管道定向钻穿越等级公路套管全自动解锁装置设计

2024-10-10贺云根江北

科技创新与应用 2024年29期

摘要：根据JTG D20—2017《公路路线设计规范》规定“油气输送管道与各级公路相交叉且采用下穿方式时，应设置地下通道（涵）或套管”，定向钻穿越等级公路传统工艺有全套管和半套管2种，施工成本高、难度大，尤其在大口径厚壁管中更是明显。为有效降低施工成本和难度，结合天然气工程实践，设计一种管道定向钻穿越等级公路套管全自动解锁装置，套管长度仅延伸至道路外缘2～5 m，这尚属首创，不仅适用于油气管道工程，也适用于其他市政管道工程，具有较高的经济效益和推广价值。

关键词：定向钻；等级公路；全自动解锁；全套管；半套管

中图分类号：TE832 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）29-0038-05

Abstract： According to the JTG D20—2017 "Design Specification for Highway Alignment"， "when the oil and gas transportation pipeline intersects with all levels of highway and adopts the underpass mode， the underground passage（culvert） or casing should be set up." There are two traditional technologies of directional drilling through grade highway： full casing and semi-casing. The construction cost is high and difficult， especially in large diameter thick-walled pipes. In order to effectively reduce the construction cost and difficulty， a fully automatic unlocking device for pipeline directional drilling through grade highway is designed based on the practice of natural gas engineering， and the length of the casing only extends to 2～5 meters on the outer edge of the road， which is the first. It is suitable not only for oil and gas pipeline projects， but also for other municipal pipeline projects， with high economic benefits and promotion value.

Keywords： directional drilling; grade highway; automatic unlocking; full casing; semi-casing

经过多年持续快速发展，管道运输已成为石油、天然气等液体和气体能源的首选输送方式，与铁路、公路、水运和航空运输并列为我国五大运输方式[1]。

2017年，国家发展改革委、国家能源局共同印发《中长期油气管网规划》，指出今后10～15年仍将是油气管道建设的高峰期。预计到2030年，我国油气管道总里程将达到25～30万km，基本建成现代油气管网体系[2]。

有数据显示，我国70%以上的油气管道需穿越公路。2015年交通运输部、国家能源局、国家安全监管总局联合发布《关于规范公路桥梁与石油天然气管道交叉工程管理的通知》，明确规定新建或改建油气管道需要穿（跨）越既有公路的，宜选择在非桥梁结构的公路路基地段，采用埋设方式从路基下方穿越通过，或采用架设方式从公路上方跨越通过。并且油气管道穿（跨）越公路前应委托具有资质的单位进行安全技术评价，出具评价报告。政府公路管理部门组织公路行业专家评审通过后，才能批准涉路工程的施工[3]。

交通运输部批准实施的JTG D20—2017《公路路线设计规范》第12.5.6条规定“油气输送管道与各级公路相交叉且采用下穿方式时，应设置地下通道（涵）或套管”[4]。该规范2006版及JTG B01—2014《公路工程技术标准》均有类似描述。

后工程实践中逐渐出现了全套管和半套管2种定向钻穿越等级公路的施工工艺。如2002年齐鲁石化的青岛天然气管道工程采用定向钻“管道+套管”的工艺[5]，中兵华锦集团盘锦至营口输油管道（DN500 mm原油管道和DN350 mm柴油管道）采用了短距离定向钻套管穿越公路技术[6]，2018年浙江某天然气管道工程定向钻穿越高速公路时采用了全套管工艺（DN600 mm钢套管）、某LNG接收站项目输气管线工程采用全套管穿越等级公路（DN1 400 mm）。

全套管工艺在回拖管外安装一根等长、口径略大的钢制套管，施工中先回拖套管再回拖管道，或将回拖管安装到套管内，再一起回拖。该工艺存在套管材料消耗量大、成本高、定向钻钻机功率要求大等缺点。半套管工艺只在前半段管道上安装套管，即在穿越公路下方的管道上安装套管，相比全套管工艺，半套管工艺可有效降低套管材料的消耗量和对钻机功率的要求。但不论是全套管还是半套管，其工艺仍存在施工成本较大、依赖大功率钻机、在长距离大口径定向钻中应用困难等问题。

为改进传统全套管、半套管工艺，进一步减小套管长度，降低钻机功率、提高施工智能化与自动化水平、降低施工难度和施工成本。本文提出一种管道定向钻穿越等级公路套管全自动解锁装置的设想，该装置在套管穿越等级公路时，在回拖孔中可通过遥控断开套管和管道之间的连接，套管长度仅延伸至道路路堤坡脚或排水沟外边缘外2～5 m，从而大幅减小套管长度，降低施工成本和对钻孔机的功率要求[7]。尚属首创，适用于各种距离、各种口径的定向钻穿越等级公路，可用于油气长输管道和市政管道等套管穿越等级公路，具有较强的实用价值、广泛的应用前景、重要的社会效益和经济效益。

