大直径长距离定向钻穿越管道回拖设计与施工

游 赟，刘 俊，，郎明春，钟一杰

1.重庆科技学院，重庆 401331

2.四川石油天然气建设工程有限责任公司，四川成都 610057

随着我国国民经济持续发展，工业化进程进一步加快，油气需求不断增长。油气管道建设虽然经历了国内外新冠疫情的反复、新能源产业迅猛发展等众多外部不利因素影响，但在“双碳”目标引领能源加快转型、北方地区“气代煤”持续推进下，仍保持了稳定发展。根据国家统计局数据显示，截至2022 年底，我国新建成油气管道里程约4 668 km，油气管道总里程累计达15.5 × 104km[1]。中俄东线工程是我国四大油气战略通道的重要组成部分，自2020年7月，其南段管道工程项目在江苏省实施开展。江苏省域地区水网密布，地表水文情况较复杂，建设的大直径天然气管道需要连续穿越连片鱼塘、蟹塘等障碍。采取定向钻穿越是实现天然气管道快速高效安装的有效手段。该技术通过设计钻孔轨迹、先开导向孔后进行扩孔和反向回拖来完成非开挖管道敷设。相较于其他敷设方式，定向钻穿越避免了施工过程中的开挖作业，降低了管道施工难度，减少了对周围建（构）筑物的破坏和水土流失，具有适应性强、施工周期短、安全性较高、成本低等明显优势[2]。但对于大直径、长距离的大型定向钻穿越工程现阶段仍面临较多技术困难，其中管道回拖作为定向钻穿越的最后关键步骤，面对复杂多变的施工环境和地层情况极易产生坍塌，造成回拖失败[3]。为此，探索分析管道回拖过程的受力计算、设备配置、扩孔、减阻等工程实际问题，确定合理的回拖关键参数和施工技术方案，可为提高大直径、长距离天然气管道定向钻穿越的一次成功率提供参考。

1 基本概况

中俄东线工程江苏段某天然气管道水域穿越段设计压力为10 MPa，输送温度为−1.6～50 ℃，采用L555M 直缝埋弧焊钢管，管道规格为D1 219 mm×27.5 mm，3LPE 加强级外防腐。在距输气管道水平距离10 m 处敷设光缆套管，其规格为D114 mm ×6.0 mm ，Q235B 焊接钢管。该段地处长江中下游地区冲击平原，地区等级三级。地形平坦开阔，地表水系发达，主要为连片鱼塘，周围主要作物为小麦、水稻和果树等。场区内地层主要由第四系层（Q4al+pl）粉质黏土、淤泥质土、砂土和粉土组成，覆盖层厚度大于80.0 m，较为松散，属于典型的软土层。设计定向钻穿越曲线如图1所示。

图1 穿越曲线

穿越段水平长度1 441.95 m，实长1 444.22 m，入土角为8°，出土角为6°，曲率半径为1 828.5 m，管顶最小埋深20 m。水平段管道管中设计标高约为−21.51 m，入土点标高为2.3 m，出土点标高为1.4 m。

2 管道回拖力计算分析

在大直径天然气管道建设中，目前大多采用高钢级材料，管道刚性强、自重大，在孔道中浮力大，与孔壁摩擦阻力大，这些都导致管道回拖受力状况复杂。在工程实际中常用的回拖力计算方法主要参考GB 50424—2015《油气输送管道穿越工程施工规范》[4]和SY/T 6968—2021《油气输送管道工程水平定向钻穿越设计规范》[5]。

GB 50424—2015《油气输送管道穿越工程施工规范》中关于管道最大拉力的计算：

式中：Fp为管道最大计算拉力，kN；L为穿越管段曲线长度，m；f为摩擦系数，一般取0.3；D为钢管外径，m；δ为钢管壁厚，m；γm为泥浆重度，kN/m3；γs为钢材重度，取78.5 kN/m3；K为黏滞系数，kN·s/m2；Wf为回拖过程中单位长度配重，kN/m，当管道在钻孔中的净浮力大于2 kN/m 时选择配重措施。

SY/T 6968—2021《油气输送管道工程水平定向钻穿越设计规范》中关于管道最大拉力的计算：

式中：FL为管道最大计算拉力，kN；Ds为管道外径，包括钢管外径及保温层厚度，m。

式（1）考虑了管道与孔壁之间的摩擦力和泥浆黏阻力影响，在管道单位长度竖直方向合力计算中，将管道截面圆环视为以壁厚为直径的数个小圆重合而成，虽接近实际圆环面积，但不够准确，导致管道单位长度质量计算结果偏小，从而导致回拖力计算结果偏大。式（2）在管道自重计算上针对钢管截面积的计算进行了优化，并对管道外径进行了更加准确的定义，在实际回拖力的计算中也较为准确。

