油气管道定向钻穿越增加外防护层的标准要求及解析

《油气输送管道穿越工程设计规范》2013版标准8.3.3规定：水平定向钻穿越段位于岩石、卵石、砾石段地层时，宜选择耐磨、耐划伤的管道防腐涂层；或在防腐层外侧施加保护层。

5.1.1条规定：岩石层、卵砾石层等对管道存在划伤可能地段的定向钻穿越管道回拖时，应采取措施保护管道不受损伤，其防腐层或外层保护层应耐划伤。

待发布版标准5.1.2规定：当定向钻穿越岩石层、卵砾石层等对管道存在划伤可能的地层时，应采取措施保护管道不受损伤，其防腐层或外防护层应耐划伤。

解读：在岩石区段，由于岩性、风化程度的变化，岩石中裂隙、破碎带的存在，定向钻穿越钻孔会存在成孔不规则问题，另外清孔时效果不理想，钻孔内可能存在坚硬的碎石块；长距离的沙层、砾石层穿越对穿越管体形成较强的摩擦；在加设套段地段，套管端部可能存在凹陷或棱角；这些现象都可能造成管段回拖时卡管、擦管，刮伤防腐层或划伤钢管。故强调定向钻穿越回拖时应做好管段的外侧防护措施，如直接采用耐划伤的防腐涂层，或在防腐层外部连续涂覆耐磨保护层。

定向钻穿越管段几乎要求为免维护，对于损坏的防腐层基本无修复方法，只能依赖于有效的阴极保护。对于定向钻管道防腐层整体的完整性，一方面需要从回拖前考虑，入洞前的电火花漏点检验，另一方面需要对穿越后的防腐层质量进行检查，如防腐层完整性检测。回拖过程中，仅能通过提高防腐层的抗划伤性能来降低防腐层损坏风险。

对于油气管道而言，目前世界上最为成熟和普遍流行的防腐层为三层结构聚烯烃防腐层和环氧粉末类防腐层：三层结构聚烯烃防腐层主要包括三层结构聚乙烯防腐层（以下简称3LPE）和三层结构聚丙烯防腐层（以下简称3LPP）；环氧粉末类防腐层分为单层环氧粉末防腐层（以下简称单层FBE）和双层环氧粉末防腐层（以下简称双层FBE）。FBE类防腐层主要应用在北美地区，3LPE及3LPP防腐层主要应用在欧洲、中东、南美以及俄罗斯、中国、中亚诸国等。

上述几种类型防腐层在定向钻岩层穿越的耐划伤性能均不强。近年来，在复杂地质尤其是岩石地质条件下定向钻穿越段管道外防腐层划伤问题，日益引起关注。因此，采用防护层的方式对定向钻穿越段管道防腐层进行完整性防护，常用的防护层主要为环氧混凝土耐磨涂层、环氧玻璃钢涂层及光敏玻璃钢涂层。

1）环氧混凝土耐磨涂层

环氧混凝土耐磨涂层是在液态环氧涂料内添加了陶瓷等耐磨材料，以增加涂层的耐磨性能，其主要成分还是液态环氧涂料，主要用来保护定向钻穿越处的FBE防腐层。

2）环氧玻璃钢涂层

环氧玻璃钢涂层（即无溶剂环氧树脂增强纤维防护层）是液态环氧涂料的一种应用方式，是借鉴石油沥青防腐层的结构，在液态环氧涂层内添加玻璃丝纤维布作为筋骨，以增加该涂层的抗磨损、抗划伤性能。为了与PE层之间有很好的粘结强度，需对环氧涂料进行改性，另外在对PE层进行打毛、极化处理后，该涂层体系与PE层之间的粘结强度可以达到3.5MPa，故该防护层主要用于采用3LPE防腐层的定向钻穿越段管道，也可用于定向钻穿越段FBE防腐层管道。

3）光敏玻璃钢涂层

相对于环氧玻璃钢涂层，光敏玻璃钢涂层为工厂预制的片材，采用紫外光源进行固化。光敏玻璃钢采用的增强材料是由玻纤布与玻纤毡复合织成，综合了布和毡各自的优点，表现出更好的性能平衡。到现场的光敏玻璃钢涂层一般为片状结构材料，在稍微对PE层进行处理后，可自定向钻穿越管道的尾部依次向前搭接缠绕或两片之间对接包裹缠绕。根据现场气候情况，光敏玻璃钢可自然固化、也可采用紫外光源加速固化，阳光直射5分钟后硬度就能达标，阳光晒不到的沟下管道底部，在露天下暴露5-6 小时后，硬度也能达标。材料环保，产品不含苯、无毒无味，对施工人员没有伤害。

