水平定向钻穿越工程（精选8篇）
水平定向钻穿越工程 篇1
1 岩石穿越导向钻进
岩石穿越工程导向钻进主要有简易施工法, DITCH WITCH双壁钻杆钻进法, 气动或液动潜孔锤冲击回转导向钻进法, 泥浆马达导向钻进法。
其中泥浆马达驱动导向钻进法是目前国内外最通用的岩石导向钻进方法。适用于25t以上各型非开挖钻机, 尤其是大型非开挖钻机。
泥浆马达也称螺杆钻具, 一般与牙轮导向钻头和有线或无线探棒装置配合使用。正常钻进时, 钻杆与马达一起旋转直线钻进;当需要导向时, 马达弯点母线与探棒12点方向调整一致, 钻杆及马达外壳不旋转, 只提供反扭矩和给进力, 马达转子在泥浆泵的液力驱动下带动钻头旋转, 从而实现导向钻进。水平定向钻用的马达弯角一般在1.5-3度之间, 根据管线设计轨迹曲率不同选择不同的弯角.
马达驱动导向钻进连接形式:
无线:钻杆—仪器仓—马达—牙轮钻头
有线:钻杆—无磁钻铤—仪器仓—无磁钻铤—马达—牙轮钻头
2 岩石穿越扩孔钻进
导向孔完成后, 根据管径大小进行扩孔。
目前的岩石扩孔器大致分为两种类型:
一是固定牙轮式扩孔器, 应用石油用牙轮钻头牙轮掌为切削具, 通过焊接的方式与扩孔器中心轴和底盘相连。
二是可更换滚刀扩孔器, 以可更换滚刀为切削具。滚刀以安装方式不同分为刀架安装式和悬挂式安装。
2.1 牙轮式扩孔器的优缺点
优点:
(1) 加工周期短。
(2) 适用于各种直径岩石扩孔器 (更适用于中小直径) , 适用于各种地层 (口径220-1600mm) 。
(3) 根据钻机特点及不同地层情况, 选择最合适的齿型及轴承结构。
(4) 掌背倾斜, 冷镶防磨合金, 减轻磨。
(5) 独有的牙轮防脱技术, 防止牙轮轴承损坏后牙轮落在孔内造成孔内事故。
(6) 水力破岩, 排渣顺畅, 减少岩渣堆积。
(7) 焊接工艺保证, 防止焊接过热伤害牙轮轴承。
(8) 钻头本体导向螺旋带设计, 导正及导渣效果好, 减少钻头重复破碎。
缺点:
(1) 由于牙轮的结构特点, 掌背磨损无法彻底解决, 在钻进砂岩砾岩时现象尤其明显。
(2) 牙轮密封集中在牙掌与牙轮结合部。牙掌背部尤其是与牙轮结合部磨损后, 轴承就要失效了。常导致牙轮的过早损坏。
(3) 更换牙轮比较困难, 要先切下旧轮子, 修磨好后再焊上新轮子。时间较长。
(4) 扩孔器本体修几次后就要报废了。
(5) 牙轮轴承损坏后, 牙轮容易掉入孔内, 形成孔内事故。需要时可加装防掉轮装置。
2.2 中小型钻机用刀架式可更换滚刀岩石扩孔器
这种双支点刀架支撑结构可更换滚刀岩石扩孔器, 适合中小钻机使用, 具有以下特点:
(1) 解决了牙轮式结构扩孔器掌背磨损问题。
(2) 成本与橡胶密封牙轮式扩孔器相差无几, 降低了使用成本。
(3) 彻底解决了掉轮问题。
(4) 金属密封, 寿命长。
(5) 换轮方便。
(6) 安全可靠。
2.3 大型钻机用可更换滚刀式扩孔器
