南昌大型定向钻穿越赣江工程设计总结

刘瑾卿 于文才 陆智炜

上海燃气工程设计研究有限公司 焦琳 侯利华

南昌市天然气利用工程中压天然气管道穿越赣江工程包括穿越英雄大桥、洪都大桥、生米大桥。经方案比选，根据类似工程的经验，工程确定采取定向钻穿越。由于穿越赣江距离较长，难度较大，需结合赣江的地质、地形条件确定对水平定向钻的关键技术措施予以确定。

1 赣江自然条件概述

赣江为鄱阳湖水系的五大河流之首，是江西省第一大河流，也是长江八大河流之一。赣江全长约766 km，河面宽700～1 800 m，河床高程均处于海平面以上，主槽河床标高为3.0～14.0 m(黄海高程)，外洲水文站以上流域面积为80 948 km2。赣江河流主汛期一般为 4～7月。根据实测资料统计，外洲水文站历年实测最高水位为23.22 m，实测最大流量为20 400 m3/s，最大水面宽约1 500 m，实测最大测点流速2.75 m/s，均出现在1982年6月。

根据《南昌市天然气利用工程英雄大桥处中压天然气管道赣江勘探工程岩土工程勘察报告》、《南昌市天然气利用工程洪都大桥处中压天然气管道赣江勘探工程岩土工程勘察报告》、《南昌市天然气利用工程生米大桥处中压天然气管道赣江勘探工程岩土工程勘察报告》，水平定向钻穿越赣江处区域地质构造稳定性较好，场地条件和地基的稳定性较好，适宜进行水平定向钻穿越，场地内风化沙砾层，微风化泥质砂岩层和中风化泥质砂岩层及其以下地层均可作为管道穿越层。但在管线穿越上层砂土层时，特别位于地下水以下时，砂土层稳定性差，易垮孔、卡钻。且在生米大桥穿越段处中风化泥质粉砂岩层局部见严重的漏水现象。另外，在管道上升阶段都需穿越砾砂、圆砾层。

2 工程难点

2.1 长度较长

阻力大：水平定向钻穿越赣江长度较长，三处水平距离均大于1 km，尤其是生米大桥处的穿越，属于特大型定向钻穿越。在水平定向钻穿越时，钻杆在进行导向孔施工过程中，会受到穿越地层对钻头和钻杆的阻力及阻力矩，并随长度增加而增大，使穿越长度受到限制；并且在长距离的穿越中进行导向孔方向控制会变得艰难。

布管困难：为保证工程顺利，通常要求回拖过程是连续不间断作业，管道组装、布管发送应按整段组装一次发送进行。在发送道的设计开挖中，应尽可能使发送道(沟)与管孔自然衔接，以防管道强制管孔后钻具与管段不在一条轴线上。如果钻头偏离原先扩成的孔位，钻头就会重新切削原状土，扭矩会倍增，造成回拖受阻，甚至造成其局部薄弱环节在交变应力的作用发生脆裂。因此布管尽量和穿越轨迹线一致，至少要在管道自然弯曲弹性范围内。而此次在水平定向钻穿越赣江工程中，穿越长度均在1 km以上，显然，在南昌市区是无法做到如此长度管道的整段组装一次发送。

2.2 地质层含有圆砂砾层

根据地质勘探报告，穿越管道必经砾砂、圆砾层。管道穿越该类地层时，砾石容易塌陷，进而破坏已成形的导向孔或预扩后的孔洞，导致水平定向钻穿越工程失败。

2.3 穿越轨迹靠近大桥及居民区，属于经济活跃区

由于三处穿越轨迹线距离生米大桥、洪都大桥、英雄大桥都较近，且靠近居民经济活跃区。至于会造成何种影响，应采取何种措施，相关规范并无相应规定。即使对于大型水平定向钻穿越工程施工经验较为丰富的中国石油管道穿越公司来讲，也无在经济活跃区实施大型定向钻穿越工程的经验可循。

