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坤宇定向钻机的靠实力实现大跨越
来源：www.dzslgd.cn 发布人：非开挖公司
（1）定向钻机的构造和工作原理
在管线入土点附件安设一台坤宇定向钻机，该钻机用地锚固定，钻机长15～20m，在其钢制底盘的左半部安一可以调整倾斜角度的井架，右半部设有柴油机、液压泵、压力油箱、泥浆泵、控制室、变压器、发电机等设备。
柴油机带动一台液压油泵和一台发电机。液压油泵为所有液压马达提供动力，从而控制井架的升降、卡盘的移动、带动泥浆泵和钻机配套的液压起重机。发电机提供现场照明、水泵的用电。
（2）主要配套设备
定向钻穿越河流设备除主机即定向钻外，为了完成全部施工作业，尚需一些配套设备。主要是供水系统、泥浆系统和现场施工所必须的施工机具。
1）液压起重机液压起重机主要供起下钻时吊钻杆和套管用，因此起重量很小，设备做得很轻巧，类似我们国家的少先式起重机，设备上装置全部靠液压油泵提供的液压动力而工作。
2）泥浆罐该设备全长10m，宽3m，高2m。它是泥浆罐和工具间合二为一的设施，其中泥浆罐约占总长2/3，工具间约占总长1/3，泥浆罐的前部安装供水管、阀、泵、泥浆进出管路、加干料的漏斗等设施。
3）液压单斗挖掘机现场配单斗挖掘机一台，供挖地锚坑、接头管沟和吊装。
4）推土机施工现场设推土机一台，供平整场地和拖拉重物使用。
5）火、电焊两用机施工现场有一台体形很小（约长2m，宽1m）的火、电焊两用机，供施工中使用。
6）钻杆和套管钻杆长10m，直径76.2m，套管长10m，直径为127mm或152.4mm。其数量按穿越长度而定，堆放在钻机旁边的场地上。
（3）定向钻的控制系统
定向钻的控制系统是由若干控制仪表和电子计算机、电视机组成的，这是定向钻的神经中枢，测向仪表和造斜工具装在钻头后面的钻杆中，反映钻进方向的参数，由微波传给控制室的计算机控制机构，钻进方向由电视屏幕上显示出来。
（4）主要施工程序
定向钻穿越河流技术是油田定向钻井和铁路、公路的横钻孔机的基础上发展起来的一项河流穿越技术，它的施工程序是：先用定向钻机钻一导向孔，当钻头和套管在对岸出土后，撤出钻杆，在套管出土端连接扩孔器和穿越管段，在扩孔器转动扩孔的同时，钻台上的活动卡盘向上移动，拉动扩孔器和穿越管段前进，逐渐穿越管段就被敷设在扩大了的孔中。
（5）定向钻穿越河流施工作业原理和方法
1）钻导向孔的原理和作业方法在采用定向钻穿越河流施工中，钻导向孔是关键问题，其原理是泥浆通过钻杆前的涡轮钻头破土钻进，泥浆从钻杆和套管间隙返回（钻杆为203.2mm，套管127～152.4mm，长均为10m），具体操作要点如下：
1、采用液压吊杆将钻杆吊上钻台，并固定在能在钻台上移动的活动卡盘上，前端和钻头连接后端与泥浆管路连通，开动泥浆泵后，泥浆推动涡轮钻向前钻，卡盘与钻头同步向前移动。
2、当活动片盘移至钻前部的固定卡具时，卸开钻杆接头向后移动活动卡盘，能放下一根钻杆时，吊上另一根钻杆，进行接加钻杆，接头安装卸开均靠前端卡具固定钻杆，活动卡盘正反转完成，然后断续钻进。
3、在钻进到一定进尺时需加套管，其方法是用活动卡盘向前推进套管，套管前端保持距钻头20m，因为距钻头20m范围内为去磁段。如遇复杂地层可钻进一根钻杆加一根套管。
4、入土角、出土角的确定和钻进曲线的形成。入土角12～20度为宜，出土角4～30度为宜，入土角和出土角确定后，在曲线上确定若干点，并确定各点x、y、z三维坐标。此坐标返到控制盘上，由控制各点坐标使钻头按设计曲线前进。
2）扩孔的原理和作业方法
A．扩孔器扩孔和牵引管线同时进行，扩孔器上端管段用丝扣和套管相连，由套管供给泥浆（此时钻杆撤出）推动扩孔器转动，同时钻台上活动卡盘向后移动，拉动扩孔器前进，并牵引穿越管段前进直到铺设完毕。
B．操作方法