可更换滚刀式岩石扩孔器的特点:
(1) 我公司最初采用进口美国SHAREWELL公司岩石扩孔器, 后经廊坊钻王科技深远穿越有限公司改进国产化, 使用效果比国外的要好, 主要解决了三方面的问题:
(1) SHAREWELL公司轴承采用橡胶密封, 改进后滚刀轴承密封采用金属密封, 寿命从国外的40-60小时提高到目前的100小时以上。
(2) 解决了掉轮问题, 体现在三点, 一是滚刀悬挂丝扣本身防脱, 二是滚刀加装互锁装置, 三是轴承本身的特点是轴承损坏后, 滚刀外壳不会脱落。
(3) 与国外同类产品相比, 价格也大幅降低。
(2) 该系列钻具适用于大钻机重载荷的大直径穿越工程, 适用于各种岩石地层。
(3) 扩孔器采用大直径金属密封滚刀作为切削具。本体可多次使用, 只需换轮即可。滚刀轮分为A, B, C三种, 可以调整达到不同扩孔直径, 为多个工程使用同一套钻具本体提供了方便。
(4) 滚刀轮损坏后换轮容易, 一般可在半小时内换轮完毕.方便快捷。
(5) 长期综合成本优势明显。
(6) 回扩滚刀全部采用金属密封, 同时, 滚刀直径大 (ABC轮大端直径均在346, 360, 372) , 回转过程中, 滚刀线速度低, 尤其适合于大管径施工。与钻头最大线速比为4.5倍 (相对66”回扩孔径) , 即钻头转一圈, 滚刀转4.5圈, 保证滚刀轴承在低速范围内, 所以滚刀寿命长, 正常情况下在100小时以上, 除非岩石特别硬或异常情况, 扩孔时间长需要换轮, 基本上不需更换滚刀, 实现一次性回扩。
(7) 不存在掌背磨损问题。
(8) 滚刀全部采用¢19大合金, 进尺快, 可根据不同地层选用不同齿型。硬岩采用钝齿齿型, 软岩采用锥齿齿型。
(9) 优秀的水力学设计, 充分考虑流道排渣通畅, 同时实现水力破岩。
(10) 钻头本体材质采用优质合金钢精锻, 可焊性好, 方便现场修补。
(11) 38寸以上钻头本体导向采用螺旋带设计, 导正及导渣效果好, 减少钻头重复破碎, 同时起到保护本体滚刀刀座的作用。
(12) 充分考虑减重问题.最大一级66扩孔器重量控制在3.5T以内, 对于减小钻进扭矩, 降低轨迹变线倾向有着决定性的影响
可更换滚刀式岩石扩孔器的缺点:
(1) 加工周期长, 一般在30-50天。
(2) 不适用小钻机, 适合的扩孔直径在600以上。
(3) 单只钻具成本较高, 只有在长孔距, 大孔径, 长期使用情况才有较大综合成本优势。
3 岩石扩孔钻进的常用级差、参数及注意事项
3.1 扩孔级差
小钻机常用扩孔器级差:
导向152或165—300-400—500—600—700—800—900
大钻机常用扩孔器级差:
导向孔216或241-
扩孔器直径根据管径的1.3-1.5倍选配, 一般长管线取大值, 短管线取小值.复杂地层取大值, 稳定地层取小值.小管径和大管径取大值, 中等管径取小值.
