水平定向钻回拖施工中注水平衡法的改进

屠言辉，张兴洲，马点飞，尚飞

1.中国石油天然气管道局东南亚项目经理部，河北廊坊065000

2.中国石油天然气管道局穿越分公司，河北廊坊065000

水平定向钻回拖施工中注水平衡法的改进

屠言辉1，张兴洲2，马点飞2，尚飞1

1.中国石油天然气管道局东南亚项目经理部，河北廊坊065000

2.中国石油天然气管道局穿越分公司，河北廊坊065000

在大口径管道水平定向钻回拖施工中，通常采用在管道内安装一条PE管，并通过边回拖边往PE管内注水的方法来平衡管道浮力，从而达到减小管道回拖阻力的目的。该方法的缺点是PE管安装时易造成PE管焊口断裂，PE管上水时上水泵、上水管易发生故障，该方法不利于采用夯击钢管方法以辅助回拖等。将上述传统的采用单根直径较大的PE管改成采用两根直径相对较小的PE管，注水方式由PE管内注水改为PE管外注水，以此平衡管道浮力可较好地克服以上的缺点。结合哈萨克斯坦伊犁河定向钻穿越工程管道的回拖实例，介绍了采用上述新回拖工艺后成功实施回拖的过程。工程实践表明，回拖过程中回拖拉力平稳，均≤3 000 kN，一次回拖成功，且均未使用夯管锤辅助回拖措施。

水平定向钻；回拖阻力；管道浮力；注水平衡

随着近年来国内长输管道突飞猛进的发展，管道的直径也越来越大，尤其是正在建设的西气东输三线项目，管道直径达到1 219 mm。在这种大口径管道的水平定向钻施工过程中，大口径问题给定向钻扩孔工艺、泥浆技术以及管道回拖措施等都带来了挑战。其中管道回拖是水平定向钻施工的最后一步，也是最为关键的一步，管道回拖措施不当将直接导致工程的失败[1]。

1 注水平衡法的由来

在水平定向钻大口径管道回拖工序中，随着回拖的进行，管道回拖力的大小决定着回拖的成功与否。回拖力的大小与地下孔洞的稳定性和地下管道受孔洞中泥浆的浮力作用有关。假设地下孔洞是个规则的圆形，且管道在回拖时处在圆形孔洞的中间，那么管道对已成型的孔壁就产生较小的摩擦，孔壁可以维持较好的稳定性而不至于塌孔，管道也可以很容易地从孔洞中回拖。

但事实并非如此简单，在大口径管道水平定向钻施工中，导向孔完成后往往要经过3～5遍的扩孔，甚至采取更多的其他扩孔工序才能达到最终回拖管道的要求。在扩孔工序中，由于扩孔器自身的重量导致孔洞的中心轴线向下移动，因此最后一遍扩孔后所形成的地下孔洞断面往往是一个近似梨状，见图1。由于梨状孔洞内充满着泥浆，回拖过程中管道受到泥浆的浮力作用而向上浮起，尤其是大口径管道的回拖，这种浮力很大，很可能导致管道被楔死在梨状孔洞上部的狭窄空间内，从而导致管道回拖力剧增甚至回拖失败。

图1 梨状孔洞

为了避免上述楔死现象，对于直径1 016 mm以上的管道，在回拖过程中通常采用向管道内注水的方法以平衡管道外部泥浆的浮力。应用注水平衡法时，如果注水过少，则达不到降浮的效果；如果注水过多则会使整条管道紧贴孔洞下壁滑动，从而造成回拖力的增大。因此有必要对注水平衡法进行深入研究，以寻求最佳注水参数。

2 传统注水平衡法的缺陷

水平定向钻所形成的孔洞轨迹为两边高中间低，为了让清水在管道内尽量均匀分布，一般采用在管道内安装一条PE管的方法，在回拖过程中通过边回拖边往PE管内注水的方式来达到平衡管道浮力的目的，见图2。

图2 国内常用注水平衡法PE管安装示意

采用传统注水平衡法主要有以下缺陷。

（1）需安装直径较大的PE管。在钢管道内安装PE管采用直接拖拽的方式，由于安装时难以控制拖拽力，因而易造成PE管焊口断裂，导致回拖的失败。如对于直径为1 016 mm以上的钢管道，若要达到注水平衡浮力的目的，需要采用直径800 mm以上的PE管。

（2）在边回拖边注水的过程中，上水泵、上水管易发生故障，现场操作人员易发生失误等，从而导致上水速度跟不上管道回拖速度，降低了降浮效果。

（3）当钢管回拖受阻时，一般的补救方法是在管尾安装夯管锤，而后通过夯击钢管以辅助回拖。在这种补救措施中，不仅PE管的注水需要停止，而且在每一次夯击时，由于钢管受PE管的静止惯性作用，从而降低了夯管锤的向前夯击效果。

