大跨度定向钻成品油管道原孔回拖抢修施工技术

阮亦根, 阮 哲,王栋杰,卢建国

(1.中国石化浙江石油分公司,浙江 杭州 310002;2.中海油研究总院工程设计研究院,北京 100027;3.中国石化工程建设公司,北京 100029)

1 工程概况

2018年8月14日,某成品油管道(简称A管道)处于停输保压状态,下午14点54分,中控发现出站压力和进站压力下降,并立即核查,于15点06分确认第六出站方向90 km+420 m处管道发生泄漏,后经巡线员现场核实,管道被G60高速公路拓宽工程地质勘探钻破,破损点埋深21.2 m,为定向钻穿越管段。

A管道破损段非开挖定向钻施工时间为2013年9月21日至11月20日,全长约615 m,入土角13°,出土角8°,最大穿越深度约23 m。采用Φ406.4×8.7 mm钢管,材质为L415,3PE防腐；三级扩孔至Φ850 mm。管道破损点与定向钻入土点水平距离约135 m,与出土点水平距离约480 m；东侧10 m为X502县道；南侧15 m为G60高速公路；西侧20 m为高边坡水渠；北侧9 m为口径Φ1 016 mm输气管道(简称B管道),11.2 m为口径Φ813 mm输气管道(简称C管道)，25 m为数栋民房,抢修作业空间十分受限(图1)。

图1 管道破损点周边环境示意图

2 破损管道抢修技术方案

2.1 管道破损点地质状况

根据岩土工程勘察报告,地层主要由杂填土、粉质黏土、含砾粉质黏土、粉质黏土混碎石、卵石、全风化泥质砂岩、强风化泥质砂岩、中等风化泥质砂岩及强风化炭质泥质砂岩、中等风化炭质砂岩组成；定向钻管道水平段选择在④3层中等风化泥质砂岩中穿越(图2)。

2.2 破损抢修方案比选

根据管道破损点现场周边环境,初步确定四套抢修方案(见表1)。

图2 定向钻管道所在地层图

序号方案优点缺点1采用直径2m钢套筒,机械在套筒内旋挖至管道破损点上方1m左右,再人工开凿至破损点下方1m进行破点修复。对周边环境影响较小,施工周期短,费用节省。人工下井20m开凿难度大;处于井下含油气、受限空间、有毒有害气体环境,动火作业修复管道,安全风险极高。2在原管位纵深地质层,重新进行定向钻穿越敷设新管道对地面环境影响较小,施工周期较短,施工质量保障,新管道线位清楚,投资相对节省。北15m内有在运行的B、C管道,南15m内还需要让G60高速公路拓宽,地质构造复杂,管道敷设空间十分狭小,定向钻施工安全风险较大。3重新规划路由,沟埋敷设新管道施工质量保障,新管道线位清楚。需穿越公路、桥涵、水渠,拆迁民房,周边影响及投资较大,施工周期长,政策协调难度极大。4将定向钻管道割断,用夯锤锤松,滑轮组将破损管道抽出,同时将新管道回拖替换。安全风险可控,费用相对节省,工期短。破损管道能否拉动未知,新回拖的管道防腐层质量不好控制,管道轨迹难以精确定位。

2.3 抢修方案确定

首先对现场情况进行分析：

1)根据地勘资料研判,水平定向钻管道主要位于中等风化泥质砂岩层,现场通过定向钻两端出入土点开挖洞口观察,原定向钻成孔良好,未出现大的坍塌,且孔洞内还留有大量原定向钻施工期间的稠状泥浆；对于重新在原孔内拖拉破损管道和新管道较为有利。

2)管道破损点泄漏的柴油只有少量喷涌到地面,离破损点480 m的定向钻出土点有部分油品渗出；分析研判是定向钻钻道内存在空隙,带压油品沿着破损管道外壁和钻道空隙挤压到出土点方向。

