水平定向钻穿越工程技术要点-导向孔示意图-技术资料
内容摘要：导向孔示意图-水平定向钻穿越工程技术要点
导向孔示意图
1 水平定向钻系统简介
水平定向钻系统由钻机系统、动力系统、控向系统、泥浆系统、钻具及辅助机具组成。
① 钻机系统
钻机系统是穿越设备钻进作业及回拖作业的主体。它由钻机主机、转盘等组成。钻机主机放置在钻机架上，用以完成钻进作业和回拖作业。转盘(动力头)装在钻机主机前端，连接钻杆，并通过改变转盘转向和输出转速及扭矩，达到不同作业状态的要求。
② 动力系统
动力系统由液压动力源(发动机)和发电机(为发动机、配套的电气设备及施工现场照明提供电力)组成，为钻机系统提供高压液压油作为钻机的动力。
③控向系统
控向系统通过计算机监测和控制钻头在地下的具体位置和其他参数，引导钻头正确钻进。由于有该系统的控制，钻头才能按设计曲线钻进。现经常采用的有手提无线式和有线式两种形式的控向系统。前者经济、使用方便，但要操作人员直接到达钻头上方的地面，易受地形、电磁干扰及探测深度的限制，多在中小型钻机上使用；后者可跨越任意地形，不受电磁干扰，但复杂，效率低，价格高。
④ 泥浆系统
泥浆系统为钻机系统提供适合钻进工况的泥浆，由膨润土加泥浆添加剂与水搅拌而成。泥浆与钻孔回拖的关系非常密切，应视地质结构情况配置泥浆，以稳定孔壁、降低回转扭矩和拉管阻力、冷却钻头和发射器、清除钻进产生的土屑，起到固孔护管的作用。泥浆添加剂主要作用为改变泥浆的黏度，流性地质的土质要求泥浆黏度值高，具体见《石油天然气管道穿越工程施工及验收规范》(SY/T4079—95)。
⑤ 钻具及辅助机具
钻具及辅助机具是钻机钻进中钻孔和扩孔时所使用的各种机具。钻具主要有适合各种地质的钻杆、钻头、泥浆电动机、扩孔器、切割刀等机具。辅助机具包括卡环、旋转活接头和各种管径的拖拉头。
2 穿越施工现场布置
入土侧、出土侧现场布置见图1、2。
钻机侧(入土点)是定向钻施工的主要场所，施工占地较大，小型水平定向钻机的安装场地一般约40m×40m，大型水平定向钻机的安装场地一般约60m×60m。安装场地应根据钻机及附属设备的要求，结合现场条件进行布置。钻进时需大量的水配制泥浆，附近有充足的水源十分必要。
出土点一侧主要作为管道焊接场地，在出土点应有一块20m×40m的场地供预扩孔、回拖时接钻杆和安装其他设备使用。在出土点之后有一条长度与穿越长度相等的管道焊接作业带。
3 水平定向钻穿越施工工艺
使用水平定向钻机进行管道穿越施工，一般分为二个阶段：第一阶段是按照设计曲线尽可能准确地钻一个导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔，并将管道沿着扩大了的导向孔回拖到导向孔中，完成管道穿越工作。
① 钻导向孔
导向孔是按预定角度和预定截面钻进成孔。钻头通常为带斜面的非对称钻头，在回转和给进同时进行时，钻孔呈直线延伸，即导向钻头进行直线钻进；在只给进不回转时，由于受斜面反力的作用，实现造斜钻进。导向孔的方向控制由位于钻头后端的钻杆内的控制器完成，钻孔曲线由放置在钻头后端钻杆内的电子测向仪进行测量并将测量结果(包括钻头位置、顶角、深度、温度等参数)传到地面的接收仪。这些数据经过处理和计算后，以数字的形式显示在显示屏上，并将测量到的数据与设计的数据进行对比，以便确定钻头的实际位置与设计位置的偏差，并将偏差值控制在允许的范围之内，如此循环直到钻头按照预定的导向孔曲线在预定位置出土。图3为钻导向孔示意图。
② 预扩孔
导向孔完成后，要将该钻孔扩大到合适的直径以便安装管道，此过程称为预扩孔。通常，在钻机对岸将扩孔器连接到钻杆上，然后由钻机旋转回拖入导向孔，将导向孔扩大，同时要将大量的泥浆泵入钻孔，以保证钻孔的完整性和不塌方，并将切削下的岩屑带回到地面。一般情况下，使用小型钻机时，燃气管道规格大于DN 200mm时，就要进行预扩孔；使用大型钻机时，当燃气管道规格大于DN 350mm时，就需进行预扩孔。预扩孔的直径和次数，视具体的钻机型号和地质情况而定。图4为预扩孔示意图。
