CN109578738B - 一种防管涌定向钻管道隔离管封堵装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防管涌定向钻管道隔离管封堵装置，属于定向钻技术领域。在套管与油气管道之间设置管道隔离管，所述管道隔离管通过钢托架支承在所述油气管道外侧，所述管道隔离管的内部端头与油气管道和套管的连接处均采用橡胶密封，伸出所述套管外部的管道隔离管与套管端口的连接处采用钢板焊接密封，管道隔离管的外部端头与所述油气管道的连接处采用法兰密封装置进行密封；所述管道隔离管与油气管道之间及管道隔离管和套管之间均填充有聚氨酯浆液。本发明通过管道隔离管进行隔离，橡胶密封圈进行封堵，压紧法兰和套管法兰有效对端头进行紧固，注入聚氨酯材料，其施工工艺简单，操作方便，可有效保证施工质量且造价低、工期短。

Description

一种防管涌定向钻管道隔离管封堵装置

技术领域

本发明涉及一种防管涌定向钻管道隔离管封堵装置，属于定向钻技术领域。

背景技术

随着油气管道非开挖技术的发展，定向钻成为油气管道非开挖穿越河流的一种最为常见的手段。定向钻穿越的地层也越来越复杂，大量工程都需要在出入土点设置套管以隔离不良地层。然而由于套管与管道之间存在空隙，渗透水流很容易顺着该空隙形成渗流通道，而套管下端土中细颗粒也很可能在形成的孔隙通道中移动，流失，土的孔隙不断扩大，渗流量也随之加大，最终导致土体内形成贯通的渗流通道，土体发生破坏的现象，特别是在洪水位较高存在水头差时，管涌的形成风险较高，严重时可能危及到防洪大堤的安全。近些年政府水利部门对地下穿江过河工程对防洪的影响越来越重视，特别是对定向钻穿越方案提出的要求越来越高，不少专家在防洪评价会议中指出套管与管道之间的空隙可能引起堤防安全风险，要求设计予以重视并采取相关设计措施确保堤防的安全。传统的定向钻穿越工程仅仅采用粘土夯填+止水环的处理方式回应防洪评价要求，对套管与管道内空隙不进行处理，部分工程采用了在套管与管道内直接注浆的方式，此方法注浆量大，施工周期长，而且由于管间空隙与土壤直接相连，浆液易渗流入地层内，施工质量不容保证，注浆量也不好控制。传统的粘土夯填+止水环设计已经满足不了防洪评价要求，因此需要一种全新的防管涌定向钻管道隔离管封堵装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种防管涌定向钻管道隔离管封堵装置，通过在套管与油气管道之间增加一个新的管道隔离层(后称管道隔离管)，管道隔离管采用钢托架支承在管道外侧，管道隔离管内部端头与油气管道和套管的连接处均采用橡胶进行密封，伸出所述套管外部的管道隔离管与套管端口的连接处采用钢板焊接密封，管道隔离管的外部端头与所述油气管道的连接处采用法兰密封装置进行密封，管道隔离管和套管上均设有注浆孔和出气孔，通过注浆孔在距离管口一定范围内对管道隔离管与油气管道之间及管道隔离管与套管之间填充聚氨酯封堵，以达到对套管与管道之间空隙进行封闭的效果。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种防管涌定向钻管道隔离管封堵装置，在油气管道的一段套设有套管，套管与油气管道之间设置管道隔离管，所述管道隔离管通过钢托架支承在所述油气管道外侧，所述管道隔离管的一端位于所述套管内部为内部端头，所述管道隔离管的另一端伸出所述套管外部为外部端头；所述管道隔离管与油气管道之间和所述管道隔离管与套管之间分别形成空隙，所述管道隔离管的内部端头与油气管道和套管的连接处均采用橡胶密封，伸出所述套管外部的管道隔离管与套管端口的连接处采用钢板焊接密封，管道隔离管的外部端头与所述油气管道的连接处采用法兰密封装置进行密封；所述管道隔离管与油气管道之间填充有聚氨酯浆液，所述管道隔离管和套管之间也填充有聚氨酯浆液。

