李大全，王文龍，林貽海，張智樞，張秀林

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

崖城13-1 管道高欄支線工程項(xiàng)目，需要在已建荔灣3-1 至珠海高欄終端天然氣管道旁，新建1條24 英寸天然氣分輸管道。該項(xiàng)目登陸段施工，如采用常規(guī)海底管道預(yù)挖溝回填方式，將面臨以下主要施工難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)：一是登陸段近岸端地貌復(fù)雜、海況惡劣、回頭浪大，海底管道預(yù)挖溝難度大；二是新建管線距離已建管線較近，需對已建管線后保護(hù)設(shè)施進(jìn)行移除，對其安全性存在一定施工風(fēng)險(xiǎn)；三是海底管道預(yù)挖溝、已建管線后保護(hù)設(shè)施移除和回填保護(hù)作業(yè)工程量大，投入資源多，將大幅增加項(xiàng)目成本，破壞已有設(shè)施和環(huán)境。

為解決上述問題，探索采用水平定向鉆穿越的方式進(jìn)行登陸段施工作業(yè)，以避免上述所面臨的施工難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)。水平定向鉆穿越技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70 年代，是傳統(tǒng)的打孔與油田定向鉆技術(shù)的結(jié)合[1]，常應(yīng)用于陸域工程復(fù)雜地質(zhì)條件下的穿越工程。隨著定向鉆穿越技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，定向鉆穿越在海洋油氣工程領(lǐng)域作為一項(xiàng)新的施工技術(shù)[2]，在海底管道穿越航道、沖涮區(qū)和障礙物等方面問題上，提出了新的解決思路和實(shí)踐方案。本文以崖城13-1 管道高欄支線項(xiàng)目登陸段施工，探索采用陸對海定向鉆穿越技術(shù)為例，對陸對海定向鉆穿越技術(shù)的技術(shù)方案、施工原理和實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 陸對海定向鉆穿越曲線設(shè)計(jì)

崖城13-1 管道高欄支線項(xiàng)目工程采用陸對海的定向鉆穿越技術(shù)進(jìn)行施工，定向鉆穿越完成后，通過高欄終端的鉆機(jī)和鋪管船之間的緊密配合，將鋪管船上焊接預(yù)制好的海底管道逐根回拖至高欄終端，完成登陸段施工回拖作業(yè)。

通過對該登陸段海底管道定向鉆穿越設(shè)計(jì)和計(jì)算分析，該登陸段定向鉆穿越管線為：610 mm ×22.2 mm，材質(zhì)為API 5L X65，防腐層設(shè)計(jì)為三層聚丙烯（Three layer polypropylene， 3LPP）。本工程彈性彎曲段的最小曲率半徑為1 500 D。彈性敷設(shè)段海管除應(yīng)滿足最小曲率半徑要求外，還應(yīng)滿足海底管道本身強(qiáng)度的要求，即由海底管道的軸向應(yīng)力（σL）、內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力(σh）和彈性敷設(shè)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力組合的當(dāng)量應(yīng)力不應(yīng)大于0.9 σs。彎曲應(yīng)力按式（1）計(jì)算：

考慮彎曲應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力校核按式（2）計(jì)算校核：

彈性敷設(shè)管段強(qiáng)度校核結(jié)果見表1。

表1 彈性敷設(shè)海管強(qiáng)度校核結(jié)果

高欄終端水平段管線底面標(biāo)高為EL.(+)52.15 m，定向鉆穿越水平長度為853.77 m，實(shí)際長度為867.5 m。入土點(diǎn)位于已建海底管道登陸點(diǎn)北側(cè)50 m，入土角為20°；出土點(diǎn)位于海底，水深約8.6 m，出土角為6°。定向鉆穿越最低點(diǎn)管線底面標(biāo)高為EL.(-)40 m，相對入土點(diǎn)穿越深度92.15 m，曲率半徑為915 m（1 500 D）。定向鉆穿越設(shè)計(jì)曲線如圖1 所示。

圖1 陸對海定向鉆穿越曲線

2 陸對海定向鉆穿越技術(shù)

2.1 定向鉆施工流程

本次定向鉆穿越施工流程為：定向鉆設(shè)備安裝調(diào)試→從陸地向水下鉆導(dǎo)向孔→鉆通巖石層→鉆頭從入土點(diǎn)拔回→正推逐級擴(kuò)孔→鉆頭從海底出土→抽回鉆頭→粘土段正推擴(kuò)孔→擴(kuò)孔鉆頭上鋪管船→卸鉆頭/連接管道→管道在鋪管船預(yù)制/開始回拖→回拖完成，進(jìn)行相關(guān)檢測。

