水平定向鉆進(jìn)鋪管施工技術(shù)與發(fā)展

1、水平定向鉆進(jìn)鋪管施工技術(shù)與發(fā)展水平定向鉆進(jìn)鋪管施工技術(shù)與發(fā)展oilnews.com.cn 2004-06-04 12：48：58中國(guó)石油網(wǎng)一、概述水平定向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)是將石油工業(yè)的定向鉆進(jìn)技術(shù)與當(dāng)代先進(jìn)控制技術(shù)相結(jié)合的一種現(xiàn)代非開挖施工新技術(shù)，主要用于穿越河流、公路、鐵路、建筑物等障礙物鋪設(shè)各種管線(包括電力電纜、電訊電纜、熱力管道、燃?xì)夤艿馈⒔o排水管道等)。定向鉆進(jìn)的基本原理：按預(yù)先設(shè)定的地下鋪管軌跡鉆一個(gè)小口徑先導(dǎo)孔，隨后在先導(dǎo)孔出口端的鉆桿頭部安裝擴(kuò)孔器回拉擴(kuò)孔，當(dāng)擴(kuò)孔至尺寸要求后，在擴(kuò)孔器的后端連接旋轉(zhuǎn)接頭、拉管頭和管線，回拉鋪設(shè)地下管線。hdd施工技術(shù)是一項(xiàng)由多學(xué)科、多技術(shù)、不同設(shè)備

2、集成運(yùn)用于一體的系統(tǒng)工程，在施工過程中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出問題，都可能導(dǎo)致整個(gè)工程的失敗，造成巨大的損失。二、施工技術(shù)1、施工工藝水平定向鉆進(jìn)鋪管的施工順序?yàn)椋旱刭|(zhì)勘探、規(guī)劃和設(shè)計(jì)鉆孔軌跡、配制鉆液、鉆先導(dǎo)孔、回拉擴(kuò)孔、回拉鋪管。2、關(guān)鍵技術(shù)(1)地層勘探及地下管線探測(cè)地層勘探主要了解有關(guān)地層和地下水的情況，為選擇鉆進(jìn)方法和配制鉆液提供依據(jù)。其內(nèi)容包括：土層的標(biāo)準(zhǔn)分類、孔隙度、含水性、透水性以及地下水位、基巖深度和含卵礫石情況等?？刹捎貌橘Y料、開挖和鉆探方法獲取。地下管線探測(cè)主要了解有關(guān)地下已有管線和其它埋設(shè)物的位置，為設(shè)計(jì)鉆進(jìn)軌跡提供依據(jù)。一般采用物探法，按其定位原理分為：電磁法、直流電法、磁法、

3、地震波法和紅外輻射法等。(2)鉆進(jìn)軌跡的規(guī)劃與設(shè)計(jì)導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計(jì)是否合理對(duì)管線施工能否成功至關(guān)重要。鉆孔軌跡的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)工程要求、地層條件、地形特征、地下障礙物的具體位置、鉆桿的入出土角度、鉆桿允許的曲率半徑、鉆頭的變向能力、導(dǎo)向監(jiān)控能力和被鋪設(shè)管線的性能等，給出最佳鉆孔路線。目前國(guó)外著名的鉆機(jī)制造商可提供商品化的軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件，通過采集所需的全部信息，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行最優(yōu)化鉆孔軌跡設(shè)計(jì)。大大提高了軌跡設(shè)計(jì)的科學(xué)性和設(shè)計(jì)效率。(3)配制鉆液鉆液在施工中起著非常重要的作用。鉆液常常被誤認(rèn)為是泥漿，這是錯(cuò)誤的概念。鉆液是指在鉆進(jìn)施工中用來與鉆孔過程中切削下來的土(或沙石)屑混合，懸浮并將這些混

