天然气管道超长距离连续定向钻穿越工程设计与施工

程振华，刘晓伟，管荣昌

中石化中原石油工程设计有限公司，河南濮阳 457001

京杭大运河、淮河入江水道连续定向钻穿越工程是青宁输气管道项目控制性工程。青宁管道全长531 km，管径1 016 mm，设计压力10.0 MPa。输气管道在江苏省高邮市车逻镇南车逻阀室位置，自东向西需要依次穿越京杭大运河和淮河入江水道然后到达郭集阀室。京杭大运河丰水期水面高度为河堤外地面标高，淮河入江水道自西向东依次由庄台河（东大堤）、大管滩河群、王港河、夹沟河、杨庄河及西大堤组成，穿越长度约6 700 m，该区域为市级湿地生态保护区，水系发达，区域内无道路，其中杨庄河宽1 900 m，航运及渔业繁忙。总穿越长度约8 000 m，保护区环境保护、航道运输、汛期泄洪等因素对穿越方式、穿越工程设计及施工提出了较高要求。工程建设模式采用设计单位牵头的“EPC联合体+监理”的管理模式。

1 穿越路线的确定

1.1 穿越设计主要影响因素

穿越设计主要影响因素包括：施工窗口期短，水网密布、滩涂地下水位高，钻机、管材运输困难，地质条件复杂，大口径定向钻连续穿越长度长，大堤穿越需特殊保护等。

1.2 穿越位置的选择

（1）穿越位置的选择原则。第一，穿越位置选择与线路总走向一致，线路局部走向应服从穿越段位置要求，穿越段位置应符合该水域整体规划要求，穿越位置、穿越方式和管道敷设方式必须报经穿越水域主管部门的同意，要有由建设单位与该部门签署的具有法律效力的协议。第二，穿越位置应选择河流两岸施工场地良好、交通方便的地段[3]；穿越位置应选在淮河入江水道河面较窄、水流平缓、河水主流线摆动不大的顺直河段上；穿越河段两岸或者一岸外的交通和施工场地条件应良好，满足钻机布置、布管及管沟开挖施工的要求；应选择地质良好、河床平面平坦、冲淤变化小、地质工程较为单一、两岸漫滩开阔、岸坡宜成倾斜状且稳定耐冲刷的位置。第三，通航河道穿越应满足航道设计要求。第四，工程建成后，不应降低该水域的防洪标准，不影响抗洪救灾实施，同时不会引起河势的变化和影响已规划堤防的安全。

（2）具体穿越位置的确定。根据以上选择原则，穿越位置选在江苏省高邮市车逻镇南新民村车逻阀室位置，该位置河道窄，河床平坦，水流稳定，自东向西依次穿越京杭大运河和淮河入江水道至郭集阀室，见图1。

1.3 岩土地质条件

地勘报告揭示，穿越勘察区所在构造的活动性不强，距离区域性活动断裂较远，穿越段区域构造稳定，未发现不良地质作用、环境地质灾害及异常埋置物，穿越断面地层分布稳定，因此穿越场地稳定，适宜定向钻穿越。地表下35m深度内地层均为淤泥质黏性土、黏性土及粉土，均适宜进行定向钻穿越。

穿越场地属冲积平原地貌单元，穿越河段通过中长期补偿平衡，河流仍以淤积作用为主，河床的稳定性总体较好。滩涂区域地形平坦开阔，河流较多，岩性以黏土、粉质黏土为主。拟穿越断面揭露地层为第四系冲洪积（Q4al+pl） 黏土、粉质黏土和粉土，根据穿越断面地基土的岩性、结构与工程性状，结合河道情况、大堤安全深度与场地施工条件，综合场地条件、地层条件、工期、费用及施工工艺与方案的可操作性，确定穿越方式采用定向钻穿越+大开挖施工方式，选择合理的深度，对于河床段选择从黏土B（⑤层）中实施穿越。京杭大运河+深泓河地质典型情况见图2。

1.4 具体穿越路线的最终确定

定向钻作为非开挖的一种施工工法已在天然气管道穿越工程中得到了广泛应用。定向钻穿越一般适用于航运繁忙、水域较宽、流量与流速较大、冲刷较深、河流变迁剧烈，以及地质条件允许（如黏土、粉砂、中砂层及强度不高岩石等地层）的水域穿越[4]。

在穿越方案的选择上，要根据本工程管道穿越江河的水面宽度、流量、流速、通航等级、河岸堤防等级等情况，并依据河流形态、水文参数、工程地质等条件确定合理的穿越方式[5]。参照国内近几年建设的较大口径天然气管道的经验，根据京杭大运河、淮河入江水道区域内的地形、地貌及地质条件，结合区域内以往管道的设计经验，参照防洪评价专家评审意见，对于青宁管道京杭大运河、淮河入江水道穿越，拟在高邮市境内的车逻镇南侧处，采用连续定向钻方式穿越京杭大运河、淮河入江水道，定向钻自东向西依次穿越京杭大运河、深弘河、新民滩上港汊河道（庄台河、二桥河、小港子河、大管滩河、王港河、夹沟河及杨庄河）；定向钻之间滩地采用大开挖连续配重沟埋敷设方式穿越，最终在淮河入江水道（杨庄河）西侧滩地采用定向钻方式穿越湖西大堤至扬州市高邮境内的送桥镇盘塘村。

