张迪
江苏省沿海输气管道有限公司，江苏 南京210000
摘要：文中从海水环境泥浆配制、测量控向参数选取、降浮措施、导向孔钻进、回拖工艺等方面详细介绍了纳潮河定向钻穿越的施工方案，对施工过程中出现的问题和解决措施进行了总结，最后对大口径、长距离、高钢级管道的海相沉积地层穿越提出了建议。
关键词：定向钻；1422mm；长距离；海相沉积
0 引言
唐山LNG接收站外输管线项目（曹宝段）线路长度176.18km，沿线设置2座站场，9座阀室。管道设计压力10MPa，管径D1422mm，设计年输气量224亿立方米，日最大输气能力1.6亿立方米，线路用管为X80M直缝/螺旋缝埋弧焊钢管。管道沿线水域大中型穿越10处，铁路穿越13处，高速公路穿越12处。
纳潮河穿越位于唐山曹妃甸工业区内，穿越处管道设计压力为10MPa，输送温度为-3.6℃~20℃，地区等级为二级。穿越段钢管为D1422×30.8 X80M直缝埋弧焊钢管，防腐采用3LPE加强级。
1自然地理条件
纳潮河位于唐山市曹妃甸区，是当年曹妃甸在渤海湾围海造地时留下的一条1000m宽的地带，由于造地取砂，即形成了“河”。其主要功能是促进海水循环，恢复海岸线原有的海洋生态和动力平衡，保持曹妃甸洋流稳定，河流水位会随着海洋潮汐而发生变化。
纳潮河定向钻穿越位置常年水面宽度约1016m，平均水深约12m，100年一遇洪水冲刷深度为3.83m，冲刷高程为-12.5m。定向钻穿越设计水平长度1285m，实长1289.93m。
1.1穿越处地形、地貌
穿越场区地貌属于海相沉积平原地貌，地形稍有起伏，有较大的开阔地，地表平坦，局部低洼，两岸海拔在0.59～6m。两岸为人工吹填区，是曹妃甸岛能源化工外输管道管廊带。穿越轴线上、下游10-50m范围内分布有3条油气管道及2条热力管道。穿越环境极为复杂。
1.2水文地质条件
穿越场区位于渤海湾海域，地下水主要为潜水，其埋藏深度与潮汐变化相关，水位埋深为 1.3～1.4m。土层主要为粘性土和粉(砂)性土，属弱透水层，随海水的涨落呈干湿交替作用。
1.3工程地质条件
在勘察深度内，场区的地层主要分为5个工程地质层。描述如下：
（1）淤泥质土。流塑，主要成分为粉质黏土。层厚0.90m～12.60m，层底标高-15.22m～-2.10m，土石等级为I级，该层场区内普遍分布。
（2）粉砂。稍密～中密，饱和，矿物成分以石英、长石为主，含云母，颗粒级配一般。层厚1.35m～8.90m，层底标高-13.51m～-7.00m，土石等级为Ⅱ级，该层在场区分布普遍。
（3）粉质黏土。软塑，土质不均匀，含贝壳碎片。层厚1.20m～8.90m，层底标高-20.52m～-12.95m，土石等级为I级，该层场区普遍分布。
（4）粉质黏土：可塑，局部夹黏土薄层，土质不均匀。层厚1.70m～9.40m，层底标高-31.02m～-20.57m，土石等级为Ⅱ级，该层场区普遍分布。
（5）黏土。可塑～硬塑，局部夹粉质黏土，土质均匀性差。层厚2.50m～8.80m，层底标高-33.85m～-27.14m，土石等级为Ⅱ级，该层场区普遍分布。
2定向钻穿越设计
2.1工程等级
纳潮河穿越处常年水面宽度为1016m，水深约12m，根据[1]GB50423-2013《油气输送管道穿越工程设计规范》水域穿越工程等级与设计洪水划分，确定本处河流穿越工程等级为大型，设计洪水频率为 1%。（百年一遇）。
2.2穿越地层选择
综合考虑冲刷线、出入土角、曲率半径等因素，纳潮河定向钻穿越层主要为第四层粉质粘土层。
