干货丨定向钻穿越进行浅海管道敷设的技术探讨

1. 前沿

在浅海管道的施工中，受制于船舶的吃水深度，常规的海管敷设作业方式如铺管船敷设很难进入浅水区进行作业，且常规的海管敷设方式存在管道埋深较浅，管道覆盖物易受洋流冲刷影响，导致管道位移，安全性欠佳等缺点。为此，水平定向钻穿越以其技术优势，如在稳定层敷设、不易受洋流和季节温度影响、施工周期短、不影响水面通航等优点，逐渐出现在海管敷设领域中，尤其在国外的海洋管道施工中得到了较多的应用。

2. 浅海管道的定向钻施工应用现状

目前，大多数已完工浅海管道水平定向钻穿越项目，主要集中在美国、澳大利亚等发达国家（见表1），而我国则在2004年杭州湾甬沪宁管道敷设施工中得到了应用，钻机设备安置在潮汐浅滩处修建的人工岛上，向海上钻孔并在海床上出土，扩孔后，通过铺管船进行管道回拖。

表1典型的浅海管道水平定向钻穿越工程

3. 浅海定向钻穿越方式

按钻机钻进方向和施工地点区分，浅海管道水平定向钻穿越大致可分为陆对海、海对海、海对陆3种穿越方式。在施工前的设计阶段，需综合考虑穿越施工海域的水深、海面流速、施工总长度及其他多方面因素，将该段的浅海管道设计成整体穿越施工或分段穿越施工后再进行连头。

3.1陆对海施工方式

陆对海穿越方式进行施工，钻机布置在陆地上，操作场地应经过平整和硬化，确保能给钻机提供足够的锚固力。通常情况下，与常规穿越工序相同，需进行以下3个步骤的施工：

（1）钻导向孔：

钻机组装并调试完毕，泥浆系统组装并配浆完成，钻具连接等相关准备工作完成后，由钻机向海上进行导向孔穿越，导向孔钻进工艺与陆地施工相同，钻头在海床出土后，则由事先部署在出土点附近的潜水员进行钻头打捞，并通过驳吊等设备将钻杆牵引到出土点附近的施工平台上，出土点的操作平台受力较小，仅需将该操作平台锚固好即可，通常情况下，出土点的操作平台可使用普通的平底驳船。

（2）扩（洗）孔：

导向孔完成后，在出土点操作平台上进行扩孔器与钻杆的连接，进行常规的扩（洗）孔作业。扩孔的次数通常根据穿越管径来确定，通常48in以下的扩孔级差可取为8~10in，48in以上的大级别扩孔级差可取为4~6in。每级扩孔期间，通过观察司钻扭矩、返排泥浆的体积、返排泥浆的携沙量等参数，再确定是否安插洗孔作业。通常情况下，为了确保回拖前孔洞的清洁，在扩孔结束后，需进行一次或一次以上的洗孔作业。

（3）回拖：

回拖作业可分两种方式，第一种方式是出土点水深足够的情况下，将扩（洗）孔的操作平台撤离，直接将铺管船就位，配合钻机进行回拖同步的焊接作业，第二种方式则是在海面流速、风速均比较缓慢的情况下，在陆地上预制回拖管道，待穿越孔洞具备回拖条件时，采用拖船将整条回拖管道牵引至出土点（见图1），现场将回拖管道与穿越孔洞内的钻杆连接后，再进行回拖作业。

陆对海穿越方式的施工涉及到海上的相关作业，比常规的陆地穿越施工较为复杂（见图2）。

图2陆对海穿越施工流程图

采用陆对海穿越方式进行施工，所需的主要设备资源有：穿越专用设备，如钻机、泥浆混配系统、泥浆泵、泥浆回收装置及配套设备；陆地上使用的管道焊接设备，如焊车、吊管机、试压通球设备等；海洋工程设备，如出土点侧的驳船操作平台、铺管船、牵引管道用的拖船以及其他用途的船只。