1 概述

管道定向钻穿越等级公路套管全自动解锁装置包括扩孔器、连接头、管道、套管、地下定位装置、锁紧机构和地面遥控器，外形示意如图1所示。

2 主要构造及工作原理

2.1 主要构造

扩孔器、设置在扩孔器上的连接头、需要铺设的管道、用于套在管道上的套管、设置在套管上的地下定位装置、设置在管道上并能将套管锁紧在管道上的锁紧机构和用于控制锁紧机构以松开套管的遥控器（图2、图3）。

2.2 关键技术——限位机构

限位机构包括休息状态（图2）和限位状态（图4、图5）。限位机构处于休息状态时，弯折板贴合在管道上，若干转动板拼接形成锥形结构，以减小套管前进时的阻力，滑块设置在防滑机构远离转动板的一侧；限位机构处于限位状态时，转动板远离套管的一端分散打开，弯折板嵌入回拖孔的孔壁，滑块位于防滑机构上（图4），防滑机构防止滑块背向转动板运动，以防止转动板合拢。

2.3 工作原理

第一步，将钻头安装在钻杆的端部，利用钻头在地下钻出一个导向孔，导向孔从等级公路下方经过。

第二步，钻头钻至地面后，将钻头从钻杆上拆下，并安装扩孔器，管道的一端通过连接头和扩孔器连接，管道靠近连接头的一端加设套管，锁紧机构将套管锁紧在管道上。

第三步，钻机本体回拖钻杆，扩孔器沿导向孔运动并对导向孔进行扩孔，导向孔扩孔后形成回拖孔，管道和套管随扩孔器前进并进入回拖孔中，地面的施工人员通过地下定位装置定位套管在地下的位置。

第四步，当套管到达等级公路下方时，地面的施工人员通过遥控器控制锁紧机构，锁紧机构放开套管，套管被滞留在等级公路下方，发挥保护管道的作用。

第五步，钻机本体继续回拖钻杆，直至扩孔器和管道的端部到达地面（图6）。

第六步，将锁紧机构从管道上拆下来，将管道和连接头脱开。

2.4 其他补充说明

根据规范要求，套管端部伸出等级公路的路堤坡脚、排水沟外边缘需要大于等于2 m，考虑到误差问题，可以适当增加套管长度，控制伸出边缘5 m左右。

套管上设置有若干锁孔，锁紧机构包括套设置在管道的底座上，底座的外侧转动连接有若干滚珠，底座的外侧设置有若干可插入锁孔的插销，底座内安装有用于驱动插销沿底座径向运动的第一驱动缸，以使插销插入锁孔或从锁孔中拔出；套管锁紧在管道上时，底座位于套管和管道之间，滚珠和套管内壁抵接，插销插入锁孔；插销从锁孔中拔出时，锁紧机构放开套管，套管和管道之间可相对运动。

第四步中，当限位机构处于限位状态时，管道在继续前进时万一碰到滚轮，会使滚轮受力后弯折板会更加嵌入导向孔的孔壁上，增加套管的稳定性；另外，滚轮可减小管道的摩擦力，从而防止管道带动套管运动。

在锁紧机构刚开套管前，驱动机构打开转动板，使得弯折板嵌入导向孔的孔壁，弯折板类似于倒刺，防止后续运动的管道带动套管继续前进。在转动板向外转动的过程中，转动板通过第二支撑杆、第一支撑杆带动滑块向防滑机构运动，当弯折板嵌入导向孔的孔壁后，滑块运动至防滑机构，防滑机构和滑块配合，防止滑块回退而转动板合拢。另外，当管道继续前进时，底座慢慢离开管道，轨道、滑块第一支撑杆、第二支撑杆从避让槽经过，从而使得底座顺利离开套管。底座通过螺栓和管道可拆卸连接，方便将锁紧机构从管道上拆下。

3 全自动解锁装置经济性分析

以某LNG接收站项目输气管线工程定向钻穿越等级公路为例测算。项目特征：穿越处天然气管道设计压力为10 MPa，主管管径为Φ1 016 mm，壁厚26.2 mm，L485M PSL2 SAWL直缝埋弧焊钢管，防腐层采用常温加强级3PE防腐+环氧玻璃钢外防护层，光缆套管穿越采用Φ114 mm×6 mm镀锌钢管，套管管径为Φ1 420 mm，壁厚16 mm，Q235B钢管。定向钻管线曲率半径1 500 D，入土角8°，出土角6°，水平长度663 m，穿越深度21.2 m，淤泥土为主。

通过费用测算（表1）可以看出，采用自动解锁工艺比全套管工艺可节省投资约454万元，套管管材费、运输费、组装焊接费和定向钻穿越费用均会有明显下降。

同时，对其他各种规格天然气管道的全套管工艺与自动解锁工艺的成本进行分析，结果见表2。

由表2、图7可知，随着天然气管道管径的增大，自动解锁工艺较全套管工艺的总投资节省费用也随之增加，尤其是DN400 mm管径以上天然气管道尤其明显。同样，自动解锁工艺较全套管工艺的每米节省造价也随着管径增大而明显增加。