表1  常用防护层性能对比表

目前，国内大部分长输管道采用3LPE作为防腐层，从工程成熟度考虑，环氧玻璃钢涂层是采用最为普遍的定向钻管道防护层材料。

经过近年来的应用，环氧玻璃钢防护层仍具有现场施工和质量保证的难度较大，低温施工适应性差等问题，需要进一步改善。

因此，在规范条文中不对防护层的材料进行指定，而是要求其性能满足耐划伤的要求。

案例：某管道穿越工程位于中俄两国边境。中俄双方专家就穿越方案进行过多次技术交流，最终确定穿越方案为定向钻方案。管道设计压力6.4MPa，管径Φ820，壁厚15.9mm，材质采用K60级直缝埋弧焊钢管。双管同管径平行敷设，一条为主管道，另外一条为备用管道，平行间距25米，备用管道在主管道的下游。定向钻穿越采用对穿方案穿越，穿越长度1052m。

穿越位于中国最北端，气候寒冷，地质条件极其复杂，上覆盖8~18m不等的卵砾石，下部为变质砂岩。

1）问题的提出

定向钻穿越岩石地层时，由于孔洞的不圆滑，控向的精度等原因，对于大管径管道，由于管道刚度大，在经过弹性弯曲曲线时，容易损坏防腐层。

2）设计的防腐方案和施工技术方案

对于防腐方案，中俄双方设计文件均规定如下：

穿越段管道采用出厂带三层聚乙烯加强级防腐层，符合标准俄罗斯标准三层聚乙烯加强级外防腐 (4型) ，出厂防腐层厚度不小于3mm（考虑到安全，订货时候进行了加强，要求厚度不小于3.5mm）。

定向钻穿越补口采用特制的抗拉拖和抗磨蚀的聚合物热收缩套，符合俄标定向钻用聚乙烯热收缩套（4型，定向钻专用）。每一道口考虑3个热收缩套，一个用于补口，另外两个用于定向钻拖拉过程中防止补口的收缩套被拉坏。

设计中充分考虑了定向钻穿越对3PE防腐层和热收缩套的影响，均采用了专门适用于定向钻穿越的防腐层和热收缩套，采办过程中还进行了加强。

对于施工过程中对防腐层可能受到破坏，设计文件规定如下：

中方设计文件规定“根据馈电法检查输油干线防腐状态” 指导文件的要求，在定向钻穿越的管道回拖后，应用馈电法对管道进行防腐检查； 如果馈电法检查防腐不合格，则对穿越管道段采用超声波仪进行内测径诊断，同时增加牺牲阳极作为以后运营过程中的防护措施。”

俄方设计文件规定“水下铺设的油管线段电阻不应低于250kΩ·m²。在这种情况下当平均电流密度不高于1.3 μA/ m².时相对于电源连接地的穿越末端的土壤自然电位的偏移应是300 mV。考虑到不可能通过开挖来消除阴极极化发现的缺陷，在区段电阻不符合设计值时定向钻区域需连接临时阴保装置（保护阳极）。”

从中俄双方的设计文件看，如果防腐层遭到破坏采用增加保护阳极的形式进行补充保护。

另外，在定向钻施工过程中，将尽量使导向孔符合设计轨迹，并进行四次扩孔和充分的洗孔，保证定向钻孔洞圆滑，平缓过渡。

在穿越的施工方案中，设计考虑采用负浮力控制措施，让管道在回拖过程中保持悬浮状态，尽量减少孔壁对穿越管道防腐层的损伤。

3）管道防腐层保护方案

为了防止防腐层定向钻穿越过程中受到破坏，采用了德国PSI管道配件有限公司生产的Fiberatec光固化套，该材料对防腐层加强后具有优异的耐磨性和抗打击性能。其制造根据欧盟标准《用于与钢管外防腐相接的外有机涂层带和可缩材料》，加强后使得水平定向钻具有较强的抗机械外力冲击和较高的力学荷载。其抗压强度为150N/mm²，抗冲击强度57.5Kj/m²，抗剪切强度达到61.5N/cm²。

光固化套的施工方法采用缠绕式施工，然后采用自然光或者特种光源在规定时间内固化（-40℃以上工作）见图1。在一定强度的自然光下，固化时间20分钟—2小时，在特种紫外光灯下固化时间2—20分钟。

图1 光固化套保护管道图

4）结语

经过中俄双方多次协调，最后双方达成意见，同意穿越管道采用光固化套外保护方案。这是光固化套外防护在中国定向钻方案中首次应用。

定向钻穿越管道回拖后防腐层的保护，特别是岩石定向钻穿越，已经日益受到国内外专家的关注。此项目之后，国内专家对于在岩石、卵石、中粗砂等地层中定向钻穿越达成统一认识，采用外防护层。目前的外防护层以环氧或光敏玻璃钢类的居多。

詹：什么样的定向钻穿越增加外防护层，岩石层、卵砾石层是标准要求的，大家没什么异议，业内已经达成一致意见。长距离砂层和砾石层，这个需要技术人员去判定，大家意见没有完全一致，需要按照穿越长度、管径等区别对待。定向钻管道防腐层的保护，采用防护方案只是保守手段之一，定向钻的曲线设计、降浮方案也是保护防腐层重要手段，还有就是施工工艺很是至关重要的环节，孔洞的圆滑、泥浆配比、孔洞是否清理干净、回拖工艺等，都将影响防腐层的效果。