西气东输二线泾河定向钻对穿工程的设计与施工

曾志华，苏卫锋，钱 峰，杨 威

（中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

西气东输二线泾河定向钻对穿工程的设计与施工

曾志华，苏卫锋，钱 峰，杨 威

（中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

西气东输二线工程陕西泾阳县泾河穿越是国内首条已完工管径最大的管道长距离定向钻对穿工程,穿越全长1 040 m，并行穿越D 1 219 mm×27.5 mm主管和D 114 mm×6.5 mm光缆套管两条管道，该工程地质复杂、施工难度大、风险高。穿越地层主要为卵石层、粉砂层和粉质黏土层，采用大开挖深基坑埋管+长距离夯套管+定向钻对穿的组合穿越施工方案，施工中进行了多种技术创新，为国内外类似管径定向钻穿越工程设计和施工提供了借鉴。

定向钻对穿；夯套管；基坑埋管

1 工程概况

泾阳泾河穿越工程是西气东输二线东段中卫—枣阳段控制性工程之一，位于陕西省泾阳县境内，穿越曲线布置见图1。

穿越处地区等级为三级，穿越场区为冲积平原地貌，河两岸相对较开阔，河道宽约320 m，设计洪水水位为405.11m，设计流速为3.13 m/s，设计冲刷深度为6.44 m。穿越地层主要为卵砾石层、粉砂层和粉质黏土层。其中卵砾石颗粒形状以亚圆形为主，骨架颗粒粒径20～150mm，含量60%～80%。

穿越工程等级为大型，并行穿越2条管道，分别为输气管道D 1 219 mm×27.5 mm和硅管套管D 114 mm×6.4 mm，间距为15 m，输气管道设计压力为10 MPa，拟采用大开挖深基坑埋管+长距离夯套管+定向钻对穿组合穿越方式，东岸穿越入土角9°6′，西岸入土角9°，定向钻穿越水平长度为1 037 m，实际长度为1 040 m。

2 定向钻穿越设计要点

定向钻穿越必须克服河两岸厚4~18 m的卵砾石层，且保证管道最小埋深应大于设计洪水位冲刷线以下6 m。穿越设计要点如下：

（1）河床下穿越水平直线段选择在硬塑性高的粉质黏土和粉砂层。

（2）两岸导向孔起始段采取钢套管隔离穿过卵石圆砾层。其中主管道穿越采用D 2 000 mm钢套管，硅管套管穿越采用D 508 mm钢套管。

（3）选择西 （南）岸为主穿越场地，布设HK-250型钻机，东 （北）作为辅助穿越场地，布设DD-140B型钻机，两台钻机从两岸同时开钻，河床中间对接；先进行光缆套管穿越，然后再进行主管穿越。

（4） 为了尽可能保证钻孔顺畅，避免穿越角度过大产生管道回拖塌孔，减少回拖时孔壁对管道的摩阻力，穿越曲线力求平缓顺直，穿越入土角选择9°左右。

（5） 两岸基坑均设置在水位线之上，减少施工排水的困难，东岸入土侧开挖基坑深度7 m，埋设套管长度77 m；西岸入土侧开挖基坑深度5 m，埋设套管长度58 m。两岸采取开挖基坑铺设套管的长度为135 m，夯套管总长147 m。

3 定向钻穿越施工主要过程及难点处理措施

由于穿越管道管径太大，穿越地层变化频繁，穿越距离大于1 000 m，且缺乏类似管径定向钻施工经验，施工时遇到了许多问题，经不断摸索、尝试、组织各方专家研讨，及时解决了难题。下面介绍施工主要过程及难点处理措施。

