计算措施及回拖施工工艺
摘要：长输管道工程定向钻穿越施工回拖大管径、超长距离管道时，由于钻孔中的泥浆产生的不平衡浮力，随着管径增大和长度增长管道在泥浆中产生的浮力与钻孔之间的摩擦力、管道与孔壁大面积接触差产生挤压造成的孔壁垮塌。通过现场经验和管道回拖过程中泥浆浮力计算分析，采用回拖管道内安装注满水的聚乙烯管的方式，均匀的平衡掉泥浆产生的浮力，有效的降低了回拖管道与孔洞的摩擦面积，从而减少了摩擦力，同时减少了管道与孔壁之间的挤压，降低了孔洞垮塌的风险，极大提高了定向钻穿越回拖一次成功率。
关键词：定向钻；穿越施工；配重降浮；管线回拖 1概述
在青宁输气管道工程新沭河定向钻穿越工程中，管道施工长度2133m、规格φ1016mm，通过在定向钻穿越管道内安装注水聚乙烯管的方法，给穿越管道提供配重用来平衡掉穿越管道在成型孔内受到的浮力，减少了穿越管道与成型孔之间的摩擦力。配重重量可通过注水量、聚乙烯管管径和数量来调节。取得了良好的经济效益和社会效益，创造了中国石化长输管道工程建设史上同时期同规格定向钻穿越之最。
2配重降浮施工
2.1 泥浆对回拖力的影响
定向钻扩孔过程中，因扩孔器本身重量的原因，在扩孔的过程中中心轴线会在扩孔过程中向下偏移，扩孔完成后，从孔洞的截面上看往往会形成一个上部小、下部大的近似梨状的孔洞。因为孔洞内充满泥浆，回拖过程中管道受孔洞内泥浆的浮力作用向上浮起程度随着管道管径和长度的增加而增加，孔洞内的管道受到
的浮力会很大，此时的管道会浮在孔洞的上部，梨状孔洞上部小、下部大，极有可能导致回拖管道卡死在梨状孔洞上部的狭窄部位，导致管道与孔壁摩擦加剧和加大了管道与孔壁之间的挤压，导致回拖力剧增和孔壁垮塌，从而可能会导致管道回拖失败。
2.1.1 孔洞内泥浆阻力
影响孔洞内泥浆阻力的因素有孔洞与回拖管道之间环形间隙的形状大小，以及泥浆的粘稠度、回拖过程中管道相对于孔洞的速度等。
泥浆阻力 Fv 为：
式中： Fv为泥浆阻力，kN； r为管径，m；
tp为泥浆对管壁表面的剪切阻力，Pa； Lk为拖入孔道的管道长度，m。
管道表面泥浆的剪切阻力值tp采用1996年Hueyet测量值即345Pa。对新沭河定向钻穿越进行计算，可得到泥浆作用下每米管道的泥浆阻力数值，泥浆阻力主要与管道外表面积有关(见表1)。
表1 泥浆阻力分析
管道规格 管道质量/kg 管道外表面积/㎡ 泥浆阻力/kN Φ1016×21.0 649.40 3.83 1.32 2.1.2 管道因浮力而产生的摩擦力Fi为：
式中：Fi为管道因浮力而产生的摩擦力，kN；
Wp为孔洞内泥浆浮力作用下管道单位长度的质量，kN/m； Ff为孔洞内单位长度产生的浮力，kN/m； fi为管道与孔壁的摩擦因子；
Lk为在孔洞内泥浆作用下的管道长度，m。
运用阿基米德定律，孔洞内泥浆作用下管道的浮力Ff为：式中：Ff为管道因浮力而产生的摩擦力，kN； ρnj为泥浆密度，kg/m³；
G为重力加速度，其值为9.8N/kg； Vp为泥浆中管道排开泥浆的体积，m³。
根据计算，在回拖过程中，管道在孔洞内的浮力是指泥浆对管道的浮力与管道自身重力的差值。其中，泥浆密度与膨润土的含量有关，通常取1.0×103～1.44×103 kg/m³。计算中分别取 1.3×103 kg/m³（实际值）和 1.1×103 kg/m³（泥浆的稀释值），以评价泥浆的密度下降对浮力的影响（见表2）。
表2 泥浆密度选用结果分析
