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水平定向钻穿越设计技术探讨
内容摘要：水平定向钻敷管技术是一种现代非开挖敷设管道的施工新技术,主要用于各种管道穿越河流、公路、铁路等障碍物。水平定向钻的基本原理是:按预先设定的轨迹钻一个小直径导向孔,随后在导向孔出口端的钻杆头部安装扩孔器回拉扩孔,当扩孔达到要求后,在扩孔器的后端连接旋转接头
来源：www.dzslgd.cn 发布人：非开挖公司
1概述 水平定向钻敷管技术是一种现代非开挖敷设管道的施工新技术,主要用于各种管道穿越河流、公路、铁路等障碍物。水平定向钻的基本原理是:按预先设定的轨迹钻一个小直径导向孔,随后在导向孔出口端的钻杆头部安装扩孔器回拉扩孔,当扩孔达到要求后,在扩孔器的后端连接旋转接头、拉管头和管道,回拉敷设地下管道。下面对燃气管道水平定向钻穿越设计进行探讨。
2应遵守的主要规范 《城镇燃气设计规范》(GB50028—2006)；《城镇燃气输配工程施工及验收规范》(CJJ33—2005)；《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第1部分:A级钢管》(GB/T9711.1—1997)；《输气管道设计规范》(GB50251—2003)；《输油输气管道工程线路工程施工及验收规范》(SY0401—1998)；《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第2部分:B级钢管》(GB/T9711.2—1997)；《聚乙烯燃气管道工程技术规程》(CJJ63—95)；《原油和天然气输送管道穿跨越工程设计规范穿越工程》(SY/T0015.1—98)；《石油天然气管道穿越工程施工及验收规范》(SY/T4079—1998)；《埋地钢质管道聚乙烯防腐层技术标准》(SY/T0413—2002)；《涂装前钢材表面预处理规范》(SY/T0407—97)；《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范!(GB50236∀98)。
3工程测量、地质钻探的要求
3.1工程测量单位应提供的资料
平面地形图(1：500或1：1000)；断面图(竖向1：100或1：200,纵向1：500或1,1000)；地下管道的物探资料,物探结果要求反映到断面图上。一般要求物探的范围是穿越管段四周50~100m范围。地下管道物探主要了解有关地下已有管道和其他埋设物的位置,为设计钻进轨迹提供依据。物探方法按定位原理分为电磁法、直流电法、地震波法和红外辐射法等；穿越通航的水域时,必须取得航道主管部门的批准。航道部门一般要求地形图的测量范围是穿越段两端(上、下游)各大于300m;标高要求采用珠基水系标高(广东省航道部门的要求),坐标要求采用北京坐标系;断面图上要反映出航道的位置及宽度。
3.2地质钻探孔布置及深度 设计人员应绘制地质钻探孔布置图,提供给地质钻探单位,地质钻探单位根据地质钻探孔布置图进行地质钻探。《原油和天然气输送管道穿跨越工程设计规范 穿越工程》(SY/T0015.1—98)第3.5.4条规定,如采用定向钻、顶管或隧道敷设穿越,地质钻探孔应交叉布置在穿越管段中线两侧,距中线50m。
《石油天然气管道穿越工程施工及验收规范》(SY/T4079—1998)附录C.01规定,地质钻探孔应沿穿越管道的轴线两侧布置,一般孔距为100m,每排孔与穿越管道轴线距离为20~30m。若钻探孔中发现地质情况复杂难以判断土质变化,应酌情增加钻探孔密度。地质钻探孔深度应大于管道敷设深度10m,一般取河床底或道路路面下20m。
根据以上规定,在实践中我们对地质钻探孔的密度进行适当加密。某工程定向钻穿越河流的地质钻探孔按图1布置,另一工程水平定向钻穿越陆地的地质钻探孔按图2布置。
