定向钻技术在航煤管道穿越黄河中的应用研究

黎双周

摘要：某公司至兰州中川机场的航煤管道有3种穿越黄河的方式，对可采用的3种穿越方案进行类比，确定航煤管道采用定向钻方式穿越黄河。定向钻技术有许多突出特点，关键是确定实施过程中的各项参数。根据工程实际情况，确定此次定向钻穿越过程中的工程等级及实施参数，并对各项参数进行校核，通过计算确定钻机回拖力。然后按照确定的参数进行施工，顺利完成了航煤管道穿越黄河的工作，穿越完全符合设计要求。而且施工作业期间没有发生任何安全事故，保护了环境，减少了土壤植被的破坏，节约了大量的工程费用，并且投用后的航煤管道运行安全。

关键词：定向钻；航煤管道；穿越；黄河

中图分类号：TE 973.4                          文獻标志码：A

0引言

随着航空运输的快速发展，兰州中川机场航煤用量也逐年迅速增加。兰州中川机场所需航煤一直是通过公路运输，而随着航煤用量的迅速增加，公路运输方式已无法满足中川机场用油需求。并且公路运输运费高、损耗大、危险性高，存在不利于生态保护等一系列难以解决的问题。因此，为保证中川机场航煤的供应，建设某公司至中川机场的航煤管道。通过管道输送航煤，具有输送安全、损耗低、无污染等优点；可以从根本上解决航煤运输不畅的问题，缓解交通压力，消除公路运输风险，满足中川机场用油需求和降低用油成本。

1实施方案选择原则

航煤管道穿越黄河处黄河河道呈东西走向，航煤管道为南北走向，无法避绕。因黄河水利委员会明确表示不允许采用跨越方式通过黄河，并且管道输送的油品为烃类混合物质，易燃易爆，具有一定的压力，一旦发生航煤泄漏，对黄河水体会产生严重影响，因此不宜采用跨越方案。受地理条件、地质结构和现场实际情况的限制，开挖方式及钻爆隧道穿越方案均不易实现。

为遵守国家及当地政府的法律、法规，本着安全第一、环保优先，重视环境保护，节约土地，尽可能减少对不可再生资源的占用；同时采用先进、成熟技术的原则，决定对航煤管道必经大型河流黄河采用穿越技术进行。

适宜采用的穿越方式有顶管隧道、盾构隧道及定向钻等穿越方案。

2穿越方案的类比分析

2.1顶管隧道方案

根据穿越处两侧场地的地形地貌特点，南侧为某油品罐区，北侧为丘陵，场地均受限，综合考虑可将北岸作为始发井，始发井距离岸堤约230 m、井深27 m、直径10 m；南岸作为接收井，竖井距离南岸大堤堤脚70 m、井深31 m、直径9m。隧道断面采用“一”字型，坡度为0.5%、穿越长度约550m。

2.2盾构隧道方案

盾构法施工工艺较复杂，投资较高，适用于通航、长距离、地层条件复杂的河流穿越，本工程穿越为通航河流，穿越主要地层为泥质砂岩。根据穿越处两侧地形综合考虑，穿越方式与顶管隧道穿越方式相同。

2.3定向钻穿越方案

根据穿越处两侧地形及现场条件，可将定向钻入土点置于南岸场区内，距离大堤堤脚282 m，出土点置于距离北岸岸堤约724 m 。定向钻穿越水平长度为1190 m，穿越层主要为泥质砂岩层，南侧入土段需穿越约5 m 的卵石层，采取夯套管穿越。

三种穿越方案类比一览表见表1所列。

三种穿越方案均为非开挖方式且安全通过。但盾构及顶管隧道穿越方案缺点明显。定向钻方案虽入土点卵石层需采取措施处理，但厚度不深，可采取夯套管后施工。施工时完全在河流两岸陆地上进行，具有不破坏大堤、不扰动河床、不影响通航，对环境影响较小、施工周期较短、管道运营安全、综合造价低等优点，综合考虑各方面因素，确定航煤管道采用定向钻方式穿越黄河。

3定向钻技术的特点

定向钻是通过造斜、导向等手段，使钻孔在钻进时发生转向，并沿预定轨迹达到目标点的技术，该技术结合了电子技术、钻探设备以及钻探工艺的创新[1] 。定向钻技术在石油工业中发展较为成熟，能够被很好地运用到管线敷设施工中[2]。