3)定向钻穿越段地下水丰富、水位较高。

据此,确定采用方案四,即将定向钻破损管道拖出,并在原孔内回拖新管道,之后与穿越段两端原有沟埋敷设管道连头。

3 破损管道抢修施工技术

整个抢修在定向钻入土点和出土点位置进行作业,关键施工技术是对破损管段两端带压封堵、清管拉拔以及新管线回拖安装等。

3.1 施工前安全措施

由于管道停输状态保压较高(破损管段就近站场表压为2.0 MPa),管道破损后泄漏量和泄漏范围较大,泄漏的油品易燃易爆；事故发生后立刻进行区域警戒，关闭破损点上下游线路截断阀,24 h泄漏巡查，油料回收，油气浓度检测，人员车辆疏散等。

3.2 带压封堵及置换

具体带压封堵施工工艺见图3。

其中需要注意以下几点：

1)带压封堵全过程进行可燃气体检测。

2)采用的管件与原管道设计压力等级一致。

3)使用DM管道检测仪探测定向钻管道两端基本管位、走向和埋深；然后人工开挖探管,确定管位后,再用人工和机械结合进行作业坑开挖。

图3 带压封堵施工工艺流程

4)作业坑施工场地需满足封堵设备布置、车辆(油罐车、消防车、吊车)停放、机械停摆、操作等需要。

5)带压封堵管道应先开平衡孔,后开封堵口,最后开收油孔。

6)确定封堵严密后,进行封堵段抽油作业。

7)定向钻管道(破损管段)截断切割前,封堵段管道用氮气置换油气。

8)完成管段切断后,考虑封堵时间较长,会导致皮碗泄漏,主管道两端口采用封头满焊密封；密封前先对焊接连头口管道内侧清理,使用黄油腻子密封,封堵有效长度不应小于1.5倍管道内径。

经过封堵、截断后,破损管段两端进行内壁清理,使用黄油腻子密封,黄油腻子距离管口不能小于300 mm,用清洗剂将管口清洗干净,在黄油腻子外侧表面喷涂干粉,然后进行可燃气体检测,处于危险警报含量以下,之后焊接带有排油、注水口的收发球筒,进行油品置换及清管作业。

3.3 新管道用材、焊接与检验

1)新管道采用Ф406.4×12.5 mm、L415钢管,每支长12 m,冷弯管现场制作,热煨弯管工厂定制；钢管、管件采购、制作按现行标准执行[1-3]。

2)在焊接施工前进行焊接工艺评定,根据评定合格的焊接工艺,编制焊接工艺规程[4]。焊接方式根据抢修工程线路现场条件,每10支管道焊接成一个拖管单元,整条定向钻管道分五段进行预制。采用手工电弧焊,下向焊操作[5],地面组焊,所有焊缝都采用100%X射线照相检验和100%超声波探伤检验,对于检验不合格焊口只允许一次返修,返修不合格必须割口[6-7]。

3.4 新管道清管、测径及试压

1)清管与测径 每一拖管单元试压前后分别进行清管、测径；五个单元焊接回拖后,整体试压前后再分别进行清管、测径；试压管段两端设临时清管器收发装置,清管球选择过盈量为管内径的5%～8%,采用带铝质测径板清管器,测径板直径为管道内径的90%,测径板通过无变形、皱褶,判定为合格,清管、测径压力小于管线设计压力[7-10]。

2)试压 在出土点设表,清管、测径过程中进行试压；强度试验压力取1.5倍设计压力,严密性试验压力为设计压力；试压水质为无腐蚀性洁净水,pH值为6～9[7-10]。

3.5 破损管道拉拔

选择现场条件较好的定向钻出土端,设置夯锤不断锤击破损管道,定向钻入土端设置钻机带动滑轮组牵引破损管道,进行夯管试拖。

1)夯锤、拖拉设备选型。

Φ406.4×8.7 mm、L415钢管的最低屈服强度为415 MPa,最低抗拉强度为520 MPa[11]；夯锤最大的锤击力不大于415 MPa,滑轮组最大拉力不大于520 MPa,据此选择合适的夯锤机和滑轮组。

2)破损管道回拖。

破损管道最初定向钻施工时,采用Φ406.4×8.7 mm主管道和Φ114×6 mm光缆钢套管一起自由回拖；考虑到Φ114光缆钢套管可能缠绕破损管道,将增加破损管道回拖阻力,且光缆钢套管未做防腐,强度有所下降,为防止光缆钢套管在回拖过程中可能拉断,本次只回拖Φ406.4×8.7 mm破损管道。