2 穿越方案比较

根据穿越区域内河道宽度、深度及地质等情况，同时按照防洪评价报告及淮河水利委员会（以下简称淮委会）要求，结合目前国内类似工程定向钻穿越业绩，为确保在非汛期施工窗口期内完成整个穿越工程，提出两种穿越方案。

2.1 方案一：连续7处定向钻+大开挖方式

本方案在满足淮委会5月至10月汛期禁止施工的要求和管径1 016 mm定向钻穿越曲线的前提下，尽量减少滩区开挖施工长度，避免长距离滩区作业的风险，适当增加单钻穿越长度，并根据穿越处地质多为粉质黏土的情况，结合目前施工技术水平，确定合理的穿越长度。方案一示意见图3。

图3 穿越方案一示意

2.2 方案二：连续4处定向钻+大开挖方式

在满足淮委会5月至10月汛期禁止施工的要求和管径1 016 mm定向钻穿越曲线前提下，结合内审会专家意见，根据地质情况和定向钻穿越能力，对部分河道进行合并穿越，以减少滩区大面积开挖施工，减少定向钻穿越数量，控制施工人员和设备数量。穿越方案二示意见图4。

图4 穿越方案二示意

2.3 方案对比与选择

2.3.1 方案对比分析的原则

其一，工期分析：定向钻施工是关键工序，施工窗口期内定向钻单钻施工周期较短则风险较小；其二，成本分析：由于定向钻长度的增长，造成定向钻工程造价的提高；其三，风险分析：随着定向钻穿越长度的增加，施工风险也随之增加，就该地区的地质条件而言，主要风险为泥包抱死钻杆和扩孔器、断钻杆、回拖不成功等。

2.3.2 方案对比

（1）在施工窗口期受限的前提下风险对比分析。方案二中定向钻穿越长度均在1 200 m以上，施工周期均在50 d以上，若自2019年3月开始施工，则在第一窗口期内完成穿越施工的难度较大，若全放在第二窗口期施工，则对本项目2020年10月投产的总工期目标综合影响大。

（2）施工技术对比分析。方案二最长定向钻穿越长度2 443 m，在穿越技术上可行，无论是采取单向穿越还是对穿穿越，都可完成导向穿越，但扩孔和回拖工序对钻机和钻具的要求高，滩区布管场地受限，施工过程中不可控因素增多。

（3）工程量、投资对比分析。方案工程量、投资对比见表1，从表1可见，方案一、二投资差距不大。在定向钻总穿越长度不变、投资对比差距不大的前提条件下，通过采取增加连续穿越定向钻次数，合理确定向钻单钻长度，缩短基坑连头长度等措施，则可达到实现单钻施工作业周期较短、安全性高、施工窗口期内完工风险低的目的。综上所述，选择了方案一。

表1 方案一与方案二工程量、投资对比

3 施工总体安排

3.1 窗口期实施计划

第一窗口期为2019年3月15日至4月30日，计划完成庄台河、二桥河+小港子河+大管滩河、王港河及夹沟河穿越工程，杨庄河光缆套管定向钻穿越。其中工期关键线路为二桥河+小港子河+大管滩河管道穿越，工期为40 d。

第二窗口期2019年11月至2020年4月30日，计划完成杨庄河主管穿越、高邮湖西大堤及京杭大运河+深泓河穿越工程及滩区开挖连头工程。其中工期关键线路为杨庄河主管穿越，周期为90d。

3.2 施工组织

主管材临时堆管厂及防腐场地设在淮河入江水道西大堤内杨庄河西岸码头附近，各定向钻钻机、钻具及所需管材采取码头集散+船舶运输的方式；在杨庄河西岸设置集散码头，用于实施人员、施工设备及材料的进退场，码头常设置50 t吊车，另设置4个临时码头登陆装卸点（夹沟河西、夹沟河东、王港河东及二桥河东），各临时码头登陆装卸点各设置1台50 t吊车；湖滩内预制段及直埋段作业带根据需要设置钻杆排，以保证设备正常通行。

湖滩内需倒入的5 km管材及设备采用3艘400 t自航驳船，通过杨庄河西岸集散码头及湖内4个临时码头进行装卸作业，钻机采用平板驳船倒入到预定位置。施工组织示意见图5。

图5 施工组织示意

4 项目实施效果

根据施工许可及淮河水利委员会相关批复，结合气象、河道航运及水文等实际情况实施过程总优化，调整了窗口期施工计划。工程严格按照防洪评价及淮河水利委员会行政许可实施，根据防洪影响处理工程专项设计要求，对大堤穿越处采取特殊防渗加固保护措施。连续定向钻穿越工程在第一窗口期（2019年3月至4月）完成了庄台河、西大堤两条主管的穿越及杨庄河光缆穿越。在第二窗口期（2019年11月至2020年4月） 完成了夹沟河、王港河、大管滩河、京杭大运河和杨庄河5条定向钻的穿越、经过滩区基坑管道的连头作业，2020年4月完成了全部附属工程退场。

5 结束语

京杭大运河、淮河入江水道连续定向钻穿越是青宁输气管道工程的控制性工程，在充分考虑施工窗口期、防洪评价、施工安全、施工能力、地质条件等因素后，通过优化、完善制定出了切实可行的方案，为施工组织设计和后期实施奠定了基础。施工过程克服了施工时间受限、管材运输条件受限、布管场地受限的困难，实现了8 000 m连续定向钻7穿的一次性回拖成功，确保了穿越的顺利完成，同时也为类似工程条件的连续定向钻穿越设计、施工及EPC总承包积累了经验。