（A）当钻头和套管对岸出土后撤出钻杆，将扩孔器前端丝扣和套管相连，后端抽承和油管相连（扩孔器尺寸一般比穿越管道尺寸大一号，例如φ600穿越管段应采用φ700的扩孔器）
（B）注入泥浆推动扩孔器，此泥浆不回收，用量约为：φ377，1.59m3/min；φ7203.54m3/min。移动钻台上活动卡盘，拉动扩孔器和穿越管段前进。
3）定向钻穿越河流的方向控制定向钻穿越河流的方向控制系指方向测定、造斜和纠偏，通过这三项措施，使钻头按特定的方向前进，形成一条曲线，该曲线有两种形式：一种是当河面较宽时其穿越曲线由三条直线和两段圆弧组成，如图形39.2-15所示。设计曲线的曲率半径R的圆弧与直线AE、EB及CF、FD相切与点A、B、C、D，在弧线和直线切点处更换造斜工具即可形成曲线。另一种是对窄而深的河流整个穿越管段是一条曲线，这种情况应在曲线上确定若干点的坐标，是钻头按这些点前进形成所要的曲线如图39.2-16。
A．方向测定。再设计曲线上确定若干点，按设计曲线算出各点的空间坐标（X、Y、Z）输入到电子计算机，钻进过程中钻头到达各点的坐标，有装在钻头后面钻杆中的特制的仪表测出，并通过有线或无线的方式传到控制室的表盘或电视机屏幕上，如果与既定的坐标不符，说明钻头偏离了设计方向，需进行纠偏。如与既定坐标一致说明钻头按设计方向前进。
B．造斜。造斜工具有两种，既造斜短节（也叫弯接头）和造斜偏块。造斜短节是两端有斜口和丝扣的短管段，装在钻头后面的两根钻杆中间，考其斜度使钻进方向转折而造斜，根据造斜需要可更换不同斜度的短节。造斜偏块是加在钻头后面钻杆一侧的半圆形的金属块，采用螺丝和焊接固定，它的工作原理是改变钻杆受到的侧向压力而造斜。这里两种造斜工具构造见图。
C．纠偏。发现钻头偏离设计方向，采用造斜短节和造斜偏块调整钻头前进方向，其方法是：如果偏离不大，可转动钻杆；如果偏离较大，可抽出钻杆更换造斜短节和造斜偏块，从而改变钻头的前进方向，达到纠偏的目的。
4）泥浆的配制和要求
a.泥浆的配备泥浆的配备在方箱型的泥浆罐中进行，在泥浆罐的前端装有泥浆管线、供水管线以及相应的阀组和上下水用的管道泵，泥浆干料从方型漏斗加入，搅拌用水靠管道泵从河中吸取，并打入罐中，干料随之进入罐中和水混合并靠水流进行搅拌而成泥浆。施工中如需要再搅拌，则用从泥浆泵返回泥浆灌的具有一定压力的泥浆进行搅拌。
b.对泥浆的要求定向钻穿越河流采用一般钻井泥浆，其相对密度为1.1～1.2，在施工中应根据地质情况不同随时调整泥浆相对密度，如，卵石地层的河床，应加大泥浆相对密度，减少泥浆的漏失。
（6）定向钻穿越河流的勘察设计工作
1）定向钻穿越河流技术对地质条件的使用范围
范围较为广泛，它适用于各种粘性土样，也使用于各种非粘性土，虽然各种地层难易程度有所不同，在黏土和砂土中钻进和定向较为容易，在卵石地层中钻进和方向控制都比较困难。由于钻进技术和方向控制技术的发展，在这些困难地层中穿越问题逐渐得到解决。例如，穿越中如遇到卵石地层可先穿透卵石层，在容易钻进的地层中前进；如穿越中遇到局部岩石，可绕过这些岩石，再沿设计方向前进，这就使复杂地层的穿越成为可能，因而适用范围也就越来越大了。
2）定向钻穿越河流对地质勘探工作的要求
在穿越范围内需要钻孔，布孔间距和钻孔方法和常规穿越方法相同，其钻孔深度需在管线设计标高以下6.1～9.15m，在粘性土中要取完整土样，在非粘性土中则采用标准动力触探，每1.52～3.05m取一土样，作颗粒分析，含水量、干密度、液限、塑限和塑性指数等项试验分析工作。
3）入土点和出土点
根据考察美国两家公司提供的资料，入土点和出土点均需在距河岸60.96m以外设置入土角以12～20度为宜，出土角以4～30度为宜，此两个角度的选择直接影响管段牵引力的计算，因此施工前应根据设计资料和地质情况适当的选择入土角和出土角。
4）穿越管段的弯曲半径