3.1 测量及磁场布线

施工场地以及中心线附近全部是果树，视觉效果很差，测量放线难度很大，因此采用卫星定位进行坐标测量。

根据定向钻对穿的需要，磁场线须从河东岸沿河道布设到河西岸，磁场覆盖整个穿越地段，为保证磁场线不被洪水冲走，在河流中间加桩固定，确保磁场线位置和对接的精确性。

3.2 夯套管

国内目前用于D 2 000 mm以上钢套管的夯管设备的夯管长度还没有超过100 m的，为了尽可能地减少夯套管长度，地下水位以上粉土段和部分卵砾石层采用大开挖深基坑，然后在基坑底开始夯套管通过卵砾石层，夯至粉质黏土层为止，最后预埋钢套管，回填基坑至自然地面。整个夯套管长度控制在70~75 m施工能力所允许的范围内。套管前端采用喇叭口形式，以防止发生卷边及回拖过程中套管口卡住回拖管。图2为现场夯管照片。

3.3 光缆管施工

光缆管导向孔钻进中，HK-250主钻机采用D 168mm （65/8 in）钻杆，辅助钻机采用D 127 mm（5 in）钻杆，均采用D 245 mm （9 5/8 in）钻头。在钻进至130m左右时，推力增大至25kN，行走速度缓慢，地锚后移；在钻进至150m时钻进受阻，倾角无法调节，经现场技术讨论后，将钻头拔出，更换成泥浆马达，然后继续钻进，效果良好。于2010年5月16日导向孔对接成功，5月18日光缆管回拖成功，光缆管的成功回拖给主管穿越提供了宝贵的经验，并对泾河穿越的地质情况有了更进一步的了解。

3.4 主管导向孔钻进

在两岸套管内下中心定位器，以保证导向孔的位置处于套管的正中心。在具备主管穿越的条件后，开始主管导向孔钻进，将刚出套管进入粉质黏土的第一根钻杆导向孔的倾角抬高1.5°，这样可以减小回拖时卡套管的风险。由于借鉴了光缆管导向孔穿越的经验，主管导向孔钻进顺利，两台钻机相互协调工作进行双向导向孔的对接。于2010年6月6日主管导向孔对接成功。

对接成功后，辅助钻机逐步回退钻杆，同时，主钻机一边采集辅助钻机信号，一边利用采集的信号控制钻进方向，使之逐步向辅助钻机已形成的导向孔平缓趋进，直至沿导向孔出土，完成整个导向孔的穿越。

3.5 扩孔、洗孔作业

考虑主管管径和穿越地层特点，分五级扩孔，孔径分别为 762 mm （30 in）、 914 mm （36 in）、1 067 mm （42 in）、1 321 mm （52 in）、 1 524 mm（60 in）。由于穿越距离较长，钻机空载扭矩较大，而钻杆允许扭矩有限，为了提高扩孔效率，增大扩孔扭矩，采用双钻机同步多级扩孔的施工工艺。

（1）一级D 762 mm扩孔。使用扩孔器组合为D 762 mm扩孔器 +D 610 mm（24 in）桶式扩孔器，在扩至150 m处时，扭矩摆动突然变大，进尺缓慢，最慢的一根钻杆耗时268 min，在扩至220 m时恢复正常，一级扩孔继续进行。在扩至780 m时，扭矩再次增大，频繁出现卡钻现象，推测钻具出现泥抱钻现象，扩孔单根时间达到360 min。经过10 d时间，一级扩孔终于完成，出土扩孔器全部被黏泥包死，大大削弱了它的切削能力。

（2）二级D 914 mm扩孔。使用扩孔器组合为D 610 mm扶正器+D 914 mm刀板式扩孔器。在扩至720 m时，扩孔进尺缓慢，频繁出现卡钻现象，回推受阻，最后采取出土点钻机反回拖，将扩孔器拉出，经过洗孔后重新扩孔才顺利进行。

（3）三级D 1067mm扩孔。扩孔前进行了一次洗孔，采用D 762mm扶正器+D 1067mm刀板式扩孔器组合。借鉴前两级扩孔的经验，此次扩孔进展顺利。

（4）四级D 1 321 mm扩孔。鉴于扩孔扭矩较大导致HK-250钻机总是出现故障，为了确保施工的顺利进行，将HK-250钻机换成DD-1330钻机，开始四级扩孔，扩孔器组合为D 889 mm（35 in）桶式扩孔器+D 1 312 mm刀板式扩孔器，经过5 d时间完成四级扩孔。