3.2 钻进参数
3.2.1 钻压
理论上钻进压力视地层岩石硬度、钻孔直径、钻进速度、钻机、钻具能力及钻头结构强度等因素而定。地层越硬, 直径越大, 所需钻压也越大。钻压越大, 钻进速度也越快。但是如果钻压太大, 滚刀压入岩石太深, 会导致钻头蹩钻, 不能回转, 对钻机钻具及钻头造成损坏, 引起孔下事故。同时切削具轴承寿命与钻压大小有直接关系。所以应限定钻进压力。
具体操作时以钻杆承受正常扭矩值的1/2--3/4匹配钻压, 以不超过扩孔器厂家推荐值为限。
3.2.2 转速
钻机转速随钻头直径变化而变化, 一般要求钻头最外边争削具回转线速度不大于3m/s。正常情况下控制钻杆转速在40RPM以内。
3.2.3 泥浆排量
泥浆的作用在于携带岩屑, 冷却钻头。理论上泥浆排量越大越好。在砂岩地层为了减少钻头磨损, 应尽可能加大泵量
3.3 扩孔钻进注意事项
(1) 岩石钻进不同于土层钻进, 一般造价较高, 成本也较高。所以必须以扩孔安全及工程的可靠性为最高原则, 不能冒险冒进。
(2) 钻头在孔内运动过程中应始终保持正转状态, 避免钻头空甩, 防止钻杆及扩孔切削刀具脱落。
(3) 钻头在开始工作时应轻压慢转半小时以上, 使钻头切削具与孔底岩石充分接触后再缓慢加压至正常压力钻进, 以避免钻头跑偏造成轨迹变线。
(4) 钻进过程中应严格按照钻进规程钻进。如扩孔拉力过大或转速过高, 产生阻滞现象, 应及时停钻, 调整钻压和转速, 直至钻进正常。
(5) 遇卵砾石地层及破碎地层时, 应控制进尺, 使得钻屑尺量小, 方便泥浆携带, 减少孔内大颗粒岩屑堆积, 为下一级扩孔或拖管创造便利条件。
(6) 如果扩孔器寿命已到, 或孔内异常需要回退时, 应及时退出, 而且应注意钻头回退过程中, 钻杆始终保持正转状态, 回退不得过快, 回退推力不得过大, 防止发生断钻杆事故。
(7) 为了扩孔正常, 理论上在每一级扩孔前应至少洗孔一次, 以使孔内清洁, 减少钻具磨损及钻进时的阻卡。这一点尤其在大级别扩孔时非常重要。
(8) 切记:严禁用岩石扩孔器托管, 必须用桶式扩孔器带管。因为岩石扩孔器与孔壁产生新的切削作用, 牙轮或滚刀交替接触孔底产生较大震动, 对尾端丝扣产生较大扰动, 容易伤扣或脱扣。
4 结束语
水平定向钻岩石层穿越应根据地层条件、钻机及配套设备的功率配备、扩孔的最大直径、穿越长度以及泥浆的状况来选择结构合理的岩石扩孔器及正确操作控制, 经过实践经验, 可更换滚刀式岩石扩孔器在结构强度, 切削具的切削性能及轴承寿命, 防掉轮性能, 扩孔器的重量控制方面具有优越性, 特别在大管径扩孔工程中是非常适宜的, 同时, 应在科学计算的基础上科学施工, 降低岩石穿越风险。
摘要：水平定向钻穿越技术最早出现在20世纪70年代, 近年来, 随着我国输油输气管道工程的大规模铺开, 以及城市建设中燃气, 电力、电信, 水源及污水管道的大发展, 使得我国的非开挖行业发展迅猛, 非开挖穿越工程施工技术, 装备逐渐成熟。但岩石穿越技术对很多施工单位来讲还是很陌生, 根据我公司对岩石穿越技术的应用与总结, 同时对岩石扩孔技术加以探究, 以期在地质条件适合的类似工程推广应用。
关键词：水平定向钻,岩石,扩孔器
参考文献
[1]陈雪华, 刘伟.水平定向钻用岩石扩孔器的选择及操作控制技术[J].非开挖技术, 第24卷第5期2007
水平定向钻穿越工程 篇2
摘 要：本文简述应用单边定向钻实施冲沟、陡坡管道穿越施工，避免了大开挖对于水土资源及原生植被带来损害，有效的保护了生态环境，取得一定的社会和经济效益。
关键词：单边定向钻;冲沟;陡坡;组焊接长
1、前言
某成品油管道工程04标段，长60Km，管道设计压力10Mpa，管线规格φ323mm、壁厚7.1+8.7mm，输送介质为汽、柴油，年输送能力为340万t。
