摘 要：3300m长江天然气管道穿越工程是世界上首次在大口径管道穿越领域内实施如此长距离的管道穿越工程，面临导向孔对接难度大、扩孔扭矩大、钻井液性能要求高及回收处理难度大、回拖阻力大等技术难题。为此，针对性地采用了以下技术措施：①确定合理的钻具组合，研发并应用了新型Æ193.7mm(S-135)高强度钻杆，采用了新型全程导向电缆技术及旋转磁铁对接技术，成功地完成了导向孔施工；②采用新型设计的可抗大扭矩的Æl68.3mm(V-150)钻杆，优化了扩孔器构造，改进了水力参数的选择，成功降低了扩孔扭矩，完成了扩孔施工，同时极大地提高了扩孔效率；③设计专门针对大吨位回拖阻力的特殊地锚，并通过漂管作业、加入高效润滑剂、采用新型玻璃钢防腐技术保护管道外防腐层的技术措施，保证了回拖施工顺利完成；④优选钻井液配方，保证了孔洞的稳定及钻屑的顺利返排；⑤成功应用离心机回收处理钻井液系统，保证了回收钻井液的质量。上述一系列的技术创新，确保了3300 m长江天然气管道穿越工程的顺利完成，同时也创造或刷新年了多项管道穿越世界纪录。
关键词：长江天然气管道 穿越施工 水平定向钻进 对接施工 长距离 大扭矩 砂层钻进 钻井液回收 离心机
Engineering difficulties and technical innovation in the Jiangyin Yangtze River Crossing Project 3300m HDD
Abstract：The Jiangyin Yangtze River Crossing Project sets up a rccord with the length of horizontal directional drilling(HDI))of 3300 meters in the world．Many technical difficulties have been inevitably encountered in pilot hole docking，reaming torque，property requirement and recovery processing of drilling fluids，and pull-back resistance，and so on．In view of this，first at the pilot hole drilling stage，a reasonable drill tool assembly was chosen，and a new type drill pipeÆ193.7mm(S-135)with a high strength was applied along with fully guided cable and rotating magnate docking technologies．Then at the reaming stage，a newly-designed drill pipeÆ168.3mm(V-150)was adopted along with the optimized reamers and the improved hydraulic parameters to successfully reduce the reaming torque and significantly improve the reaming efficiency．And at the pullback stage，a specific ground anchor was designed for such large-tonnage pullback strength，high performance anti-friction lubricants were carried by the coaxial distribution delivery tube，and glass fiber reinforced plastics were also utilized for the pipeline coating．Finally，the drilling fluid formula was optimally selected to ensure the hole stability and flowback of drilling cuttings，and a centrifugal was used to recycle the drilling mud to ensure the mud performance．The above technical innovation not only ensured the smooth and successful completion of this HDD project，but broke many records in this respect．