进一步的，所述管道隔离管的外壁开设有第一注浆孔和第一出气孔，所述套管的外壁开设有第二注浆孔和第二出气孔；且所述第一注浆孔距离所述管道隔离管的外部端头在10m范围内，所述第二注浆孔距离所述套管管口在10m范围内。

进一步的，所述钢托架设有多个，每个钢托架均包括管箍和均匀设置在所述管箍上的若干个支撑柱；其中所述管箍是通过两个半圆箍卡在所述油气管道的外壁上，所述两个半圆箍通过第二全螺纹螺柱连接；所述支撑柱的顶端支承所述管道隔离管。

进一步的，在所述套管的外侧套设有止水环。

进一步的，所述管道隔离管内部端头连接油气管道的位置与所述管道隔离管内部端头末端留有距离。

进一步的，所述法兰密封装置包括位于所述法兰密封装置外侧的压紧法兰和位于所述法兰密封装置内侧的套管法兰，所述压紧法兰和套管法兰通过第一全螺纹螺柱连接；

管道隔离管的外部端头处焊接有竖直布置的圆环钢板，所述套管法兰通过第一水平钢管连接所述圆环钢板，所述压紧法兰通过第二水平钢管连接所述圆环钢板，其中所述第二水平钢管与圆环钢板之间还设置有多个橡胶密封圈；

所述压紧法兰、套管法兰、橡胶密封圈和圆环钢板均呈圆环状，所述油气管道依次穿过压紧法兰、套管法兰、第二水平钢管、橡胶密封圈和圆环钢板，所述橡胶密封圈位于所述第一水平钢管内部，且所述橡胶密封圈的外环贴紧第一水平钢管，所述橡胶密封圈的内环贴紧油气管道的外壁；所述油气管道与所述压紧法兰、套管法兰、第二水平钢管和圆环钢板均不直接接触。

进一步的，所述压紧法兰的内径小于所述套管法兰的内径，所述第二水平钢管的外径小于所述第一水平钢管的内径，所述橡胶密封圈的厚度大于所述第二水平钢管的厚度。

进一步的，所述第二水平钢管由第二水平钢管A和第二水平钢管B组成，其中所述第二水平钢管A一端连接所述压紧法兰，所述第二水平钢管A的另一端连接第二水平钢管B的一端，所述第二水平钢管B的另一端连接橡胶密封圈，所述第二水平钢管B的厚度大于第二水平钢管A的厚度。

进一步的，所述管道隔离管的外部端头处与所述圆环钢板之间还设置有若干个筋板。

进一步的，所述油气管道的外壁缠绕有10mm厚的绝缘胶皮。

本发明的有益效果为：

本发明采用压紧法兰和套管法兰通过增设管道隔离管对套管与油气管道之间采用聚氨酯发泡材料进行封堵，避免了由于套管与油气管道之间存在空隙而引起管涌造成堤坝塌陷、地面沉降或其他风险，同时满足了国内对地下穿越工程安全、防洪评价中越来越严格的要求，施工工艺简单，易操作，施工质量可以保证，有效的降低了工期和投资。

另外，本发明通过管道隔离管对套管与油气管道进行隔离，压紧法兰和套管法兰有效对端头进行紧固，橡胶密封圈进行封堵，注入聚氨酯材料。施工工艺简单，操作方便，可有效保证施工质量。