（5）五级D 1 524 mm扩孔。由于扭矩比较大，扩孔前进行了一次D 1 067 mm桶式扩孔器洗孔，然后进行五级扩孔，扩孔器组合为D1194mm （47in）扶正器+D 1 524 mm刀板式扩孔器，经过4 d时间完成最后一级扩孔。

3.6 主管回拖

为了确保回拖一次成功，在回拖前采用PE管注水降浮；为了减小回拖风险，回拖前采用1 524 mm桶式扩孔器进行了两次洗孔，尽可能减少孔洞内的钻屑，减小回拖阻力。回拖时采用1 372 mm （54 in）桶式扩孔器+500 t万向节+回拖管道，以滚轮架方式进行发送。使用吊管机对管道的方向进行调整，并使用认孔器，保证回拖管与套管的中心线和角度保持一致，最终使管道顺利入洞；调运大型推管机到泾河现场，在回拖受阻时进行推管作业，在回拖前先将地锚下好，并将设备调试到位备用。

4 穿越技术创新

（1）首次尝试使用大直径168 mm钻杆钻导向孔。

（2）调整了泥浆配方，添加铵盐来降低滤失量、调整流变性，添加有机润滑剂保护钻屑，解决“泥抱钻”问题。

（3）制作了特定的修孔器，扩孔完成后，从入土点往出土点方向对入土端套管与粉质黏土接口附近反复进行修孔作业，减小回拖风险。

（4）管道回拖受阻时，首次使用推管机来帮助管道回拖，为大管径的定向钻穿越回拖提供了一种新的施工方式。

5 结束语

泾河穿越工程设计上选择了合理的方案、合理的穿越角度和地层，确定了大开挖深基坑埋管+长距离夯套管+定向钻对穿组合穿越方案；施工中进行了多种技术创新，解决了D 1 219 mm大管径钢管定向钻穿越高硬塑性的粉质黏土层扩孔时卡钻、抱钻及管道回拖卡管等各种问题，对扩孔器进行了优化组合。该工程于2010年5月10日开钻，8月7日一次回拖成功。其顺利完工表明国内定向钻穿越技术又得到了大跨步提升，同时也为国内外类似管径定向钻穿越工程的设计和施工提供了借鉴。

[1]贾伟波.定向钻对穿与夯管技术的综合应用[J].建筑机械化，2009，29（9）：57-66.

[2]屠言辉，苗冀清，徐树枫，水平定向钻穿越中的对接技术[J].石油工程建设，2011，（5）：26-30.

Design and Construction of Jing River Horizontal Opposite-directional Drilling Crossing Project of Second West to East Gas Pipeline

ZENG Zhi-hua（China Petroleum Pipeline Engineering Corporation， Langfang 065000,China）,SU Weifeng,QIAN Feng,et al.

The Jing River crossing in Jingyang County as a bottleneck engineering of the Second West to East Gas Pipeline Project is the completed long-distance horizontal opposite-directional drilling crossing with the biggest pipeline diameter in China,which has the overall length of 1 040 m and two parallel crossing steel pipelines,namely a main D 1 219 mm×27.5 mm gas pipeline and a D 114 mm×6.5 mm optical fiber cable casing.The crossing engineering encountered the complex geological layers of pebble,sand and powdery clay.The combinatorial construction scheme,i.e.large excavation of deep foundation pit for burying pipeline+long-distance temping casing+horizontal opposite-directional drilling crossing,was adopted,and many technical innovations were made.This HHD crossing engineering provides reference for design and construction of similar projects at home and abroad.

horizontal opposite-directional drilling crossing;tamping casing;pit for burying pipeline

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.01.013

曾志华 （1979-）,男，江西乐安人，工程师，2006年毕业于中国石油大学 （北京）岩土工程专业，现从事油气管道线路及穿跨越工程设计、咨询工作。

2010-11-16；

2011-12-09