4、合物排出鉆孔的一種液體，而泥漿則是鉆液與鉆孔中鉆屑的混合物。鉆液具有冷卻鉆頭(冷卻和保護(hù)其內(nèi)部傳感器)、潤(rùn)滑鉆具，更重要的是可以懸浮和攜帶鉆屑，使混合后的鉆屑成為流動(dòng)的泥漿順利地排出孔外，既為回拖管線提供足夠的環(huán)形空間，又可減少回拖管線的重量和阻力。殘留在孔中的泥漿可以起到護(hù)壁的作用。在不同的地質(zhì)條件下，需要不同成份的鉆液。鉆液由水、膨潤(rùn)土和聚合物組成。水是鉆液的主要成份，膨潤(rùn)土和聚合物通常稱為鉆液添加劑。鉆液的品質(zhì)越好與鉆屑混合越適當(dāng)，所制造的泥漿的流動(dòng)性和懸浮性越好，回?cái)U(kuò)成孔的效果越理想，成功的概率越大。所以在施工中千萬不能為省錢，僅用水來替代鉆液。這樣做的結(jié)果只能會(huì)影響工程施工效率、影響

5、成孔質(zhì)量、甚至導(dǎo)致工程失敗。由于不用鉆液，使鉆進(jìn)和回拖的力和扭矩增大，不但影響鉆機(jī)壽命，而且還會(huì)大大增加施工成本。為改善泥漿性能，有時(shí)要加入適量化學(xué)處理劑。燒堿(或純堿)可增粘、增靜切力、調(diào)節(jié)ph值，投入燒堿量一般為膨潤(rùn)土量的2%。為成孔良好，增加孔中潤(rùn)滑，可加入適量的drispac。為提高泥漿攜帶巖屑能力，將孔中的巖屑帶出，可在鉆孔過程中的某一段加入一定量的flowzen，能達(dá)到很好的使用效果。施工人員必須能夠配制適合不同地層性能的鉆液，懂得如何正確使用鉆液。特別是當(dāng)施工中遇到不同地層時(shí)，能及時(shí)調(diào)整鉆液的性能以適應(yīng)工程要求。(4)鉆導(dǎo)向孔鉆導(dǎo)向孔的關(guān)鍵技術(shù)是鉆機(jī)、鉆具的選擇和鉆進(jìn)過程的監(jiān)測(cè)和

6、控制。要根據(jù)不同的地質(zhì)條件以及工程的具體情況，選擇合適的鉆機(jī)、鉆具和鉆進(jìn)方法來完成導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)。鉆機(jī)與鉆具的選擇：鉆孔主要靠鉆機(jī)產(chǎn)生的推力、旋轉(zhuǎn)扭矩以及所提供的鉆液的流量、壓力來完成施工。特別是長(zhǎng)距離穿越，一方面，由于管線及鉆桿自重較重，鉆桿與地層之間產(chǎn)生的摩擦阻力較大，因此，鉆機(jī)的回拉力及扭矩必須足夠大；另一方面，為了確保工程成功，應(yīng)盡量避免工程中途停鉆，因此鉆機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，這就必須要求鉆機(jī)具有良好的性能。在松散的土質(zhì)地層中施工，可選用普通鉆機(jī)和可造斜的鉆頭(一般為鴨嘴板式帶射流噴嘴的組合鉆頭)。在硬巖或含卵礫石的地層中施工，應(yīng)選用帶破巖功能的鉆機(jī)和鉆頭。監(jiān)測(cè)與控制：在鉆進(jìn)導(dǎo)向孔時(shí)

7、能否按設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)，鉆頭的準(zhǔn)確定位及變向控制非常重要。鉆進(jìn)過程中對(duì)鉆頭的監(jiān)測(cè)方法主要通過隨鉆測(cè)量(mwd)技術(shù)獲取孔底鉆頭的有關(guān)信息?？椎仔盘?hào)傳送的方法主要有：電纜法和電磁波法。電磁波法的測(cè)量范圍較小，一般在300m以內(nèi)水平發(fā)射距離，測(cè)量深度在15m左右。電磁波法測(cè)量的原理為：在導(dǎo)向鉆頭中安裝發(fā)射器，通過地面接收器，測(cè)得鉆頭的深度、鴨嘴板的面向角、鉆孔頂角、鉆頭溫度和電池狀況等參數(shù)，將測(cè)得參數(shù)與鉆孔軌跡進(jìn)行對(duì)比，以便及時(shí)糾正。地面接收器具有顯示與發(fā)射功能，將接收到的孔底信息無線傳送至鉆機(jī)的接收器并顯示，以便操作手能控制鉆機(jī)按正確的軌跡鉆進(jìn)。目前，電磁波法在中小型鉆機(jī)上應(yīng)用較多，缺點(diǎn)是必須隨鉆跟