泥浆密度取管道规格/kg 泥浆浮力/kN /kN 浮力余值/kN 泥浆密度取1.1×103kg/m³ 1.3×103kg/m³ 泥浆浮力/kN 浮力余值φ1016×21 1.49 0.87 1.28 0.63 649.40 根据以往施工经验和本工程实际情况，回拖管道与孔壁的摩擦因子选为0.3，泥浆稀释值选为1.1×103 kg/m³（密度），不考虑穿越管道在孔洞内是一个倾斜的状态，不采取降低穿越管道浮力的情况下，经计算可以得到穿越管道回拖时因泥浆浮力产生的摩擦力最大增加值（见表3）。
表3 管线受力情况
管道规格 管道外表面积/㎡ 管道质量/kg 浮力余值/kN /kN 摩擦力泥浆阻力/kN φ1016×21 3 619.35 683 613 5.86 1 760.68 0.13 在不平衡浮力存在的情况下，回拖过程中因管道浮力而增加的回拖力将达到1754.82kN。根据设计图纸要求定向钻设计最大回拖力为2000kN，由此可见增加的回拖力过大，在不考虑回拖前端扩孔器受力的情况下，对于整个管道回拖过程风险过大。因此本管道回拖前，必须采取措施最大幅度消减掉孔洞中内管道产生的浮力。
2.2 聚乙烯管的安装与拆卸
DN600 聚乙烯管经测算每米重41kg，1800m大约重量约73.8t。管线重量取0.3摩擦系数。F拉=73.8*0.3=22.14t,该工程选用Φ24钢丝绳在主管线内牵引聚乙烯管进入。聚乙烯管分段焊接，单段60m。待主管线焊接完成后，将洁净水注入聚乙烯管内，并把钢丝绳穿入主管内，聚乙烯管端连接牢固完成后，主管线另一端采用卷扬机对钢丝绳进行牵引回拖聚乙烯管。待管线回拖完成后，拆除拖拉头，排出聚乙烯管内水，用钢丝绳连接聚乙烯管一端拖头，用卷扬机拖拉钢丝绳将聚乙烯管全部拉出。
3 管线回拖施工工艺
3.1 钻机选型
穿越规格为φ1016×21.0，穿越管段回拖时，钻机的最大回拖力Fp计算值的1.5～3倍进行选取。
式中：Fp——计算的拉（kN）； L——穿越管段的长度（m） f——摩擦系数，取0.3 D——钢管的外径（m）
γm——泥浆重度(kN/m3)，可取 10.5-12.0； δ1——钢管壁厚（m）；
γs——钢管重度(kN/m3)，取 78.5； Wb——回拖管道单位长度配重（KN/m）； kv——粘滞系数（kN.s/m2），取 0.18；
Fp=2133×0.3×(3.14×1.016²/4×12-3.14×0.021×1.016×78.5-0.404)+0.18×3.14×1.016×2133=1774kN
根据GB50424-2015，最大回拖力按照取计算值的1.5-3倍，考虑本工程穿越管道直径较大，距离较长，选择钻机最大回拖力不宜小于6000kN。
3.2 回拖工艺
3.2.1 根据GB 50424-2015直管段预留200m，现场实际预留300m。青宁输气管道新沭河定向钻管道因主线路管道已下沟等原因，按照甲方要求预制管道呈“S”型，因此现场采用推管器进行配合回拖。
回拖采用的钻具组合为：光缆管回拖：Ф168 S-135钻杆 +Ф300扩孔器 + 55T万向节 +55吨U型环+Ф168穿越管线；主管回拖：Ф168 S-135钻杆 +Ф1200筒式扩孔器 + 500T万向节 +500吨U型环+Ф1016穿越管线+推管器。
3.2.2 回拖管道的漂浮沟开挖、摆管、垫管及沿线的防护施工应在导向孔钻进完成，进行扩孔施工的时间内完成。回拖管道的入土端应摆放在定向钻出土点约30米位置。为了有效的保护管道防腐层并减少管道在地面所受到的摩擦力，回拖管道采用放置在注水的管沟内，采用漂浮管沟的方法。
