定向鉆施工方法介紹.ppt

1、定向鉆施工方法,定向鉆設(shè)計、施工規(guī)范,定向鉆鋪管技術(shù)是20世紀(jì)70年代初，美國人克林頓.馬丁將定向鉆探技術(shù)和傳統(tǒng)的鋪管施工結(jié)合起來，發(fā)明了定向鉆鋪管施工技術(shù)。 1985年，中國石油天然氣管道局第三工程公司引進(jìn)了RB-5水平定向鉆機(jī)，開創(chuàng)了國內(nèi)定向鉆施工的先河。 1996年，中國石油天然氣管道局第二工程公司引進(jìn)了DD-60/R2水平定向鉆機(jī)，是國內(nèi)第二臺定向鉆施工設(shè)備。 1997年，中國石油天然氣管道局第二工程公司又引進(jìn)了DD-330水平定向鉆機(jī)，同年中國國航引進(jìn)了DD-120水平定向鉆機(jī)。 1998年，地礦部勘探研究所生產(chǎn)了國內(nèi)第一臺DD-50水平定向鉆機(jī)，拉開定向鉆設(shè)備國產(chǎn)化的序幕。,MH3

2、70去哪了？ 1）應(yīng)答機(jī) 2）衛(wèi)星、雷達(dá) 3）高度、距離、偏離航線,定向鉆的鉆頭去哪了？ 1）導(dǎo)向信號線 2）地面信標(biāo)、磁靶定位系統(tǒng) 3）深度、鉆進(jìn)長度、水平位移,一、定向鉆簡介,二、定向鉆工藝,三、定向鉆泥漿,一、定向鉆簡介,2、定向鉆布置,1、定向鉆定義,1.定義,2、定向鉆布置,2.定向鉆施工總平示意圖,進(jìn)場道路,進(jìn)場道路,鉆機(jī)場地,出土場地,管道預(yù)制作業(yè)帶,鉆機(jī)場地標(biāo)準(zhǔn)布置圖,施工實例,出土點場地布置圖,“二接一”施工工藝,回拖第一段管道,距離入孔點50米 對口焊接,焊口冷卻后 繼續(xù)回拖,回拖1根鉆桿 進(jìn)行焊口檢測,檢測完成繼續(xù) 回拖1-2根鉆桿,焊口不合格返修 合格后進(jìn)行補口,返修或

3、補口完 成后繼續(xù)回拖,返修焊口檢測 并繼續(xù)回拖,如果返修,檢測合格進(jìn)行 補口作業(yè),開始正常回拖,根據(jù)本工藝，回拖最長停滯時間不會超過6個小時（超規(guī)范問題）,水網(wǎng)地帶施工場地和施工便道,水網(wǎng)地帶的小型河流和溝渠通過方法,二、定向鉆工藝,定向鉆穿越的施工流程,清理場地、恢復(fù)地貌,2、導(dǎo)向孔,1、人工磁場,3、預(yù)擴(kuò)孔,4、回拖,1、人工磁場,1.人工磁場 人工磁場法是在穿越中心線兩側(cè)布設(shè)閉合導(dǎo)線圏，通電后形成外加磁場，用以對控向參數(shù)的復(fù)核。人工磁場可不受任何外部磁場的干擾，準(zhǔn)確反映鉆頭所在的具體位置，左右偏移量和鉆頭深度情況，人工磁場測得的數(shù)據(jù)是探頭所在位置的真實反映。人工磁場的實際應(yīng)用能夠保證實際

4、出土點在設(shè)計穿越規(guī)范的范圍內(nèi)，為管道的順利回拖打下了良好的基礎(chǔ)。,4.3.2人工磁場線圈的角點采用木樁固定，保持四邊筆直減少測量誤差。線圈的寬度以3倍的探頭深度為宜，也可以取3倍于設(shè)計曲線的最深值，長度不易過長，以免造成電阻過大，電流小而影響測量的真實度。線圈所使用的的導(dǎo)線截面積在10mm2以上為宜，,4.3.3在鉆頭進(jìn)入人工磁場后的下一根鉆桿鉆進(jìn)完成時進(jìn)行測量偏差。測偏時首先根據(jù)控向員的指令接通電源為線圈供電，供電設(shè)備選用現(xiàn)場的直流電焊機(jī)（或兩塊電瓶串聯(lián)），通直流電的電流以7080A為宜。測量完成后斷開電源，重復(fù)測量23次取平均值做為當(dāng)時的偏差量。進(jìn)入磁場后每鉆進(jìn)一根鉆桿測量一次，對比前后測