3 关键措施确定

由于地质复杂，穿越长度较长，且处于经济活跃区施工，国内尚无成功案例可供参考，因此，经与业主协商，决定采用召开专家论证会的形式，从勘探地质状况、项目设计方案、项目施工组织设计、施工现场环境影响、项目防洪评价等方面对项目实施可行性进行了详细的讨论，确定了如下关键技术措施：

3.1 预设套管

为保证管道回拖前的顺利成孔，根据规范要求，为阻隔砾石塌陷而破坏已成形的导向孔或预扩后的孔洞，必须在入、出土点两侧预设套管。钢套管定为D 1 016×26螺旋缝双面埋弧焊钢管L415MB(《石油天然气工业输送钢管交货技术条件 第二部分：B级钢管》GB/T 9711.2—1999)。英雄大桥、洪都大桥、生米大桥处预设套管参数如表1。

表1 水平定向钻穿越赣江设计预设钢套管参数单位：m

套管的夯进长度很大程度上影响了定向钻工程的工程造价和夯管的可行性。然而，值我们设计时，国内最高记录是130 m，但南昌赣江大型定向钻需要夯击套管的长度在100～150 m。因此，从最大程度上缩短夯击套管的长度是南昌赣江大型定向钻夯管可行和成功的保证。除了在设计阶段从钻杆入/出土的角度、穿越的深度等因素之间综合平衡来有效缩短夯管长度外，设计组对定向钻两侧工作坑上动足脑筋。根据定向钻的钻杆入/出土角度，两侧工作坑每深挖1 m，可使夯管长度缩短约7.2 m，但考虑到地质情况和地下水位的高度，最终把夯击点定为地面以下3.5 m，工作坑的深度为4 m。见工作坑示意图1和施工现场照片图2。

图1 工作坑示意

图2 现场施工照片

采用挖沟槽的方式后水平定向钻穿越赣江实际预设钢套管参数如表2所示。

表2 水平定向钻穿越赣江实际预设钢套管参数单位：m

3.2 对接穿越技术

本工程的地质情况决定了必须在出、入土点预设钢套管。而在出土点侧预设套管后，会对入土点侧钻机的导向孔控制造成很大的困难。一般来讲，水平定向钻穿越要求方向控制有很高的精度，使得入土点钻机的钻杆能精确的通过套管的轴线，但就目前的定向钻所使用的探头而言，要想达到此控向精度是很难的。

鉴于长距离穿越和含卵砾石层穿越的需求，水平定向钻穿越赣江拟采用对接穿越技术。对接穿越需要在穿越曲线入、出土点两端各架设一台钻机，两台钻机分别进行导向孔加工，当两台钻机的钻头钻至预定对接点，并且两钻头距离在合理范围之内时，由入土点钻机的探头感应出土点钻机钻头短节内安装的目标磁铁发出的磁信号，两台钻机械调操作，入土点钻机钻孔，出土点钻机回抽钻杆，直至两台钻机的导向孔完全吻合。

根据赣江的自然条件及地质条件，赣江河面宽700～1 800 m，穿越距离较长，且水较深，在穿越管道中心线上布置人工磁场较为困难。经研讨，结合现场条件，可将交流线圈布置在与穿越管道中心线基本平行的大桥上。

水平定向钻穿越赣江对接穿越示意图如图3所示。

图3 对接示意

3.3 分段布管

根据支撑管道方式的不同，布管大致可以分为以下三种：滚动支架法、注水漂管法、打土堆法。

此次在水平定向钻穿越赣江工程中，穿越长度均在1 km以上，尤其是生米大桥处穿越赣江，穿越定向钻钻孔施工水平长度 2 127.55 m，实长 2 132.67 m，属特大型河流穿越工程。显然，如此长度在南昌市区是无法做到整段组装一次发送。经现场勘察发现工程河段地处南昌市一江两岸平原地带，属河流冲积地貌，地势平缓，起伏较小。

