市政、油气管道工程水平定向钻简介解析 38页

第一章水平定向钻穿越施工工艺过程介绍其工作过程是通过计算机控制钻头进行导向和探测，先钻出一个与设计曲线相同的导向孔，然后再将导向孔扩大，把产品管线回拖到扩大了的导向孔中，完成管线穿越的施工过程。\n1.通过钻出一条最理想的钻进路径，在不破坏地表原状的前提下，来完成管线铺设的过程。2.理想的钻进路径通常是：使铺装的管线在渐变的、较小的弯曲且不发生永久变形的受力状况下敷设在计划的位置。3.通常要求所使用的钻机系统要具有足够的扭矩来驱动钻头或扩孔器，并将钻屑和钻液很好混合。4．在施工前，必须勘查和了解土质，施工时要制订适合地质情况的钻孔工艺，选用合适的泥浆配比，选择有效切削和混合钻屑的扩孔器。5．扩孔的目的是使管线的外壁与钻孔壁之间产生足够的环型空间，以便管线拖入钻孔时有足够的环型空间，以便挤走部分泥浆。\n穿越施工分为二个阶段第一阶段是按照设计曲线尽可能准确的钻一个导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔，并将产品管线（一般为钢管，PE管道，光缆套管）沿着扩大了的导向孔回拖到导向孔中，完成管线穿越工作。\n鉆导向孔\n预扩孔\n回拖管道\n水平定向钻施工的特点：1．定向钻穿越施工具有不会阻碍交通，不会破坏绿地，植被，不会影响商店，医院，学校和居民的正常生活和工作秩序，解决了传统开挖施工对居民生活的干扰，对交通，环境，周边建筑物基础的破坏和不良影响。2．现代化的穿越设备的穿越精度高，易于调整敷设方向和埋深，管线弧形敷设距离长，完全可以满足设计要求埋深，并且可以使管线绕过地下的障碍物。\n3．城市管网埋深一般达到三米以下，穿越河流时，一般埋深在河床下9—18米，所以采用水平定向钻机穿越，对周围环境没有影响，不破坏地貌和环境，适应环保的各项要求。4．采用水平定向钻机穿越施工时，没有水上、水下作业，不影响江河通航，不损坏江河两侧堤坝及河床结构，施工不受季节限制，具有施工周期短人员少、成功率高施工安全可靠等特点。5．其它施工方法比较，进出场地速度快，施工场地可以灵活调整，尤其在城市施工时可以充分显示出其优越性，并且施工占地少工程造价低，施工速度快。6．大型河流穿越时，由于管线埋在地层以下9—18m，地层内部的氧及其他腐蚀性物质很少，所以起到自然防腐和保温的功用，可以保证管线运行时间更长。\n水平定向钻机系统组成各种规格的水平定向钻机都是由钻进系统、动力系统、控向系统、泥浆系统、钻具及附助机具组成，只是采取了不同的安装方式或结构，它们的一般结构及功能介绍如下：1钻进系统：2动力系统：3控向系统：4泥浆系统：5钻具及辅助机具\n\n第二章施工设计和施工前的准备非开挖穿越施工的关键是作好穿越曲线即导向孔曲线的设计和地质勘察。穿越曲线的设计和施工受许多因素的制约，其中最主要的是施工现场的地上和地下条件，地上条件包括地形，地貌以及周围建筑物，道路，河流等；地下情况包括原有地下管道，地下水和地质结构等，因此，在穿越曲线设计和施工之前必须进行详细的现场勘察，取得第一手的地质资料，为编制施工方案和计算工程造价提供依据。\n1．1现场勘察内容包括：1.原有地下管线及设施的直径和埋深，原有电缆线路的走向等情况，并在地面作好标记。一般的城市档案馆或测绘院有档案可查。2.穿越地层的土质类型，含水量，透水性，岩石硬度，含卵石或砾石的比例等情况。