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油气管道定向钻穿越技术

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油气 管道 定向 穿越 技术
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第35卷第2期 石油工程建设 37赵 帅(胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司,山东东营257026)摘 要:较系统地论述了管道定向钻穿越技术,介绍了定向钻的组成、施工程序以及国内部分管道定向钻工程的施工实例。对穿越过程中的主要问题进行了探讨。如穿越位置、穿越地层、穿越管道埋深的确定,入、出土点位置的选择。穿越曲线的设计等,分析了回拖力的计算及相关参数.根据管道定向钻实际施工经验.提出了设计过程中应注意的事项。关键词:管道:定向钻:穿越中图分类号: 文献标识码:B 文章编号:1001—2206(2009)02珈37埘0引言定向钻穿越技术经过30年的发展及工程实践.其技术水平有了很大提高。据有关资料介绍。目前国际上定向钻穿越的最大管径为1 574.8 2 最长距离是2 308 m。定向钻穿越技术广泛用于油气管道穿越江河、沟渠、高速公路、铁路以及其他不易或不适合浅埋通过的区域。同时也可用于电(光)缆、自来水管道等市政工程穿越建构筑物等。在滑坡体的治理、煤层气的开发和环境污染治理等方面也有应用。由于定向钻穿越技术与其他穿越技术(如顶管、盾构等)相比,具有施工周期短、不受季节限制、穿越质量好、不损坏地面构筑物、不影响河流沟渠泄洪、不影响航运、不需要任何加重稳管措施、保护自然环境、工程造价低等诸多优点,在工程中的应用越来越广泛.得到了世界各国的普遍重视。其行业协会(国际非开挖技术协会)包括了中国、英国等24个成员国和地区。定向钻穿越技术的限制条件主要是穿越长度、施工场地以及工程地质状况等。定向钻组成定向钻主要由钻机系统、泥浆系统、控向系统和钻具等部分组成。(1)钻机系统。定向钻机通常采用机械或液压驱动钻杆。通过钻杆对孔底的钻头施加旋转扭矩,实现钻进和回拖作业。对于定向钻机而言。旋转扭矩和回拖力是主要性能参数.也是设计中根据工程规模大小衡量钻机穿越能力的主要依据。(2)泥浆系统。定向钻施工作业过程中。泥浆的主要作用是:冷却和润滑钻头、软化地层、辅助破碎地层、调整钻进方向、携带碎屑、稳定孔壁、预扩和回拖时润滑管道。常用的泥浆是膨润土和水的混合物。目前,也有使用空气代替液体泥浆。称为“干式钻进工艺”。但工程实际中并不多见。(3)控向系统。控向系统是定向钻最关键的设备之一。正确选择和使用控向系统.对施工的成败和效率有着决定性意义。最常用的控向系统分为无缆式地表定位系统(手持式跟踪仪器)和有缆式定向系统。(4)钻具。主要包括钻杆、钻头、扩孔器、旋转接头(单动接头)和卸扣(。在施工过程中。整个定向钻部分。分别放置在钻机场地(入土点场地)和出土点场地。1.2施工程序一般情况下.管道定向钻穿越施工过程主要分三步:钻导向孔、预扩孔和管道回拖。导向孔钻进阶段是施工最重要的阶段.也是成功与否的关键阶段,并且还决定着所敷设管道的最终位置。在钻导向孔时。利用控向系统随时测量确定钻头的位置和万方数据38 石油工程建设 2009年4月钻进方向,并获取钻头位置的相关数据.将预先设计的基准线与实际轨迹进行比较.随时调整钻进轨迹。当回拖的管道直径较小时(与钻杆同径)。钻导向孔结束后,可以直接进行管道回拖作业。但大多数情况下,导向孔钻好后.都需要预扩孑L。孔径的最终尺寸是管道外径的1.2.1.5倍。在预扩孔作业中。不同的地质条件.宜采用不同类型的扩孔器.扩孔器的类型和地质条件直接影响扩孑径扩至符合要求后。将管道从孔洞中回拖至钻机侧.完成管道穿越施工。目前.国内主要大型定向钻机性能和成功穿越的部分工程实例见表1和表2。