Keywords：Yangtze River，natural gas pipeline，horizontal directional drilling(HDD)，crossing construction，docking，long distance，huge torque，sand strata，drilling mud recycle，centrifugal
长江定向钻管道穿越工程成功与否直接影响着江都如东天然气管道项目泰兴芙蓉段的贯通实施。此次3300m长江天然气管道穿越工程是世界上首次在大口径管道穿越领域内实施如此长距离的穿越施工，相对于以前施工的穿越工程，其施工风险已经不是单纯的线性倍数增加，而是呈指数倍增加，施工中一个小的疏忽就可能引起极严重的后果[1-7]。为此，项目施工人员详细规划了施工中的每一个细节，大胆采用了许多创新工艺，精心操作，及时处理施工中的难题，最终成功完成了管道穿越施工。
1 工程概况及难点
1．1 工程概况
江都一如东天然气管道项目3期工程泰兴 芙蓉段管道在靖江与江阴之间穿越长江，有2根Æ7llmm天然气管道，同时并行Æ406.4mm成品油管道，每根管道长度均为3300m(图1)。
1．2 穿越地层概况
3300m长江天然气管道穿越项目所穿越地层如图2所示。
1)⑥a为粉质黏土夹粉土：灰黄、黄灰色，可塑，局部含少量钙质结核或砂礓，直径为5～30mm，个别直径可达50～70mm，承载力特征值为l80kPa。
2)⑥1为粉砂(局部细砂)：灰黄、黄灰色，饱和，中度密实，含少量直径为5～40mm的砂礓，具低压缩性，工程性质一般，承载力特征值为l80kPa。
3)⑥2为粉砂、细砂：灰黄、黄灰色，饱和，密实，层底与上部粉质黏土接触处局部含直径为5～50mm的砂礓块，层下部含少量直径为2～20mm的砾粒，具低压缩性，工程性质较好，承载力特征值为300kPa。
1．3 工程难点
1)导向孔对接难度大。管道穿越距离长，单穿技术在钻杆钻具方面已经无法达到施工要求，所以必须采用对接技术[8]。而此前没有如此长距离的对接经验，采用何种外部引导磁场，对接区如何精确校准，对接成功后如何推送长距离钻杆，长距离套管的施工技术都成了必须要解决的技术难点。
2)扩孔扭矩大。因为此次管道穿越地层主要为粉砂层，为不稳定地层，而且管道穿越距离超长，导致扩孔扭矩过大，经初步计算扩孔扭矩超过40000N·m，实际施工中扩孔扭矩最大能达到70000N·m，这对钻杆的选择、扩孔器选型、水眼配置、钻井液排量的选择、喷浆短节的选择都有较高的要求[9-10]。
3)钻井液性能要求高。长距离管道穿越，钻井液的携带性和流动性会减弱，入出土点两侧不容易返浆，致使钻屑不能随钻井液携带出洞，故钻井液的流动性要强。而此次地层的稳定性较弱，需要钻井液具有较强的护壁功能。
4)钻井液回收处理难度大。因为此次管道穿越地层主要为砂层并含有一定的黏粒，传统的钻井液回收系统已经不适用于此次长距离管道穿越的钻井液回收处理，必须对传统的钻井液回收技术进行革新以满足此次长距离管道穿越施工的需要。
5)回拖阻力大。此次长距离管道穿越摩擦力大，导致整体回拖阻力大[11-13]，通过理论计算与实践应用，成功地降低了回拖阻力，使得同拖施工顺利完成。
2 工艺创新
2．1 导向孔技术创新
1)采用全程人工磁场作为引导，保证穿越曲线精准。此技术是国内首次在大型河流穿越施工中使用，效果良好。在陆上布设小线圈，江中布设海缆，成功将两边钻头引导至对接区。通过3次对接穿越可知全程海缆是最为稳定有效的控向引导信号源，尤其是在江面较宽、航道交通繁忙的跨江穿越工程中具有较大优势。
2)采用旋转磁铁进行精确对接。旋转磁铁导向对接技术是目前世界上较为先进的导向孔对接技术，对接有效范围可达70m，3次管道穿越施工中成功采用旋转磁铁对接技术完成了导向孔对接。
3)优化钻具组合。为了解决长距离管道穿越中对接成功后钻杆推送阻力大而导致钻杆弯曲破坏的问题，必须优化钻具组合，以保证推送力可以均匀地传送。经过理论计算和试钻施工，得到了最优的钻具组合(图3)，可以承受超过60t的推进力，成功完成了3次管道穿越的推送施工。
4)设计研发新型钻杆。经过钻柱力学分析计算得出穿越3000m以后钻杆推力超过50t，以前定向钻施工中所采用的钻杆已无法满足此推力的要求，通过与国内钻具厂家合作，研发了Æl93.7mm(S-135)高强度钻杆(在API标准中还无此类型钻杆)，可抵抗超过90t的推力，成功用于此次管道穿越施工。
5)改进技术细节。改进控向线在钻杆内的固定方式，避免了在长距离管道穿越过程中高速流动的钻井液对控向线长时间冲刷而引发的短路现象。合理配置喷浆短节的数量以及水嘴孔径，使得在保持充分润滑孔壁、减少摩擦阻力的同时，保证了钻井液马达的工作效率，提高了钻进速度，缩短了导向孔的施工时间。
2．2 扩孔技术创新
如此长距离扩孔施工无先例可以参考，很多扩孔数据已经超出了以前的施工经验。通过扩孔施工，发现长距离扩孔施工中许多钻进参数规律已经完全不同于短距离扩孔施工，主要表现为：