这些资料可以通过查找有关资料，开挖探孔或钻探的方式取得，以便为设计曲线走向和深度提供依据。地勘要求和项目见相应的设计规范和标准。例如：《油气田及管道岩土工程勘察规范》（SY/T0053—2004）；《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）；制定出相应的该项目的《岩土工程勘察统一技术规定》等。\n勘查报告的主要内容如下1)地表测量：2）土工测量：3）地下测量：\n第二节钻孔线路的设计方法钻进曲线的设计，可以根据施工的要求和实测资料，预先规划出一条理想的钻进路径。通常这些要求和资料包括：1．最小地面覆盖厚度、钻头入土（地）/出土角度，所选机器的型号，钻杆的长度和最小曲率半径，这些资料决定了工程中需要钻杆的数量，保证钻杆的最小转弯限制。\n2．待装管线的直径、一次铺设的管线成组根数、管线允许的最小曲率半径以及泥土的类型、导向孔和扩孔器的形式和直径，这些资料可确保待安装的管线不至于受力过度、所备钻液的配比是否适当或是否足够。3．水，河道或水渠、道路、桥涵或其他地面障碍物的资料；公用设施管线性质、水平位置、垂直深度和离计划路径的左右方位、管线的直径及所需要的最小净空，这些资料是保证施工过程中安全施工的可靠保证。\n当我们知道了穿越长度，深度，入土角度和出土角度，管道曲线造斜半径，管道材质和直径，壁厚等参数后，也可以手工进行钻孔曲线的设计和校正。穿越曲线一般有五段组成，有时简化为三段：如图直线段和造斜段、水平直线段和出土及造斜段，如下图：\n典型的穿越曲线\n主要参数选择钻头入土角α一般选择8—15度为好，管径大选小角度。钻头出土角，一般选5—10度为合适。R1和R2主要由钻杆的曲率半径和待铺设管线的允许弯曲半径决定。若是PE管道，主要参考钻杆的允许曲率半径，若是钢管时，一般取R≥800--1200d，d为待铺管线的直径（毫米）曲率半径选择是否正确，可以从钢材的各项性能参数计算得到验证。\n钻孔穿越曲线设计的一般原则：钻进曲线设计和规划是成功穿越钻进最重要的因素之一，尤其要重视以下的原则，保证安全施工：1．在作钻进规划时，计划导向孔离地下公用管线或其它障碍物的最小净空是非常重要的。因为扩孔器必定穿过整个钻孔，足够的净空是非常重要的。同时，也允许钻头在定位时有点偏差。2．钻进规划软件考虑到了钻杆和管线的曲率半径因素，以便提供规划钻进路径要求的数据；要注意的是：钻头的入土点和出土点的地面的标高情况，对曲线的布局有一定的改变。\n3.当穿越河流时，要保证管道在河底的一定埋深，根据河道的级别和水量，河床结构和地质情况，一般要求在稳定河床下6--12米深，当然，还要看具体的地质地层情况和河道管理部门的要求，选择合适的穿越层位也很关键，尽量选择容易成孔的层位。4.要对周围环境和交通走向进行详细的了解和勘察，尤其大型管道项目，需要大型钻机进行施工，所以，设计时要考虑穿越设备的进出场道路情况，要能够保证钻机设备的安全进入和撤离，同时要兼顾管道预制场地的情况。\n第一节典型的场地布置1.1钻机场地布置钻头入土点是定向钻施工的主要场所，钻机就布置在该侧，所以施工占地比较大，大型钻机的最小占地为50×40M，小型钻机要15*10米左右，当然也可以根据现场的实际情况作相应调整，以便尽量减少占地面积。