5、量結(jié)果及時發(fā)現(xiàn)偏差和偏差趨勢，如果不在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)需及時糾偏或?qū)@進(jìn)鉆桿抽回至滿足曲線要求處后重新鉆進(jìn)調(diào)整。,2、導(dǎo)向孔,定向鉆中的主要數(shù)據(jù),導(dǎo)向孔作業(yè)關(guān)鍵要把握住2個角度、1個工具面和4個數(shù)據(jù)（4個數(shù)據(jù)時依據(jù)探頭測定的2個角度和輸入的鉆桿長度計算所得）：,INC（傾斜角） AZ （方位角） HS （工具面） AWAY（水平長度） MD（實長） ELVE（標(biāo)高） RIGHT（水平偏差）,定向鉆可以調(diào)整角度的原理,當(dāng)鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時帶動鉆頭和鉆桿一同旋轉(zhuǎn)，則鉆頭沿直線鉆進(jìn)；當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，而鉆桿不旋轉(zhuǎn)，鉆機(jī)直推鉆進(jìn)時，根據(jù)工具面HS的方向調(diào)整角度。,帆板運動,2.導(dǎo)向孔,水平定向鉆進(jìn)穿越的第一道工序

6、是導(dǎo)向孔的施工。導(dǎo)向孔的軌跡控制通過導(dǎo)向鉆頭完成。導(dǎo)向鉆頭是一種帶有斜掌面的射流輔助切削鉆頭，直徑略大于鉆桿，當(dāng)鉆桿帶著鉆頭回轉(zhuǎn)并給進(jìn)時，將鉆出直孔；當(dāng)鉆桿帶著鉆頭只給進(jìn)不回轉(zhuǎn)時，將鉆出弧孔（也稱彎孔）。導(dǎo)向鉆頭內(nèi)部帶有發(fā)射器，地表有對應(yīng)的接收器，能接收發(fā)射器采集到的斜掌面方位、導(dǎo)向鉆頭指向、深度等參數(shù)，地面操作人員通過控制參數(shù)達(dá)到控制施工軌跡的目的,導(dǎo)向孔施工的主要設(shè)備和儀器,導(dǎo)向孔施工主要用到以下設(shè)備： 探頭 接口單元 司鉆控制臺 計算機(jī) 探頭可以測出鉆頭當(dāng)前位置的INC、AZ和HS（工具面）三個角度，并將模擬信號傳遞到接口單元，由接口單位將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息后分送司鉆控制臺和計算機(jī)控制程

7、序系統(tǒng)。鉆機(jī)司鉆根據(jù)司鉆控制臺上提供的當(dāng)前數(shù)據(jù)和下一步計劃要達(dá)到的數(shù)據(jù)選擇進(jìn)行司鉆操作?？叵蛉藛T根據(jù)測定的角度數(shù)據(jù)，輸入鉆進(jìn)的鉆桿長度，由計算機(jī)程序自動計算當(dāng)前鉆頭的三維坐標(biāo)，控向員根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)制定下一步鉆進(jìn)計劃，并提供給司鉆。,并不是每一個司鉆人員可以將鉆頭位置控制到控向員的指定位置和角度，根據(jù)不同的地質(zhì)有不同的操作方法，因此有一個經(jīng)驗豐富的控向員或司鉆員是非常 必要的。,數(shù)據(jù)傳輸示意圖,導(dǎo)向孔,鉆機(jī)被安裝在入土點一側(cè)，從入土點開始，沿著設(shè)計好的線路，鉆一條從入土點到出土點的曲線；作為預(yù)擴(kuò)孔和回拖管線的引導(dǎo)曲線。,導(dǎo)向孔示意圖,導(dǎo)向孔對接施工示意圖,導(dǎo)向孔施工一般采用9 1/2 （230mm

8、)的鑲齒鉆頭進(jìn)行施工，特殊情況下可以采用12 的鉆頭施工，在進(jìn)行巖石地質(zhì)穿越時還需要增加泥漿馬達(dá)。 普通地質(zhì)一般不采用泥漿馬達(dá)鉆孔，而是直接采用鉆機(jī)本身的推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)功能進(jìn)行鉆進(jìn)施工。堅硬地質(zhì)由于鉆機(jī)本身的旋轉(zhuǎn)速度有限，同時由于鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)只能鉆進(jìn)直線，因此必須加裝泥漿馬達(dá)，利用泥漿馬達(dá)的高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行鉆孔施工。,導(dǎo)向孔,3、預(yù)擴(kuò)孔,3.預(yù)擴(kuò)孔,在鉆導(dǎo)向孔階段，鉆出的孔往往小于回拖管線的直徑，為了使鉆出的孔徑達(dá)到回拖管線直徑的1.5倍；需要用擴(kuò)孔器從出土點開始向入土點將導(dǎo)向孔擴(kuò)大至要求的直徑。,預(yù)擴(kuò)孔示意圖,預(yù)擴(kuò)孔,預(yù)擴(kuò)孔作業(yè)的擴(kuò)孔級別： 普通地質(zhì)擴(kuò)孔一般以6為一個級別，最后一級擴(kuò)孔直徑達(dá)到回拖管