2.2 導(dǎo)向孔精度控制

為確保海底管線在海底的出土位置和角度滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)確保海管路由附近已建海底管線的安全，必須精確控制導(dǎo)向孔精度。

2.2.1 精確測量放線 按照設(shè)計(jì)圖紙，使用GPS 準(zhǔn)確定位穿越施工的入土點(diǎn)和出土點(diǎn)，從而得到精確的穿越軸線，在放線階段須嚴(yán)格控制測量放線精度，防止穿越軸線與設(shè)計(jì)軸線發(fā)生偏移誤差[3]。

2.2.2 嚴(yán)控穿越中心線的磁方位角測量 在導(dǎo)向孔開鉆前，須準(zhǔn)確測量穿越中心線的磁方位角，該數(shù)值是導(dǎo)向孔鉆進(jìn)方向控制的原始依據(jù)，確保實(shí)際穿越曲線與設(shè)計(jì)曲線一致。通過在地表多點(diǎn)測量，對比分析各組數(shù)據(jù)，排除由于磁干擾而產(chǎn)生錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，確定正確的磁方位角數(shù)值。如果各組數(shù)據(jù)相差較大（0.2°以上），則增加測量點(diǎn)（2～4 個(gè)），直到確定準(zhǔn)確的磁方位角數(shù)值。

2.2.3 布置地面人工磁場輔助測量 定向鉆控向的原理是在定向鉆鉆頭后方，安裝有地磁導(dǎo)向系統(tǒng)的探測器，探測器中包含有三軸重力加速度計(jì)和三軸微磁場傳感器，根據(jù)探測到的重力場和磁場在各個(gè)傳感器中的分量，可以計(jì)算出鉆頭的姿態(tài)和朝向[4]，然后由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將這些信息傳輸至地面操作系統(tǒng)中。在定向鉆穿越導(dǎo)向孔鉆進(jìn)時(shí)，每鉆進(jìn)一根鉆桿，測量一次鉆頭的傾角和方位角，根據(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)前鉆進(jìn)相對于上一次鉆進(jìn)的上下和左右偏差，進(jìn)而完成整個(gè)導(dǎo)向孔鉆進(jìn)。由于地球磁場的微弱性和不穩(wěn)定性，導(dǎo)致加速度計(jì)和磁力計(jì)采集的數(shù)據(jù)有一定的波動(dòng)和誤差。通過在現(xiàn)場布置人工磁場，增加磁場強(qiáng)度和磁通量，可以有效提高加速度計(jì)、磁力計(jì)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而提高定向鉆控向的精度（圖2）。

圖2 人工磁場布置示意圖

2.2.4 GPS 鉆頭跟蹤測量儀輔助定位 GPS 鉆頭跟蹤測量儀根據(jù)入土、出土點(diǎn)標(biāo)定的GPS 坐標(biāo)，建立穿越中心線的GPS 坐標(biāo)系，GPS 鉆頭跟蹤測量儀發(fā)射磁信號（圖3），鉆頭探測器接收到信號后，由計(jì)算機(jī)計(jì)算出鉆頭相對穿越中心線的位置，在鉆進(jìn)過程中隨時(shí)對鉆頭位置進(jìn)行檢測和調(diào)整，從而精確控向。

2.2.5 嚴(yán)格控制導(dǎo)向孔按設(shè)計(jì)曲線鉆進(jìn) 在鉆導(dǎo)向孔階段，對每一測量點(diǎn)的控向數(shù)據(jù)采取不同工具面角進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。在每個(gè)測量點(diǎn)，通過旋轉(zhuǎn)鉆頭，使工具面角分別在 0°，90°，180°，270°和 360°時(shí)進(jìn)行控向數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測量，取最接近五次實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)平均值的工具面角作為控向數(shù)據(jù)采集時(shí)的工具面角，減少控向數(shù)據(jù)采集的誤差，防止鉆進(jìn)曲線與設(shè)計(jì)曲線間產(chǎn)生偏移。

圖3 鉆頭定位示意圖

2.2.6 控向系統(tǒng)采用高精度數(shù)學(xué)模型 在水平定向鉆施工中，采用精度較高的平均角法和最小曲率法作為控向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以求在相同的數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上，得到較高的計(jì)算精度，從而提高控向的精度[5]。

嚴(yán)格按照規(guī)范要求施工，確保每根鉆桿的操作符合設(shè)計(jì)所規(guī)定的曲率半徑范圍，每根鉆桿的折角和方位角的變化值滿足規(guī)范規(guī)定的鉆桿折角范圍，折角不大于1.2°～1.3°，曲率半徑不小于1 500 m。

