摘要：天然气管道回拖是天然气管道定向钻穿越施工的最后一道工序，也是最为关键的一步。为减少回拖布管场地的面积，定向钻回拖往往需要采用“多接一”回托法， 该回拖法对施工的过程控制提出了很高的要求。本文通过杨家相定向钻Ø813mm管径天然气管道 “四接一”回拖作业的成功实践，分析归纳了“四接一”定向钻回拖的施工方法、施工过程控制要点及难点，为今后类似的穿越工程提供参考。
关键词：山东工业技术杂志投稿,定向钻回拖,四接一大管径天然气管道
引言：天然气管道回拖是天然气管道水平定向钻穿越施工的最后一道工序，也是最为关键的一步。定向钻回拖需要在出土点一侧留有足够的场地用以布管，一般情况下，用于回拖的布管场地要具有预制整条穿越管段的长度，但在实际工程中，受施工场地及地形限制，这一条件往往得不到满足。此时，需要根据现场条件将预制管道分两根或多根并列布置，在回拖时，先将第一根管道拖入导向孔内，然后将第二根管道与第一根管道连接，完成连接后，再将第二根管道一并拖入，即所谓“二接一”作业(“多接一”回拖方式类似)。“二接一”或“多接一”回拖方案可大大缩短布管的长度，但由于管道在导向孔内的回托过程不连续，也增加了钻孔塌方与抱管(导向孔四周土壤在土应力作用下将管道牢牢抱住)的风险。“二接一”或“多接一”回拖方案需根据回拖管道材料质量、场地、焊接检测、穿越段地层、钻孔岩芯的完整程度等多种因素确定。以往，“二接一”或“多接一”回拖方案多用于小管径天然气管道(一般管径小于360mm)的回拖，而大管径天然气管道由于相对风险大，较少应用。2014年5月，在浙江省天然气管网建设的杨家相定向钻工程中，首次在国内Ø813mm大管径上采用“四接一”回拖作业，即回拖管线共组焊4段管道，回拖过程中需要组对焊接3次，在项目建设单位的周密策划与指挥下，该定向钻回拖工程最终顺利完成
1工程概况
杨家相定向钻穿越工程为浙江省天然气管网金华-衢州配套输气管道工程的一部分，穿越所用输气管规格为Ø813mm×14.3mm三层PE加强级外防腐 L450 LSAW直缝埋弧焊钢管，设计压力为6.3 MPa，导向孔长度780米，导向孔深度为27米。 杨家相定向钻穿越回拖采用“四接一”方式，由于组对焊接和焊口检测的时间较长，容易导致钻孔塌方与抱管，从而造成回拖托失败，因而“四接一”回拖方式对回拖作业的过程控制有很高的要求。
2 地层适宜性
根据现场地质调查与测绘，杨家相定向钻场区地形相对较平坦，穿越区域内未发现断裂、滑坡、塌陷、泥石流等不良地质作用，场地稳定性较好。拟建场地勘察深度内揭露地层岩性有素填土、粉质粘土、卵石、强风化泥质粉砂岩及中等风化泥质粉砂岩。揭露地层工程地质评价如下(定向钻穿越段某一勘测点的地层剖面图见图1)。
① 素填土(Q4ml)：松散，以粉质粘土及泥质粉砂岩为主，含有少量碎石，埋深较小，对定向钻穿越施工影响不大。该层厚度为0.40-9.70m。
② 粉质粘土：可塑，为定向钻穿越有利地层，分布不稳定，在丘间平地内有分布，该层厚度为1.10-3.40m，厚度不大。
③ 卵石：中密-密实，饱和，粒径一般为20-60mm，含量为50-55%左右，最大可见80mm以上，呈亚圆形-圆形，母岩成分以石英砂岩、砂岩为主，其他以粘性土及中粗砂填充，该层不利于定向钻穿越施工，分布不稳定，埋深不大，厚度为2.90-4.00m。
④1 强风化泥质粉砂岩：岩石风化强烈，裂隙很发育，岩石破碎，呈碎块状、块状，浸水易软化。该层不利于定向钻穿越施工，出入土位置会穿越该层，厚度为0.60-2.10m。