附图说明

图1为本发明所述防管涌定向钻管道隔离管封堵装置结构示意图；

图2为图1中M处放大结构示意图；

图3a为管道隔离管的钢托架结构示意图；

图3b为图3a中A-A断面结构示意图；

图4a为套管法兰结构示意图；

图4b为压紧法兰结构示意图；

其中，1-圆环钢板，2-第二水平钢管A，3-第二水平钢管B，4-钢板，5-支撑柱，6-管箍，7-筋板，8-套管，9-管道隔离管，10-第一水平钢管，11-套管法兰，12-压紧法兰，13-第一全螺纹螺柱，14-第二全螺纹螺柱，15-橡胶密封圈，16-第一橡皮挡板，17-第二橡皮挡板，18-油气管道，19-绝缘胶皮，20-第一出气孔，21-第一注浆孔，22-第二出气孔，23-第二注浆孔，24-止水环。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

将本发明应用在某输气管道支线长江穿越工程中，设计压力6.3MPa，穿越管段为D610×12.7mm L415直缝埋弧焊钢管，外防腐层为双层FBE防腐层，外防护层为无溶剂液态环氧耐磨涂层，工程等级为大型，地区等级三级。定向钻穿越长江，穿越水平长度2067m，两岸夯钢套管隔离软弱的覆盖层，其中左岸套管隔离长度220m，右岸套管隔离长度193m，两岸共采用套管隔离长度413m。

主要穿越地层如下：

粉细砂(Q4al+pl):灰色～青灰色，饱和，松散～稍密，主要矿物成分为石英、长石及云母等，局部夹粉质黏土，颗粒级配不良，分选性一般；局部为细砂。厚度2.30～19.50m、平均7.68m。

卵石(Q4al+pl):杂色，饱和，密实，主要成份为石英砂岩，呈亚圆形，粒径2～6cm，最大粒径8cm，含量约60～70％，含少量碎石，充填物主要为黏性土及角砾、砾砂，钙泥质胶结，胶结度一般；厚度0.70～2.00m、平均1.28m。

中风化弱变质泥质细砂岩:灰白色，长江东侧以深灰色为主，细粒结构，块状构造，长石石英质，钙质胶结，岩芯呈短柱状、柱状，局部块状，裂隙发育，倾角45°～90°，裂隙填充物多为铁锰质氧化物、方解石及高岭土，局部遇水软化，一般RQD为55～95％，该层强度不一，CJ1～CJ17号孔以灰白色为主，局部遇水有软化现象，强度较低，其中CJ10及CJ16号孔附近受次生构造影响，风化裂隙强烈发育，岩芯因机械扰动，多呈散块状，CJ18～CJ21号孔以深灰色为主，含少量黄铁矿，质地较坚硬。厚度1.40～27.80m、平均11.11m。

中风化含砾砂岩:灰色，质地坚硬，细粒结构，块状构造，长石石英质，岩芯呈块状，块径6～11cm，裂隙发育。该层土层顶标高-81.30～-62.79m、平均-72.05m；层底标高-81.80～-63.29m、平均-72.55m；厚度0.50m。土石等级Ⅵ级。该层仅CJ13、CJ14孔有揭露。

一种防管涌定向钻管道隔离管封堵装置，如图1所示，在油气管道18的一段套设有套管8，套管8与油气管道18之间设置管道隔离管9，所述管道隔离管9通过钢托架支承在所述油气管道18外侧，所述管道隔离管9的尺寸为D914×15.4mm。所述管道隔离管9的一端位于所述套管8内部为内部端头，即图1中右端；所述管道隔离管9的另一端伸出所述套管8外部为外部端头，即图1左端。所述管道隔离管9与油气管道18之间和所述管道隔离管9与套管8之间分别形成空隙，所述管道隔离管9的内部端头与油气管道18和套管8的连接处均采用橡胶密封，具体的，管道隔离管9的内部端头与油气管道18的连接处采用第一橡皮挡板16密封，所述管道隔离管9的内部端头与套管8的连接处采用第二橡皮挡板17密封。伸出所述套管8外部的管道隔离管9与套管8端口的连接处采用钢板4焊接密封，管道隔离管9的外部端头与所述油气管道18的连接处采用法兰密封装置进行密封。