2.3出入土点选择
纳潮河穿越位于曹妃甸工业园区内，河流两岸均有较好的道路通往穿越场地附近，均适合钻机组装施工。北岸场地更加宽阔，便于管道回拖施工，满足定向钻施工场地要求。因此定向钻入土点设置在南岸，出土点设置在北岸。
2.4穿越曲线设计
入土点距离南岸112m，入土角为10°，出土点距离北岸151m，出土角为5°。曲率半径为1500管道外径。穿越水平长度为1285m，实长1289.93m。
2.5穿越段用管选型
穿越段设计压力为10MPa，设计系数取0.4，经核算，穿越段直管及返平用冷弯弯管选用D1422*30.8mm X80M直缝埋弧焊钢管，返平用热煨弯管选用D1422*33.8mm X80M直缝埋弧焊钢管。
3定向钻施工关键工序
纳潮河定向钻施工关键工序包括海水环境泥浆配制、导向孔施工、扩孔施工及管道回拖等。
3.1泥浆配制
为防止施工过程中潜水对泥浆体系侵蚀，保持泥浆表观粘度、PH值等。本工程采用了特殊的能够与海水结合稳定的膨润土，配置了海水泥浆体系。根据工程地质参数，结合[2]GB50424-2015《油气输送管道穿越工程施工规范》对泥浆漏斗粘度要求，本工程海水泥浆配方为：海水+0.15%Na2CO3+0.2%NaOH+9%改性膨润土MFC-1+0.2%滤饼剂FLA+0.5%增粘剂HVIS，具体性能参数见表1。
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3.2导向孔施工
3.2.1钻机选型
根据GB50423-2013《油气输送管道穿越工程设计规范》5.2.3条计算回拖力：
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式中： FL－穿越管段回拖力（kN）；
L－穿越管段长度1285.93m； D－穿越管段的钢管外径，1.422m；
δ －钢管壁厚，0.0308m； γs－钢材密度，78.5kN/m3；
γm－泥浆重度，12kN/m3； f －摩擦系数，取 0.3；
K－粘滞系数，取 0.175 kN/m2； Wf－回拖过程中单位长度配重，取9.1kN/m；
Wf－回拖管道单位长度配重（kN/m）；K-粘滞系数（kN/m2），取0.175。
经计算：回拖力F=1329kN
根据国内、外的经验，[2]一般施工时取回拖力的值为计算回拖力的1.5～3倍，由于本工程主穿越地层为粘土层，取3倍的安全系数，设计回拖力取值为不小于3987N，即选取回拖力大于400T的钻机即可进行本次穿越。
施工中采用最大回拖力为500T的钻机，在推管机助力下，成功的完成了本次穿越。
3.2.2测量控向参数
本次导向孔钻进，要求单根钻杆改变角度最大不超过0.26度，四根钻杆连续改变角度不超过0.7度。
导向孔钻进过程中，陆地段采用人工磁场线圈，水域段采用磁耙配合GPS辅助定位的方式，每钻进50-100米进行一次磁场校正，确保导向孔的控向精度。
3.2.3导向孔钻进
结合使用Paratrack II控向系统和磁信号电缆，将钻机沿着设计穿越曲线钻进。导向孔钻具组合：10-1/2″三牙轮钻头+1.75°造斜短接+7″无磁钻铤+6-5∕8〞钻杆。导向孔施工过程，使用大泥浆排量，在钻进过程中充分带出钻进产生的钻屑，保证孔洞的畅通。
3.3扩孔施工
本次定向钻穿越管径为1422mm，扩孔直径为1778mm，扩孔级数为六级。每扩三级洗一次孔。各级扩孔级洗孔钻具组合及扩孔尺寸见表2.