相比之下，生米大桥东岸现状为匝道小广场，地势平坦，但由于有匝道阻拦，不适宜作为管段组装场地，而生米大桥西岸现状为滩涂，地势平坦且广阔，沿途经过丰和南大道，并与外环路平行，可将西岸作为管段组装场地。经测量和计算，穿越段管道需分三段弧线预制，回拖时连成整体，弧线段的曲率半径不小于1 000D。由于布管范围内需经过丰和南大道，为了保证该道路的畅通，在布管时我们采取了非常规方式，即在该道路段开沟，预制的管道敷设在管沟内，上面放置铁板以保证交通，而在回拖时再将该管道上升至所需高度，以保证工程的顺利进行，同时将对交通的影响降到最低。

经方案比较，我们采用了注水漂管的布管方式。由于管道是分三段弧线预制，在回拖过程中必须焊接成整体，为了避免因停顿过长而造成回拖阻力增大，因此设计要求焊接及检验完毕时间必须控制在4 h以内。

生米大桥处水平定向钻穿越赣江工程布管示意图如图4所示。

图4 生米大桥处穿越赣江工程布管示意

4 关键技术参数确定及设备选型

4.1 受力分析及参数确定

4.1.1 预设钢套管受力分析

套管夯击是利用空压机驱动气动夯管锤沿导轨(设计轨迹)将钢管直接夯进土层中。在钢管夯进的过程中，一边挤压土体，一边克服地层与管体的摩擦力，使钢管不断进入土层，直至设计深度。该方法所使用的主要设备是夯管锤。它是一台低频、大冲击功的气动冲击器，借由压缩空气驱动，将要铺设的钢管沿设计轨迹夯入地层。

套管受力分析如图5所示。

图5 套管夯击时受力分析

在套管夯进时，P为钢套管受到的冲击力；F为钢套管管端阻力；f为钢套管与土层接触面之间的摩擦力；N为土体对钢套管反作用力；G为夯入钢套管的自重。

钢套管前进的条件：P>F+f。

两式中：μ—土层与钢套管间摩擦因数；

d—为钢套管外径，m；

r—土的重度，kN/m3；

h—为管顶以上覆盖土厚度，m；

l—夯入钢套管长度；

φ—土壤的内摩擦角，°；

c—土的黏聚力，kPa。

以生米大桥处水平定向钻穿越赣江为例，在计算F和f时，μ取0.4，d取1.016 m，r取16 kN/m3，h取8 m，l取76.5 m，ф取15.3º，c取31.3 kPa。代入(1)、(2)计算得出f= 2 138 t，F=25 t，F+f=2 163 t。

4.1.2 穿越管段的回拖力计算

回拖力的计算对于水平定向穿越工程的设备选型、设备回拖能力的校核和施工工艺的选择非常重要。按照《油气输送管道穿越工程设计规范》(GB 50423—2007)推荐的方法进行回拖力的估算。

穿越管道的回拖力是依据管道在泥浆中的浮力扣除自重产生的摩擦力，再加上托管前进时管道在泥浆中的粘滞力。

管道不充水回拖力：

式中：F—穿越管段回拖力，kN；

L—穿越管段长度，m；

f—摩擦系数，取0.1～0.3；

D—穿越管段的管身外径，m；

Ds—穿越管段的钢管外径，m；

ds—穿越管段的钢管内径，m；

γ1—泥浆密度，取1.15～1.2kN/m3；

δ—钢管壁厚，m；

γs—钢材密度，78 kN/m3；

K—粘滞系数，取0.01～0.03。

根据《南昌市天然气利用工程可行性研究报告》，中压天然气管道穿越赣江管径确定为DN500。且经过计算，南昌市天然气利用工程 DN500中压天然气管道壁厚选为8 mm，采用螺旋缝埋弧焊钢管，材质Q235B。

以生米大桥处水平定向钻穿越赣江工程为例，将各参数代入(3)计算管道回拖力。设计初步理论计算定向钻施工时的成品管段在不同位置回拖力的变化范围为96～303 t之间(实际与施工选用发送方式、水力漂浮状态、泥浆性能和管道在洞中位置有关)，占管材最小屈服极限 33%～103%之间，不能满足《油气输送管道穿越工程设计规范》(GB 50423—2007)中规定的许用应力不应超过最低屈服强度60%的要求。