8、綜監(jiān)控。另外，電纜法在長(zhǎng)距離穿越中，特別是地形復(fù)雜的工程中應(yīng)用較多。優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，不要隨鉆跟蹤；但其操作復(fù)雜，選用的信號(hào)線必須強(qiáng)度高(不易拉斷)、耐磨、絕緣性能好。(5)回拉擴(kuò)孔鋪管在回拉擴(kuò)孔鋪管施工中的關(guān)鍵技術(shù)是根據(jù)不同的土層、地下水位以及最終成孔直徑正確地選擇回?cái)U(kuò)鉆具和每次的進(jìn)刀量，正確的選配鉆液和確定鉆液的流量。擴(kuò)孔器類型有桶式、飛旋式、刮刀式等：穿越淤泥黏土等松軟地層時(shí)，選擇桶式擴(kuò)孔器較適宜，擴(kuò)孔器通過旋轉(zhuǎn)，將淤泥擠壓到孔壁四周，起到很好的固孔作用；當(dāng)?shù)貙虞^硬時(shí)，選擇飛旋或刮刀式擴(kuò)孔器成孔較好。一般要求選擇的最大擴(kuò)孔器尺寸為鋪設(shè)管徑的1.21.5倍，這樣能夠保持泥漿流動(dòng)暢通，保證

9、管線能安全、順利的拖入孔中。特別在長(zhǎng)距離回拉擴(kuò)孔鋪管中，泥漿作用尤其重要，孔中缺少泥漿往往是工程失敗的主要原因。一般地層泥漿較易漏失，泥漿漏失后，孔中缺少泥漿，鉆桿及管線與孔壁間的摩擦力增大，導(dǎo)致拉力增大。要保持在整個(gè)鉆進(jìn)過程中有返漿，這對(duì)回拉擴(kuò)孔施工的順利進(jìn)行尤其重要，而且在同一工程中如遇到地層條件是硬巖、泥灰?guī)r和礫石交替變化，應(yīng)及時(shí)調(diào)整鉆液以產(chǎn)生不同的泥漿。三、施工機(jī)具應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)1、鉆機(jī)水平定向鉆機(jī)的主要功能是為鉆桿提供足夠大的扭矩和推拉力，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)和回拉擴(kuò)孔鋪管。與之相配匹的輔助功能為：鉆機(jī)的鉆進(jìn)架與水平面之間的夾角可調(diào)，以滿足不同入射角的要求。鉆機(jī)入射角的大小，也是衡量鉆機(jī)性

10、能的主要指標(biāo)，與鉆機(jī)的總體布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，將直接影響到成孔軌跡設(shè)計(jì)。鉆機(jī)的分類與應(yīng)用：鉆機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)：(1)多功能：一臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)具備土壤和硬巖層鉆進(jìn)施工功能，且能干、濕鉆進(jìn)，增強(qiáng)其適應(yīng)性和作業(yè)能力。(2)集成化：將動(dòng)力系統(tǒng)、泥漿泵送系統(tǒng)、鉆桿裝卸系統(tǒng)、地錨系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等集成于鉆機(jī)一體，便于集中控制。(3)自動(dòng)化：提高鉆機(jī)的自動(dòng)化程度，將大大減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率。主要體現(xiàn)在地錨自動(dòng)安裝與卸拆、鉆進(jìn)架角度調(diào)節(jié)、支腿調(diào)節(jié)、自動(dòng)更換鉆桿、自動(dòng)潤(rùn)滑鉆桿前后端絲扣、更換鉆桿時(shí)鉆液泵送系統(tǒng)自動(dòng)啟閉控制、自動(dòng)鉆進(jìn)與回拉擴(kuò)孔作業(yè)等。鉆機(jī)的自行駛功能對(duì)鉆機(jī)轉(zhuǎn)移工作場(chǎng)地、快