2.3 泥漿配置方案

本次穿越工程地質(zhì)自上而下有：中風(fēng)化花崗巖，全風(fēng)化花崗巖，粉質(zhì)粘土，零星分布粉砂，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，淤泥?？紤]到工程穿越長度、管徑，地下水和地表水鈣鎂離子含量高，為避免鉆屑攜帶不干凈雜質(zhì)，鉆桿被粘卡，使鉆桿扭矩增大，增加海底管道防腐層破壞等風(fēng)險(xiǎn)，確保穿越工程安全順利進(jìn)行，泥漿配置至關(guān)重要。

2.3.1 泥漿室內(nèi)試驗(yàn) 根據(jù)穿越地層地質(zhì)條件，在泥漿實(shí)驗(yàn)室試配，并確定不同的泥漿配方，在施工過程中，根據(jù)地質(zhì)情況和鉆進(jìn)工藝，調(diào)整泥漿的配方和泥漿性能，推薦泥漿性能見下表2 和表3。

表2 泥漿動(dòng)塑比、濾失量、返漿攜砂量表

表3 泥漿粘度表

泥漿配置方案主要是降低泥漿失水量，保證泥漿的護(hù)壁性、潤滑性，以及與地層鉆屑的親和性，防止泥漿失效，保證鉆屑被包裹在泥漿膠體中，防止鉆屑床的產(chǎn)生。

2.3.2 導(dǎo)向孔階段泥漿方案 在鉆導(dǎo)向孔階段，泥漿的主要作用是護(hù)壁、排屑，防止鉆屑床的產(chǎn)生。為提高鉆進(jìn)效率，泥漿的配置方案需將泥漿在鉆頭噴嘴處的粘度控制在40～50 s。配方為水+(5-7)%膨潤土，泥漿用量主要依據(jù)泥漿馬達(dá)使用需求，使馬達(dá)產(chǎn)生足夠動(dòng)力，泥漿流量為2 000 L/min，壓力約為3～5 MPa。

2.3.3 擴(kuò)孔階段泥漿方案 在擴(kuò)孔階段，泥漿的主要作用是護(hù)壁和排屑，合理控制泵的排量，提高流速，增大鉆屑攜帶能力。泥漿配制粘度要求70～90 s；配方為水+(8-10)%膨潤土+正電懸浮劑1%，泥漿用量主要依據(jù)動(dòng)力擴(kuò)孔器的使用需求，使動(dòng)力鉆具產(chǎn)生足夠動(dòng)力，泥漿流量為3 000～4 000 L/min，壓力約 3～5 MPa。

2.3.4 洗孔、回拖階段泥漿方案 回拖階段，海底管道回拖力主要有兩部分構(gòu)成，一是由于重力和浮力作用引起的摩擦力，二是由于泥漿結(jié)構(gòu)粘度引起的粘滯阻力。通過改變這兩個(gè)參數(shù)可以降低回拖力，有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)。針對這兩個(gè)參數(shù)，回拖時(shí)的泥漿除滿足護(hù)壁[6]、防塌孔的功能外，應(yīng)適當(dāng)減小泥漿粘度，減小回拖力。泥漿配制粘度要求60～70 s，配方為水+(7-10)%膨潤土。泥漿用量主要給孔內(nèi)及時(shí)補(bǔ)給泥漿，泥漿排量約為500～2 000 L/min，壓力約 0.5～1 MPa。

在施工階段，需根據(jù)不同地質(zhì)情況，適時(shí)調(diào)整泥漿配制方案，根據(jù)不同地層斷面及時(shí)調(diào)整泥漿性能。

2.4 巖石層和覆蓋層分段施工

本次陸對海定向鉆穿越工程土質(zhì)層分為巖石層和覆蓋層，由于巖石段擴(kuò)孔時(shí)間長，為防止出土側(cè)覆蓋層的塌孔或縮孔，將擴(kuò)孔分兩個(gè)階段進(jìn)行，一是巖石層擴(kuò)孔，二是覆蓋層擴(kuò)孔，不同土質(zhì)層需要擴(kuò)孔級數(shù)、級差（表4），所使用擴(kuò)孔器型式和直徑均不相同。