③ 回拖管道
预扩孔完成以后，燃气管道即可拖入钻孔。管道预制应在钻机对面的一侧完成。扩孔器一端接上钻杆，另一端通过旋转接头接到燃气管道上。旋转接头可以避免管道随着扩孔器旋转，以保证将其顺利拖入钻孔。回拖由钻机完成，这一过程同样需要大量泥浆，这样既减少了回拖阻力，又保护了管道防腐层。经过钻机多次预扩孔，最终成孔直径一般比管子直径大200mm，因此不会损伤防腐层。回拖过程要连续进行直到扩孔器和管道自钻机一侧拖出。
图5为回拖管道示意图。
4 水平定向钻施工条件及控制要点
4.1 水平定向钻施工条件
① 地质情况：地质情况是工程造价、工期的主要影响因素。最好穿越的地层是黏土、粉质黏土、粉砂、中砂等，最难穿越的地层是花岗岩、卵砾石、流砂等。
② 钻探要求：一般要求在穿越中心两侧20～30m，沿中心线方向间距100m设勘察孔，复杂的地质条件下，勘察孔要适当加密，孔深应在穿越管道深度以下10m。
③ 穿越施工前，应对地质勘察孔进行封堵。
④ 定向钻钻孔不宜过浅，以避免因不能成孔而形成喷浆现象。
4.2 控制要点
① 钻机系统要求：钻机的回拖能力应满足要求。
② 控向系统要求：穿越管道深度在15m以下时，应采用有线控向系统。
③ 泥浆系统要求：泥浆在回扩过程中起决定作用，泥浆的供给量决定钻进速度；地质情况不同决定泥浆的配比和回扩过程中的扩孔器的选择。
④ 钻机提供泥浆能力决定钻进速度，一般情况导向孔的钻进速度比回拖速度要快，但由于其他原因可能相反，例如控向系统采用有线式时，则导向孔的钻进速度相对较慢。
⑤ 入、出土角的控制：一般入土角控制在9～12°，出土角控制在4～8°，这样回拖阻力减小，便于管道的回拖。
⑥ 弹性敷设的曲率半径：一般为1500倍管道公称直径。
⑦ 水平定向钻工程施工和验收执行《石油天然气管道穿越工程施工及验收规范》(SY/T 4079—95)。
⑧ 穿越控制点主要有以下几个参数：入土点位置、入土侧冷弯弯管位置、入土侧起弯点位置、水平段起点位置、水平段终点位置、出土侧弯点位置、出土侧起冷弯弯管位置、出土点位置。
⑨ 工程造价的影响因素主要是地质情况，其次为管道长度、N径以及钻机的成本(国产或进口)，与深度关系不大。在杭州的一个工程中，公称管径为325mm，长度为350mm，穿越地层为中性土层，采用国产钻机，工程费用约1000元/m，施工期为10d。
5 细砂层含卵砾石地层穿越施工方案
① 多级扩孔
由于地质密实，扩孔时拖拉力过大、扭矩偏高，采用多级扩孔技术，改变了传统的扩孔做法。采用这种多级扩孔技术，还使地层中的卵砾石均匀地分布于孔内，避免卵砾石在孔内堆积而造成卡钻。
② 泥浆配制
增大加料能力来提高泥浆黏度。改进泥浆配方，在泥浆中加入改性淀粉、磺化沥青、石棉绒等处理剂以提高泥浆的携砂能力和改进造壁性能，增加钻孔的稳定性和孔壁的润滑性能。
③ 选择最佳回拖速度
扩孔过程中，随时测量返出泥浆含砂量，根据含砂量的大小，选择最佳回拖速度，确定合适的回拖时间。
6 结论
① 定向钻穿越施工不阻碍交通，不破坏绿地和植被，不影响正常生活和工作秩序，避免了传统开挖施工对居民生活的干扰以及对交通、环境的不良影响。
② 现代化的穿越设备穿越精度高，易于调整敷设方向和埋深，管道弧形敷设距离长，完全可以满足设计要求埋深，并且可以使管道绕过地下障碍物。
③ 采用水平定向钻穿越施工时，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。
④ 与其他施工方法比较，水平定向钻施工进出场地速度快，施工场地可以灵活调整，施工占地少，工程造价低，施工速度快，尤其在城市施工时可以充分显示出其优越件。