9、道的1.5倍；較好的地質(zhì)最大可以按12 越級擴(kuò)孔。 巖石地質(zhì)擴(kuò)孔也是以6- 8為一個級別，經(jīng)過特別設(shè)計，在巖石硬度不是特別高的情況下可以按10 越級擴(kuò)孔。 大口徑管道（大于900mm），最大擴(kuò)孔直徑可以擴(kuò)到管徑+12 （305mm)。,4、回拖,4.管線回拖,導(dǎo)向孔經(jīng)過預(yù)擴(kuò)孔，達(dá)到了回拖要求之后，將鉆桿、擴(kuò)孔器、回拖活節(jié)、被安裝管線依次連接好，從出土點開始，一邊擴(kuò)孔一邊將管線回拖至入土點為止。,回拖示意圖,回拖中的管線，滾輪架,管道入洞,管道回拖力的計算,簡便的計算方法： （每米管道重量-每米管道浮力）穿越長度摩擦系數(shù) （摩擦系數(shù)按通常的0.3記?。?工程實例：813 16.0穿越管道，普通地

10、質(zhì)，長度1000m。 每米管道重量：2R h 7.8=0.813 3.14 0.016 7.8 =0.319噸 每米管道浮力：R2=3.14 0.40652=0.519噸 管道最大回拖力：（0.519-0.319） 1000 0.3=60（噸） 需要的鉆機(jī)回拖力：2 60=120噸（安全系數(shù)一般1.53）,定向鉆施工所需要的主要崗位,定向鉆工程師：確保按照既定方案進(jìn)行施工，解決現(xiàn)場突發(fā) 問題；控向員：嚴(yán)格按設(shè)計曲線要求進(jìn)行導(dǎo)向孔施工，確?？叵蚓?度和曲線平滑； 司鉆員：按照控向員制定的計劃，根據(jù)地質(zhì)情況操作鉆機(jī)， 完成導(dǎo)向孔施工，并進(jìn)行擴(kuò)孔和回拖作業(yè)。 接線員：進(jìn)行探頭信號線的連接工作和地面磁

11、場線的布線作 業(yè)； 泥漿工程師：制定泥漿配比方案，確保泥漿供應(yīng)。,泥漿回收系統(tǒng),三、定向鉆泥漿,5.泥漿配制工藝 泥漿被視為定向鉆的“血液”，是定向穿越中的關(guān)鍵控制因素，其主要作用是懸浮和攜帶鉆屑凈化鉆孔、穩(wěn)定孔壁和降低扭矩和推拉力、冷卻鉆具。 一.常用泥漿處理劑簡介 1、常用處理劑主要有工業(yè)純堿、正電膠干粉、CMC、CMS、封堵劑、油基潤滑劑等，其主要性能特點如下：,泥漿配制,2、處理劑的添加量一般控制在0.1%1%。 二.泥漿性能參數(shù) 1、密度 由于泥漿的特性密度，鉆進(jìn)中所需要的（超）靜態(tài)流體壓力（稍超壓的地下水）可以作用于地下，支撐孔壁。由于切進(jìn)的緣故，液體密度不斷在增加。因此，有必要不

12、斷地用氣體比重計或泥漿天秤測量進(jìn)入地下和回流的泥漿。清潔的水/膨潤土基液的密度是在1.05和.20g /cm3 之間。,2、粘度 粘度（單位：mpa*s）可以理解為液體對流動的阻力。粘度存在著兩種值，表觀粘度和塑性粘度。滿足被鉆土質(zhì)要求的粘度可保證泥漿的液壓特性，尤其是被鉆固態(tài)物質(zhì)的運送和泵送能力。液體參數(shù)可以用構(gòu)成粘度的添加劑予以變更。 粘度的測量單位，多數(shù)情況下使用一升泥漿通過“馬氏漏斗”（馬氏粘度）的時間來表示。如有必要，可用旋轉(zhuǎn)的“葉片粘度計”提供屈服點或塑性粘度（賓漢模型）的精確數(shù)值。從這些數(shù)值可推導(dǎo)出泥漿的液壓的和載荷承載能力。 3、 PH值 PH值控制膨潤土的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)并確定它