在出土端设置不同压力等级夯锤,锤击破损管道,破损管道受到锤击后管壁上的泥浆、碎土松动,如此持续2 min,然后在入土端用钻机牵引滑轮组(共5股组)拉拔；逐步增大锤击压力和牵引拉力,在300 MPa压力锤击过后,钻机牵引拉力显示4.2 MPa(实际拉力为4.2×5 MPa)时,破损管道被拉动；这时停止锤击,单用钻机牵引滑轮组拉拔,破损管道也被拉动了,钻机牵引拉力显示3.1 MPa(实际拉力为3.1×5 MPa)。

停止夯拉,在破损管道与新管道之间焊接长12 mΦ457×9.5 mm短管(图4),作为新管道回拖扩孔；入土端钻机牵引滑轮组重新开始拉拔,牵引拉力显著增大。当钻机牵引拉力显示7.4 MPa(实际拉力为7.4×5 MPa)时,破损管道和新管道一起被拉动；随着破损管道被拉出长度的增加,钻机牵引拉力逐步下降。压力记录见表2。

表2 管道锤击、拖拉压力表

3.6 新管道回拖

破损管道拉出和新管道回拖就位的过程中：

1)注入泥浆。

在破损管道拉拔及新管道回拖的整个过程中,水平定向钻出土端(新管道拖进洞口)设置泥浆池,连续调制，灌注泥浆,新管道经过泥浆浸泡后拖进洞口；同时在管道破损处再高压注入泥浆,以减轻管道回拖过程的摩擦,保护新管道防腐层。

2)短管扩孔。

Φ457×9.5 mm短管(图4)连着旧管道一起回拖,同时给新管道引成了扩孔回拖的空间。

图4 新管道回拖扩孔示意图

3)防腐层评价。

新管道采用3PE防腐,现场对回拖出来的部分新管道防腐层经表面清洗、察看,结果保持完好；用电火花检测没有发现防腐层漏点；管道连头后通过两端就近阴保测试桩进行防腐层质量评价,经专业的检测公司检测,结果全部合格,其中81.3%管段达到优级。

4)腐蚀预防措施。

为防止管道回拖过程中,3PE防腐层机械损伤,本工程在管段封堵井位置增设了2组牺牲阳极装置,以达到保护效果。

3.7 可燃气体检测

破损管道拉拔及新管道回拖过程中,需要大量的焊接拖拉头、破损管道割断、新管道焊接、安装收发球装置等明火作业,每道工序作业前须进行可燃气体检测。

3.8 新管道两端焊接、投油

1)新管道连头。

新管道回拖、清管、测径合格后,整体进行强度和严密性试验及可燃气体检测,采用陀螺仪进行管位精准测量；然后两端进行连头焊接、检验。

2)新管道投油。

连头焊缝检验合格后,先取出入土端(相对低点)封堵塞,开启入土点下游方向线路截断阀,出土端(相对高点)封堵器平衡孔排气并监视充油量。当平衡孔不再排气、少量排油后,将平衡孔封堵,再开启出土点上游方向线路截断阀完成投油。

4 结 语

此水平定向钻管道破损原孔回拖抢修能够安全成功,关键条件和因素是：

1)破损管段岩层地质稳定,定向钻成孔良好,没有塌孔或者较少塌孔；

2)地下水丰富,水位较高,使得原始泥浆始终处于湿润状态,没有完全固结抱死管道；

3)选择合适的夯锤锤击和滑轮组牵引,锤击压力不大于管道最低屈服强度,牵引拉力不大于管道最低抗拉强度；

4)管道回拖过程中采用Φ457 mm短管扩孔,始终在新管道拖进洞口、破损点注浆,增加润滑，减少摩擦，保护防腐层；

5)新管道回拖前后分别进行清管、测径、试压,整体连接后进行防腐层评价和牺牲阳极保护；

6)事故管段恢复投产后,对该段管道及前后管段进行高后果区识别、评价和管理。