另同一规格的管道定向钻穿越等级公路，定向钻长度越长，自动解锁工艺的经济优势就越突出：以管径DN400 mm天然气管道定向钻穿越等级公路为例进行分析，在穿越长度为420 m时，全自动解锁工艺较全套管工艺可节省造价约55万元，在穿越长度为1 620 m时，可节省造价223万元（图8）。

4 市场分析

近几年，浙江省内管道定向钻穿越等级公路采用套管的应用案列较多，如某LNG输气管线工程（DN1000天然气管道）及某企业的城市燃气管道等。某企业城市燃气管道在2022—2023年定向钻穿越等级公路共计146处（表3），且未来2年计划穿越200处以上。

该企业定向钻穿越等级公路应用较多的管道规格为De250 mm和De315 mm占54%，De250 mm/De315 mm每条至少可节省18万元/25万元，结合该企业未来2年计划，自动解锁装置收益较明显。

由上分析，管道定向钻穿越等级公路较为常见，因此套管全自动解锁装备有广泛的应用市场，且经济效益明显，尤其在长距离、大管径管道穿越中。如DN800 mm管径定向钻（最短情况下）每条可节省造价267万元，按照30%比列分成，做3条即收回投入成本，De315 mm管径定向钻（最短情况下）每条可节省造价25万元，按照30%比列分成，约做30条即可收回投入成本。因此，从目前市场的体量和效益来看，管道定向钻穿越等级公路套管全自动解锁装备的研发是有意义的，且具有较高的经济价值，这在大口径管道中尤其明显。

5 主要难点

由于定向钻穿越等级公路深度较深，一般的遥控技术难以保证深地层信号的稳定性，需要研发电磁屏蔽狭长空间和复杂埋地环境、远距离快响应套管与管道遥控可靠分离技术。

需要考虑各种不同地质、不同管径、椭圆度超标等情况下，解锁装置的适应性和可靠性运行。

6 下一步计划

利用有限元仿真软件，分析解锁装备锁紧机构在大载荷服役条件下的机械结构强度、刚度、稳定性情况，开展结构优化设计；在不同复杂埋地环境条件下，研究开发具有远距离、快响应能力的高可靠性电子遥控分离技术；研究设计套管快速止动装置和安全止动控制技术，确保解锁装备与管道分离后套管精准落位；集成上述关键技术，开发基于参数化的回拖可视化三维仿真模拟平台。

在满足总体设计要求基础上，基于上述关键技术，完善解锁装备各功能部件设计，利用计算机辅助设计工具绘制机械和电路工程图纸，完成机械、电子部件的加工、性能测试和调试，完成样机试制；按照定向钻穿越等级公路实际场景，搭建解锁装备拟实工况性能测试平台，开展性能测试试验，针对试验过程中存在的机械或电子故障问题，对样机进行优化升级。

在解锁装备拟实工况试验目标达成的条件下，基于某定向钻穿越等级公路具体工程，开展解锁装备示范应用，并对经济投入、装备使用性能、工程质量等方面进行分析评价。

7 结束语

通过以上分析可以看出，定向钻穿越等级公路套管全自动解锁装置可明显减低施工的成本，经济价值显著。管道定向钻穿越等级公路套管全自动解锁装备有利于建设单位降低投资成本，加快项目建设进度，能带来可观的效益，对于管道施工单位而言甚至有可能降低施工方的利润，因此，全自动解锁装置的推广应用合作主体为建设单位。

根据国家管网规划，还有大量的天然气管线需要建设，同时随着经济发展、规划调整等因素，改线工程也屡见不鲜，因此，本装置具有较为广阔的应用市场。

全自动解锁装置突破了天然气等管线定向穿越等级公路的限制，随着成本降低，定向钻穿路工艺会越来越受建设单位青睐。

本装置不仅适用于天然气管道工程，也适用于其他管道穿越工程，可有效解决管道穿越公路整体壁厚增加的问题，从而降低用户成本。

参考文献：

[1] 中国产业研究院.2021—2026年中国管道运输行业市场前瞻与未来投资战略分析报告[R].2021.

[2] 国家发展改革委.关于印发《中长期油气管网规划》的通知[EB/OL].https：//www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/201707/t20170712_962 238.html.

[3] 交通运输部，国家能源局，国家安全监管总局.关于规范公路桥梁与石油天然气管道交叉工程管理的通知[EB/OL].https：//www.mem.gov.cn/gk/gwgg/201504/t20150403_241342.shtml.

[4] 中华人民共和国交通运输部.公路路线设计规范：TJG D20—2017[S].北京：人民交通出版社，2017：12.

[5] 汪春付，常兴，杨艳军，等.齐青管道定向钻穿越铁路的方案设计与施工[J].油气储运，2004（3）：46-48，61-66.