对此，本工程穿越长度为1 444.22 m，主钢管外径为1.219 m，壁厚为0.027 5 m，保温层厚度考虑0.003 7 m，考虑到地层情况属于偏软地层，为有效维护边壁稳定性，泥浆重度取值为12 kN/m3，黏滞系数取0.18 kN·s/m2，经式（2）计算得回拖计算拉力值为1 447.05 kN。光缆管外径为0.114 m，壁厚为0.006 m，因为光缆管回拖不涉及泥浆，因此泥浆重度、黏滞系数取值0，配重取值0，经式（2）计算得光缆管回拖计算拉力值为69.2 kN。根据规范要求考虑1.5～3 倍的安全系数，主管道最大回拖力为4 341.15 kN，光缆管最大回拖力为207.61 kN。

3 管道回拖施工设计与准备

3.1 钻具组合设计

在管道回拖前首先需确定回拖设备选型，主要包括钻机和相关钻具。钻机的选择根据回拖力大小进行计算，根据前文对管道最大回拖力的计算结果（即4 341.15 kN），钻机可选择500 t 型钻机。相对钻机的选型，钻具的选择则需根据回拖力大小和地层特性综合分析而定。钻具主要包括钻头、扩孔器、分动器和U型环等。在大直径、长距离天然气管道定向钻穿越时，通常会使用光缆套管进行光缆线的保护，光缆套管与输气管道水平相距10 m，并先于输气主管道回拖，以便后期形成泥浆循环回路。因此，钻具组合分为光缆套管钻具组合和输气主管道钻具组合。

由于本工程穿越段主要是粉土层、粉砂层、粉质黏土层的特征，属于偏软地层，因此在进行钻进时采用斜掌钻头。斜掌钻头不同于穿越岩石层常用的牙轮钻头，因其自身结构和重量的优势，导向性能较好，有利于软地层钻进过程中的控向。分动器选择根据回拖力的计算值而定。经计算，光缆套管最大回拖力为207.61 kN，由此光缆套管选择30 t型分动器。输气主管道回拖的分动器根据前面计算的最大回拖力选择500 t 型分动器。扩孔器的选择同样需考虑地层偏软的条件影响，为保证成孔的边壁稳定性，采用板式+桶式的组合式扩孔器。该扩孔器前部为板式，后部为带有流道的桶式，流道的作用既保证泥浆的顺利通过，又避免局部憋压发生冒浆事故。钻杆型号主要根据已确定的钻机型号再结合钻杆自身抗扭和抗拉特性来选择，通常钻杆性能能够保证匹配钻机80%的扭矩、拉力能力即可[6]，简而言之“大钻机配大钻杆、小钻机配小钻杆”，本工程钻机选型至少为500 t型钻机，最终选择6−5/8 in（1 in=25.4 mm）S−135 钢级10.92 mm 壁厚的钻杆。由此，不同类别管道回拖的钻具组合见表1。

表1 管道回拖的钻具组合

3.2 扩孔方案

对于大直径管道的回拖需要通过扩孔形成大于管道口径的孔道，这不仅有利于降低回拖摩阻，也便于泥浆系统循环排浆。扩孔直径的计算[7]：

式中：D0为管道铺设的最终扩孔直径，mm；K1为经验系数，根据地质情况复杂性取值越大，一般取1.2～1.5。对于本项目D1 219 mm 的管道需扩孔的直径范围圆整为1 450～1 800 mm。考虑设计规范中要求最后一级扩孔直径至少比管径大300 mm，且由于穿越段的地质条件偏软易塌陷，由此确定最后一级扩孔尺寸选为1 700 mm。

工程中要满足扩孔尺寸达1 700 mm，扩孔过程则需采用分级、多次扩孔。导向孔的初始孔径为750 mm，预设扩孔级数为6级。根据随着扩孔级数的增加，每次扩孔孔径增量应采取逐渐减小原则，采用下式计算并优化取整，结果见表2。

表2 理论计算结果优化取整

式中：Di为第i级扩孔孔径，mm；Df为初始孔径，mm；n为扩孔总级数。

由此，确定扩孔方案为七级扩孔+一次清孔，如表3所示。

表3 扩孔方案

3.3 泥浆配比

泥浆在定向钻施工中起到边壁维稳、排除钻碴、平衡地层压力、冷却钻头、润滑钻具以及导向水射流等作用。在面临复杂地层条件的长距离钻进中，钻孔越长意味着土质条件的变化越多，这就需要根据实际地质情况、工艺措施和环境条件选择不同类型的泥浆。泥浆配比的不同，会影响到泥浆的黏稠度和流动性，而泥浆的黏稠度和流动性存在着矛盾对立的关系[8]。