表大推力 人土角范 最大泥浆 最大泥浆 最大回拖(拉力)/ 排量,,(o)压力,径/栅(L/ 92l 10~18 2 270 25 2 200DD— 000 10一18 2 200 12 1 000 452 8~12 l 740 13.3 1 800 408 10—18 3 360 25 l 800 830 9一18 3 500 16 700 500 9一18 l 236 25 700 2 858 10—18 2 2 900 500 10—18 2 500 12 500 750 9~18 2 200 12 I o()0 582 9~18 3 360 25 l 000 157 9~18 2 270 25 l 000 000 9一18 2 800 16 l 00050 l 982 10~18 3 360 25 l 000裹2国内部分工程实例工程名称 钻机型号 施一径,度/m 地质状况卫运河穿越 330 2005年2~3月 1 016 1 434 粉砂、粉质黏土、粉土陕京二线永定河穿越 004年5。6月 1 016 l 321 粉质黏土、中砂杭宁气管道钱塘江穿越 006年11月。2007年3月 813 2 454 粉黏土、砂质粉土、局部砂层甬沪宁管道杭州湾穿越 003年1月 8 000 粉质黏土甬沪宁管道杭州湾浅海穿越 004年2。3月 762 l 800 粉质黏土上海大港立交穿越 003年4月 813 l 280 细砂、粉砂、黏土杭湖气管道范家漾穿越 003年7月 813 l 230 淤泥质粉质黏土韩庄运河管道穿越 005年3—4月 7 230 黏土、粉质黏土嫩江穿越 006年7月 711 1 113 细砂忠武管道长河穿越 004年3月 711 1 10石、粉砂、细砂晋江穿越 00月 711 1 312 中粗砂陕京管道独流碱河穿越 999年10。11月 660 土加贝壳层甬沪宁原油管道长江穿越 002年3月 508 l 685 粉细砂、含砾中粗砂、砂卵砾石西气东输长江备用管道穿越 003年3月 406 l 746 粉细砂、含砾中粗砂、砂卵砾石二河管道穿越 005年5.6月 711 1 129 黏土、强风化岩、姜结石2管道定向钻穿越设计的主要问题探讨2.1一般要求(1)穿越位置应选择河流两岸施工场地良好、交通方便的地段。管道组装一侧场地的宽度一般不小于20 m.长度为穿越管道长度加50 m。回拖管道的直线长度一般不宜小于200 m.如受地形限制可小于上述值.但曲率半径应大于1 200D((2)穿越管道中心线与电力线、通讯电缆的垂直距离应大于50 m。(3)定向钻穿越的地层不宜太疏松。适宜的地层有黏土层、亚黏土层、粉砂层、粉土层及中砂层等。在直径大于100 石集结层、卵石层和流砂层中无法施工。如果仅在穿越河流的两岸有一定厚度的卵石或疏松的砂层时.可采取套管、固结或开挖等措施通过这些局部地段,实现整条河段的定向钻穿越。(4)定向钻穿越管径和长度在满足输送工艺条件下.还取决于定向钻机的最大推拉力及控向系统能力。有时因两岸场地的限制.也可能影响穿越管径的大小。(5)在保证定向钻钻进过程中不出现泥浆外冒的前提下.穿越管段的埋深应根据地质条件与冲刷深度确定。最小埋深应大于设计洪水冲刷线以下6 m。万方数据戆35卷第2期 赵 麴:漓气管道定向镶穿麓技术(6)入、出土点位置的选择,应考虑钻机安救、蓄承漉、泥浆滟及取永点距离、管段缝装及网拖场地要求等因素。入、出土点场地应平整开阔。地貌恢复工作量小。距河岸长度以不增加护臻工程量为宣。有辩在河流的穿越位置掰岸没寿理想的场地.通过采用适当的措施.可以满足施王作业要求。入土端主要考虑钻机的运输、安放襁固定.滋浆池的带设以及麓工操作方便等因素。出土端主要考虑管道运输、管道焊接组装作业、管道同拖时辅助设施的设置及作妲等因素.在考虑上述因素的前提下.力求麓工量最小,投入最省。(7)导向孔钻完后,孔洞的中心线与设计管中心线在水平蟊和纵断蹶上的误差均不宣超过l%。(8)猩掇土端管道组装完成后。回拖之前登须进行强度和严密性试雁。检验和验收应按标准规范对管道在水下裸露和沟理敷设的有关要求进行。(9)穿越管段两端的地面.应根据地基±层的稳定性和密实性采取适当措施,以防止塌陷。2.2穿越豫线设诗要求(1)入土角一般控制在80~200范围内,推荐设计角度为90~120:出土角一般控制在50一20。蒗匿内。撰荐设计焦瘦爻毒o。铲。设计巾具体采用的角度应根据穿越长度、管段埋深、弹性敷设条件和钻机性能等阏索确定。(2)设计导向孑0麓线时,痰考虑链抒静辑焦,每根钻杆允许最大折角见表3。蓑3钻杆折角繁遘公臻壹投摄键狰最大薮角鬏。) 4壤链抒鬃耱舞囊,(。