定向钻“二接一”回拖法在有限布管场地中的应用

王 彬

中化二建集团有限公司 山西 太原 030021

近年来，随着现代非开挖技术的不断发展，市政管道、电信通讯等基础设施的新建、扩建和改造，以及西气东输、川气东输等大型管道的穿越工程量的增加，国内的定向钻施工技术得到迅速发展。在国内，采用定向钻施工技术成功穿越了长江、黄河等大型河流及海域的管道工程，创造了国内外一系列穿越纪录，从而产生了“二接一”、“三接一”或“多接一”的定向钻回拖方法。以下主要结合上海金虹航油管道工程项目讨论定向钻“二接一”回拖法在有限布管场地中的应用。

上海金虹航油管道工程项目位于上海石化厂区至虹桥机场储油库设备区，管线全长73.km，管径为D457mm×9.5mm，设计压力6.0MPa。因沿线多村庄、河流、省市级道路，多采用定向钻施工，现选取横浦河段的定向钻“二接一”回拖法进行讨论。

1 施工现场状况

横浦河定向钻全长564m，西侧200m 范围内有高速绿化带、废弃房屋，以及横穿区级公路，因而西侧不易作为入土点；东侧300m 内为农田，300m 外有较多人流穿梭的公路及房屋建筑，不能整条布管铺设，需并列设置两根管道，长度各为282m，因而采取“二接一”回拖法进行施工。

经查阅本工程地质勘察报告，该位置地质表层为杂填土，下面依次为褐黄色粉质粘土、灰黄色黏土、灰色黏土、暗绿草黄色黏土、草黄色砂纸黏土和灰色粉质黏土夹砂质粉土。穿越工作主要在淤灰色黏土、暗绿草黄色黏土和草黄色砂纸黏土中进行。该地段地质条件良好，但仍应防止缩孔、塌孔现象，要及时扩孔，及时回拖。

2 回拖力计算

钢管直径：Φ457mm；壁厚：δ=9.5mm；一次拖拉长度：L=564m。

钢管自重（F自）计算式见式（1）。管线在洞内摩擦力（F1）计算见式（2）。

式中：f——管道在孔壁之间摩擦系数（0.2～0.6）,取f=0.3；

管线在洞内钻进摩阻力（F2）计算见式（3）。

式中：T——泥浆供应力，19.5Pa；

ψ——固相含量系数（10～40），取15。

回拖力：Fmax=F1+F2=17.74+23.67=41.41t

则，Φ457 回拖力=41.41t×1.5=62.13t＜钻机拉力（90t)。

3 定向钻机设备选型

根据以上管道回拖力计算可知，采用90t 钻机可以满足条件。本次定向钻选用古登牌GD450- L 型定向钻机及成套施工设备，该钻机平时为45t 回拖力，装备配套马达后，回拖力可达到90t。采用此型号钻机可节约钻机进出场及台班费用，运输方便，经济适用。

4 导向孔施工过程控制

导向孔施工是定向钻穿越的第一道工序，导向孔的轨迹控制是通过导向钻头来完成的，导向钻头是一种带有斜掌面的射流辅助型切削钻头，直径比钻杆粗一些。当钻杆前面装上钻头回转并钻进时，可以钻出直线孔；当钻杆前面装上钻头只钻进、不转动时，将钻出弧线孔。导向钻头内部带有发射器，地表有对应的接收器，能接收发射器采集到的斜掌面方位、导向钻头指向和深度等参数；地面操作人员通过参数来控制施工轨迹，作为预扩孔和回拖管线的引导曲线。

导向孔施工在进行岩石地质穿越时还需要增加泥浆马达。普通地质一般不采用泥浆马达钻孔，而是直接利用钻机本身的推进和旋转功能进行钻进施工。对于坚硬地质，由于钻机本身的旋转速度有限，同时由于钻机旋转钻进只能钻进直线，因此必须加装泥浆马达，利用泥浆马达的高速旋转进行钻孔施工。

5 扩孔施工过程质量控制

由于本次定向钻回拖为“二接一”的方式，管道回拖停滞时间长，存在一定风险。为了减少风险，采取增大孔径的办法，使最大扩孔孔径达到1.5 倍直径，即Φ700mm。在扩孔过程中，如发现扭矩及拉、拖力较大时，可采取多遍洗孔方式；洗孔时还要做好各项记录，直到各项参数达到规范要求为止。最小扩孔直径与穿越管径关系见表1。定向钻扩孔和定向钻洗孔现场分别见图1 和图2。

表1 最小扩孔直径与穿越管径关系表

图1 定向钻扩孔

图2 定向钻洗孔

6 回拖过程质量控制

回拖是定向钻穿越的最后一步，也是最关键的一步。回拖时采用的施工方式是：钻杆+ 扩孔器+ 回拖万向旋转接头+ 管道。在回拖时，应进行连续作业，避免因施工停滞，造成扩孔器卡住等现象。

