长距离大直径非开挖水平定向钻技术在海底电力电缆登陆段的设计

中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 罗 彦 曹 波

海底电力电缆是一种敷设于海底的可用于电力传输的电缆，如海上风电厂电能送出、大陆对海岛的供电等。英国在1890年完成世界上第一条海底电力电缆的敷设，开启了海底电力电缆工程建设的序幕。2009年和2019年我国的500kV 超高压、大容量、长距离跨海海缆工程——海南联网工程一回、二回分别投运。

1 非开挖水平定向钻技术

非开挖技术是一项在地表无需开挖沟槽的条件下，进行各类用途和材质管线铺设、修复和更新的技术。目前非开挖水平定向钻已广泛应用于常规陆地电缆的敷设中，并取得了良好的经济性和适应性。水平定向钻（Horizontal Directional Drilling）是在一个固定的位置以一定的入射角角度钻入地下，然后从另一点穿出、形成导向轨迹孔洞。然后再逐级扩孔直至满足设计需要，最后再将线缆拖入完成敷设。常规的水平定向钻施工工序一般为：地质勘探、管线探测、导线轨迹设计、泥浆配置、导向钻进、扩孔和拖管。

水平定向钻的钻头。水平定向钻较难适用于砂砾石、卵砾石和存在大量孤石、漂石或障碍物的地层中。为应对不同的地质条件需选择合适的钻头。对于一般的粘土层和砂层等较软的底层可选择“鸭嘴”导向钻头（图1），当钻杆带动钻头连续回转时可使钻头切割钻头前端土体实现直线钻进。钻头在不回转且加压的情况下，因钻头前端的斜面，将使钻进轨迹发生偏转，实现造斜钻进；另一种钻具通过采用弯接头并在钻头后端设置动力马达，在钻进中其钻孔无需回转，钻头的钻进方向取决于弯接头的弯曲程度。这类钻头主要适用于岩石等硬地层。

图1 “鸭嘴”导向钻头

图2 岩石导向钻头和泥浆马达

水平定向钻通用导向轨迹如图3：α 为入射角度，β 为出土角；a1为入射段第一直线段水平长度，a2为入射段曲线段水平长度；L0为中部水平段长度；a3为出土段第三直线段水平长度，a4为出土段曲线段水平长度；R1、R2为曲线段曲率半径；Δh 为出入点的高差；L 为出入点水平距离，即穿越长度。其中直线段与曲线段相切、实现平顺过度。根据几何关系可知：a1=b1·cotα;a2=R1·sinα;a3=b3·cotα;a4=R2·sinβ;b2=R1·(1-cosα);b4=R2·(1-cosβ);h1=b1+b2=h2+Δh=b3+b4+Δh;L=a1+a2+a3+a4+L0。其中出、入射角度和曲率半径主要与管材材料相关，可参考《水平定向钻敷设电力管线技术规定》（DL/T5776-2018）。

图3 通用导向轨迹设计图

2 水平定向钻在海缆登陆中的应用

2.1 海缆登陆段常规保护方式

在海缆登陆段区域环境较为复杂且人为活动频繁，因此登陆段海缆出现故障的可能性较高。海缆保护是海缆工程中一项重要工作，可分为冲埋、套管和加盖保护。在海缆登陆段无法采用冲埋保护时，可使用两栖挖掘机及人工开挖结合的方式进行预先开挖沟槽、然后进行海缆敷设，同时及时进行回填施工。考虑到日常潮汐、台风风暴潮甚至海啸的冲刷以及船只活动的影响，在海缆登陆段可再加套球墨铸铁套管进行保护。

2.2 水平定向钻保护管的设计

某110kV 海缆工程中海岛周边为珊瑚礁国家级海洋公园，该处海缆登陆段浅滩处表层为珊瑚碎屑层。其中珊瑚碎屑层主要特征为：灰色、饱和，稍密状，颗粒主要由粗砂、珊瑚碎屑为主，珊瑚碎块表面疏松多孔、磨圆度差，珊瑚碎石粒径为3～8cm，厚度约为2m 左右，标贯击数为15～16击；强风化玄武岩主要特征如下：黑褐色、局部夹褐红色，极软岩 软岩、斑状结构、气孔状构造、风化裂隙发育，岩芯呈密实砂质粘土状、坚硬砂质粘土状、坚硬胶结砂状、半岩半土状，局部夹中风化岩块；中风化玄武岩：黑褐色、软岩～较软岩、斑状结构、气孔构造，主要矿物成分为辉石、长石等，岩芯风化裂隙发育，岩芯呈短柱状、局部碎块状，锤击较难击碎，锤击声稍哑，据揭示钻孔岩芯统计，TCR ≈90%、RQD ≈20%。同时考虑到生态保护要求，该工程海缆登陆段无法采用开沟敷设和冲埋保护措施。