04标段位于山区，该地段海拔高度1000m以上。由于常年雨水冲刷形成深达20～50m、沟坡坡度达到60—80°的冲沟、陡坡。在桩号SYZ076～SYZ082段管线需穿越三处大冲沟;在SYZ097～SYZ098处穿越高差60m地形犬牙交错的复杂地段;在桩号SYZ098～SYZ099处，公路一侧陡坡深达20m以上。
通过现场勘查分析，如采用大开挖穿越，将造成水土流失和原生植被的破坏，生态环境将受到损害;沟壁上开挖土方，属高空作业，施工安全隐患多;同时地貌恢复，水工保护的工作量和难度也很大。经反复研究和论证，决定采用单边定向钻实施管道穿越施工。
单边定向钻管道穿越工艺就是在冲沟两侧高地上，定向钻机分别向沟底钻孔、扩孔，起吊设备配合管段组焊接长，顺孔洞逐段下滑就位，在沟底完成连头这样一种施工方法（图1）。
图1：单边定向钻管道穿越施工示意图
2、单边定向钻管道穿越工艺及控制要点
（1）为了尽可能减少定向钻孔长度，也就是缩短入土点至冲沟沟底1.5m深处的距离。希望穿越机有较大的入土角。基于这样的考虑，可建议选用D100×120大型穿越机，其最大回拖力为45t，最大入土角为24°。利用斜坡地形安装定向钻机，实际穿越的入土角控制在20-40°。
（2） 冲沟两侧入土点，沟底出土点要保持在同一垂直面内，出土点偏差控制在10cm以内，保证沟底弯管连头自然顺畅。因此，要提高测量放线的精准度，同时严格钻孔控向。
（3）采用平地钢管二接一，完成组焊、检测、防腐作业。一台吊车、二台挖机配合起吊，顺孔洞自然下滑;挖机固定管段上端，进行第二管段的组焊接长，依次下滑就位。冲沟另一侧用同样的方法施工。
（4）在冲沟沟底进行两侧管段连头、检测、防腐作业。按设计要求砌筑挡水墙，完成该段管道穿越施工。
（5）对公路一侧陡坡，采用单边定向钻管道敷设工艺，在不破开路面，不阻断交通的情况下，顺利完成穿越施工。
3、单边定向钻管道穿越施工效应分析。
04标段共有8处采用单边定向钻管道穿越工艺，经建设方、监理、质量监督等相关方进行检查验收，工程质量符合标准、规范和设计要求。同时取得了一定的社会效益和经济效益。
（1）单边定向钻穿越可避免水土流失，保护冲沟、陡坡上的原生植被，有效的保护生态环境。
（2）施工更加安全可靠。在8处单边定向钻管道穿越施工过程中，由于避免了陡崖上的高空作业，施工安全得到更好的保证。
（3）缩短了工期。大开挖穿越施工预算工期65天，而8处单边定向钻管道穿越施工，只用了28天。
（4）降低了工程成本。如采用大开挖管道穿越，预算费用为172万元（不含地貌恢复、水工保护费用），而8处单边定向钻管道穿越共710m，实际发生的施工费用仅为113万元（基本上不发生地貌恢复、水工保护费用）。
（5）与大开挖管道穿越相比，节约钢管约20%以上。
（6）公路一侧陡坡的定向钻管道穿越，避免了公路大开挖而阻断交通，得到路政部门支持和积极配合。
4、问题讨论
04标段地处黄土高原，8处单边定向钻地段的地质结构均为黄土层，钻导向孔及扩孔很顺利，而且不需要泥浆进行钻具散热及井壁保护。管段下滑就位时，还需要对井孔内壁浇水，软化偏硬的泥土块，保护管段防腐层不受损伤。
5、结束语
在04标段成功的应用单边定向钻管道穿越工艺，代替冲沟、陡坡地段大开挖施工工艺，取得了一定的社会效益和经济效益。
参考文献：
[1] 梁国俭.黄土塬地区管道施工方法——斜井穿越法.石油工程建设.2007.23-25
[2] 吴勇.一种实用的黄土塬地带管道施工方法.石油工程建设.2008.40-41
[3] 孟强;崔建洋;谭利军;张金宝.单边定向钻用于冲沟、陡坡管道穿越施工有效保护生态环境.石油工程建设.2010.69-70endprint