本工程穿越地层主要为粉土层、粉质黏土层，较为松散，在施工过程中应注意孔壁缩孔的影响，同时因为松散土层存在裂隙，会存在冒浆风险。因此，在循环泥浆配制中考虑加入CMC 进行增黏，降低滤失；加入纯碱调节pH 值，使膨润土水化更加充分；加入SD−Ⅲ增强泥浆悬浮和携砂功能。循环泥浆中土的体积分数为4%～6%，CMC 体积分数为0.2%～0.5%，纯碱体积分数为0.1%～0.3%，SD−Ⅲ体积分数为0.1%～0.3%。在泥浆循环过程中，需定时对泥浆性能进行监测，使泥浆黏度控制在35×104～55×104m2/s，泥浆pH值控制在9～11[9]。

3.4 施工准备

3.4.1 发送沟加猫背

为降低大直径、长距离管道在发送过程中的阻力，除采取发送沟注水发送方式外，通过发送沟与入洞沟槽的开挖，使管头在自然地面与开挖面存在高差形成自然猫背，以减小管道进入孔道的角度。猫背的顶部与管道接触的地方设置细土袋或沙袋来保护管道防腐层，在情况紧急的条件下也可用膨润土袋来代替[10]。

3.4.2 配重降浮

大直径管道在回拖过程中所受阻力主要来自摩擦力。若孔道内摩擦系数一定时，主要影响则为单位长度接触面压力，包括泥浆对管道形成的向上浮力、管道自身重度形成的向下重力。本工程穿越的地层较为松散，泥浆会在边壁维稳方面起到重要作用，泥浆密度与边壁维稳效果往往成正比，这就会导致管道所受向上浮力往往大于管道自身重力，从而造成管道紧贴回拖孔道上壁，从而大大增加回拖阻力。根据相关规范要求，当管道在钻孔中的净浮力为大于2 kN/m 的上浮力时，应采取配重降浮措施。故此，本工程采用规格为D800 mm×30.6 mm注水PE 管道进行浮力平衡，配重降浮前后的浮力值变化：

式中：Ff1、Ff2分别为未采取配重降浮措施和采取配重降浮措施时的管道单位长度浮力，kN/m；γm为泥浆重度，取12.0 kN/m3。

根据设计参数，钢管外径为1.219 m，壁厚为0.027 5 m，保温层厚度考虑0.003 7 m，计算结果如表4所示。

表4 配重降浮计算结果对比

通过计算结果可知，采取配重降浮措施后管道单位长度净浮力为1.04 kN/m，方向向上，满足降浮要求。

3.4.3 应急准备

1）推管机助推。推管机具有对穿越管道长度及作业场地要求低、附属设备少、作业人员数量少、场地固定、无大分贝噪音等优点，推、拉动作转换方便且迅速[11]。在辅助回拖的工作中，将其安装在出土点附近，用夹紧器抱住回拖管道，达到利用推管机的推拉力来减小钻机回拖力的目的，并可用于解卡[12]。

2）夯管锤和滑轮组解卡。在管道回拖时如遇到回拖力增加至超出预计的最大安全拉力时，可判断为管道在孔洞中遭遇孔壁坍塌导致抱管现象产生[13]。出现此种情况时，可在管尾安装夯管锤进行锤击，使管道受到夯管锤的振击后摆脱穿越孔洞的束缚，从而使得回拖作业得以继续进行[14]。夯锤安装在回拖预制管段的尾端，使用橡胶高压软管与地面的空压机相连，依靠空压机输出的气压调节夯锤的冲击力。若采用夯管锤振击遇卡管道后回拖仍然不能继续进行，则可判断为穿越孔洞内坍塌现象比较严重，管道无法继续回拖；针对此现象，通过安装动滑轮组，将其与回拖管道的尾部连接，将管道及时从孔洞中拽出，避免管道存留在孔洞内时间过长而导致更大的解卡阻力。若单独使用滑轮组尚不能将管道拽出，则可采用夯管锤与滑轮组的组合方式进行[15]。

4 工程应用与回拖效果分析

通过以上分析建立管道回拖施工方案指导工程应用，最终本工程D1 219 mm × 27.5 mm 大直径管道实现水域穿越实长1 444.22 m，一次性回拖成功，回拖总耗时6小时23分。

4.1 扩孔、清孔分析

为保证大直径管道顺利回拖，回拖施工前结合扩孔、清孔的司钻记录，对拉力值和扭矩值的波动范围和变化情况进行分析，判断前期施工效果，特别是孔壁稳定性能否满足回拖条件。

扩孔、清孔过程中的拉力值主要指钻机对扩孔器的拉力大小。最大拉力值代表装卸替换完钻杆后，钻机再次启动时拉动扩孔器的力，可理解为最大静摩擦力；最小拉力值可理解为扩孔器的滑动摩擦力。扭矩值反映了回拖过程中扩孔器钻头对土体的切削程度，扭矩值越高，说明孔内切削程度越高；扭矩值越稳定，说明孔内边壁情况越稳定，同时也侧面反映了前期扩孔情况的效果越好。最后一级1 700 mm 扩孔的最大、最小拉力值和扭矩值变化如图2、图3所示。