13、們的電化學(xué)載荷，這就決定了鉆屑液體的有效性以及添加劑的有效性。PH值是評定泥漿化學(xué)反應(yīng)的重要參考值。膨潤土液體的PH值應(yīng)在8.0和10.0之間。 4、固相成份 泥漿中所有不可溶解的組分都叫做固體。依據(jù)顆粒大小，可以分為膠質(zhì)、淤泥和沙。測定是以AP1篩子并用沙量杯進(jìn)行的。固體成份（單位：容積%）用以鑒定泥漿的攜帶能力，泵送能力，磨蝕能力，以及輸送容積，鉆孔的清潔度驗證和泥漿再循環(huán)中使用的分離設(shè)備（篩，旋風(fēng)分離器，離心機(jī)）的有效性。,5、循環(huán)容積 循環(huán)容積（單位L/min）必須經(jīng)常監(jiān)測并記錄，尤其在早期探測鉆屑液體流失或稀釋時必須如此。根據(jù)它的差別可以探測到鉆孔塌方或土地變動的危險，從而可采取必要

14、的措施。需要的流量決定于鉆屑的地質(zhì)條件和鉆孔液體的攜帶能力?？偭黧w流量是根據(jù)鉆孔體積和流入土地的流體損失系數(shù)計算出來的。該系數(shù)一般依據(jù)土地資料在1.05到2.20之間。 VB=dA2/4LBfk 式中：VB=鉆孔體積,m3; dA=鉆孔最后直徑,m; LB=鉆屑長度,m; fk=液體損失系數(shù); 6、濾失量 動濾失：在泥漿循環(huán)的情況下，泥漿建立、增厚、直至平衡而濾失速度也由開始較大逐漸減少至恒定形成泥餅； 靜濾失：停止循環(huán)時，不存在泥漿液對泥餅的沖刷力，隨著濾失的進(jìn)行，泥餅逐漸加厚，濾失也逐漸減少。靜濾失的濾失量比動濾失小。 濾失量適中，形成泥餅薄、致密、韌性好、摩阻小?？赏ㄟ^濾失量測定儀測定，

15、通常不超過15ml/30min。 7、按工程特性（如堅硬巖石鉆屑或丘陵松散巖石鉆屑），也需測定鉆屑液體的流動曲線（剪切應(yīng)變/剪切梯度），膠凝強度或動態(tài)流體壓力。需用粘度計測量。,三.配漿用水 水是最重要的配漿材料之一，配漿用水PH值應(yīng)控制在8-10，含鹽量不超過10g/L，無固體雜質(zhì)，通常用純堿來凈化水質(zhì)，降低水的硬度和調(diào)節(jié)PH值，處理后更適合膨潤土水化分散。 配漿用水盡量選用淡水，可取施工場地附近河流水，也可在施工場地內(nèi)打井抽水。 四.泥漿配方 1、在穿越施工中，不同地質(zhì)條件下要求泥漿的性能指標(biāo)不同，通常通過改良泥漿配方來改善泥漿的性能?？纱┰降刭|(zhì)主要分為：粘土、亞粘土、粉砂細(xì)砂、中砂、粗砂

16、礫砂、巖石。 2、不同管徑的導(dǎo)向孔、擴(kuò)孔回拖過程中所需泥漿性能也稍有不同。導(dǎo)向孔階段泥漿粘度相對要低，隨著擴(kuò)孔級別增加粘度應(yīng)依次增加5-10s，增加攜屑能力，降低失水，回拖時粘度不應(yīng)太高需比最終擴(kuò)孔級別時粘度低5-10s為宜。 3、各種地層特點、穿越特點及對泥漿性能要求，如下表：,4不同地層泥漿性能指標(biāo)參數(shù)，如下表：,1、穿越工程由于泥漿用量大，要求保證泥漿中鉆屑含量（一般保持在10%左右，保證施工安全），在鉆機(jī)一側(cè)采用泥漿回收的方法重復(fù)利用泥漿來滿足大量泥漿的需要和減少廢棄泥漿的污染。 2、從鉆導(dǎo)向孔、擴(kuò)孔到回拖，有多個工序需耗用較多泥漿，如不回收將增加工程成本，造成環(huán)境污染，所以安裝回收、