摘 要：本文简述应用单边定向钻实施冲沟、陡坡管道穿越施工，避免了大开挖对于水土资源及原生植被带来损害，有效的保护了生态环境，取得一定的社会和经济效益。
关键词：单边定向钻;冲沟;陡坡;组焊接长
1、前言
某成品油管道工程04标段，长60Km，管道设计压力10Mpa，管线规格φ323mm、壁厚7.1+8.7mm，输送介质为汽、柴油，年输送能力为340万t。
04标段位于山区，该地段海拔高度1000m以上。由于常年雨水冲刷形成深达20～50m、沟坡坡度达到60—80°的冲沟、陡坡。在桩号SYZ076～SYZ082段管线需穿越三处大冲沟;在SYZ097～SYZ098处穿越高差60m地形犬牙交错的复杂地段;在桩号SYZ098～SYZ099处，公路一侧陡坡深达20m以上。
通过现场勘查分析，如采用大开挖穿越，将造成水土流失和原生植被的破坏，生态环境将受到损害;沟壁上开挖土方，属高空作业，施工安全隐患多;同时地貌恢复，水工保护的工作量和难度也很大。经反复研究和论证，决定采用单边定向钻实施管道穿越施工。
单边定向钻管道穿越工艺就是在冲沟两侧高地上，定向钻机分别向沟底钻孔、扩孔，起吊设备配合管段组焊接长，顺孔洞逐段下滑就位，在沟底完成连头这样一种施工方法（图1）。
图1：单边定向钻管道穿越施工示意图
2、单边定向钻管道穿越工艺及控制要点
（1）为了尽可能减少定向钻孔长度，也就是缩短入土点至冲沟沟底1.5m深处的距离。希望穿越机有较大的入土角。基于这样的考虑，可建议选用D100×120大型穿越机，其最大回拖力为45t，最大入土角为24°。利用斜坡地形安装定向钻机，实际穿越的入土角控制在20-40°。
（2） 冲沟两侧入土点，沟底出土点要保持在同一垂直面内，出土点偏差控制在10cm以内，保证沟底弯管连头自然顺畅。因此，要提高测量放线的精准度，同时严格钻孔控向。
（3）采用平地钢管二接一，完成组焊、检测、防腐作业。一台吊车、二台挖机配合起吊，顺孔洞自然下滑;挖机固定管段上端，进行第二管段的组焊接长，依次下滑就位。冲沟另一侧用同样的方法施工。
（4）在冲沟沟底进行两侧管段连头、检测、防腐作业。按设计要求砌筑挡水墙，完成该段管道穿越施工。
（5）对公路一侧陡坡，采用单边定向钻管道敷设工艺，在不破开路面，不阻断交通的情况下，顺利完成穿越施工。
3、单边定向钻管道穿越施工效应分析。
04标段共有8处采用单边定向钻管道穿越工艺，经建设方、监理、质量监督等相关方进行检查验收，工程质量符合标准、规范和设计要求。同时取得了一定的社会效益和经济效益。
（1）单边定向钻穿越可避免水土流失，保护冲沟、陡坡上的原生植被，有效的保护生态环境。
（2）施工更加安全可靠。在8处单边定向钻管道穿越施工过程中，由于避免了陡崖上的高空作业，施工安全得到更好的保证。
（3）缩短了工期。大开挖穿越施工预算工期65天，而8处单边定向钻管道穿越施工，只用了28天。
（4）降低了工程成本。如采用大开挖管道穿越，预算费用为172万元（不含地貌恢复、水工保护费用），而8处单边定向钻管道穿越共710m，实际发生的施工费用仅为113万元（基本上不发生地貌恢复、水工保护费用）。
（5）与大开挖管道穿越相比，节约钢管约20%以上。
（6）公路一侧陡坡的定向钻管道穿越，避免了公路大开挖而阻断交通，得到路政部门支持和积极配合。
4、问题讨论
04标段地处黄土高原，8处单边定向钻地段的地质结构均为黄土层，钻导向孔及扩孔很顺利，而且不需要泥浆进行钻具散热及井壁保护。管段下滑就位时，还需要对井孔内壁浇水，软化偏硬的泥土块，保护管段防腐层不受损伤。
5、结束语
在04标段成功的应用单边定向钻管道穿越工艺，代替冲沟、陡坡地段大开挖施工工艺，取得了一定的社会效益和经济效益。
参考文献：
[1] 梁国俭.黄土塬地区管道施工方法——斜井穿越法.石油工程建设.2007.23-25