关于曲率半径的设计，可按一般管道强度计算取值，但是由于造斜的要求，曲率半径r应大于300mm。
5）穿越管段的埋深和配重
采用定向钻穿越河流的方法穿越管段很容易埋设到设计深度，但是由于埋设过深会因增加管段弯曲程度而使施工中的牵引力大大增加，因而一般要求埋设深度为8～19m。由于管段埋设到河床下面的稳定的地层中，因而不必另外增加连续覆盖层、加重块、复壁管等稳定设施。
6）关于管线的涂层问题
在考察过程中看到的穿越管线都采用环氧粉末涂层，他们认为在粘性土和砂质土壤中采用沥青涂层也是可以的。但是，我们认为采用定向钻穿越的管线最好不采用沥青涂层，而应采用环氧粉末、黄夹克等防腐涂层。
（7）定向钻穿越河流技术的优点
1）工程造价低
由于施工方法的改革，所采用的人力、物力都大大减少，工期显著缩短，因而工程造价也大降低，粗略估算可认为，定向钻穿霸占河流的造价仅为常穿越方法的1/2~1/3。
2）工期短
由于施工方法的改变，不但施工设备和人员大大减少，而且施工工期显著的缩短了，以中开线黄河穿越工程为例，如果用爆破气举例法工期为4个月左右，而采用定向钻穿越河流只需30天。
3）有利于保护周围环境
如果采用爆破气举占很多土地，官线发送道和牵引道要求占地3333~40000m2,河道还要停止航运3~5d，爆破时对河堤和水中生物威胁很大，而采用定向钻穿越河流，河道不必停止航运，对水中生物和河堤毫无影响，施工占地只需25×40m2的面积（约1.5亩土地）。
4）施工人员少
如果采用爆破气举法，以中开线黄河穿越为例，大约需500人，而定向钻穿越河流只需40~50人（包括管线组装和焊接）。
5）工程质量好
根据目前常规穿越方法的技术水平，管线只能埋设3~4m深，达不到冲刷深度以下，因此生产运行很不安全，而采用定向钻穿越河流可以很容易埋到预期深度，因此质量安全可靠。
6）节约工程材料
采用定向钻穿越河流不许加重层和复壁管等设施，因此工程材料了大为节省。
7）应用范围广
由于定向钻穿越河流不受水流和环境的影响，因此，陆地、海上、市区、河流等情况的穿越工程都可以采用这一方法。
在管线入土点附件安设一台坤宇定向钻机，该钻机用地锚固定，钻机长15～20m，在其钢制底盘的左半部安一可以调整倾斜角度的井架，右半部设有柴油机、液压泵、压力油箱、泥浆泵、控制室、变压器、发电机等设备。
柴油机带动一台液压油泵和一台发电机。液压油泵为所有液压马达提供动力，从而控制井架的升降、卡盘的移动、带动泥浆泵和钻机配套的液压起重机。发电机提供现场照明、水泵的用电。
（2）主要配套设备
定向钻穿越河流设备除主机即定向钻外，为了完成全部施工作业，尚需一些配套设备。主要是供水系统、泥浆系统和现场施工所必须的施工机具。
1）液压起重机液压起重机主要供起下钻时吊钻杆和套管用，因此起重量很小，设备做得很轻巧，类似我们国家的少先式起重机，设备上装置全部靠液压油泵提供的液压动力而工作。
2）泥浆罐该设备全长10m，宽3m，高2m。它是泥浆罐和工具间合二为一的设施，其中泥浆罐约占总长2/3，工具间约占总长1/3，泥浆罐的前部安装供水管、阀、泵、泥浆进出管路、加干料的漏斗等设施。
3）液压单斗挖掘机现场配单斗挖掘机一台，供挖地锚坑、接头管沟和吊装。
4）推土机施工现场设推土机一台，供平整场地和拖拉重物使用。
5）火、电焊两用机施工现场有一台体形很小（约长2m，宽1m）的火、电焊两用机，供施工中使用。
6）钻杆和套管钻杆长10m，直径76.2m，套管长10m，直径为127mm或152.4mm。其数量按穿越长度而定，堆放在钻机旁边的场地上。
（3）定向钻的控制系统
定向钻的控制系统是由若干控制仪表和电子计算机、电视机组成的，这是定向钻的神经中枢，测向仪表和造斜工具装在钻头后面的钻杆中，反映钻进方向的参数，由微波传给控制室的计算机控制机构，钻进方向由电视屏幕上显示出来。
（4）主要施工程序