表4 管道擴(kuò)孔級數(shù)、級差表

2.4.1 巖石層擴(kuò)孔 由陸地向海上鉆進(jìn)入土側(cè)巖石層導(dǎo)向孔，鉆穿巖石層后，將鉆頭拔回，進(jìn)行巖石層擴(kuò)孔。巖石層擴(kuò)孔采用正推擴(kuò)孔工藝，鉆具安裝動(dòng)力擴(kuò)孔器進(jìn)行施工（圖4）。動(dòng)力擴(kuò)孔器工作原理是利用泥漿馬達(dá)輸出的動(dòng)力帶動(dòng)切削盤高速旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到切削巖石的目的[7]。巖石層正推擴(kuò)孔時(shí)，鉆具連接方式為鉆機(jī)→鉆桿→（扶正器）→動(dòng)力擴(kuò)孔器。動(dòng)力擴(kuò)孔器的高速平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)使得孔洞內(nèi)壁非常光滑，有效降低了海底管道回拖時(shí)防腐層的破損風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 巖石層正推擴(kuò)孔示意圖

2.4.2 覆蓋層擴(kuò)孔 待巖石層擴(kuò)孔完成后，進(jìn)行出土側(cè)覆蓋層的導(dǎo)向孔鉆進(jìn)，導(dǎo)向孔鉆進(jìn)完成、鉆頭在海底出土后，根據(jù)海上磁靶定位系統(tǒng)， 工作原理是從已知點(diǎn)發(fā)射一個(gè)特定的磁場信號，由導(dǎo)向系統(tǒng)探測器接收這個(gè)信號，探測器根據(jù)接收到的信號方向和強(qiáng)度來確定自己與磁靶的相對空間位置，根據(jù)磁靶的位置計(jì)算出鉆頭的當(dāng)前位置，通過連續(xù)的磁靶定位，可以精確確定鉆頭位置和深度（圖5）。結(jié)合潛水員聯(lián)合確認(rèn)鉆頭位置，并將鉆頭從入土點(diǎn)抽回，更換為覆蓋層正推筒板式擴(kuò)孔器，進(jìn)行覆蓋層的正推擴(kuò)孔。

圖5 覆蓋層正推擴(kuò)孔示意圖

2.5 海底管道回拖

覆蓋層擴(kuò)孔作業(yè)完成、鉆頭從海底出土后，由潛水員用卸扣將鋪管船作業(yè)線上的AR 纜與擴(kuò)孔鉆頭上的連接孔連接，將鉆頭拉出水面，放在托管架上，拆卸擴(kuò)孔鉆頭，如圖6 所示。

圖6 在托管架上拆卸擴(kuò)孔鉆頭示意圖

使用鋪管船的吊機(jī)將回拖旋轉(zhuǎn)接頭和回拖擴(kuò)孔器吊裝至拆卸擴(kuò)孔鉆頭的位置與鉆桿進(jìn)行連接，將鋪管船作業(yè)線上預(yù)制好的管道逐步送至連接位置，利用卸扣和回拖旋轉(zhuǎn)接頭連接?；赝蠒r(shí)鉆具連接方式為：鉆機(jī)→鉆桿→加重鉆桿→回拖擴(kuò)孔器→旋轉(zhuǎn)接頭→卸扣→海底管線（鋪管船），如圖7 所示。

圖7 回拖時(shí)鉆具連接方式示意圖

海底管道回拖作業(yè)采取在鋪管船作業(yè)線預(yù)制，由高欄終端陸地鉆機(jī)牽引回拖的方式，管線預(yù)制與牽引回拖交叉進(jìn)行，即預(yù)制一段、回拖一段，回拖時(shí)盡量要減少管線在孔內(nèi)完全靜止的時(shí)間，如圖8所示。

圖8 海底管道回拖示意圖

海底管道回拖完成后，為防止回拖海底管道受鋪管船移船及正常鋪管作業(yè)影響，在高欄終端陸地采用抱卡抱住回拖后的管體，并采用鋼絲繩將抱卡連接在鉆機(jī)基礎(chǔ)上，防止海底管道施工作業(yè)拖拉移動(dòng)已安裝就位的回拖管道。待海底管道正常鋪設(shè)一定距離后，鉆機(jī)回拖力測試顯示回拖管道不再受到鋪管船正常鋪設(shè)施工影響，即可拆除抱卡、解除鉆機(jī)基礎(chǔ)，進(jìn)行陸地回拖海底管道與終端工藝管線的連接施工作業(yè)。

3 實(shí)施效果

在海底管道回拖過程中，高欄終端陸地定向鉆機(jī)回拖力和鋪管船的張緊器張力數(shù)值均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，且數(shù)值變化平穩(wěn)，連續(xù)作業(yè)并一次回拖成功。海底管道回拖完成后，海管實(shí)際穿越曲線滿足設(shè)計(jì)精度要求，定向鉆水下出土點(diǎn)位置和角度均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