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在扩孔施工中，应选用合理参数进行施工，并参照下列公式保证泥浆的压力和流速，提高携带能力，减少岩屑床的生成。
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V排：理论泥浆排量（m3/min）；D：当前扩孔尺寸(m)；
d：上级扩孔尺寸（m）；θ：返浆含沙量（%）；
δ：泵入泥浆含沙量（%）。
在每级扩孔施工中，根据返浆含沙量以及扭矩变化来确定是否洗孔，避免发生卡钻、抱钻等情况。
3.4管道回拖
3.4.1降浮措施
根据[3]CDP-G-OGP-PL-009-2012-1《油气管道水平定向钻穿越技术规定》中11.2.4规定：当管道在钻孔中的净浮力为大于2kN/m的上浮力时，应采取浮力控制措施。本工程管道的净浮力为8.3kN/m，应采取降浮措施。
本次回拖降浮措施采用外径900mm壁厚42.9mm的PE管进行管外注水降浮，注水与回拖同步进行。配重后管道合力为0.7kN/m，方向向下。为保证上水量与回拖速度同步，达到降浮效果，本次穿越管道回拖平均速度控制在2.05m/min。
3.4.2回拖工艺
管道回拖是水平定向钻穿越施工中的最后环节，也是最重要的环节。由于本次穿越管径为1422mm，为保证管线入洞角度与设计曲线的出土角度相吻合，并达到规范要求的曲率半径。本次穿越采用了“发送坑+发送沟”的施工方式。发送坑开挖长度为46米，深度约为4米，沿出土点至入土点方向的中心线按出土角度放坡，形成自然“猫背”。“猫背”后侧使用双侧沉管方式开挖2米深，底部宽1.4米，顶部宽5.4米的发送沟，管沟内铺防渗膜后注水，注水高度达管线1/2以上，减小回拖阻力。
回拖钻具组合：6-5/8"钻杆+60"桶式扩孔器+500t万向节+D1422穿越管线。
4施工过程问题总结
经过61天的紧张施工，2019年11月17日凌晨1时58分，历时26个小时，纳潮河定向钻穿越一次性回拖完成，创下了国内最大口径1422mm管道海底定向钻穿越的新纪录。但在施工过程中也暴露出了一些问题，总结如下：
（1）本次回拖，在管线回拖超过1000m时，回拖力逐渐增大至约400T，出现了抱管现象。现场采用了300T的推管机进行助力，最终顺利完成回拖。根据实际数据，本次回拖最大回拖力（钻机+推管机）达到了537T，已超出了所选钻机的最大安全拉力。暴露出了钻机选型偏小的问题。
（2）发送坑开挖不规范，“猫背”高点过高，由于管道管径大、钢级高，导致管头入洞困难，后经调整，降低“猫背”高点高度后，管头顺利入洞。
（3）前期回拖速度过快，上水量不够，降浮不到位，导致回拖力增大。
5结束语
本次纳潮河定向钻穿越成功为今后大口径、高钢级管道海相沉积等复杂地层定向钻穿越工程的设计和施工提供了经验基础，结合现场实际穿越施工情况，建议如下：
（1）对于大口径、高钢级管道定向钻穿越工程，为降低施工难度及风险，应合理的设计出土角度，以减小管头入洞难度。经计算，当出土角取6°时，出土端发送沟起吊点最大高度比取5°时高 1.9m，且对回拖曲线圆弧精度控制要求较高。由于1422mm管径的管道重量大，采取吊篮方式作业风险极高，因此出土角度建议选取5°。
（2）对于复杂地层穿越，应根据主穿越地层情况，尽量选择吨位较大的钻机。回拖力计算时取3倍的安全系数，并在此基础上充分考虑部分余量。
（3）对于降浮措施应给予足够重视。回拖前根据计算，合理的选择注水方式、设备以及回拖速度，保证上水量与回拖速度同步，真正达到降浮效果。
（4）对于海相沉积地层，应对穿越场区的海水进行取样，并通过多次泥浆试验，进行科学配比确定泥浆体系，防止潜水对泥浆体系侵蚀，保证回拖过程中泥浆的稳定性。
（5）对于解卡工法，建议采用夯管锤加推管机的组合方案。在回拖过程中，如果钻机回拖力过大，为避免地锚碎裂，可使用推管机增加部分回拖力。如果回拖时发生卡钻的情况，可在管尾安装夯管锤进行锤击，也可使用推管机反回拖管道，降低损失。
参考文献：
[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部．油气输送管道穿越工程设计规范: GB50423—2013［S］．北京: 中国计划出版社，2014:7.
[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部．油气输送管道穿越工程施工规范: GB50424-2015［S］．北京: 中国计划出版社，2015:11.
[3] 中国石油天然气股份有限公司天然气与管道分公司.油气管道水平定向钻穿越技术规定:CDP-G-OGP-PL-009-2012-1.2012:7.