所述管道隔离管9与油气管道18之间填充有聚氨酯浆液，所述管道隔离管9和套管8之间也填充有聚氨酯浆液。其中，所述管道隔离管9的外壁开设有第一注浆孔21和第一出气孔20，所述套管8的外壁开设有第二注浆孔23和第二出气孔22；且所述第一注浆孔21距离所述管道隔离管9的外部端头在10m范围内，所述第二注浆孔23距离所述套管8管口在10m范围内。分别通过第一注浆孔21和第二注浆孔23在距离管口一定范围内对管道隔离管与油气管道之间及管道隔离管与套管之间填充聚氨酯封堵，以达到对套管与油气管道之间空隙进行封闭的效果。

所述管道隔离管9内部端头连接油气管道18的位置与所述管道隔离管9内部端头末端留有距离。

用于支承管道隔离管9的钢托架设有多个。如图3a、3b所示，每个钢托架均包括管箍6和均匀设置在所述管箍6上的若干个支撑柱5，其中所述管箍6是通过两个半圆箍卡在所述油气管道18的外壁上，所述两个半圆箍通过第二全螺纹螺柱14连接。本发明中优选的，沿管箍6一周均匀设置有四个支撑柱，所述支撑柱的顶端支承所述管道隔离管9。

如图2所示，所述法兰密封装置包括位于所述法兰密封装置外侧的压紧法兰12和位于所述法兰密封装置内侧的套管法兰11。所述压紧法兰12和套管法兰11的圆环上在相应的位置均设有螺栓孔，优选的，如图4a、4b所示，在压紧法兰12和套管法兰11的圆环上分别均匀的设有四个螺栓孔，所述压紧法兰12和套管法兰11通过第一全螺纹螺柱13连接，所述第一全螺纹螺柱13依次穿过所述压紧法兰12和套管法兰11上的螺栓孔。

管道隔离管9的外部端头处焊接有竖直布置的圆环钢板1，所述套管法兰11通过第一水平钢管10连接所述圆环钢板1，所述压紧法兰12通过第二水平钢管连接所述圆环钢板1，其中所述第二水平钢管与圆环钢板1之间还设置有多个橡胶密封圈15，所述多个橡胶密封圈平行并列布置；所述压紧法兰12、套管法兰11、橡胶密封圈15和圆环钢板1均呈圆环状，所述油气管道18依次穿过压紧法兰12、套管法兰11、第二水平钢管、橡胶密封圈15和圆环钢板1，所述橡胶密封圈15位于第一水平钢管10内，且所述橡胶密封圈15的外环贴紧第一水平钢管10，所述橡胶密封圈15的内环贴紧油气管道18的外壁，以密封管道隔离管9的外部端头与油气管道之间的空隙。所述油气管道18与所述压紧法兰12、套管法兰11、第二水平钢管和圆环钢板1均不直接接触，避免法兰、钢板或钢管磨损所述油气管道及所述油气管道外壁上的防腐层和外防护层。

其中，所述压紧法兰12的内径小于所述套管法兰11的内径，所述第二水平钢管的外径小于所述第一水平钢管10的内径，所述橡胶密封圈15的厚度大于所述第二水平钢管的厚度。

所述第二水平钢管由第二水平钢管A2和第二水平钢管B3组成，其中所述第二水平钢管A2一端连接所述压紧法兰12，所述第二水平钢管A2的另一端连接第二水平钢管B3的一端，所述第二水平钢管B3的另一端连接橡胶密封圈15，所述第二水平钢管B3的厚度大于第二水平钢管A2的厚度，具有足够厚度的第二水平钢管B3可以给橡胶密封圈15提供足够的支撑力，在压紧法兰的作用下压实所述橡胶密封圈，以避免出现漏液的情况；同时减小与压紧法兰12直接连接的第二水平钢管A2的厚度，可在保证钢管足够支撑力的同时，减小材料用量，减轻法兰密封装置的重量，所述第二水平钢管A2和第二水平钢管B3可一体成型，可焊接连接，也可螺栓连接。