定向钻穿越施工过程，对地表土壤的干扰小，并且不会阻碍交通运行，也不会破坏地表植被，进而减少对居民正常生活的影响。施工精度高，穿越过程可以使管线绕过地下的障碍物，施工周期短、穿越成功率高、施工占地少等[3]。

4航煤管道穿越黄河的应用

4.1穿越管道参数的确定

定向钻技术的关键是确定施工过程中的各项参数。

4.1.1  穿越工程等级及基础参数

穿越处黄河两堤间宽度为192 m，河床宽为172 m。穿越处多年平均水面宽度160 m，水深最深处约7.5 m。按照《油气输送管道穿越工程设计规范》（GB 50423-2013）（以下简称《规范》）水域穿越工程等级与设计洪水频率划分，该穿越工程的穿越工程等级为河流大型穿越工程。

4.1.2 穿越地层及埋深确定

穿越处地层主要为泥质砂岩，适合定向钻穿越。满足最小埋深大于设计洪水冲刷线以下6 m 的要求；弹性敷设曲率半径取1500倍的钢管外径，管顶距离百年一遇冲刷线下18.55 m，满足规范要求。

4.1.3 管道选择

根据《规范》的要求，穿越段钢管壁厚计算见表2所列。

根据表2的计算结果，穿越段管道选用 D219.1×10 L245M 直缝高频电阻焊钢管，采用三层 PE 加强级防腐，管道长度1097.5 m。

4.1.4 管道主要参数校核

根据《规范》和《油气输送管道线路工程抗震技术规范》（GB 50470-2008）要求，对所选管道参数必须进行校核确定，以满足工程项目需要。

选择的管道径厚比为219.1 mm/8.8 mm=21.91<100，穿越用管的刚度满足规范要求。

其主要的参数计算结果见表3所列。

计算过程中使用的管道参数选取见表4所列。

根据《规范》要求和计算结果，对穿越管道的强度、径向稳定性；管道回拖工况时的拉应力、弯曲应力、外部环向应力、拉力和弯曲产生的轴向应力及外压产生的环向应力；管道试压工况下的试压工况应力、环向应力产生的轴向应力、管道应力；运行工况应力；定向钻穿越管道径向屈曲失稳计算逐项进行校核，校核结果均满足要求。

通过对管道抗震负荷计算，黄河穿越使用管材满足抗拉伸、抗压缩要求，可不考虑采取防震措施。

4.2钻机选型

钻机设备的能力按本次设计穿越距离计算。根据《规范》要求，按照公式（1）计算回拖力F （ KN ）：

F =Lf[（πD 2γ/4）-πδDγs-Wf ]+KπDL；（1）

式中：L 为穿越长度，1097.5 m；f 为摩擦系数，取0.3；D 为钢管外径，0.2191 m；γ为泥浆比重，12 kN/m3；γs 为钢管重度，78.5 kN/m2；δ为钢管壁厚0.01 m；Wf为回拖管道单位长度配重，kN/m；k 为粘滞系数，取0.18。

计算回拖力为122.2 KN，穿越管段回拖时，钻机最大回拖力为计算值的1.5～3倍，选用钻机回拖力宜为366.6 kN。确定选用 ZT-36型履带自行走式全液压定向钻进铺管钻机进行钻进回拖施工。

4.3定向钻穿越黄河施工

（1）入土点、出土点选择。根据穿越处两侧地形地貌，东岸为某油品罐区，入土点布于东侧，距离南岸岸堤180 m，出土点布于北岸，利用灰渣场地作为定向钻回拖布管场地，距离黄河主河道北侧岸堤700 m。航煤管道穿越黄河入土点、出土点位置示意图如图1所示。

（2）不良地层的处理。黄河南侧入土点存在对定向钻不利的卵石层，厚度约6 m，埋深6～12 m，采用开挖夯套管法处理卵石层，入土角度为10°，采用套管隔离长度为50 m。

（3）入出土点场地的处理。管段定向钻钻机场地入土端60 m×60 m，出土端30 m×30 m。挖掘机整平原始地面后压实，周围挖0.5 m×0.5 m排水沟，以防雨天场地积水。在入、出土端场地内各挖泥浆池1个，大小为800 m3，泥浆池底部与四周用土工布铺垫，以防泥浆渗漏到地层中。

回拖场地按10 m宽实施，在回拖场地内，入土点与出土点所形成直线的延长线上，采用聚乙烯滚动支架进行回拖，回拖分三次进行。在出土点后的预制管段平整形成150 m的直管段，采取弹性敷设，敷设半径不小于1 500倍的钢管外径。