④2 中等风化泥质粉砂岩：场地内稳定基岩，岩芯多呈块状-短柱状，节长一般为8-15cm，最长可见45cm，属软岩~较软岩，RQD=10-95%。可作为定向钻穿越主要层位，勘察未揭穿该层，最大揭露厚度39.60m。
根据拟建场地内钻探揭露地层分布情况，将④2中等风化泥质粉砂岩作为定向钻穿越的主要层位。该层为软岩~较软岩，遇水易软化，因此施工时需防止缩孔现象，及时扩孔、及时回拖。④1强风化泥质粉砂岩层为定向钻穿越不利地层，处理不当易塌孔、卡钻，施工时需根据地层变化采取合理的泥浆配比和注浆压力对孔壁进行加固。
图1 杨家相定向钻勘测点的地层剖面图
3 扩孔洗孔施工过程
由于本次回拖管线为“四接一”形式，管道回拖存在一定风险，为减少风险，特别增大一级扩孔孔径，使最大扩孔孔径达到50英寸(1270mm)为 Ø813mm回拖管道的1.56倍。由于管道回拖不是连续施工，管道回拖一段后需在孔内停留，同时进行管道组对连接，扩大孔径能减少回拖管道因在孔内停留时间过长而导致的“抱管”风险以及“再次起步难”的风险;当50英寸扩孔施工结束后进行洗孔作业，洗孔作业时做好洗孔参数记录，洗孔结束后进行参数比对，如参数比对后发现扭矩较大则再次进行洗孔，直到洗孔参数扭矩稳定且压力表无突变时再进行管道回拖作业。具体扩孔洗孔作业如下：
1、导向孔施工采用9寸半岩石钻头+泥浆马达进行施工;
2、第一级18英寸扩孔施工采用牙轮岩石扩孔器，出土侧200米内扩孔容易，入土侧100米内扩孔容易，中间段扩孔慢，个别单根钻杆(9.5米长)扩孔使用时间在250分钟以上(岩石硬，扩孔速度慢);
3、第二级26英寸扩孔采用滚刀式岩石扩孔器，扩孔完成510米，后在反向推杆过程中，扩孔器在距离出土点40米位置时发生卡钻，后经滑轮组助力成功解卡将扩孔器退出孔内，此时分析孔内有塌孔点，故发生卡钻现象;根据穿越场地周围山体裸露岩石层分析得出卡钻是由于距离出土点较近的岩石层掉落岩石，导致在距离出土点40米位置发生卡钻;
4、扩孔器解卡后在入土侧采用26英寸扩孔器进行正扩法施工，并完成剩余270米26英寸扩孔施工，即26英寸孔全部贯通;
5、入土侧采用550mm桶式扩孔器进行正扩法洗孔作业，洗孔作业时泥浆粘度控制在80秒以上，泥浆流量在1.3立方米/分钟;在距离出土点150米时开始降低洗孔速度，使此段碎屑随泥浆流出孔外;
6、后几级扩孔施工时为保证出土侧不发生卡钻，适当降低扩孔速度，防止发生卡钻;并根据钻机显示数据参数，合理安排洗孔作业;
7、由于采用“四接一”回拖法，为了避免因组对焊接和焊口检测时间过长导致回拖管道在孔内发生抱管，决定扩孔孔径达到50英寸(1270mm)，降低管道回拖风险;
4 回托施工过程
(1) 回拖钻机选型及钻具组合
根据杨家相定向钻穿越勘测资料和定向钻穿越长度，初步计算确定规格为Ø813mm×14.3mm的输气管在正常施工情况下的最大回拖力为139吨。由于杨家相定向钻回拖采用“四接一”方式，按2.5倍安全系数计算最大回拖力为347.5吨，为保证穿越施工顺利进行，考虑还要有足够安全系数，即保证设备有一定的储备能力。因此，杨家相定向钻回拖决定采用GD4000-L水平定向钻机，最大回拖力为400吨，符合施工作业需求。杨家相定向钻管道回拖主要设备参数见表1。
表1 杨家相定向钻管道回拖主要设备参数表
杨家相定向钻回拖所用钻具组合如下：
5寸半双台肩钻杆+900mm桶式扩孔器+500T分动器+500T U型环+780mØ813×14.3回拖管道(四段管道累计780m)。图2为回拖所用钻具组合示意图。
钻杆、钻具在使用前均有专人进行逐根检查，主要检查扣型、丝扣磨损、钻杆、钻具是否有裂纹，各连接部位是否牢固。