为加固圆环钢板1，所述管道隔离管9的外部端头处与所述圆环钢板1之间还设置有若干个筋板7。

在所述套管8的外侧套设有止水环24。

所述油气管道18的外壁缠绕有10mm厚的绝缘胶皮19。

本实施例中对相关构件的技术指标要求如下：

1)橡胶密封圈的硬度、物理性能、质量、尺寸和公差，及检验等应符合GB/T 21873-2008的规定。

2)橡胶密封圈使用前应进行检查，不得有割裂、龟纹、错位、错配、飞边等缺陷，与橡胶密封圈接触的各表面应洁净，橡胶密封圈应平直，无扭曲。

3)压紧法兰与套管法兰的制作参照《钢制管法兰》HG/T 20592-2009中的板式平焊法兰的制作要求。

4)螺柱、螺母表面采用镀锌钝化处理，钢板材料采用环氧煤沥青外防腐。

5)考虑到穿越管道抗震设计设防需要，本设计在距套管管口10m范围内的输气管道与护壁套管之间密室填充聚氨酯封堵。聚氨酯化学灌浆前应进行试压，试压的压力为0.5MPa。

6)橡皮挡板可定制，其边线需打磨光滑以免损伤天然气管道的外防腐层。

7)所有焊缝均满焊，焊缝高度取较薄构件厚度。

主要技术指标：

(1)橡胶密封圈

硬度：≥40IRHD；

公称硬度允许公差：±5；

最小拉伸强度：9MPa；

压缩永久变形：≤12％(23℃，72h)，≤20％(70℃，24h)，≤40％(-10℃，72h)；

老化(70℃，7d)：-5～+8(硬度)，-20％(拉伸强度最大变化率)，-30～+10(拉断伸长率最大变化率)；

应力松弛：≤12％(23℃，7d)，≤20％(70℃，100d)。

(2)压紧法兰与套管法兰的制作采用板式平焊法兰，其具体指标如下：

适用钢管外径：DN10～DN2000(≤PN2.5)。

其制作应满足规范：《钢制管法兰》HG/T 20592-2009。

(3)聚氨酯材料

聚氨酯弹性体各项性能指标(常温)要求如下：

拉伸强度：≥40MPa；

压缩永久变形：≤压缩率的60％；

撕裂强度：≥90kN/m；

剪切强度：≥10 5MPa；

磨耗(旋转辊筒式)：≤35 6mm3；

硬度：邵A 93±3 7；

回弹性：≥40％。

本实施例通过管道隔离管进行隔离，橡胶密封圈进行封堵，压紧法兰和套管法兰有效对端头进行紧固，注入聚氨酯材料。施工工艺简单，操作方便，可有效保证施工质量且造价低、工期短，并可以有效检测，随着穿江工程越来越多管道直径越来越大，其经济技术合理性将更加明显，其应用范围及应用前景也就更为广阔。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种防管涌定向钻管道隔离管封堵装置，其特征在于，在油气管道(18)的一段套设有套管(8)，在所述套管(8)的外侧套设有止水环(24)，套管(8)与油气管道(18)之间设置管道隔离管(9)，所述管道隔离管(9)通过钢托架支承在所述油气管道(18)外侧，所述管道隔离管(9)的一端位于所述套管(8)内部为内部端头，所述管道隔离管(9)的另一端伸出所述套管(8)外部为外部端头；所述管道隔离管(9)内部端头连接油气管道(18)的位置与所述管道隔离管(9)内部端头末端留有距离；所述管道隔离管(9)与油气管道(18)之间和所述管道隔离管(9)与套管(8)之间分别形成空隙，所述管道隔离管(9)的内部端头与油气管道(18)和套管(8)的连接处均采用橡胶密封，伸出所述套管(8)外部的管道隔离管(9)与套管(8)端口的连接处采用钢板(4)焊接密封，管道隔离管(9)的外部端头与所述油气管道(18)的连接处采用法兰密封装置进行密封；所述管道隔离管(9)与油气管道(18)之间的空隙和所述管道隔离管(9)和套管(8)之间的空隙均填充有聚氨酯浆液。