定向钻“二接一”回拖工序及顺序：回拖旋转接头连接→第一节管道回拖→管道对口焊接→第二节管道回拖。

6.1 回拖前的检查工作

（1）在定向钻管道回拖前，应对管道进行电火花检测，并经监理签字确认；

（2）管道回拖前，必须检查管道内试压水是否排放干净，管道两端是否封堵严密，确保管道内干净无杂质。

（3）回拖旋转接头与钢管焊接必须牢固可靠，焊缝必须进行无损检测，焊缝评定等级Ⅱ级以上为合格。

（4）定向钻回拖现场需要搭设移动洗片室，方便现场洗片，以减少回拖停滞时间。

6.2 管道支墩的设置

本定向钻管道回拖结合地形条件和现场条件，采用土墩支垫+ 土袋的形式，避免管道防腐层及补伤口被破坏，并适当进行撒水措施，减少管道在回拖过程中与土的摩擦力。

根据回拖施工经验，回拖时经常在管道下方垫聚乙烯给水管（直径在200mm 左右）。因聚乙烯管道具有韧性好、塑性好、强度高等特点，可以使管道在回拖过程中保持管道干净，防腐层及热收缩带不被损坏，提高了回拖过程中电火花检测的精度。

6.3 定向钻“二接一”回拖过程质量控制

（1）扩孔、洗孔完成后，在钻杆前面一次装上扩孔器、旋转接头、回拖管道（图3）。管道外观检查合格后，再次查看定向钻机地锚是否符合要求，利用挖机将回拖管道顺直到出土点处。

图3 第一段管道回拖

（2）在管道回拖过程中，安排两组防腐补伤专业人员，一组在入土点30m 处左右，另一组在入土点50m 处，进行动态电火花检测（图4）。如果发现管道有划伤，要及时进行现场修补，确保管道防腐层完好。

图4 电火花检测

（3）回拖过程中要控制回拖速度均匀。当第一段管道回拖到约80m 处时，采用挖机将第二段管道从尾端逐步移到第一段管道的位置。各台挖掘机必须听从统一指挥，确保移动管道时平稳安全。

（4）第一段管道回拖至出土点大约40m 处时（必须保证管道平直），由挖机将第二段管道全部移动到第一段管道位置上，并配合焊工完成两段管道的组对过程。详见图5 和图6。

图5 管道连头

图6 第二段管道回拖

（5）两段管道的连头作业是定向钻“二接一”回拖中的重点工序，时间应尽量缩短。主要工序如下：管道组对→管道焊接→焊口喷砂除锈→焊口探伤→焊口防腐。完成管道连头后，应继续进行回拖作业。

在施工过程中，各工序所用时间：管道组对约0.75h，焊接约0.75h，喷砂0.5h，拍片0.5h，评片0.5h，防腐补口0.5h，合计管道连头需3.5h。

根据《油气输送管道穿越工程施工规范》GB50424- 2015 中要求，回拖作业宜连续进行，特殊情况下，停止回拖时间不宜超过4h。

（6）因管道内敷设有用于管线位置复测的钢丝线，为避免钢丝因焊接被烧断，焊接前将预制好的钢套管穿在钢丝线外（图7），来保护钢丝线。

图7 钢丝钢套管

（7）“二接一”焊口防腐方式：采用改性高密度聚乙烯定向钻专用热缩带，同时在该专用带外部回拖方向使用牺牲带加强防腐。

7 定向钻施工技术风险分析

虽然定向钻施工技术越来越成熟，但一些难度较大的穿越工程还是具有较高的风险系数，尤其随着定向钻技术向更粗、更硬、更长、更复杂领域发展，逐渐增加了潜意识里定向钻技术的风险认识。尤其采用“二接一”或“多接一”的回拖方法，会在一定程度上加大定向钻施工技术风险。

7.1 钻具的风险分析

定向钻钻具包括钻杆、导向钻头、扩孔器等。控向单元总成装在导向钻头内，导向钻头受损将直接导致控向仪表导向偏差或者失灵。钻头常见的风险是钻头磨损。活接头最常见的风险是断裂，出现断裂的原因是保养的周期过长或保养不及时，活接头的润滑不够，从而导致损坏断裂。

7.2 施工工艺的风险分析

在扩孔、洗孔过程中，由于要扩到管道直径的1.2～1.5 倍，一般情况下需要三级扩孔。过程中通过准确地控制扩孔级差，来降低扭矩及塌孔的可能性，因此合理的扩孔级差也很重要。

不同的地质需要配制与之相适应的泥浆，泥浆的风险在于其配比和排量：排量过小容易使废渣排出不彻底，孔壁泥浆保护膜厚度不够造成塌孔；排量过大又会引起地面冒浆，从而影响地质的稳定，严重的甚至造成塌孔。

8 结论

定向钻“二接一”回拖法在本项目中得到了多次使用，提高了施工速度，节约了施工成本，缩短了施工工期。但由于组对焊接和焊口检测的时间较长，容易导致钻孔塌方与抱管，从而造成回拖失败，因而对回拖时间和回拖过程必须严格控制。应充分认识定向钻的施工技术风险，对各种技术风险认真识别，并做好充分的应对措施和应急措施，才能提高定向钻“二接一”的成功率，从而保证工程项目的顺利实施。