因此，应相应提高壁厚。当壁厚提高到10 mm时，设计初步理论计算定向钻施工时的成品管段在不同位置回拖力的变化范围为90～287 t之间，占管材最小屈服极限25%～78%之间，仍不能满足《油气输送管道穿越工程设计规范》(GB 50423—2007)中规定的许用应力不应超过最低屈服强度 60%的要求。

故提高管材等级，选用L360MB直缝埋弧焊钢管，带入参数计算得施工时的成品管段在不同位置回拖力的变化范围为90～285 t之间，占管材最小屈服极限16%～51%之间，满足规范要求。

同样，选用D508×10 mm，材质L360MB(X52)进行计算，设计初步理论计算得英雄大桥、洪都大桥处定向钻施工时的成品管段在不同位置回拖力的变化范围分别为58～182 t之间、43～135 t之间。

综上所述，根据地质条件及相关规范要求，最终确定英雄大桥、洪都大桥、生米大桥处水平定向钻穿越赣江采用 D508×10 mm直缝双面埋弧焊钢管，设计压力为0.4 MPa，材质L360MB(X52)。

4.2 设备选型

4.2.1 夯管机选型

目前，国内最大夯管机为TT600，TT600气动夯管锤的夯击力2 000 t/次，而根据4.1节计算结果，钢套管所受到的阻力F+f=2 163 t，大于TT600气动夯管锤的夯击力，将会导致套管入土速度很缓慢。施工时，应采取相应措施，使F+f

4.2.2 钻机选型

目前国内大型定向钻机性能见表3。

表3 国内主要大型定向钻机性能

由于回拖时边界条件复杂(包括地质条件、穿越曲线、扩孔工艺、泥浆性能、管道规格、外壁防腐层、管道在地面上的摆布方式、发送方式等)，故在选择钻机时应有一定的安全余量，一般按回拖力计算值的 1.5～3.0倍作为钻机选型与钻杆尺寸核算的依据。

对于本工程，在选用钻机时，除参照上文 4.1计算结果外，为保证穿越施工顺利进行，还应保留一定的安全系数和储备能力，以规避穿越长度下孔壁稳定性和地层实际岩性上存在的风险，因此，建议生米大桥处水平定向钻穿越赣江时选择钻机回拖力>285 t(例如≥500 t)。同理，设计建议施工使用的对接辅助钻机能力也应≥100 t级。

对于英雄大桥、洪都大桥处定向钻穿越赣江时的主辅钻机也建议选择≥500 t，≥100t级。

5 其他辅助措施

5.1 夯管阶段

5.1.1 减小夯管阻力常用方法

根据第4节的计算结果和选型结果，TT600气动夯管锤的夯击力小于钢套管所受到的阻力，因此应采取相应的措施。结合相关经验，设计时建议采取如下几种方法减小夯管阻力：

(1)套管外壁除锈并涂覆石蜡。考虑到套管采用夯击进入土层，在设计文件中并没有要求对套管材料进行外防腐。但业主采购时购进了钢管厂的库存品，套管腐蚀程度比较严重，大多钢管内外壁有1～2 mm的铁锈。这样的钢管在夯击中阻力会增加很多，增加了失败的风险。经过多方现场讨论，决定对套管外壁进行现场除锈，并涂覆石蜡以减少摩擦。虽然减阻效果明显，但是由于套管管径大、现场其重设备局限和场地局限，造成施工现场很大的负担。由此设计组吸取教训，在今后设计中应当要求套管在出厂前进行除锈和防锈漆防腐。

