水平定向钻管道回拖受阻原因分析及措施

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1、水平定向钻管道回拖受阻原因分析及措施刘艳利;周号【摘 要】介绍几种常见的管道回拖和抢险的辅助措施,包括滑轮组、夯管锤、推管 机以及抢险拉力机.在水平定向钻施工抢险过程中不能长时间停泥浆泵,以防止泥浆 固化.夯管锤助力回拖是最为常见的抢险措施.推管机既可以助力回拖也可以反向抢 险回拖,对工程保障最为有利.滑轮组抢险没有监测数据,实际效果不稳定.而抢险拉力 机有监测数据,该装置可自动控制,连续张拉,同时具有过载安全报警装置,确保施工安 全;多台拉力机联合使用时由远程控制装置控制液压拉力机协同工作、自动同步,技 术优势明显.期刊名称】石油工程建设年(卷),期】2016(042)002【总页数】4页(

2、P55-58) 【关键词】 水平定向钻;管道;回拖;抢险【作 者】 刘艳利;周号【作者单位】 中国石油天然气管道科学研究院,河北廊坊 065000;中国石油天然气 管道科学研究院,河北廊坊 065000【正文语种】 中 文水平定向钻是一种通过地表设备以一定的出、入土角度穿越障碍物的非开挖技术。 该技术起源于钻井行业，20世纪60、70 年代取得长足发展，主要应用于市政工 程建设。1986 年我国首次将该技术应用于黄河石油管道穿越，该技术具有工期短 成本低的特点，并随着我国管道建设的发展得到广泛应用。随着水平定向钻穿越项目的管径逐渐增大，由720 mm到1 219 mm，乃至中俄东线的1 422

3、 mm，孔洞成孔质量控制难度增加，塌孔、卡钻问题增多，从而导致管道回拖阻力过大。本 文针对管道回拖时常见的问题，进行了原因分析并给出了解决措施。水平定向钻管道回拖受阻会导致定向钻穿越失败。其内因是，穿越地质条件超出了 定向钻技术的适用范围，孔径不断突破定向钻扩孔直径极限，导致成孔质量不可控； 外因是施工过程中采取的预防和处置措施不当。正常的管道回拖阻力通常由回拖管道与成孔内壁之间摩擦阻力、回拖管道拖拉头管 端阻力以及管道弯曲与孔壁引起的附加阻力构成。成孔质量较好时，回拖阻力主要 是管道与成孔内壁之间摩擦阻力，其大小可由下式计算：式中：FL为计算回拖力，kN ； L为穿越管段的长度，m ； f为

4、摩擦系数，取0.3;D为钢管的外径,m；Ym为泥浆重度，kN/m3，可取10.5 12.0 ；ys为钢管重 度，kN/m3，取78.5 ;S为钢管壁厚,m;Wf为回拖管道单位长度配重，kN/m ; K为粘滞系数,kN/m2 ,取0.18。当定向钻成孔较差，其断面有大有小、有高有低，钻屑堆积，穿越轨迹也不平滑。 回拖时管端前部钻屑累积，形成管端阻力，而当时回拖管道局部曲率半径小于1200 D时，会产生与孔壁的附加阻力。两种阻力具体大小难以计算，客观上取决 于穿越岩土层的性质，一般情况下管道在孔内拖动的距离越长、穿越轨迹偏差越大， 两种阻力就越大。1.1 地质条件水平定向钻适宜在岩石、砂土、粉土和

5、黏性土地层施工，不适宜在弱胶结的中粗砂 层、卵砾石层进行穿越施工，这些地层结构松散，成孔稳定性差，极易发生塌孔埋 钻，造成很大的回拖阻力。但工程往往有各种具体原因需要定向钻穿过这些地层， 这时就必须采取一些措施来降低施工风险，例如采用夯套管隔离卵砾石，采用性能 更好的泥浆来护壁等。尽管采取了辅助措施，但是管道回拖受阻不可避免，因为较 大的卵砾石难以被泥浆携带，留在孔道内越聚越多，使管道回拖时造成卡钻。1.2 终孔直径和扩孔级数水平定向钻最终扩孔直径一般为回拖管道直径的1.21.5倍。扩孔级差一般为6、 8 12 in( 1in = 25.4 mm )，当然扩孔级差因钻机吨位大小和与之匹配的泥浆