定向钻穿越河流技术是油田定向钻井和铁路、公路的横钻孔机的基础上发展起来的一项河流穿越技术，它的施工程序是：先用定向钻机钻一导向孔，当钻头和套管在对岸出土后，撤出钻杆，在套管出土端连接扩孔器和穿越管段，在扩孔器转动扩孔的同时，钻台上的活动卡盘向上移动，拉动扩孔器和穿越管段前进，逐渐穿越管段就被敷设在扩大了的孔中。
（5）定向钻穿越河流施工作业原理和方法
1）钻导向孔的原理和作业方法在采用定向钻穿越河流施工中，钻导向孔是关键问题，其原理是泥浆通过钻杆前的涡轮钻头破土钻进，泥浆从钻杆和套管间隙返回（钻杆为203.2mm，套管127～152.4mm，长均为10m），具体操作要点如下：
1、采用液压吊杆将钻杆吊上钻台，并固定在能在钻台上移动的活动卡盘上，前端和钻头连接后端与泥浆管路连通，开动泥浆泵后，泥浆推动涡轮钻向前钻，卡盘与钻头同步向前移动。
2、当活动片盘移至钻前部的固定卡具时，卸开钻杆接头向后移动活动卡盘，能放下一根钻杆时，吊上另一根钻杆，进行接加钻杆，接头安装卸开均靠前端卡具固定钻杆，活动卡盘正反转完成，然后断续钻进。
3、在钻进到一定进尺时需加套管，其方法是用活动卡盘向前推进套管，套管前端保持距钻头20m，因为距钻头20m范围内为去磁段。如遇复杂地层可钻进一根钻杆加一根套管。
4、入土角、出土角的确定和钻进曲线的形成。入土角12～20度为宜，出土角4～30度为宜，入土角和出土角确定后，在曲线上确定若干点，并确定各点x、y、z三维坐标。此坐标返到控制盘上，由控制各点坐标使钻头按设计曲线前进。
2）扩孔的原理和作业方法
A．扩孔器扩孔和牵引管线同时进行，扩孔器上端管段用丝扣和套管相连，由套管供给泥浆（此时钻杆撤出）推动扩孔器转动，同时钻台上活动卡盘向后移动，拉动扩孔器前进，并牵引穿越管段前进直到铺设完毕。
B．操作方法
（A）当钻头和套管对岸出土后撤出钻杆，将扩孔器前端丝扣和套管相连，后端抽承和油管相连（扩孔器尺寸一般比穿越管道尺寸大一号，例如φ600穿越管段应采用φ700的扩孔器）
（B）注入泥浆推动扩孔器，此泥浆不回收，用量约为：φ377，1.59m3/min；φ7203.54m3/min。移动钻台上活动卡盘，拉动扩孔器和穿越管段前进。
3）定向钻穿越河流的方向控制定向钻穿越河流的方向控制系指方向测定、造斜和纠偏，通过这三项措施，使钻头按特定的方向前进，形成一条曲线，该曲线有两种形式：一种是当河面较宽时其穿越曲线由三条直线和两段圆弧组成，如图形39.2-15所示。设计曲线的曲率半径R的圆弧与直线AE、EB及CF、FD相切与点A、B、C、D，在弧线和直线切点处更换造斜工具即可形成曲线。另一种是对窄而深的河流整个穿越管段是一条曲线，这种情况应在曲线上确定若干点的坐标，是钻头按这些点前进形成所要的曲线如图39.2-16。
A．方向测定。再设计曲线上确定若干点，按设计曲线算出各点的空间坐标（X、Y、Z）输入到电子计算机，钻进过程中钻头到达各点的坐标，有装在钻头后面钻杆中的特制的仪表测出，并通过有线或无线的方式传到控制室的表盘或电视机屏幕上，如果与既定的坐标不符，说明钻头偏离了设计方向，需进行纠偏。如与既定坐标一致说明钻头按设计方向前进。
B．造斜。造斜工具有两种，既造斜短节（也叫弯接头）和造斜偏块。造斜短节是两端有斜口和丝扣的短管段，装在钻头后面的两根钻杆中间，考其斜度使钻进方向转折而造斜，根据造斜需要可更换不同斜度的短节。造斜偏块是加在钻头后面钻杆一侧的半圆形的金属块，采用螺丝和焊接固定，它的工作原理是改变钻杆受到的侧向压力而造斜。这里两种造斜工具构造见图。
C．纠偏。发现钻头偏离设计方向，采用造斜短节和造斜偏块调整钻头前进方向，其方法是：如果偏离不大，可转动钻杆；如果偏离较大，可抽出钻杆更换造斜短节和造斜偏块，从而改变钻头的前进方向，达到纠偏的目的。
4）泥浆的配制和要求