4水平定向钻施工图线路的设计
水平定向钻施工图线路的设计是根据工程要求、工程地质报告的结果、地下障碍物的具体位置,设计出钻杆最佳钻孔路线。
根据近年来的实践经验,总结出水平定向钻常见的设计线路见图3。 
主要参数及技术条件如下:
入土角一般控制在9度~12度，最大不超过18度；出土角一般控制在4度~8度；入钻点之后的直线段长度L1大于等于20m；曲线段的曲率半径R大于等于1500倍公称直径,且最小曲率半径不应小于300m；水平段最小长度L2大于等于10m,因为一般比较大型的定向钻穿越的钻杆常用10m钻杆,水平长度取大于等于钻杆长度；宜穿越的地质条件为黏土、亚黏土、粉砂、中砂层；防腐层防腐等级为加强级；场地要求:入钻点、出钻点要求离开河流的常年水位水边线50m以外。入钻点场地要能安装钻机和蓄水池及泥浆池,可取25mx25m。出钻点要有组管场地,当组管场地不够时可采用2接1(管道分2次进行回拖)或3接1(管道分3次进行回拖)的方式进行；采用定向钻穿越的管段与直埋段的管段连接需采用弯管或弯头。
5水平定向钻穿越设计实例
笔者设计的广州市仑头—生物岛——大学城燃气主干管,管道全长为3200m,其中仑头海、官洲河2处为定向钻穿越。仑头海穿越水平长度为445m,官洲河穿越水平长度为350m,设计管径为D406.4X7.9,设计压力为0.4MPa,穿越管段管材采用高频直缝电阻焊钢管,材质为L415。仑头海的入钻角为10度14分,出钻角为7度22分。官洲河的入钻角为10度,出钻角为7度。水平段埋深最浅处大于7m。管道焊接采用下向焊焊接工艺(手工电弧焊),焊条选择AWSE7010G纤维素焊条,焊条直径为3.2mm。管道焊缝应在100%外观检查合格后,进行100%射线探伤,探伤按《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》(GB3323—2005)的规定,II级为合格。
穿越管段防腐采用3层PE加强级防腐。管体表面用喷砂除锈,除锈等级达到Sa2.5级的要求,再采用双组分无溶剂环氧涂料打底,干膜厚度大于等于200μm,然后包覆定向钻工艺专用的聚乙烯热收缩套防腐。采取电火花检漏,检漏电压为15kV。
6结语 随着科学技术的发展,目前国外著名的钻机制造商可提供商品化的轨迹规划设计软件。通过采集所需的全部信息,利用计算机进行最优化钻孔轨迹设计,大大提高了水平定向钻轨迹设计的科学性和设计效率。
2应遵守的主要规范 《城镇燃气设计规范》(GB50028—2006)；《城镇燃气输配工程施工及验收规范》(CJJ33—2005)；《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第1部分:A级钢管》(GB/T9711.1—1997)；《输气管道设计规范》(GB50251—2003)；《输油输气管道工程线路工程施工及验收规范》(SY0401—1998)；《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第2部分:B级钢管》(GB/T9711.2—1997)；《聚乙烯燃气管道工程技术规程》(CJJ63—95)；《原油和天然气输送管道穿跨越工程设计规范穿越工程》(SY/T0015.1—98)；《石油天然气管道穿越工程施工及验收规范》(SY/T4079—1998)；《埋地钢质管道聚乙烯防腐层技术标准》(SY/T0413—2002)；《涂装前钢材表面预处理规范》(SY/T0407—97)；《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范!(GB50236∀98)。
3工程测量、地质钻探的要求
3.1工程测量单位应提供的资料