≥D“200 3.5 6200≤0() 2.5 500 2 霹(3)设计曲线的曲率半径根据管道强度和钻机的性能参数确定。通常曲率半径应大予管道外径静l 200倍,最小不{导小予300m。管道入主点地下20 .3管道嘲拖力2.3.1露藏力靖算公式根据规范规定.穿越管段回拖时,最大回拖力应取计算值的1.5。3倍。管道不充水回拖时,其回撬力按下式计算:F=蟛{册D.+以)/2】研。}+,穿越管段回拖力/——穿越管段长度触:f——摩擦系数,一簸取0。l。0。3;肛一穿越管段的管身外径,——泥浆密度/(kN/一般取11.3一kN/一钢管壁蓠-g/m:竹一钢材密度,(kN/取78 kN/黏滞系数/(kN/~般取0。01—0、03 ,由于回拖作业时,施工场地、穿越管段曲率半径以及辅助措施备有不同。影响因素繁多。边界条件复杂。因此.为了方便计算,在穿越管段圈拖力的计算中.主要依据管道在泥浆中的浮力扣除囱重后产生的摩擦力。再加上撬管翦进时管道在泥浆中的黏滞力。这样计算出的圈拖力,显然不能完全反映施工实际情况.在选择钻机时应有一定的安全裕量。擞范规定按l。5.3.0倍的上式计算值作势钻视选受与钻秆尺寸核算的依据。规范中规定圆拖力的裕爨系数为15.3.o.另外。圈拖力计算公式巾的摩擦系数稳嚣滞系数等。其取值范围都较大.不同的取值。其计算结果有较大不同。在设计中.这些参数怎样取值.需要进一步分析。复垃黏滞系数取僮黏滞系数是泥浆的物理特性之一.主要与混浆的成分有关。泥浆主要由膨润土和水组成,根据需要搦入不同的添烟荆+如澜澄刘、曝壁剂、增黏剂、清屑剂等。泥浆在管道穿越作业中,有着共同的作用.但地质条件不同.其作用稍有区别。若穿越段地层为硬度较大的岩石.其主簧作震是溺澄、携屑和冷却等.不需要较强的同壁性能。泥浆的黏稠度较小。这样的地质条件下。泥浆的黏滞系数(式)建议在0。01.0,015之闻取馕。如果穿越段地层为粉砂层、粉土层或中砂层等。由于地层比较疏松.泥浆需要有较强的同壁性能,黏稠度较大,其黏游系数25。0.03之阕取值。若穿越段地层地质条件介于上述两者之间,泥浆的黏滞系数(必)建议在0.015。0.25之间取值。2。3.3摩擦力系数取擅摩擦力与管外壁粗糙度、泥浆性质和管道对接触面的正压力有关。一般情况下,不嘲的穿越工程。万方数据石油工程建设 2009年4月管道外壁粗糙度和泥浆性质变化不大.对摩擦力的影响也较小。但由于不同穿越工程.穿越曲线各不相同,由于弹性力存在,管道对接触面的正压力也不同,建议公式中的摩擦力系数厂取值见表4。袭4摩擦力系数,取值穿越管道公称直径00o)、 入土角,(。)、出土角,(o)摩擦力系数, 摩擦力系数,出土角,(o)15、>15 O.15 >15、>15 0.2~O.32.3.4回拖力裕量系数取值根据多条不同管径和不同地质条件管道穿越施工的现场经验。实际网拖力比计算回拖力要小.有时误差还较大.说明在计算回拖力时.大多数情况回拖力裕量系数选取过于保守。因此,为了尽量缩小计算的误差。回拖力裕量系数按以下建议选取:在回拖场地较宽敞.不受地形等限制.回拖管道布置比较顺直.并容易采取一些辅助措施的情况下(如使用滚轮或发送沟等)。不同直径的穿越管道回拖力裕量系数取值见表5。当回拖场地受限.回拖管道不能保证顺直布置.一些辅助的回拖措施也不能发挥应有的作用或难以采取的情况下.不同管径的穿越管道回拖力裕量系数取值见表6。表5回拖力裕量系数建议取值管道公称直径D。/拖力裕量系数.3_1.8表6回拖力裕量系数建议取值管道公称直径D。/拖力裕量系数环≤400 1.2一1.5400700 2_33几点认识(1)定向钻管道穿越虽然有很多的成功实例,其技术也日臻成熟.但其客观和主观影响因素繁多。同样条件下。不同时期。不同施工队伍,都可能会出现不同的结果。实际的操作经验和技术,对成功穿越具有不容忽视的作用。施工过程中.宜根据实际情况.对相关设计参数进行适当调整,使设计更加符合现场和施工的实际情况。(2)在成功穿越的工程中。很多穿越管道的实际入土角和出土角都超出了规范规定的范围.设计时如受工程条件限制.人土角和出土角可以根据实际情况进行适当放大。(3)设计时应按照0423—2007《油气输送管道穿越工程设计规范》对穿越管段进行径向屈曲失稳核算.(4)在确定定向钻机时,其最大推拉力不一定必须大于计算回拖力.但误差不宜大于10%。(5)管道定向钻穿越工程。