通過對登陸段海底管道進(jìn)行測徑檢測，測量板狀態(tài)良好（圖9），未發(fā)生明顯變形[8]。海底管道拖拉出導(dǎo)向孔后，海底管道3LPP 外防腐層、拖拉封頭與海底管道之間的節(jié)點(diǎn)防腐熱縮帶狀態(tài)良好[9]。海底管道外防腐層饋電測試檢驗(yàn)孔隧內(nèi)管線防腐層質(zhì)量，導(dǎo)電率小于標(biāo)準(zhǔn)值，評價(jià)結(jié)果為“優(yōu)”[10]，證明孔隧內(nèi)管線外防腐層狀態(tài)良好。

圖9 海底管道回拖完成后狀態(tài)

4 分析與討論

本文以崖城13-1 管道高欄支線項(xiàng)目海底管道登陸段施工為例，介紹了海底管道登陸段定向鉆穿越技術(shù)方案、施工原理和實(shí)際應(yīng)用效果。是結(jié)合陸地定向鉆穿越和海底管道鋪設(shè)回拖技術(shù)施工的探索與實(shí)踐，與陸地定向鉆穿越施工最大的區(qū)別在于，受天氣和海況影響較大，且需要陸地定向鉆機(jī)與海上的鋪管船緊密配合。

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，遭遇了巖石層硬度過高和涌浪較大等困難。針對巖石層硬度過高，鉆導(dǎo)向孔和擴(kuò)孔時(shí)，鉆頭損壞嚴(yán)重，多次更換鉆頭和打撈掉落在孔道內(nèi)的扶正塊及牙輪，并不斷優(yōu)化鉆頭和扶正圈的結(jié)構(gòu)，確保了定向鉆穿越施工按期完工。針對鋪管船起始鋪設(shè)配合回拖作業(yè)時(shí)涌浪較大，“海洋石油202”鋪管船穩(wěn)性不足等情況，導(dǎo)致作業(yè)線焊接效率較低，返修率較高，通過調(diào)整熟練焊工和改變預(yù)熱方式，提高了焊接質(zhì)量，保證了海底管道作業(yè)線預(yù)制和回拖工作密切配合的順利完成。

4.1 選擇合適的擴(kuò)孔器

本工程在穿越擴(kuò)孔過程中遭遇到高硬度巖石層，通過改變擴(kuò)孔器的結(jié)構(gòu)形式（包括擴(kuò)孔器整體結(jié)構(gòu)、擴(kuò)孔器前扶正圈機(jī)構(gòu)，以及鉆頭上牙輪布局、安裝角度和不同齒形牙輪排列情況）和提高擴(kuò)孔器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（包括擴(kuò)孔器結(jié)構(gòu)材質(zhì)強(qiáng)度和鉆頭牙輪齒的硬度），減少了高強(qiáng)度巖石擴(kuò)孔過程中巖屑卡鉆和鉆具損壞現(xiàn)象，順利完成高硬度巖石層的擴(kuò)孔作業(yè)。如圖10 和圖11 所示。

圖10 優(yōu)化前的擴(kuò)孔器

圖11 優(yōu)化后的擴(kuò)孔器

4.2 選擇天氣良好的作業(yè)時(shí)間窗口

由于陸對海定向鉆穿越施工主要涉及到海上鋪管船和陸地鉆機(jī)，受鋪管船自身作業(yè)穩(wěn)性要求和海底管道鋪設(shè)作業(yè)環(huán)境條件的限制，選擇天氣良好的回拖作業(yè)施工窗口，能有效提高鋪管船上海底管道預(yù)制質(zhì)量（焊接一次合格率）和效率，避免在回拖過程中發(fā)生臨時(shí)棄管帶來的海底管道破壞和回拖失敗等問題，確?；赝献鳂I(yè)連續(xù)并一次成功。

5 結(jié) 論

海洋油氣開發(fā)海底管道登陸段施工采用定向鉆穿越技術(shù)的探索與實(shí)踐，使我們掌握了陸對海定向鉆穿越技術(shù)，為后續(xù)國內(nèi)類似油氣輸送管道定向鉆穿越的設(shè)計(jì)和施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

崖城13-1 管道高欄支線項(xiàng)目海底管道登陸段施工，采用陸對海定向鉆穿越方案施工周期約為70天，較原海底管道預(yù)挖溝回填方案節(jié)省工期約110天，節(jié)省費(fèi)用約3 000 萬元。該工程項(xiàng)目不僅降低對環(huán)境的影響，提高工程施工效率，且大幅降低了工程施工成本，具有重要的推廣價(jià)值和社會(huì)效益。