2.根据权利要求1所述的防管涌定向钻管道隔离管封堵装置，其特征在于，所述管道隔离管(9)的外壁开设有第一注浆孔(21)和第一出气孔(20)，所述套管(8)的外壁开设有第二注浆孔(23)和第二出气孔(22)；且所述第一注浆孔(21)距离所述管道隔离管(9)的外部端头在10m范围内，所述第二注浆孔(23)距离所述套管(8)管口在10m范围内。

3.根据权利要求1所述的防管涌定向钻管道隔离管封堵装置，其特征在于，所述钢托架设有多个，每个钢托架均包括管箍(6)和均匀设置在所述管箍(6)上的若干个支撑柱(5)；其中所述管箍(6)是通过两个半圆箍卡在所述油气管道(18)的外壁上，所述两个半圆箍通过第二全螺纹螺柱(14)连接；所述支撑柱(5)的顶端支承所述管道隔离管(9)。

4.根据权利要求1所述的防管涌定向钻管道隔离管封堵装置，其特征在于，所述法兰密封装置包括位于所述法兰密封装置外侧的压紧法兰(12)和位于所述法兰密封装置内侧的套管法兰(11)，所述压紧法兰(12)和套管法兰(11)通过第一全螺纹螺柱(13)连接；

管道隔离管(9)的外部端头处焊接有竖直布置的圆环钢板(1)，所述套管法兰(11)通过第一水平钢管(10)连接所述圆环钢板(1)，所述压紧法兰(12)通过第二水平钢管连接所述圆环钢板(1)，其中所述第二水平钢管与圆环钢板(1)之间还设置有多个橡胶密封圈(15)；

所述压紧法兰(12)、套管法兰(11)、橡胶密封圈(15)和圆环钢板(1)均呈圆环状，所述油气管道(18)依次穿过压紧法兰(12)、套管法兰(11)、第二水平钢管、橡胶密封圈(15)和圆环钢板(1)，所述橡胶密封圈(15)位于所述第一水平钢管(10)内部，且所述橡胶密封圈(15)的外环贴紧第一水平钢管(10)，所述橡胶密封圈(15)的内环贴紧油气管道(18)的外壁；所述油气管道(18)与所述压紧法兰(12)、套管法兰(11)、第二水平钢管和圆环钢板(1)均不直接接触。

5.根据权利要求4所述的防管涌定向钻管道隔离管封堵装置，其特征在于，所述压紧法兰(12)的内径小于所述套管法兰(11)的内径，所述第二水平钢管的外径小于所述第一水平钢管(10)的内径，所述橡胶密封圈(15)的厚度大于所述第二水平钢管的厚度。

6.根据权利要求4所述的防管涌定向钻管道隔离管封堵装置，其特征在于，所述第二水平钢管由第二水平钢管A(2)和第二水平钢管B(3)组成，其中所述第二水平钢管A(2)一端连接所述压紧法兰(12)，所述第二水平钢管A(2)的另一端连接第二水平钢管B(3)的一端，所述第二水平钢管B(3)的另一端连接橡胶密封圈(15)，所述第二水平钢管B(3)的厚度大于第二水平钢管A(2)的厚度。

7.根据权利要求4所述的防管涌定向钻管道隔离管封堵装置，其特征在于，所述管道隔离管(9)的外部端头处与所述圆环钢板(1)之间还设置有若干个筋板(7)。

8.根据权利要求1所述的防管涌定向钻管道隔离管封堵装置，其特征在于，所述油气管道(18)的外壁缠绕有10mm厚的绝缘胶皮(19)。