6、泵 排量有所变化。这就意味着终孔直径越大，扩孔级差越小，扩孔次数越多。对于稳 定的岩石层和黏土层来说，减少扩孔级差，多次扩孔有利于携带钻屑，成孔质量容 易保证，形成更大直径的终孔，更利于管道回拖。但对于绝大多数土层、砂层等承 载力较差的地质条件，水平定向钻施工时扩孔器会产生沉降，扩孔器沉降幅度与扩 孔速度和扩孔时间成正比。同时扩孔器在竖直方向会产生振动，振动速度的变化范 围为380-320 mm/s1。孑L洞经过多次扩、洗孔，钻具对孔壁不断抽吸、搅 动，导致孔洞成孔剖面不是理论上的圆形，而是水滴形、梨形、葫芦形等多种形状， 导致定向钻穿越轨迹存在偏差，同时过大的纵向高度使孔洞稳定性降低，易塌孔

7、卡 钻，影响正常的管道回拖2。1.3 夯套管 复杂地层的卵砾石一直为水平定向钻穿越禁区，主要是由于卵砾石层地质较为松散、 地质破碎，且卵砾石大小不等，软硬不一，极难成孔3。随着技术发展，目前 有3种施工工艺可通过卵砾石层。第一种是直接开挖，去掉表层卵砾石；第二种 是注水泥砂浆，进行地质改良，制造人造岩体；第三种是采用夯套管，隔离卵砾石 层。施工设计通常采用夯套管技术，然而采用该工艺有一弊端就是套管与基岩接合 处容易形成台阶，主要原因是结合部强度相差较大，扩孔时扩孔器与钢套管旋转切 割时间较长，容易造成钢管破损，甚至卷曲。扩、洗孔次数越多，形成的台阶越明 显。当然夯套管的入土角度也比较重要，特别

8、是大多数的夯套管施工，由于重力作 用其实际入土角度要大于其设计入土角度(少数角度上倾，如洛阳-驻马店成品油 管道黄河定向钻穿越工程)，穿越轨迹的不平滑过渡也会增加形成台阶概率。这些 台阶会阻卡管道，增加回拖阻力，甚至使回拖失败。1.4 其他除了上述影响管道回拖力的因素以外，回拖管道的配重、管道吊装位置和猫背角度 大小、滚轮架的多少或发送沟的长短曲直都会影响管道的回拖力。甚至是钻具的损 坏，例如漕港河穿越施工中拖拉头轴承损坏；西气东输二线东段琶江穿越，出现扩 孔器牙轮脱落，导致回拖受阻。水平定向钻管道回拖受阻，是继续助力回拖还是反向回拖管道进行重复洗孔，可根 据回拖力增加幅度、回拖速度减缓程度以

9、及回拖管道的距离综合考虑。如果已经回 拖了大部分穿越的管道，而且回拖力增加有限，一般采取继续回拖；为了避免加力 造成的断钻杆风险，通常采取助力回拖方式。助力回拖最常见的方式是夯管锤助力 回拖，还有一种比较新颖的助力方式是推管机助力。2.1 夯管锤助力国外在水平定向钻施工中，通常采用夯管锤助力的方式解决管道回拖受阻的问题。美国阿拉巴马州科登滩海穿越工程管径为914 mm，穿越水平长度为1 371.6 m , 该工程主要地质为砂层、黏土和淤泥。预计回拖力2 254 kN( 230 t)，钻机采用3 430 kN ( 350 t)钻机。由于埋深在35-45 m为弱胶结的黏土，在此区域出 现塌孔，回拖

10、力达到3018kN ( 308t)未能拖动管道。为了保证钻具和管道的安 全，立即启动紧急预案，采用夯管锤助力回拖(见图1 ) ，当钻机拉力达到1 333 kN ( 136 t),解卡成功，顺利完成管道回拖。2.2 推管机助力推管机助力回拖来源于海瑞克公司的直接铺管法，该技术将小型隧道掘进设备和水 平定向钻技术结合，即将顶管所需的推力由推管机通过管道提供给机头切削刀盘。最大规格推管机可以产生7 350 kN ( 750 t)的推力通过推管机的夹持器同时推 动小型隧道掘进设备和管道，每个行程5 m。广东省天然气管网二期工程的珠海LNG管道崖门水道定向钻穿越工程位于珠海和 江门交界处的珠江水系入海口

11、的黄茅海水域，穿越管径1 016 mm ，穿越长度2 700 m 。穿越地质复杂，软硬交错，主要地层为全风化的花岗岩、砾砂层和残积土 层。该定向钻工程于2012 年12月开工，2013 年7月开始管道回拖，管道回拖 至1 250 m处出现回拖力增大，最大启动回拖力达到2 940 kN（300 t）未见移 动，于是采取推管机HK500PT助力回拖。首先将推管机与地锚固定连接，采用地 锚箱浇筑混凝土方式作为地锚，推管机夹持器有橡胶层防止对管道防腐层破坏，根 据钢管口径设定夹持器压力，然后根据工况再设定推力，准备就绪后开始助力回拖 当推管机推力达到784 kN（80 t）时，管道开始移动，实现解卡。