为解决海缆登陆段的敷设问题，考虑采用非开挖岩石水平定向钻技术来实现海缆的敷设。该工程拟采用110kV、3×500mm2、外径约200mm 的海底电力电缆。结合拟定登陆点位置和海岛浅滩的地形、地貌和地质条件，为避让珊瑚礁区水平定向钻的穿越长度约为1000m。同时为加强对海底高压电缆的保护，可采用钢管作为保护管。当考虑将双回海底电力电缆敷设于同一洞孔时，为便于电缆敷设、减少海缆敷设时与管壁的摩擦，双回海缆的包络外径约400mm，钢管内径可取1.5倍包络外径600mm。穿越钢管在回拖过程中，需满足空管情况时在泥浆压力作用下的径向截面稳定。

可按照下述公式进行设计：Ps≤FdPyp;m=Dgw/2t;n=1/2f0;Pcr=2Es(t/Dgw)3/1-u2，其中，Ps为回拖施工时泥浆压力（MPa），一般取1.5倍泥浆静压力；Fd为设计系数，一般取0.6；Pyp为钢管能承受的极限外压力（MPa）；σs为钢管屈服强度（MPa）；Pcr为钢管弹性变形临界压力（MPa）；Es为钢管弹性模量（MPa），取2.1×105；t 为钢管壁厚（mm）；Dgw为钢管外径（mm）；μ 为钢管泊松比，按0.3计；f0为钢管椭圆度（%），按4%计。设计轨迹的最大高差为45m。经试算，当钢管壁厚t 取为12mm 时极限外压Pyp为1.696MPa，Ps为0.81MPa。满足Ps ≤FdPyp的条件。

2.3 泥浆的配置

在水平定向钻的钻进过程中，钻孔的冲洗是其中一个重要的环节，钻孔冲洗作业的优劣在很大程度上决定着钻进速度的快慢。在长距离的扩孔施工中泥浆的作用尤其重要：维持钻进过程中洞壁的稳定性；悬浮并携带钻进过程成的岩石碎屑；润滑、冷却钻具和钻头。根据泥浆中的成分，水基泥浆可为淡水泥浆、盐水泥浆、钙处理泥浆、低固相泥浆、无固相泥浆、充气和泡沫泥浆。结合本工程的实际情况，需选用盐水泥浆。但尚需对该地区的海水取样进行成分分析，并结合化学分析结构选择合适的盐水泥浆配比。同时因为海水中含盐矿物成分较多，其中的含氮、氧、硫等离子与处理剂的金属离子会发生络合作用，使得在淡水中广泛用于配浆的钠膨润土在海水条件下无法造浆。因此，在配置盐水泥浆时需改用海泡石和凹凸棒石等纤维状抗盐土膨润土。

2.4 导向和扩孔施工工序

因钻进过程中泥浆是不可或缺的一部分，当采用常规的水平定向钻钻进技术时，若从海岛射入、在海中浅滩处穿出，穿出点处可能易造成泥浆的泄漏、造成环境污染。为解决此问题，可考虑采用正向扩孔和单向返浆技术，在海岛侧钻入、从海洋侧穿出，从而实现海缆登陆段的敷设，步骤如下：

在海岛侧入土点处固定水平定向钻机，准备导向轨迹钻进。需注意的是，导向钻进时末端不钻通；当导向孔完成后，将钻杆和钻头从入土点拉出。然后采用带有泥浆马达的正向扩孔钻头进行第一次单向返浆的正向逐级扩孔，当扩口到末端封闭处停止；完成第二步后将扩孔器#1和钻杆从出土点拉出，更换扩孔器#2再进行第二次扩孔，当扩口到末端封闭处停止；循环以上两个步骤直至孔洞直径满足设计要求。本次扩孔过程中将末端钻通，同时为保证钻进过程中环保无污染，在海洋侧出土点设置泥浆接收器、防止泥浆泄露。水平定向钻孔洞贯通后，再将保护管拖入孔洞内，完成电缆敷设通道。

综上，长距离、大直径非开挖水平定向钻海缆登陆技术施工过程较为复杂，在施工前需做好以下工作：准确的工作地质勘探、合理的导向轨迹设计、保护管的计算和选择、配置合适的泥浆、选取适当的钻头和钻具并做好泥浆的回收处理工作。