[2] 吴勇.一种实用的黄土塬地带管道施工方法.石油工程建设.2008.40-41
[3] 孟强;崔建洋;谭利军;张金宝.单边定向钻用于冲沟、陡坡管道穿越施工有效保护生态环境.石油工程建设.2010.69-70endprint
摘 要：本文简述应用单边定向钻实施冲沟、陡坡管道穿越施工，避免了大开挖对于水土资源及原生植被带来损害，有效的保护了生态环境，取得一定的社会和经济效益。
关键词：单边定向钻;冲沟;陡坡;组焊接长
1、前言
某成品油管道工程04标段，长60Km，管道设计压力10Mpa，管线规格φ323mm、壁厚7.1+8.7mm，输送介质为汽、柴油，年输送能力为340万t。
04标段位于山区，该地段海拔高度1000m以上。由于常年雨水冲刷形成深达20～50m、沟坡坡度达到60—80°的冲沟、陡坡。在桩号SYZ076～SYZ082段管线需穿越三处大冲沟;在SYZ097～SYZ098处穿越高差60m地形犬牙交错的复杂地段;在桩号SYZ098～SYZ099处，公路一侧陡坡深达20m以上。
通过现场勘查分析，如采用大开挖穿越，将造成水土流失和原生植被的破坏，生态环境将受到损害;沟壁上开挖土方，属高空作业，施工安全隐患多;同时地貌恢复，水工保护的工作量和难度也很大。经反复研究和论证，决定采用单边定向钻实施管道穿越施工。
单边定向钻管道穿越工艺就是在冲沟两侧高地上，定向钻机分别向沟底钻孔、扩孔，起吊设备配合管段组焊接长，顺孔洞逐段下滑就位，在沟底完成连头这样一种施工方法（图1）。
图1：单边定向钻管道穿越施工示意图
2、单边定向钻管道穿越工艺及控制要点
（1）为了尽可能减少定向钻孔长度，也就是缩短入土点至冲沟沟底1.5m深处的距离。希望穿越机有较大的入土角。基于这样的考虑，可建议选用D100×120大型穿越机，其最大回拖力为45t，最大入土角为24°。利用斜坡地形安装定向钻机，实际穿越的入土角控制在20-40°。
（2） 冲沟两侧入土点，沟底出土点要保持在同一垂直面内，出土点偏差控制在10cm以内，保证沟底弯管连头自然顺畅。因此，要提高测量放线的精准度，同时严格钻孔控向。
（3）采用平地钢管二接一，完成组焊、检测、防腐作业。一台吊车、二台挖机配合起吊，顺孔洞自然下滑;挖机固定管段上端，进行第二管段的组焊接长，依次下滑就位。冲沟另一侧用同样的方法施工。
（4）在冲沟沟底进行两侧管段连头、检测、防腐作业。按设计要求砌筑挡水墙，完成该段管道穿越施工。
（5）对公路一侧陡坡，采用单边定向钻管道敷设工艺，在不破开路面，不阻断交通的情况下，顺利完成穿越施工。
3、单边定向钻管道穿越施工效应分析。
04标段共有8处采用单边定向钻管道穿越工艺，经建设方、监理、质量监督等相关方进行检查验收，工程质量符合标准、规范和设计要求。同时取得了一定的社会效益和经济效益。
（1）单边定向钻穿越可避免水土流失，保护冲沟、陡坡上的原生植被，有效的保护生态环境。
（2）施工更加安全可靠。在8处单边定向钻管道穿越施工过程中，由于避免了陡崖上的高空作业，施工安全得到更好的保证。
（3）缩短了工期。大开挖穿越施工预算工期65天，而8处单边定向钻管道穿越施工，只用了28天。
（4）降低了工程成本。如采用大开挖管道穿越，预算费用为172万元（不含地貌恢复、水工保护费用），而8处单边定向钻管道穿越共710m，实际发生的施工费用仅为113万元（基本上不发生地貌恢复、水工保护费用）。
（5）与大开挖管道穿越相比，节约钢管约20%以上。
（6）公路一侧陡坡的定向钻管道穿越，避免了公路大开挖而阻断交通，得到路政部门支持和积极配合。
4、问题讨论