3.2海对海施工方式

海对海穿越方式主要用于浅海管道的中间段，采用该施工方式的主要原因，是由于定向钻穿越的长度受制于钻机、施工平台以及钻具的性能，需将浅海管道分成若干段进行施工，已完成的管段之间通过连头后，成为一条完整的管道。表1中美国Hubline Natural Gas Pipeline项目在波士顿海湾进行管道敷设，就是将浅海管道分段穿越的实例，该工程管道定向钻穿越总长5，014m，分成4段完成，其中的海对海穿越为两穿，分别为1，307m和1，290m。

在海对海的穿越中，可以引入对接穿越技术，该技术是在穿越的两端均架设钻机进行对向导向孔施工，并在合适的区域进行对接，在穿越地层允许下，可以大幅增加穿越距离，减少管道的分段次数，进而减少海对海穿越的平台架设次数，降低施工成本。

相比较陆对海的穿越方式，海对海穿越方式中的所用施工作业均在海上进行，施工活动受洋流、台风、潮汐等自然因素的影响较大，施工难度也将大幅增加（见图3）。

图3海对海穿越施工流程

3.3海对陆施工方式

常规的浅海管道登陆段，以陆对海穿越方式的居多，但在特定情况下，则需采用海对陆穿越方式。如海上设计出土点的水深不足，铺管船无法进场施工，且海面流速过快，整体管道浮拖法风险大，不适合进行漂管施工，在此情况下，则只能采取海对陆施工方式，即钻机在海上平台上就位，管道在陆地上进行预制，待钻机完成钻导向孔、扩（洗）孔后，再进行管道回拖作业。陆地上的管道则根据管道预制作业带的地形情况，采用开挖发送沟或者安放滚轮架进行管道发送（见图4）。

图4海对陆穿越施工流程

4. 浅海定向钻穿越的关键因素

相比陆上常规水平定向钻穿越，浅海水平定向钻涉及更多专业，项目在实施过程中将遇到更多难题，需要在设计和施工阶段予以克服。

4.1钻机操作平台的选择

浅海管道定向钻穿越施工时，出土点的操作平台所受的载荷（主要是水平载荷）较小，普通的平底驳船经过锚固后即可充当该操作平台，而海上的钻机操作平台则受力复杂的多，由于钻机及配套的设备、钻具等自重大，钻机在钻进、扩（洗）孔、回拖时均会对平台产生很大的推拉力和扭矩，加之平台本身还受到洋流和潮汐的外力影响，因此，在钻机平台的设计阶段，应首要考虑平台在施工期间的稳定性和安全性。

目前，国外的海上钻机操作平台多数为自升式平台（图5、6），该类平台可以根据海水的涨落自行升降平台高度，也可自行移动，能很好地满足长距离浅海管道分段穿越的施工需要，而且安装及移动过程不需要大型浮吊船进行配合，操作便利。

图5自升式钻机操作平台

图6自升式平台平面示意图

4.2穿越泥浆的控制

在穿越施工的整个过程都需要使用泥浆，其作用主要有：冷却和润滑钻头，软化地层，辅助破碎地层，携带钻屑，稳定孔壁以及回拖时润滑管道，降低回拖阻力。泥浆在配制、回收利用阶段需考虑几个方面的因素：（1）钻机操作平台的使用面积有限，因此泥浆系统通常是单独布置在专用驳船上，施工期间该驳船紧挨钻机操作平台就位，便于与钻机平台协同作业；（2）考虑水平定向钻穿越期间的冒浆可能性，应采用环保无公害的材料进行配浆；（3）海水中的主要成分NaC1是强电解质，会侵害泥浆体系，可在配制泥浆时加入针对海水的专用添加剂，或考虑直接用海水配制泥浆1-21。

4.3管道回拖的控制

管道回拖是定向钻穿越的最后一环，也是最为关键的工序之一。启动回拖前，应充分清洗孔洞确保孔内钻屑充分被泥浆携带出洞，并确保泥浆在孔壁上行成稳定的泥饼，确保孔洞的稳定性。回拖速度也应控制在合理水平，回拖速度过快会造成孔壁（非岩石地层穿越）的失稳坍塌，增加回拖阻力。

随着管道施工技术的不断更新和完善，国内油气需求的日益增加，今后我国的浅海管道的建设市场也将大幅增加，结合应用铺管船等海洋工程设备，水平定向钻穿越技术以其特有的技术优势，将成为浅海管道敷设的重要组成部分。

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