（4）泥浆的配置。穿越地层主要是泥质砂岩层。泥质胶结差，成岩作用差，手掰易碎，属极软岩。泥浆选用膨润土+防塌剂+降失水剂+润滑剂；泥浆的配合比（Kg/m3）：1∶0.03∶0.04∶0.03［4］。进行充分混合制成粘度为65 s 的高粘泥浆。实际使用过程中，随使用工况的变化，再加入添加剂，配制出满足要求的泥浆。

（5）钻进实施。定向钻进设备在入土点钻进一小直径导向孔，钻进过程中通过监控和手持控制器调整钻头，使钻孔按设计的轨迹钻进，导向孔实际曲线与设计穿越曲线偏差不大于1%，且横向偏差为±0.5 m、上下偏差为±0.3 m，出土點横向偏差为±3 m、纵向偏差为+9 m～-3 m。并从出土点钻出地面，完成导向孔的施工钻进。航煤管道钻进剖面示意图如图2所示。

（6）扩孔。扩孔用扩孔器，可加快扩孔速度和提升孔壁的圆滑度，对孔径内的岩块和颗粒进行充分挤压，加强孔壁的坚固性和孔内清洁性，便于拖管施工，减小扩孔扭矩和拖管阻力，提升泥浆流动性［5］。在出土点连接扩孔器，扩孔直径应保证不小于329 mm，将其孔道逐渐扩大到穿越管径的设计要求。在扩孔时要确保孔壁稳定，避免坍塌、卡管等不利现象发生，分3级扩孔完成。

（7）管线预制及回拖。管线预制在回拖前完成，并进行管道防腐层和补口补伤处理，环向焊缝均进行100%射线检测和100%超声波检测。管道回拖过程中钻机设备能否提供足够大的回拖力是管道回拖成功的重要保证，而在实际施工中主要研究如何减少阻力、降低回拖力，因此管道回拖阻力的计算极为重要［5］。本工程采用最大回拖力360 KN的钻机进行回拖，扩孔完成后，采用回拉将出土处的管线回拖到入土点，完成管道铺设安装。回拖期间连续作业一次性完成。为保证连续回拖作业，在设计规范规定的扩孔尺寸基础上增加一级扩孔，使孔洞与管道之间的间隙更大，加大泥浆浓度，使管道在回拖过程中悬浮在空洞中，管道焊缝处采用定向钻专用补口带包裹，管道回拖前增加一次洗孔。在回拖时，应保证管口对焊和焊口检测的时间不超过4 h，做好回拖的连续性，回拖速度控制在1.0 m/min，避免因停工造成阻力增大、塌孔及已回拖的管道在孔内发生抱管事故[7]。

中川航煤管道穿越黄河段仅用65 d 的时间顺利完成，穿越工艺完全符合设计要求，施工作业期间没有发生任何安全事故。自投用至今，输送航煤90万 t 之多，没有发生泄漏、腐蚀、污染事故。

5结论

定向钻技术在航煤管道穿越黄河中的应用，能够提升工程建设效率，保护环境，减少土壤植被破坏，降低工程费用，保证航煤管道投用后的安全运行。施工过程中泥浆的配置极为关键，并需根据不同施工阶段适时调整泥浆配比。在施工过程中随时监控钻机的扭矩、泥浆携带出岩屑的情况，进行综合分析地质情况，发现异常及时采取措施，保证钻进的顺利进行。中川机场航煤管道穿越黄河工程一次性钻进1190 m，施工及使用效果良好，穿越一次成功。为类似项目建设提供了一定的参考经验。

参考文献：

[1] 胡永鹏，张森，路伟.水平定向钻在地质勘察中的应用[J].科技创新与应用，2022，12（19）：183-187.

[2] 张宝宝.定向钻施工效应及控制技术研究[D ].郑州：郑州大学，2020.

[3] 殷峰炎.定向钻穿越施工的特点及应用效果分析[J].石经技术，2022，29（2）：223-224.

[4] 邓秀林.长输管道粉质粘土、砂土层定向钻穿越关键工序控制[J].化学工程与装备，2020（5）：61-63.

[5] 朱传清.长距离大高差天然气集输管道定向钻穿越施工方法[J].石油化工建设，2022，44（3）：104-106.

[6] 李子涵.大口径长距水平定向钻管道回拖影响因素显著性分析[D ].合肥：安徽建筑大学，2022.

[7] 贾雷，李静涛.定向钻法长距离穿越岩石山体难点分析及应用[J].城市燃气，2022（4）：4-9.