在西气东输二线项目渭河主河槽、滩地穿越工程以及中亚（哈）气管道AB线项目伊犁河穿越工程中，穿越地层均为细砂层，安装管道的直径分别为1 219 mm和1 016 mm，管道均采用边回拖边向单根PE管内注水降浮的方式进行回拖。这两个穿越工程的注水抗浮均以失败或效果不佳告终，且均在回拖途中被迫中断注水而采用夯管锤辅助回拖。实践证明采用单根PE管注水降浮，效果不是很好。

3 改进创新

通过总结以往工程的经验教训，对上述PE管注水平衡法进行了改进，具体改进措施如下。

（1）将传统的采用单根直径较大的PE管改成采用两根直径相对较小的PE管，见图3。图3中单根PE管的截面积较小，但两根PE管的截面积之和却大于图2中单根PE管的截面积。

图3 改进后注水平衡法PE管的安装示意

（2）注水方式由PE管内注水改为PE管外注水，即在PE管和钢管之间的空间中注水。该方法的注水量比在PE管内注水要大，这避免了安装较大直径的PE管，而且易于控制注水量，从而使钢管道在泥浆中处于近似悬浮的状态。

（3）管道回拖前一次注水到位，而不采用边回拖边注水的方式。这样可以有效避免因注水泵故障、注水管破裂以及指挥协调不当等而造成回拖失败。

（4）钢管尾部用厚盲板封堵，但预留1～2 m的管尾以便在发生回拖受阻时采取夯管措施。此时钢管道内的PE管、清水、管尾预留部分因采用后盲板隔离而互不干扰，见图4。

图4 注水完毕后管尾封堵情况示意

4 工程实例

哈萨克斯坦伊犁河定向钻穿越工程是中亚（哈）气管道C线项目（连接国内西气东输三线）的控制性工程。伊犁河穿越点位于哈萨克斯坦国扎尔肯特市南阿拉木图至霍尔果斯公路伊犁河桥东6.3 km处，与中亚（哈）气管道AB线项目伊犁河穿越点相距50 m，主要穿越地层为棕灰色、密实的细砂层。伊犁河穿越管道规格D1 219 mm×27 mm，共包括两条平行穿越管道（主管和备用管），间距50 m。穿越入土角10°，出土角5°，水平段埋深约为25 m，主管穿越水平长度1 014 m，备用管穿越水平长度976 m。主管和备用管均采用导向孔和5级扩孔工艺，最终的孔径为D 1 575 mm，从开钻至主管、备用管回拖完毕共历时18 d。

该管道回拖时采用的抗浮措施是在D 1 219 mm钢管内安装两根D 500 mm的PE管，两根PE管同时边焊接边被拖拽至钢管道内，PE管安装完毕后两端封堵，并向钢管道内注水。经计算，向PE管和钢管之间的空间中注入占空间体积70%的清水，钢管在地下孔洞的泥浆中就可近似处于悬浮状态。

主管和备用管均按此方法注水以平衡浮力，在回拖过程中回拖拉力平稳且均不超过3 000 kN，一次回拖成功且均未使用夯管锤辅助回拖。

5 结束语

通过对水平定向钻穿越施工大口径管道时，回拖采用注水平衡浮力的措施进行改进，有效地避免了以往工程中出现的平衡浮力效果不佳现象和回拖中途采用夯管锤辅助回拖的问题，大大降低了工程施工失败的风险，使得注水平衡措施更加合理和更具可操作性。本文所阐述的改进措施可为今后大口径管道水平定向钻施工提供借鉴。

[1]王海，楼岱莹，屠言辉.复杂地质条件下穿越施工典型问题及应对措施[J].非开挖技术，2013（6）：13-16.

Improvement of Water Filling Balance Method for Pipeline Pullback Operation ofHHDProject

TU Yanhui1，ZHANG Xingzhou2，MADianfei2，SHANG Fei1
1.SoutheastAsiaProjectManagementDepartment，ChinaPetroleum pipeline Bureau，Langfang065000，China
2.Crossing Company，China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang 065000，China

In large diameter steel pipeline pullback operation of HHD construction，the common method to decrease pullback resistance is to install a PE pipeline into the steel pipeline and fill water into the PE pipeline to balance the steel pipeline floating force.But while using that method，the PE pipeline welds are apt to break，water pump and water filling pipe have troubles easily as filling the PE pipeline，and that method has disadvantage in assistant pullback by tamping the steel pipeline.In the improved method，the single PE pipeline with larger diameter is substituted by the two PE pipelines with smaller diameter，and water filling into the single PE pipeline is changed by water filling to outside of the PE pipelines.In the HHD project of pipeline crossing Yili River in Kazakhstan，the successful application of the improvement method proves that the pullback force is steady and less than 3 000 kN，and assistant pullback measure of tamping does not be taken.

HDD；pullback resistance；pipeline floating force；balance by water filling

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.06.014

屠言辉（1982-），男，安徽宿州人，工程师，2009年毕业于中国地质大学（北京）地质工程专业，硕士，现从事石油天然气管道建设工作。

2015-05-24