图2杨家相定向钻回拖所用钻具组合示意图
(2) 回托管道发送方式与控制
杨家相定向钻回拖场地受地形限制，采用组合式发送管道，具体如下：
① 出土点后挖60米发送沟并注水，发送沟深不小于1米，宽不小于1米;
② 90米长斜坡打土堆：首先用挖机把钢管分段吊起，每隔钢管长度距离15米处搭一个土堆，用挖机把土堆压实。拖管时在管道上采用浇水方式，使土堆泥土松软，同时土堆上用人工放置膨润土，利用膨润土的润滑性减小管道与土堆的摩擦。在拖管的过程中安排专人在拖管的场地内来回巡视检查钢管，以防钢管从土堆滑落。如出现滑落应及时通知现场负责人暂停回拖，重新做好后再进行管道回拖;
③ 100米长坡顶吊装：坡顶平面处回拖管道每15米使用1台挖掘机吊装发送管道，坡上与坡顶之间的拐点处每10米使用一台挖掘机，管道吊装高于地面20公分以上，管道吊装时吊带禁止安放在管道连接焊口处。吊装发送时出入土两侧使用对讲机进行有效沟通，当坡顶管道全部吊离地面后入土侧在现场总指挥的命令下进行回拖作业，保证防腐层不因摩擦拖拽导致损坏。
杨家相定向钻管线回拖地形剖面示意图见图3，回拖现场照片见图4。
图3杨家相定向钻管线回拖地形剖面示意图
图4杨家相定向钻管线回拖现场施工照片
由于回拖管道为“四接一”方式，故管道组对焊接时孔内泥浆处于静态，为防止泥浆静态时间过长，入土侧泥浆泵每30分钟向孔内注入泥浆让孔内泥浆循环(泥浆粘度控制在50秒附近)，每次注浆时间不少于15分钟，防止因等待时间过长导致孔内泥浆中钻屑沉淀，引起管道回拖阻力增大及二次回拖钻机起步困难。
5回托作业时间控制
杨家相定向钻回托作业时间是回拖成败的关键因素，回托作业时间越长，导向孔内发生钻孔塌方与抱管的几率就越大，因此，如何有效合理控制回托作业时间成为回拖施工管理的重点。杨家相定向钻回托作业时间计划见表2。
表2 杨家相定向钻回托作业时间计划表
实际回拖施工过程中，第一段回托管组前的扩孔器入土至出土时间为24小时，比计划提前3个小时完成回拖作业。
针对杨家相定向钻“四接一”的回拖方式，项目建设单位为控制回拖施工时间而采取的措施如下：
① 钻机及相关设备回拖前做好全面检修及保养，不因设备维护导致管道时间加长;
② 管道组对、焊接选择经验丰富的管工和焊工，以保证焊接质量，确保焊接一次性合格;
③ 焊口检测单位选择距离施工地点较近地点设一暗室(评片专用)，进行洗片作业，减少因路程遥远而耗费时间，当焊口检测评定合格时立刻电话通知现场，然后进行管道回拖;
④ 管道回拖时出入土两端使用对讲机有效沟通，当回拖到管道最佳焊口组对位置立刻停止回拖，然后进行管道组对、焊接;采用两人对焊，手工下向焊打底，半自动填充盖面的方式，2人完成根焊，2人填充盖面焊。根焊采用下向焊、填充盖面采用手工半自动焊。
⑤ 管道组对吊装提前预备4台以上小松360挖掘机，以利于管道的组对，每个挖掘机手配一台对讲机，以便各挖掘机在吊装组对时协同操作，提高组对吊装的效率;
⑥ 焊接发电机及电焊机均准备两套，以防设备出现异常情况延误时间。
6 总结
杨家相定向钻穿越工程由于在Ø813mm大管径上采用“四接一”回拖方式，对回拖作业的过程控制提出了很高的要求。为防止回拖过程中可能出现的钻孔塌方与抱管，施工工艺作了相应的调整，最大扩孔孔径扩大至回拖管道管径的1.56倍，并采取有效措施控制回拖作业的施工时间，为成功回拖管线打下了坚实的基础。这是定向钻穿越领域内一个有益的探索与实践，为今后类似的穿越工程积累了经验。
参考文献
[1] 马保松. 非开挖工程学[M]. 人民交通出版社，2008.11.