3.2.3 当扩孔完成后，装上扩孔器、连接环、旋转接头（自由转向），采用吊车将回拖管道的角度与定向钻出土点角度顺直。在定向钻机牵引旋转下，拖入已成形的轨迹孔洞。
3.2.4 定向钻形成的孔道在施工中应确保平滑、顺畅、满足设计曲率半径的要求，并避免出现S弯。
3.2.5 回拖时管道安全入孔是大直径管道回拖成功的一个关键点，在出土点前方留足40米以上不挖发送沟，以满足回拖时管道形成鱼背支撑。并在出土点位置沿钻杆向前开挖20-30米，并将泥浆抽干，看到已经成型的孔洞，使前部管道倾角基本与出土角保持一致，护送管道入洞至少3根以上钻杆。
3.2.6 管线回拖前要将管段放入注水的发送沟内，开挖的发送沟轴线应与成型的定向钻钻钻孔轴线在一条直线上，确保管道在沟内的完好状态。管线回拖前，从出钻点洞口处开始向预制管道开挖20米左右（深度为挖至已形成的洞口部）形成一条与穿越轴线相一致的管沟，在回拖过程中，使管线在重力作用下通过自然挠曲顺利进入洞口。为保证管线能够正常挠曲，可在发送前用2台挖掘机或其他辅助设备将管线提起，使管道角度与穿越孔的角度相一致，减小管线的回拖阻力。
3.2.7 回拖管道防腐层保护措施。由防腐作业人员配合管线回拖作业，管道回拖前对整根管道防腐层全部进行电火花检漏，回拖时，在定向钻入土点开挖作业坑，及时对管道进行检漏，防腐层破损处进行及时进行补伤并检测。
3.2.8 管线回拖完成后，对管线与孔洞间的空隙进行二次压密注浆置换处理。管道外壁携带1寸注浆管至管上皮（采用柔性绑带绑扎），回拖完成后，对钻孔与管道之间的空隙进行填充加固，压浆材料为水泥粉煤灰浆，配比为水泥：粉煤灰=1:3；注浆全段压力控制范围0.1-0.3MPa。
3.3 泥浆配比方案
3.3.1 泥浆配比是定向穿越工程中的重要指标。根据青宁管道项目新沭河定向钻穿越泥浆施工工艺要求,结合地勘情况编制泥浆配比方案，合理确定混合配比次序，按不同的地质层配制出符合要求的泥浆。由于穿越地段地质情况比较复杂，对泥浆的要求比较高，选用质量优良的专用膨润土，再加适当比例的专用添加剂，若地质地层条件发生改变，其泥浆配比方案也随之调整。
3.3.2 钻导向孔阶段泥浆配比方案：2.5～3.5%预水化复合泥浆+0.2～0.4%增添剂+0.3%降失水剂+0.2%润滑剂。
3.3.3 预扩孔阶段泥浆配比方案：2.5～3.5%预水化复合泥浆+0.2～0.4%提粘剂+0.2%降失水剂+0.2～0.3%泥浆流变剂。
3.3.4 回拖阶段泥浆配比方案如下：2.5～3.5%复合泥浆+0.2～0.3%提粘剂+0.3%降失水剂+0.4～0.6%的润滑剂（RT—988）+0.3%泥浆流变剂。
3.3.5 泥浆粘度采用马氏漏斗进行测量，每配置一罐泥浆进行一次测量。 4结束语
大管径超长距离定向钻穿越管道配重降浮施工工艺,大幅降低了钢管在洞孔内与土层的摩擦面积，有效减小了摩擦阻力，极大降低了因钢管漂浮而产生的压力,进而提高了定向钻成型孔孔壁牢固性，经济效益与社会效益十分明显，由于回拖一次成功率有效的提高，定向钻穿越回拖时大大节省定向钻穿越工程的施工成本，并且有效节省了工期。
参考文献
[1] GB50424-2015《油气输送管道穿越工程施工规范》
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