地质条件是重要的制约因素之一.当地质结构比较复杂或变化较大时。应加密布置探孑L。作者简介:赵帅(1962一),男,山东平度人,1984年毕业于西南石油学院油气储运专业,教授级高级工程师,长期从事油气地面工程设计及研究工作。收稿日期:2009哈油田地面工程建设推行标准化2009年.中国石油股份公司勘探与生产分公司确定20个标准化设计示范工程项目.吐哈油田三塘湖盆地牛东区块地面产能建设工程名列其中。由此.吐哈油田以三塘湖盆地牛东产能建设为模板,在学习借鉴兄弟油田成功经验的基础上,总结自身以往的成功做法.在全油田推行标准化设计工作。通过加强前期组织工作和方案优化、简化,合理控制投资,并调配施工力量;通过强化计划和招投标管理,加快物资器材订、供货的进度,缩短前期准备周期;通过加强项目管理和加大现场监管力度,提高项目管理和质量水平。在标准化工作推行中,吐哈油田注重对场站的建设内容、建设规模和建设标准进行归类和模块划分,形成标准化设计系列,设计出不同系列的标准化定型图。为巩同标准化推行的成果,吐哈油田持续完善管理制度,建立健全包括标准化设计、模块化建设、标准化预算和规模化采购在内的标准化管理体系,努力形成具有吐哈油田特色、适应吐哈油田需要的标准化序列。 本刊报道万方数据油气管道定向钻穿越技术作者: 赵帅, 胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司,山东东营,257026刊名: 石油工程建设英文刊名: (期): 2009,35(2)被引用次数: 0次相似文献(10条)开挖定向钻技术在城市道路工程污水管道铺设中的应用 2008本文介绍了污水管道应用非开挖定向钻技术穿越河流工程实践,通过对施工质量控制关键因素分析,提出了施工控制方案和措施的方法。谈定向钻穿越中管道外防腐层的保护 6(4)近年来,过对现有定向钻施工工艺、外防腐层防腐性能及现场实际情况进行分析,提出了可行的定向钻穿越管道外防腐层保护方案,在实际运行中取得了较好的效果,于管道技术与设备2009,""(4)简述了绍了算机仿真可以克服场地、经费不足、参数繁多、回拖管道的应力和变形以及回拖力进行了分析,得出了管道应力沿中性轴径向对称分布,着穿越半径的增大,回拖力逐渐变大,接触压力逐渐变小,殊地质条件下的大口径管道定向钻穿越施工技术 2(1)陕京二线输气管道定向钻穿越永定河工程的特点是,地层松散,含水量低,黏结性差,定向钻穿越时易冒浆,不易成孔,砂层易形成沉砂包钻;加之穿越管径大,扩孔级数较多,对地层的冲击扰动较大,增加了塌孔的可能性,西气东输管道定向钻穿越施工技术 1(2)在西气东输管道工程中,直径16 江、黄河等大型河流的成功,浆的配制,钻具上扣和卸扣液压大钳的改进和研制,泥浆水化装置、泥浆循环与净化系统研制,定向钻穿越控向软件设计及规范标准的编制几方面,介绍了西气东输管道定向钻穿越工程中的成功经验和不足,型离心泵在定向钻穿越管道试压中的应用 6(4)对定向钻穿越管道试压时采用大型泥浆泵和小型试压泵两种试压方法的优缺点进行了比较,分析了采用小型试压泵时间过长的原因,提出了采用小型离心泵上水推球排气再利用小型试压泵试压的方法,将该试压方法与前两种试压方法进行了对比,结果表明,该试压方法既缩短了管道试压时间,又减少了试压费用,志明 定向钻深穿工艺过程优化 9(4)通过对胜利油田油气管道现状的调查,找出最佳的管道敷设方式,以达到防止管线沿途偷盗气及破坏管线造成的经济损失,工程设计和施工中对多项措施进行优化,以保证管道施工质量,缆与管道同孔回拖技术在定向钻穿越施工中的应用 9(1)结合大港孔回拖技术在定向钻穿越施工中的应用效果明显,可缩短施工工期,质复杂、征地困难、口径管道定向钻穿越中钻杆断裂原因及预防措施 9(4)针对大口径管道定向钻穿越中钻杆断裂的原因进行分析,是扩孔后孔洞不规则,1)确保导向孔的质量;(2)合理配置扩孔钻具;(3)合理使用钻杆;(4)合理选择管道牵引头与万向节的软联接;(5)江定向钻穿越工程施工技术浅析 (2)大型定向钻穿越施工技术是利用导航仪的导向作用,使钻机上的导向钻头沿着设计轨迹钻进,完成导向孔的施工,缺点以及在穿越鉴江施工过程中遇到的问题,:2010年8月28日
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