1)扩孔扭矩大，必须采用高强度钻杆。扩孔施工中个别阶段扩孔扭矩超过7×104N·m，以前的钻杆已经无法满足要求。采用与国内钻具厂家新设计生产的Æl68.3mm(V-150)高强度钻杆，可以抵抗高扭矩和高拉力，在施工中成功克服了扩孔扭矩大的难题，顺利完成了扩孔施工。
2)采用改进型板桶式扩孔器，提高了扩孔效率，降低了施工风险(图4)。采用新扩孔器后，在Æ711mm-B管道穿越四级扩孔施工中均是一次性完成了扩孔，出土后的扩孔器磨损很小，扩孔效果极好。根据B管的扩孔经验，在改进扩孔器切割方式的前提下，Æ711mm-A线进一步优化了扩孔器水嘴的配置，使得钻井液有效辅助切削，减小了扩孔扭矩，将原来的四级扩孔减少到三级(660.4mm、914.4mm、l066.8mm)，提高了施工效率，节约了工期。
3)加大钻井液排量，改进水眼配置，提高水眼射速。扩孔水力参数对比情况见表1。
Æ406mm管道穿越扩孔施工时发现钻井液排量低于2m2／min、水眼射速低于50m／s时扩孔扭矩大，钻具磨损快。Æ711mm管道穿越扩孔施工时调整了施工参数，改进了扩孔器选型，使得扩孔扭矩得到了有效控制，钻屑及时排除，水力切削充分，钻具几乎没有磨损，加快了施工进度，保证了每次扩孔一次性成功。根据3次管道穿越对钻进参数的调整情况，并结合现场实际可以达到的施工条件，最优的钻进参数统计结果见表2。
根据表2，Æ711mm-A线管道穿越扩孔在B线基础上进一步优化了扩孔器水嘴的配置，将水眼个数控制在13个以内，使钻井液有效辅助切削，减小扩孔扭矩，将原来的四级扩孔减少到三级(660.4mm、914.4mm、1066.8mm)，提高了工作效率，缩短了施工工期。
4)优化钻井液配比，使得钻井液与地层的适应性达到最优。此次管道穿越地层主要为粉细砂层，但是其中也经过了粉质黏土层、淤泥质粉黏层、黏土层等多种地层，本身砂层的成孔性就比较差。因此，对钻井液的配制要求非常高。组织了钻井液专家，专门针对此次管道穿越设计了钻井液配方，并经过大量的室内试验和现场试验确定了最优的钻井液配比方案[14]。
5)采用离心机除去钻井液中的有害固相，有效地保证了钻井液性能。此次长距离管道穿越对于钻井液回收处理非常严格，要保证回收处理后有效除去钻井液中的有害固相，钻井液性能保持优良，可以进行循环利用。在实践中对比了传统钻井液回收系统及新型离心机钻井液回收处理系统的应用效果，并进行了理论分析，应用效果证明使用离心机成功去除了有害固相，保证了钻井液的性能，为此次长距离管道穿越的成功提供了有效保证。
2．3 回拖施工技术创新
由于管道穿越距离长，理论计算出管道回拖阻力大(Æ7llmm管道回拖阻力超过300t)[15-16]，故必须解决回拖阻力大可能引起的施工难点，主要从以下4个方面进行了技术上的创新，施工效果良好。
1)设计特殊地锚。通过计算回拖阻力，设计了专门针对大吨位回拖阻力的地锚(图5)，以抵抗大的回拖阻力。
2)漂管减阻。管道穿越距离长，相应的管道摩擦阻力就大，施工人员因地制宜，利用现有河流进行漂管作业，极大地降低了管道的回拖阻力。
3)加入高效润滑剂，降低回拖阻力。通过大量的现场试验，钻井液技术人员确定了最优的润滑剂加入量，有效地降低了回拖阻力。
4)采用环氧玻璃钢保护防腐层。管道穿越距离长且回拖阻力大可能会导致防腐层的破坏，穿越工程采用环氧玻璃钢对管道防腐层进行保护，在施工中有效地保护了管道的3LPE外防腐层，防止了摩擦、划伤等工程事故的发生[17-18]。
5)回拖阻力统计结果见表3。
3 结论
对3300m长江天然气管道穿越工程的难点及创新点进行了分析，相关经验总结如下：
1)导向孔阶段，经过严格的理论计算及试钻施工确定了合理的钻具组合，研发并成功应用了新型Æ193.7mm(S-135)高强度钻杆，采用了新型全程导向电缆技术及旋转磁铁对接技术，使得对接施工顺利实施。
2)扩孔阶段，采用了新型Æ168.3mm(V-150)钻杆，改进了扩孔器类型，优化了水力参数，成功完成了扩孔施工，极大地提高了扩孔效率。
3)回拖阶段，采用了新型地锚，保证了回拖施工的安全。采用漂管施工，降低了回拖阻力。外防腐层增加了新型玻璃钢防腐技术，有效地保护了防腐层。经过一系列技术创新，大大降低了回拖阻力，使得回拖施工顺利完成。
4)优选钻井液配方，成功应用离心机回收处理钻井液系统。经过大量的试验及理论分析研究，合理地选择了适用于此次穿越地层的钻井液配方，保证了孔洞的稳定及钻屑的顺利返排。成功应用了离心机回收处理钻井液系统，克服了传统钻井液回收系统的不足，保证了回收钻井液的质量，为此次管道穿越的成功奠定了基础。
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本文作者：吴益泉 吕桂明 徐良奎 张盼军 冒乃兵
作者单位：中国石油天然气管道局穿越分公司
中国石油西气东输管道公司管道建设项目部
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