04标段地处黄土高原，8处单边定向钻地段的地质结构均为黄土层，钻导向孔及扩孔很顺利，而且不需要泥浆进行钻具散热及井壁保护。管段下滑就位时，还需要对井孔内壁浇水，软化偏硬的泥土块，保护管段防腐层不受损伤。
5、结束语
在04标段成功的应用单边定向钻管道穿越工艺，代替冲沟、陡坡地段大开挖施工工艺，取得了一定的社会效益和经济效益。
参考文献：
[1] 梁国俭.黄土塬地区管道施工方法——斜井穿越法.石油工程建设.2007.23-25
[2] 吴勇.一种实用的黄土塬地带管道施工方法.石油工程建设.2008.40-41
水平定向钻穿越导向孔准确性分析 篇3
关键词：水平定向钻,故障树分析,导向孔,控制措施
水平定向钻穿越是将传统管线施工方法与定向钻技术结合起来的一项新技术, 它具有施工精度高、速度快、成本低等优点, 成功的关键在于导向孔的准确性, 所以, 非常必要使用故障树分析方法辨别出导向孔施工中的影响因素[1], 并采取科学、有效、合理的控制措施, 提高导向孔成功的概率。
1 导向孔准确性故障树的建立
根据故障树分析法[2], 将水平定向钻穿越导向孔准确性作为顶事件[3], 根据导向孔的施工准备、过程及特点[4], 建立导向孔准确性的故障树[5,6], 见图1, 不同的符号代表的事件见表1。
2 故障树的定性分析
2.1 故障树的最小割集
本文采用布尔代数求解:
2.2 故障树结构重要度分析
(1) 故障树的最小割集中除了X26和X27, 其余都是一阶最小割集事件, 所以由文献[7]可知, 这些基本事件的结构重要度系数具有最大值1.0。
(2) 其它的基本事件结构重要度系数可通以下的公式进行计算:
式中:Ii———第i个基本事件的结构重要度系数;nj———第i个基本事件所在kj的基本事件总数;nj———为2的指数。
经过计算可知:I26=I27=0.5, 对于故障树的各个基本事件, 其结构重要度系数的大小排序为:
于是有:I1>I26
由以上分析可知:水平定向钻穿越导向孔准确性故障树共有41个最小割集, 40个一阶最小割集, 占总数的97.5%, 1个二阶最小割集, 其中40个一阶最小割集是该系统的最薄弱环节。
3 导向孔准确性控制措施
针对水平定向钻穿越导向孔准确的影响因素, 采取以下的措施[8,9], 可以提高导向孔的准确性。
(1) 对于穿越方案设计之前的所有数据 (如地形、地质、地面地下的建筑及管线等) 必须精确, 仪器设备必须经过权威机构的校正。
(2) 穿越方案的设计人员应该多与实际的地形、地质及各种影响因素相结合, 对于特殊的情况, 能提前考虑到并有相关的解决措施。
(3) 穿越场地的平整, 钻机的位置和控制点必须精确, 各个数据必须多次复测。在钻孔前须认真校验探头, 精确地测量磁方位角;钻进过程中, 精确地控制钻进方向, 关注磁方位角的变化并及时做出调整。
(4) 导航人员对于信号的接收、处理、轨迹方向的控制必须灵敏、准确, 工作人员之间的信息传递要及时、统一。
(5) 提高管理水平, 工作态度积极、严谨。
4 结语
水平定向钻穿越在管线工程中扮演了重要角色, 而穿越成功的关键就是导向孔。本文通过故障树分析法, 对水平定向钻穿越导向孔精确性的各种影响因素进行分析, 提出了相应措施来提高导向孔的准确性, 具有一定的应用价值。
参考文献
[1]宋祎昕, 姚安林, 蒋宏业, 李又绿.天然气管道水平定向钻穿越事故及其后果分析[J].北京:中国安全生产科学技术, 2011.
[2]高文学, 李建勋, 王启, 等.故障树分析法在城市燃气管道安全评价的应用[J].煤气与热力, 2009, 29 (12) :29-35.
[3]罗云, 樊运晓, 马晓春, 等.风险分析与安全评价[M].北京:化学工业出版社, 2009.
[4]GB50424-2007油气输送管道穿越工程施工规范[S].北京:中国计划出版社, 2007.