17、處理泥漿系統(tǒng)減少泥漿總量是必要的，出土點的泥漿通過鉆桿倒運到入土點進(jìn)行處理再利用，同時要及時清收和控制跑冒的泥漿。,3、施工中要根據(jù)泥漿回返，冒頂情況和泵壓變化等分析，判斷并采取對應(yīng)措施。如嚴(yán)重冒頂可進(jìn)行封堵處理，當(dāng)鉆屑過多導(dǎo)致扭矩增大，應(yīng)停止鉆進(jìn)，先進(jìn)行循環(huán)，排砂或采取其它措施，待正常后再恢復(fù)鉆進(jìn)。 4、當(dāng)需較長時間停鉆，應(yīng)及時替入新泥漿提高護(hù)孔能力，防止塌孔卡鉆；當(dāng)出現(xiàn)鉆屑床時，在泥漿中加入0.050.1%的泥漿結(jié)構(gòu)劑。堅持循環(huán)泥漿清掃孔眼。,定向鉆技術(shù)的適用性,隨著定向鉆技術(shù)的發(fā)展，目前為止，國際上距離最長的一次穿越長度已經(jīng)超過4000米，國內(nèi)的穿越長度記錄是3316米。 2013年1月

18、-9月，管道局在江蘇江陰和靖江之間完成了中石油西氣東輸公司的兩條711管道長江穿越工程，穿越長度3300m。 最大穿越管徑48英寸的管線已經(jīng)安裝成功（西氣東輸二線）。 適合定向鉆穿越的地質(zhì)： a、較好的地質(zhì)：粉質(zhì)粘土、粉砂、細(xì)砂、軟塑粘土、淤泥。 b、適宜地質(zhì)：中砂、軟巖石、可塑粘土、中等硬度巖石。 c、風(fēng)險地質(zhì)：硬塑粘土、粗砂、堅硬巖石。 d、高風(fēng)險地質(zhì)：卵礫石、流砂。 地質(zhì)的分類不是一成不變的，在一定的情況下會發(fā)生轉(zhuǎn)化。,單穿技術(shù)是常規(guī)的定向鉆施工方法，鉆機(jī)就位在一側(cè)，自入孔點鉆進(jìn)，出孔點鉆出，形成導(dǎo)向孔，早期的定向鉆穿越都是單穿施工，單穿技術(shù)適用于短距離的穿越工程。 對穿技術(shù)兩側(cè)均有鉆機(jī)

19、，同時向中間鉆進(jìn)，在穿越水平段上對接，形成導(dǎo)向孔，對穿技術(shù)適用于單穿無法完成的長距離穿越工程或穿越兩側(cè)地質(zhì)不適宜定向鉆施工需要進(jìn)行套管隔離的情況。 2000m距離以內(nèi)的穿越工程采用單穿施工，2600m距離以上的穿越工程一般需要進(jìn)行對穿作業(yè)，2000m-2600m之間的穿越工程依據(jù)穿越地質(zhì)情況和施工隊伍的技術(shù)能力綜合確定。 單穿技術(shù)造價低，對穿技術(shù)不僅占用設(shè)備資源，而且工程造價較高。 目前，對穿技術(shù)已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，已經(jīng)從見面聊天發(fā)展到拉手親吻。 對穿技術(shù)的發(fā)展會進(jìn)一步拓展定向鉆技術(shù)的發(fā)展空間，攻占新的禁區(qū)。,定向鉆的單穿和對穿技術(shù)對比分析,定向鉆技術(shù)和其他施工方法相比而言，對環(huán)境的影響較小

20、，此項技術(shù)能達(dá)到障礙物下的最大埋深，最大限度保護(hù)管道，減少維修費用，基本上是免維護(hù)的，交通、航運不中斷，大部分工作只在兩岸地面進(jìn)行，安全、高效，工期較短并且可以預(yù)測 ，尤其值得注意的是：在眾多的施工方法中，定向鉆穿越的造價是比較低的。 定向鉆施工技術(shù)無需擾動任何現(xiàn)有地面設(shè)施和現(xiàn)有地貌，對地面設(shè)施包括碼頭、航道、港池、道路等均沒有任何影響。 定向鉆技術(shù)對穿越的區(qū)域內(nèi)各相關(guān)利益和管理方無影響或影響甚微，因此定向鉆方案容易取得各相關(guān)方的理解和支持，辦理各種（路、管道、港池、碼頭、航道）通過權(quán)相對有利，減輕協(xié)調(diào)難度和工作量。 隨著定向鉆技術(shù)的日益成熟，施工造逐年降低，相比較其他施工技術(shù)和方法的造價優(yōu)勢越來越明顯。,定向鉆優(yōu)劣點分析,定向鉆技術(shù)基本上是一次性的，免維護(hù)的同時免維修，在穿越區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)質(zhì)量或其他缺陷