(2)在第一根套管的前端加装刀头。为了保证在施工过程中和今后的运行中沙砾层中的水不进入套管内，在南昌赣江大型定向钻的夯管中，设计组要求把套管夯击穿过强风化岩，进入中风化岩。理论上套管选取的壁厚和材质足够克服中风化岩以上地层的硬度，不会发生套管不能进入岩层和卷边的情况。为保证万无一失，设计建议在第一根套管的前端加装刀头，刀头由施工方事先定制锻造零件。在实际施工中一开始，施工单位都加装了刀头，见施工现场照片，如图6所示，夯管进展也比较顺利。到最后几处夯管中，大家放松了警惕，认为没有必要装刀头了，恰好碰到一处地质情况与地质勘察资料不符的情况，问题就出现了：在扬子洲上地质资料显示套管进岩层处，强风化岩层厚度在足够保证套管进入中风化岩层前全部进入强风化岩。但实际施工中该处强风化岩层几乎没有，造成套管进入中风化层很困难，砂砾层的赣江水源源不断进入套管，夯管工程进退两难，给接下来的施工造成很大的困难。由此得出结论，套管前端加装刀头很有必要。

图6 加装刀头施工示意

(3)安装送浆管。随着套管的外壁跟进送浆管是夯管工程中常见的降阻方法。具体做法是在夯管工作坑旁边设置配浆筒，用DN20无缝钢管把水浆输送到套管的外壁，随着套管一根根夯进地下，送浆管也同时一根根焊接在套管的外壁，可以在套管正上方安装一根，也可以在四周多安装几根，送浆管上每间隔一定距离设置几个出浆孔，送浆管工艺和安装方法见图7。

图7 送浆管工艺示意

(4)对套管内部勤掏土。对套管内部勤掏土可以减少套管内壁摩擦，在施工中为了提供工作效率，一般是白天进行夯管施工，利用晚上进行掏土。

5.1.2 夯管过程中卡管的现场处理

即便采取了上文中提到的减小夯管阻力的措施，但在实际施工时，仍旧碰到了夯管长度没有达到设计长度套管就夯不动的情况，主要分为两种情形，一种是套管夯到一半就卡住了，另外一种是快进岩层时夯不动。

第一种情况在三处穿越现场均出现了多次。通过设计单位、施工单位、监理单位现场协商，分别采用了以下几种方法来解决：

(1)把套管内土掏空后，在套管内人工向外钻孔，然后利用这些孔对外送浆，减少阻力。开孔的数量，以能够继续夯进为止。

(2)从地面向套管上钻孔和送浆，减少阻力，做法见工艺示意图8。

图8 地面上钻孔和送浆工艺示意

(3)从地面向套管的前端钻孔，打通位于套管前方的障碍物，做法见工艺示意图9。

图9 打通套管前方障碍物工艺示意

以上方法在处理夯管中间卡管的问题比较有效，各出现卡管工地都因地制宜采用了以上方法。

第二种情况出现在赣江内扬子洲上。上述解决卡管的方法都使用过，但还是不见效果。经分析，套管下部已经到达中风化岩，硬度较大，再加上卡管问题处理时间已经很长，套管周围土层已经把套管抱死，套管继续夯入到岩层内的可能性不大。经多方讨论，决定放弃继续夯管，改为把目前套管周围的砂砾土质进行固化，制造“人造岩体”。固化工作分成两个阶段：

(1)第一阶段是在钢套管前端的上方通过地勘钻机，由上至下打探孔至钢管前端，向下打设注浆导管，对钢管前端的土体进行注浆固化和闭水；通过注浆达到稳定管道上方土体的目的，从而避免由于人工掏土作业时，管道前方土体塌落的危险。同时保证在钻机施工时管外流沙不进入钢套管内，对钻机回拖钢管不会产生任何影响。注浆位置为套管前端管道顶上方基础土体和管道两侧土体。注浆导管施工工艺流程：孔位布设→钻孔→下管→灌注。具体方案如下：

孔位布设时，考虑到夯管在横向即左右的偏差，为了确保能在正确位置注浆，必须先用钻孔的方式确定钢套管的位置。在原设计管中心距离出土点101.3 m，以0.75 m的间距左右打孔定出钢管位置(如图10所示)。