12、此后又在1 400 m 等多处间歇采取推管机助力回拖，在最后几十根钻杆的回拖施工中，每根 钻杆都需要助力回拖，最终在7月31号回拖顺利完成。这是推管机助力回拖技术 在我国首次应用。3.1 滑轮组加夯管锤抢险 滑轮组抢险设备是由卷扬机提供拉力，通过滑轮组多级增力。为了保证回拖吨位通 常采用多组卷扬机并联（见图2），同时为了达到更好的抢险效果，避免弹性回缩 可与夯管锤配合使用4。其施工简单，成本低廉，应用最为广泛。涩宁兰复线 某穿越工程，定向钻穿越水平长度1 309 m,曲线长度1 310.6 m ,穿越入土角 16，出土角9,河床处最大埋深40 m。该工程前1 000 m管道回拖时，钻杆回 拖数

13、据一切正常，拉力为853 kN （87 t）左右，到109根时，拉力增加到980 kN （100 t），随后逐渐增加拉力到2 352 kN（240 t）后，拉力骤降，钻具与回 拖管道脱离。事故发生后，立即采用5 880 kN（600 t）滑轮组和19 600 kN （2 000 t）夯管锤组合解卡方案，当滑轮组拉力达到2 450 kN（250 t）时，钢管缓 慢均匀移动,解卡成功,三天后将拖入洞内的钢管全部拖出。3.2 推管机抢险 推管机抢险与推管机助力回拖工法类似。因为推管机由油缸提供顶推力，既可以回 拖助力，也可以反向回拖抢险。中亚阿姆河定向钻穿越工程，管径1 422 mm，穿越长度1 8

14、00 m,入土角7, 出土角6 ，主要穿越地质为含细砾石砂岩，分六级扩孔，最终扩孔直径为1 829 mm（72 in）。考虑到管径和长度，设计了海瑞克推管机HK750PT助力降低施 工风险（见图3）。由于成孔质量较好，穿越轨迹平滑，并且采用800 mm的PE 管配重，使得管道最大回拖力在1617kN（165 t）左右，最终不需要推管机助力 就完成了管道回拖。3.3 抢险拉力机目前采用的滑轮组抢险方式，每牵引46 m就需要人工逐次调整倒行程，需要调 整钢丝绳入位；没有拉力监测数据,钢丝绳拉断容易伤人,并且到底耗费多大拉力 也没有依据。因此,开发了采用钢绞线传力的液压抢险拉力机。抢险拉力机是以液

15、压油为动力,推动油缸、活塞往复运动,使前夹持器和后夹持器进行荷载转换,从 而实现管道牵引、重物回拖的一种新型牵引设备。该机选用公称直径为 17.8 mm, 抗拉强度为1 860 MPa的高强度、低松弛钢绞线作承力件，其主要技术参数见表 1。该套设备共有3组，可提供最大5 880 kN （ 600 t）回拖力。2014年12月,课题组将研制的2组抢险拉力机在河北廊坊进行牵引试验的测试 （见图4）。该试验由2根12 m长的D 813 mm钢管，3个横梁，2台5 t卷扬 机，20个滑轮以及钢丝绳等组成。一端焊接横梁I,并固定2台抢险拉力机，另 端焊接横梁口，横梁口上布置2台卷扬机和10个定滑轮，横梁

16、皿一端焊接10 个动滑轮组，通过钢丝绳与卷扬机连接，另一端通过D 17.8 mm钢绞线与抢险拉 力机连接。卷扬机提供阻力,通过滑轮组放大阻力用于抢险拉力机牵引。该实验结 果表明：抢险拉力机完全可以应用于管道回拖抢险,提高管道抢险时效。在水平定向钻施工抢险过程中要当机立断，不能长时间停泥浆泵，以防止泥浆固化。夯管锤助力回拖是最为常见的抢险措施，推管机既可以助力回拖也可以反向抢险回拖，对工程保障最为有利。在抢险措施中滑轮组抢险没有数据监测，实际效果不稳定。而抢险拉力机有数据监测，该装置自动控制，连续张拉，同时具有过载安全警报装置，确保施工安全；多台拉力机联合使用时由远程控制装置控制液压拉力机协 同工作、实现自动同步，技术优势明显。刘艳利（1980-），男，河北徐水人，工程师，2005 年毕业于河北科技师范学院， 硕士，现主要从事非开挖技术的研究工作。Email：【相关