图2 扩孔最大和最小拉力值变化

图3 扩孔最大和最小扭矩值变化

图中，扩孔过程中的拉力最大值为612 kN、最小值为408 kN，整体数据均匀；扭矩最大值为36 kN·m、最小值为24 kN·m，并在26 ～30 kN·m范围内出现波动。其中，在穿越长度800 m 前后存在数值的突变情况，分析此处存在一定幅度的切削，其后趋于稳定，判断最后一级扩孔后孔壁稳定性整体偏好。

最后一级1 700 mm 清孔的最大、最小拉力值和扭矩值变化如图4、图5所示。

图4 清孔最大和最小拉力值变化

图5 清孔最大和最小扭矩值变化

图中，清孔过程中的拉力最大值为612 kN、最小值为408 kN，整体数据均匀；扭矩值最大值为30 kN·m、最小值为22 kN·m，在22～26 kN·m范围内出现波动。相对于最后一级扩孔扭矩数据，清孔扭矩数据整体值更低，呈现出存在3 处小幅度的切削，可判断最后一级清孔后整体成孔性能较好，具备了回拖条件。

4.2 回拖分析

回拖力是钻机对回拖管道的拉力大小，最大拉力值表征了装卸替换完钻杆后，钻机再次启动时拉动管道的力，可理解为最大静摩擦力；最小拉力值则可理解为管道的滑动摩擦力。工程中，通过钻机调整最大拉力带动管道位移。

在管道回拖过程中，由于受孔内摩擦力、泥浆拖拽力等因素影响，阻力逐渐增大，回拖最大拉力值呈现阶梯式递增的变化情况。管道回拖过程中的拉力值变化如图6 所示，其中最大拉力值的峰值为2 449 kN，最小拉力值的峰值为816 kN。由图可见，整个回拖拉力值体现了整体回拖过程较为平稳，数值在1 170 m 前后发生突变，分析此处接近入土点，判断为地层交界处发生了孔壁坍塌情况。

图6 回拖过程中拉力值变化

管道回拖过程中钻机的最大和最小扭矩值变化如图7 所示，扭矩值最大值的峰值为36 kN·m、最小值的峰值为16 kN·m。由图可见，初始阶段的扭矩值呈现先大后小再趋于稳定的变化，这与回拖开始时会在出土点洞口处产生一定的切削情况对应。后续扭矩值存在小幅波动，约在1 170 m 位置处表现了一个明显切削，但扭矩值变化仍在正常范围内，且后续数值也趋于平稳。这与回拖拉力值的突变点相对应，可以判断塌孔情况可控。

图7 回拖过程中扭矩值变化

5 结束语

某大直径、长距离天然气管道水域定向钻穿越在粉土层、粉质黏土层等软土地层条件的工程施工中，充分关注管道回拖的设计与施工关键点，确保一次性回拖的成功，同时为整个穿越工程的质量和安全起到良好的控制作用。现将本项目在管道回拖设计与施工过程中获得的经验总结如下，以期为同类工程提供借鉴。

1）天然气管道规格D1 219 mm×27.5 mm，穿越段实长1 444.22 m，为大直径、长距离穿越工程，管道刚性强、自重大，回拖受力状况较复杂。通过分析工程实际中常用的回拖力计算方法，计算出回拖拉力值为1 447.05 kN，在考虑安全系数后，确定主管道最大回拖力4 341.15 kN，以此作为钻机选型和钻具组合设计的依据。

2）考虑工程穿越段主要是粉土层、粉砂层、粉质黏土层的特征，属于偏软地层，由此确定了回拖钻具组合方式，并对扩孔方案进行计算和优化取整，设计为七级扩孔+一次清孔。泥浆配比考虑加入CMC 进行增黏，降低滤失；加入纯碱调节pH值，使膨润土水化更加充分；加入SD−Ⅲ增强泥浆悬浮和携砂功能。

3）在回拖施工准备中，针对大直径、长距离管道回拖设计了发送沟+猫背、配重降浮两种有利于回拖减阻的措施，并对可能发生的卡钻作出了推管机助推、夯管锤和滑轮组解卡的应急方案。

4）结合工程司钻记录，对最后一级1 700 mm扩孔、1 700 mm 清孔和管道回拖过程进行了受力值变化分析，判断出孔壁稳定性良好，仅在接近入土点地层交界处发生了孔壁坍塌情况，但整体可控，确保了一次回拖成功。