图10 管位探测

在D 1 016×26.2钢套管最前端，顺管线前端纵向钻入3排注浆管，每排间距1.5 m，注浆管孔间距0.75 m。

待注浆结束，在套管内进行抽水掏土。若水量大则再在这三排注浆管前方及左右两侧钻6个注浆管，位置如示意图11、图12所示。

图11 注浆孔平面分布

图12 注浆孔剖面分布

地面注浆采用垂直导管固化注浆方法，用D42的钢管，溢浆孔径5 mm，溢浆孔间距0.2 m，注入水泥浆(水泥浆配比为每100 kg 425#水泥加入3 kg速凝剂)。

(2)第二阶段工作是在钢套管前方由上至下打孔注浆完成后，在管道内沿管道通过钻机钻杆在管道前端进行超前导管注浆加固，顺序如下：

在钢套管内向管前端土体进行导管注浆加固，通过钻机，沿钢套管内上方把钻杆打到钢套管最前端直至顶到岩石为止。

超前导管注浆加固施工工艺流程：孔位布设→打设钻杆→灌注。

由于施工前已由管道上部向下进行了注浆加固，所以超前导管注浆为补充注浆，即加固第一次注浆未能加固的空隙部分，超前导管的间距及注浆量视施工具体情况而定。

在以上固化方案的实践中，两个阶段的工作都实施了，最后的结果是仍然有少许水渗出，但不影响掏土，也对定向钻的导向和扩孔不构成影响，因此工程得以顺利完成。

5.2 导向扩孔阶段

在南昌赣江大型定向钻施工中，导向扩孔阶段的进展比较顺利，这归功于设计阶段钻机的选型可靠、施工场地的设置合理以及施工单位技术水平国内领先。在这个阶段，碰到的最大问题是施工时出现了“跑浆”现象。根据现场情况推断是在河流中央位置钻杆轨迹周围有岩层裂隙现象，造成“跑浆”。该穿越工程钻杆轨迹设计在微风化岩，该岩层硬度非常大，而且岩层裂隙在地质勘察时并没有发现，设计时完全没有预料到会有这种情况发生。经过现场多方会议讨论，决定对定向钻泥浆配比进行调整来尝试应对“跑浆”，结果效果非常好，虽然还有少量“跑浆”，但是在可以接受的范围之内。

5.3 回拖阶段

在回拖阶段除了布管、发送沟的设计从根本上不同于中小型定向钻，还需要解决以下两个问题：

5.3.1 聚乙烯热收缩套的保护

在南昌赣江大型定向钻工程中，穿越长度都超过1 000 m，最长的超过2 000 m，回拖时钢管的外壁防腐补伤是现场不得不面对的问题。考虑到钢管回拖时现场补伤的便利性和有效性，我们要求钢管的外壁防腐措施是加强级3PE防腐。但用于补口的聚乙烯热收缩套又是该防腐工艺的软肋，经过技术咨询和调查，发现在热收缩套外面套一个“牺牲套”可以解决这个问题。经过3处大型定向钻的实践，非常有效。

5.3.2 卡管后回拖困难情况出现的解决方案

南昌赣江大型定向钻穿越距离长，在国内是长度领先的定向钻工程，在回拖阶段绝对不允许出现失败，因为是不可能放弃原管道而重新导向和回拖的。在设计时，我们项目组对回拖时一旦出现局部卡管情况，做好了充分的准备。做法是除了在设计时钻机的选型预留了充分的余量，还要把夯管锤安装在管道后端增加推进力作为预备方案。

在实际回拖施工中，通过施工单位的可靠施工，并没有发生卡管情况，定向钻工程得以顺利完成，创造了国内以至世界定向钻工程的多项新记录。

6 结论

英雄大桥、洪都大桥、生米大桥处穿越管道是贯通昌南、昌北中压天然气管道的必由之路，为昌南地区人工煤气转换提供气源保障。该项目的顺利实施，是保证南昌市民及时用上优质、高效的天然气关键工程。结合勘探地质状况、施工现场环境影响、现有施工技术等多方面因素，确定水平定向钻穿越赣江时采用对接穿越技术，并在出、入土侧预设钢套管。经受力分析，对主要设备夯管机及钻机进行了选型。通过工程实施阶段及时配合，积极采取有效措施，保证了水平定向钻穿越赣江工程的顺利进行。