11、速就位非常必要。主要有履帶式和輪胎式底盤兩種形式。履帶式底盤鉆機(jī)具有爬坡能力強(qiáng)、接地比壓小、機(jī)動(dòng)靈活、地面適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)是今后的發(fā)展方向。(4)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化：鉆機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化設(shè)計(jì)，使鉆機(jī)的零部件通用性和互換性增強(qiáng)，適用范圍更加廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)和非開挖施工技術(shù)的不斷發(fā)展，鉆機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)性能也在不斷改進(jìn)和提高，而且不斷向微型化和大型化兩個(gè)方向發(fā)展。2、鉆桿與鉆具鉆桿是孔底鉆具關(guān)鍵部件，可提供作用在鉆頭上的推拉力、旋轉(zhuǎn)扭矩、輸送鉆液等。就鉆桿兩端內(nèi)外螺紋部位與桿體的結(jié)構(gòu)而言，有整體鍛造式和焊接式兩種。鉆桿的發(fā)展趨勢(shì)是重量輕、強(qiáng)度高、柔韌性好。鉆桿兩端的螺紋結(jié)構(gòu)非常重要，將直接

12、影響鉆桿間的連接強(qiáng)度、密封性和可拆卸性能。國(guó)外鉆桿螺紋形式多樣化，主要有api標(biāo)準(zhǔn)扣型、90度牙形角扣型錐扣、不對(duì)稱尖齒鋸齒扣型錐扣、不對(duì)稱錐扣等。發(fā)展趨勢(shì)：采用螺紋雙端面同時(shí)接觸的雙頂形式，這樣可以有效增強(qiáng)螺紋的連接強(qiáng)度。高品質(zhì)的絲扣油對(duì)鉆桿螺紋的使用壽命影響非常大，不正確的使用絲扣油將導(dǎo)致鉆桿螺紋過早損壞。鉆具包括導(dǎo)向鉆進(jìn)鉆頭、回?cái)U(kuò)鉆頭和旋轉(zhuǎn)接頭、拉管頭等。導(dǎo)向鉆進(jìn)鉆頭分軟地層鉆頭和硬巖層鉆頭，有刮板式和牙輪式鉆頭等。其技術(shù)研究的主要內(nèi)容為不同地層條件下的鉆進(jìn)能力、鉆進(jìn)效率以及變向與控制方式?；?cái)U(kuò)鉆頭一般采用流線形結(jié)構(gòu)。這種鉆頭以切削和擠壓雙重作用成孔，具有回轉(zhuǎn)阻力小，形成的孔壁穩(wěn)定和有助

13、于排屑的特點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)接頭和拉管頭的作用也十分重要，在施工前特別要檢查旋轉(zhuǎn)接頭和拉管頭的性能和質(zhì)量，并確保正確可靠的安裝。3、鉆液混合攪拌與泵送系統(tǒng)鉆液混合攪拌與泵送系統(tǒng)是鉆機(jī)施工系統(tǒng)的重要組成部分?；旌蠑嚢柘到y(tǒng)是將水、膨潤(rùn)土、聚合物等按一定比例加入混合倉，而后進(jìn)行充分?jǐn)嚢栊纬摄@液。泵送系統(tǒng)是由鉆液泵將鉆液通過中空鉆桿輸送至孔底鉆頭，并與孔中鉆屑混合形成泥漿在孔底流動(dòng)。其發(fā)展趨勢(shì)是能夠回收泥漿，經(jīng)再生處理可反復(fù)循環(huán)使用，既節(jié)省資源又實(shí)現(xiàn)環(huán)保。4、安全保護(hù)系統(tǒng)由于施工中的地質(zhì)情況復(fù)雜、距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)，在施工中必須設(shè)置必要的安全保護(hù)措施，主要有：(1)防觸電報(bào)警系統(tǒng)，一旦地下鉆頭觸及電纜等帶電體后，鉆機(jī)發(fā)出觸電報(bào)警，此時(shí)操作手必須坐在座椅上不得離開，以免觸電。報(bào)警解除后，操作人員方可離開鉆機(jī)。(2)遠(yuǎn)距離遙控緊急停機(jī)裝置，隨鉆跟蹤測(cè)量者應(yīng)時(shí)刻保持與鉆機(jī)操作手的聯(lián)系，一旦發(fā)生意外應(yīng)及時(shí)處置。目前一般采用無線通信聯(lián)絡(luò)方式，有時(shí)由于受到當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響這種方式己不能應(yīng)付緊急突發(fā)事件。所以在施工中應(yīng)由隨鉆跟蹤者采用緊急措施停止鉆機(jī)工作，待處理完后，由后者解除對(duì)鉆機(jī)的限