重点考虑钻机运输车辆的进出和道路状况，根据钻机和管径大小，找到合适的取水地点，一般采用河水或打井取水的方法解决，也要考虑合适的泥浆储存坑。\n\n1.2管道预制场地钻头出土点一侧主要作为管道焊接场地，在出土点应有一块的场地作为预扩孔、回拖时接钻杆和安装其他设备时使用，大型钻机要30×20M，小型钻机要10*5米左右；在出土点之后有一条长度与穿越长度相等的管线焊接作业带。同样要考虑运输钢管和钻杆车辆的道路情况，有时也要考虑管道试压用水的来源和合适的泥浆储存坑的问题。\n\n第二节导向孔的导向过程大型钻机一般用有线式导向系统，导向人员只需要在显示屏前及时掌握数据并及时调整参数即可。小型钻机的手持式无线导向系统，在钻孔过程需要至少两名操作人员，一名钻机操作者，操作钻机，控制钻具在地下的工况；另一名是定位探测仪操作员，负责监测、探测钻头在地下的走向和进尺情况。\n1.钻机操作者可以在钻机上或操作室内，通过仪表掌握钻进过程中施加给钻杆的压力和回转扭矩，在探测遥显仪上，还可以看到来自探测装置反馈过来的一切信息，钻机操作者通过这些信息知道钻头的实际钻进路线，以便及时调整方向，按照设计路线完成导向孔的钻进。2.要根据土质情况选择泥浆和钻孔工艺。3.看动画：导向过程和重钻\n\n\n定位原理：不管用哪种定位仪，其基本原理是相同的，都通过测量到钻头当前在地下的斜度、深度、方位等信息，来确定钻孔是否符合设计线路。这些信息从发射器传送到接收器，接收器再将信号处理后，用数字或其他方式显示出来，以便进行记录或对参数进行调整。\n\n有线导向系统\n电脑显示的平面和断面曲线\n预扩孔的工艺过程预扩孔就是在实际铺设管线之前，经过一次或多次的扩孔来扩大钻孔的直径，每次预扩孔的直径和次数，视具体的钻机型号和地质情况来定,导向孔完成后，将钻头从钻杆上卸下，安装上合适的扩孔器进行预扩孔。扩孔器有以下各种形式，还有其他另外的形式，可供选择。扩孔的速度与地质及钻机的参数等因素有关，要选用合适的扩孔工艺参数，才能顺利完成扩孔工序，否则会出现扩孔塌方等事故。\n扩孔和已经成的孔\n预扩孔步骤：导向孔钻进是将钻头从入土点向出土点钻进，当钻头在出土点出土后，可能需要进行数次扩孔，扩孔时由钻机将钻杆从出土侧反拉旋转进行扩孔，要多次在出土侧安装扩孔器，拖头，旋转头，预扩时，回扩头后面带的不是管子而是钻杆，钻杆是通过万向节与回扩头连接被拖入钻孔中的。看动画：多次扩孔\n第五节回拖管线的工艺过程经过预扩孔后，才可以进行产品管线的回拖工作，回拖管线时产品管线在扩好的孔中是处于悬浮状态，管壁四周与孔洞之间由泥浆润滑，这样即减少了回拖阻力，又保护了管线防腐层。经过钻机多次预扩孔，最终成孔直径一般比管子直径大300，所以不会损伤防腐层。在回拖铺设管道时，扩孔器和管子之间要加装一个旋转接头，使扩孔器旋转而管子不旋转，从而达到保护管子的目的，管子在扩孔器后面被拖进孔内。（见下面的示意图和动画）\n\n1.一定要根据钻机的能力，地质情况，管道的参数等条件，决定回拖时的工艺参数，尤其要十分注重管线回拖的工艺和措施的完善。2.不同的土壤要求使用不同类型的回扩头来满足施工需要。回扩的速度不能够太快，这点很重要。回扩时需要时间切削地层，并将泥屑混合成泥浆并带出地面。3．在回扩过程中，泥浆用量必须依据实际情况和地质决定，理想的条件下，旋转和回拖压力将维持在很低的程度，而回扩头将钻液与泥土混合成很好的泥浆，通过周围的环形空间返回地面。