a.泥浆的配备泥浆的配备在方箱型的泥浆罐中进行，在泥浆罐的前端装有泥浆管线、供水管线以及相应的阀组和上下水用的管道泵，泥浆干料从方型漏斗加入，搅拌用水靠管道泵从河中吸取，并打入罐中，干料随之进入罐中和水混合并靠水流进行搅拌而成泥浆。施工中如需要再搅拌，则用从泥浆泵返回泥浆灌的具有一定压力的泥浆进行搅拌。
b.对泥浆的要求定向钻穿越河流采用一般钻井泥浆，其相对密度为1.1～1.2，在施工中应根据地质情况不同随时调整泥浆相对密度，如，卵石地层的河床，应加大泥浆相对密度，减少泥浆的漏失。
（6）定向钻穿越河流的勘察设计工作
1）定向钻穿越河流技术对地质条件的使用范围
范围较为广泛，它适用于各种粘性土样，也使用于各种非粘性土，虽然各种地层难易程度有所不同，在黏土和砂土中钻进和定向较为容易，在卵石地层中钻进和方向控制都比较困难。由于钻进技术和方向控制技术的发展，在这些困难地层中穿越问题逐渐得到解决。例如，穿越中如遇到卵石地层可先穿透卵石层，在容易钻进的地层中前进；如穿越中遇到局部岩石，可绕过这些岩石，再沿设计方向前进，这就使复杂地层的穿越成为可能，因而适用范围也就越来越大了。
2）定向钻穿越河流对地质勘探工作的要求
在穿越范围内需要钻孔，布孔间距和钻孔方法和常规穿越方法相同，其钻孔深度需在管线设计标高以下6.1～9.15m，在粘性土中要取完整土样，在非粘性土中则采用标准动力触探，每1.52～3.05m取一土样，作颗粒分析，含水量、干密度、液限、塑限和塑性指数等项试验分析工作。
3）入土点和出土点
根据考察美国两家公司提供的资料，入土点和出土点均需在距河岸60.96m以外设置入土角以12～20度为宜，出土角以4～30度为宜，此两个角度的选择直接影响管段牵引力的计算，因此施工前应根据设计资料和地质情况适当的选择入土角和出土角。
4）穿越管段的弯曲半径
关于曲率半径的设计，可按一般管道强度计算取值，但是由于造斜的要求，曲率半径r应大于300mm。
5）穿越管段的埋深和配重
采用定向钻穿越河流的方法穿越管段很容易埋设到设计深度，但是由于埋设过深会因增加管段弯曲程度而使施工中的牵引力大大增加，因而一般要求埋设深度为8～19m。由于管段埋设到河床下面的稳定的地层中，因而不必另外增加连续覆盖层、加重块、复壁管等稳定设施。
6）关于管线的涂层问题
在考察过程中看到的穿越管线都采用环氧粉末涂层，他们认为在粘性土和砂质土壤中采用沥青涂层也是可以的。但是，我们认为采用定向钻穿越的管线最好不采用沥青涂层，而应采用环氧粉末、黄夹克等防腐涂层。
（7）定向钻穿越河流技术的优点
1）工程造价低
由于施工方法的改革，所采用的人力、物力都大大减少，工期显著缩短，因而工程造价也大降低，粗略估算可认为，定向钻穿霸占河流的造价仅为常穿越方法的1/2~1/3。
2）工期短
由于施工方法的改变，不但施工设备和人员大大减少，而且施工工期显著的缩短了，以中开线黄河穿越工程为例，如果用爆破气举例法工期为4个月左右，而采用定向钻穿越河流只需30天。
3）有利于保护周围环境
如果采用爆破气举占很多土地，官线发送道和牵引道要求占地3333~40000m2,河道还要停止航运3~5d，爆破时对河堤和水中生物威胁很大，而采用定向钻穿越河流，河道不必停止航运，对水中生物和河堤毫无影响，施工占地只需25×40m2的面积（约1.5亩土地）。
4）施工人员少
如果采用爆破气举法，以中开线黄河穿越为例，大约需500人，而定向钻穿越河流只需40~50人（包括管线组装和焊接）。
5）工程质量好
根据目前常规穿越方法的技术水平，管线只能埋设3~4m深，达不到冲刷深度以下，因此生产运行很不安全，而采用定向钻穿越河流可以很容易埋到预期深度，因此质量安全可靠。
6）节约工程材料
采用定向钻穿越河流不许加重层和复壁管等设施，因此工程材料了大为节省。
7）应用范围广
由于定向钻穿越河流不受水流和环境的影响，因此，陆地、海上、市区、河流等情况的穿越工程都可以采用这一方法。
