工程属于佛山市第二水源后续工程丹灶加压泵站及配套管网建设项目，项目建成后可满足佛山市三水区北江以北区域3 0 万吨/d的应急供水需求。项目起初考虑在河道内进行水下开挖和铺管，但河底覆土浅且覆土下为较为坚硬的岩层，需要进行爆破作业，作业时影响河道通航，因此在公安、水利、交通等部门办理审批手续极其困难，后经论证改为定向钻施工方式。定向钻穿越地层主要为素填土、粉质黏土、粉砂、中砂、中风化灰岩并且富含土洞、溶洞。定向钻穿越水平长度为8 0 6.5m，实际长度为810m，人土角度为10、出土角度为8，最大穿越深度约为2 5.2 m。穿越地质剖面如图1所示。管道轨迹翠坑围子堤牵引施工轨迹十年一遇洪水位10.2 7出土点(1)素填土套管入土点(1)素王424施工期洪水位3.4235$4203321粉域黏#4粉质士1.701.70测量水位1.49常水位1.3 9 4(2-2a)(2a)-0.75(2-2h)4b)砂(2-1)粉质数大2.05325(2-2a）游泥质(22b)粉砂DNitOPE套管(2a)(2-2b)258:000(23)中砂-7.37-6.55(2-2a)-7.75(2-2)淤滤质土(42)粉质黏土C(34)中矿-2粉质黏(3-5)粗砂G12.97(35）粗砂航薄要求穿越亢道处告顶最高标高(4Q土洞？(40土洞CZWi水平段四5m(6-0溶洞5-0浴洞1915W1WO容酒图1穿越地质剖面m（注：图中所注高程为8 5高程系，高程和地质钻探孔深单位均为m）372023年第6 期时振兴，等：大口径供水管道定向钻穿越河道施工技术过北江供水管道采用12 19 mm21.7mmL360直缝埋弧焊钢管；内防腐采用无毒饮水仓涂料（IPN8710或H55-32）；外防腐采用常温型挤压聚乙烯三层结构加强级防腐层（3 PE），管道外防护层采用环氧玻璃钢涂层，做法为环氧树脂（表干）+环氧树脂+玻璃布+环氧树脂+玻璃布+环氧树脂（表干）+环氧树脂，补口采用“无溶剂环氧涂料+高密度型聚乙烯热收缩带+环氧玻璃钢外护层”。北岸使用DDW6000主钻机，南岸使用GD-3500L辅助钻机并配备行程3.5m的50 0 T谷登推管器。2主要施工工艺及关键技术措施2.1导向孔施工及偏差控制导向孔施工钻具组合：9-5/8 三牙轮钻头+8泥浆马达和无磁钻挺+6-5/8 钻杆。导向过程通过泥浆压力使导向钻头旋转和钻进，通过观察泥浆泵的压力表，调节钻机推力，从而调节进尺速度。为了确保后续扩孔、回拖施工的顺利，导向孔需严格按设计穿越曲线施工，导向孔偏差控制措施如下。（1）根据测量基准点对人土点和出土点进行定位，得到精确的穿越轴线。（2）在施工前应准确测量出穿越中线的磁方位角。首先在定向钻的人土侧和出土侧各取两个点进行测量，然后通过分析对比所测数据，排除受磁干扰失真的数据 O（3）为防止无磁钻被磁化，施工前需用消磁仪进行消磁，从而保障控向精度。（4）采用ParatrackII控向系统（图2），通过采集、分析无磁钻链探头内的加速度计和磁力计的磁通量、磁场强度计算探头的位置【12 。（5）采用地面信标系统（Tru-Truckersystem），即人工磁场（图3）。地球磁场十分微弱且很容易受到干扰，因此通过加速度和磁力计采集、分析地球磁场数据进行控向会存在波动和误差。设置人工磁场则可以弥补这一缺点，提供足够强度、稳定的磁场强度和磁通量，提高控向的精度13 。（6）根据设计曲线钻进导向孔，严格控制钻ck2intale图2ParatrackII 控向界面图3人工磁场孔数据中每根钻杆折角在0.8 以内，每四根钻杆累加折角在2.2 以内14（7）连接钻具组合时应使钻头射流钻进与造斜短节工具面的中心线，致使实际工具面值与测量的保持一致，有助于司钻人员控制钻进方向。（8）控向系统数学模型采用最小曲率法和平均角法，使精度更高。（9）结合导向孔数据和地勘资料，分析穿越轨迹各地层的实际参数和特性，指导司钻人员操作。2.2扩孔技术扩孔钻具组合为：6-5/8 钻杆+岩石扩孔器（牙轮）+岩石扩孔器（超级牙轮）+6-5/8 钻杆。其中超级牙轮分别采用2 4、3 2 、40 、48 、56 、62岩石钻具，分6 级扩孔，最终扩孔直径为穿越38建设程第6 期第55卷管道直径的1.3 倍；岩石扩孔器（牙轮）采用上一级有效扩孔尺寸钻头。扩孔质量保证措施如下。（1）扩孔时采用钻具后跟钻杆的措施，即钻具两端均连接钻杆、钻机。其目的：1）遇到坚硬岩层，一个钻机扭矩达不到扩孔要求时，可以选择双钻机协作；2）在岩层长时间高负荷施工时钻具磨损大，尤其突然遇到坚硬岩层，扩孔扭矩会突然增大，容易扭断钻具，钻头后跟钻杆可以大大减少打捞钻具的时间；3）可以进行双向注浆，增大泥浆压力并减小扭矩。（2）司钻工在扩孔时应对每根钻杆的回拖力、扭矩、扩孔时间做好记录，第一级扩孔结束后，穿越轴线不同位置的地质软硬程度等特征基本确定，为后续扩孔选择钻头提供参考。（3）结合地勘资料以及导向孔、扩孔施工参数、出浆情况对泥浆参数、回扩速度进行调整，保证回拖力和扭距正常范围，确保顺利扩孔。（4）如一根钻杆的回拖时间超过2 4h，则必须退出钻具，重新选择钻具形式。（5）每一级扩孔后都要对钻杆、钻具关键部位的磨损、裂纹情况进行外观检查和探伤检查，及时更换已经疲劳或磨损的钻杆。钻具出洞后及时修复和更换合金轮。2.3清孔技术清孔钻具组合：6 0 0 T钻机+V-150级6-5/8 +岩石扩孔器（牙轮）+岩石扩孔器（桶式）+V-15