平面地形图(1：500或1：1000)；断面图(竖向1：100或1：200,纵向1：500或1,1000)；地下管道的物探资料,物探结果要求反映到断面图上。一般要求物探的范围是穿越管段四周50~100m范围。地下管道物探主要了解有关地下已有管道和其他埋设物的位置,为设计钻进轨迹提供依据。物探方法按定位原理分为电磁法、直流电法、地震波法和红外辐射法等；穿越通航的水域时,必须取得航道主管部门的批准。航道部门一般要求地形图的测量范围是穿越段两端(上、下游)各大于300m;标高要求采用珠基水系标高(广东省航道部门的要求),坐标要求采用北京坐标系;断面图上要反映出航道的位置及宽度。
3.2地质钻探孔布置及深度 设计人员应绘制地质钻探孔布置图,提供给地质钻探单位,地质钻探单位根据地质钻探孔布置图进行地质钻探。《原油和天然气输送管道穿跨越工程设计规范 穿越工程》(SY/T0015.1—98)第3.5.4条规定,如采用定向钻、顶管或隧道敷设穿越,地质钻探孔应交叉布置在穿越管段中线两侧,距中线50m。
《石油天然气管道穿越工程施工及验收规范》(SY/T4079—1998)附录C.01规定,地质钻探孔应沿穿越管道的轴线两侧布置,一般孔距为100m,每排孔与穿越管道轴线距离为20~30m。若钻探孔中发现地质情况复杂难以判断土质变化,应酌情增加钻探孔密度。地质钻探孔深度应大于管道敷设深度10m,一般取河床底或道路路面下20m。
根据以上规定,在实践中我们对地质钻探孔的密度进行适当加密。某工程定向钻穿越河流的地质钻探孔按图1布置,另一工程水平定向钻穿越陆地的地质钻探孔按图2布置。
水平定向钻施工图线路的设计是根据工程要求、工程地质报告的结果、地下障碍物的具体位置,设计出钻杆最佳钻孔路线。
根据近年来的实践经验,总结出水平定向钻常见的设计线路见图3。
入土角一般控制在9度~12度，最大不超过18度；出土角一般控制在4度~8度；入钻点之后的直线段长度L1大于等于20m；曲线段的曲率半径R大于等于1500倍公称直径,且最小曲率半径不应小于300m；水平段最小长度L2大于等于10m,因为一般比较大型的定向钻穿越的钻杆常用10m钻杆,水平长度取大于等于钻杆长度；宜穿越的地质条件为黏土、亚黏土、粉砂、中砂层；防腐层防腐等级为加强级；场地要求:入钻点、出钻点要求离开河流的常年水位水边线50m以外。入钻点场地要能安装钻机和蓄水池及泥浆池,可取25mx25m。出钻点要有组管场地,当组管场地不够时可采用2接1(管道分2次进行回拖)或3接1(管道分3次进行回拖)的方式进行；采用定向钻穿越的管段与直埋段的管段连接需采用弯管或弯头。
5水平定向钻穿越设计实例
笔者设计的广州市仑头—生物岛——大学城燃气主干管,管道全长为3200m,其中仑头海、官洲河2处为定向钻穿越。仑头海穿越水平长度为445m,官洲河穿越水平长度为350m,设计管径为D406.4X7.9,设计压力为0.4MPa,穿越管段管材采用高频直缝电阻焊钢管,材质为L415。仑头海的入钻角为10度14分,出钻角为7度22分。官洲河的入钻角为10度,出钻角为7度。水平段埋深最浅处大于7m。管道焊接采用下向焊焊接工艺(手工电弧焊),焊条选择AWSE7010G纤维素焊条,焊条直径为3.2mm。管道焊缝应在100%外观检查合格后,进行100%射线探伤,探伤按《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》(GB3323—2005)的规定,II级为合格。
穿越管段防腐采用3层PE加强级防腐。管体表面用喷砂除锈,除锈等级达到Sa2.5级的要求,再采用双组分无溶剂环氧涂料打底,干膜厚度大于等于200μm,然后包覆定向钻工艺专用的聚乙烯热收缩套防腐。采取电火花检漏,检漏电压为15kV。
6结语 随着科学技术的发展,目前国外著名的钻机制造商可提供商品化的轨迹规划设计软件。通过采集所需的全部信息,利用计算机进行最优化钻孔轨迹设计,大大提高了水平定向钻轨迹设计的科学性和设计效率。