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水平定向钻穿越工程 篇4
1 定向钻穿越施工
对于管道的水平定向钻穿越技术施工过程来说, 首先在进行施工的时候, 要按照设计好的钻孔曲线, 使用定向钻进技术, 依靠钻机或者是钻具, 先钻出一个水平度较高的导向孔, 当导向孔钻机从障碍物的另一端出土后, 将导向用钻头和仪表单元进行拆卸, 再参考所需的待铺管线的地理条件和直径大小, 挑选合适的钻具或钻具进行组合, 实施反向扩孔。一直到孔道达到管线回拖要求之后, 再利用钻机把预制及格的待铺管线通过钻杆, 从钻机的出土点到成型孔道, 再拉到其入土点, 这样管道的铺设就算完成了。所以, 实施定向钻穿越工程成功与否要从这几个环节着手:钻导向孔、预扩孔、回拖管道[1]。
2 钻导向孔
实施钻导向孔施工需要按照设计曲线进行, 但是在实际操作中, 穿越曲线也需要符合相关要求。当钻机入土后, 要按照已经设计好入土角度进行, 钻井过程要按照设计好曲线直到出土场地。整个穿越过程最重要的就是这道工序, 穿越曲线是否圆滑、导向孔能否成功出土等条件, 都对管线的回拖具有很大的影响, 所以这道工序是整个穿越过程中所需重视的重点问题。
2.1 做好工程施工前的准备
(1) 对设计图纸和地质资料进行详细分析, 进行设计曲线时需要充分考虑穿越所经过的地理情况, 分析穿越地质的详细资料, 为施工能够顺利进行提供保障。
(2) 必须要以设计图纸和现场交接的控制桩为参考, 进行水平定向钻穿越的工程测量, 主要内容要以确定穿越水平长度、出入土点位置和施工场地的布置, 并给测定控向磁方位角提供依据。
(3) 参考设计图纸, 对测量结果和设计参数进行多次就按, 进行多方面比较, 借鉴类似地质穿越成功施工经验, 设计出符合要求的穿越曲线图。
(4) 组织技术人员, 研究穿越所经地层, 并进行充分研讨, 制定出完善的穿越工程的施工组织设计和应急方案[2]。
2.2 控向实际操作
(1) 在什么时候进行直线钻进和曲线钻进, 都是需要控向员进行指挥。在发出指令的时候需要依据事先制定好的控向曲线和随钻测量的技术参数来进行设定。所谓的随钻测量指的就是把测量探头安装在钻具内, 使其在钻井工作中可以及时反映出钻具倾角、高程、水平长度、方位角、横向偏差、纵向偏差等数据, 并且将相关数据传递到相关操作人员手中。使用这种技术能够及时控制和调整在钻井过程中的具体情况。
(2) 穿越控向施工中要重点把握曲线控制, 需要按照设计好的穿越曲线进行操作和调整。若穿越线偏离了设计曲线:连续三根钻杆左右偏差和高低偏差都超过3m, 而且有进一步偏离的发展趋势时, 需要立即停止, 把钻杆撤回, 然后重新导孔, 直到满足设计曲线。只有使用这种方法, 才能使钻出的曲线圆滑且没有拐点。曲线圆滑度会作用于钻杆的推力和扭力的传递;只有曲线圆滑度越高, 才可以更好的减小阻力, 便于推力和扭力的传递。
(3) 施工中要根据地理情况对泥浆配比进行调整, 泥浆配比又需要依靠其成分配方, 能够减少磨损和润滑钻头, 使地层变软易钻进, 还可以将产生的碎屑带回工作坑, 能够起到稳定孔壁的作用, 泥浆配比的性能的高低, 会影响到穿越成功与否。如果穿越经过易液化地质的时候, 可以适量增加泥浆添加剂, 将泥浆的流变性改变, 提高泥浆的携砂性能, 使钻具避免被泥浆包裹, 减少钻进过程中的阻力, 并让钻孔能够通常, 在很大程度上保障了下道工序的进行。
(4) 钻导向孔主要是需要依靠控向员与司钻共同配合完成。控向员需要按照设定好的控向曲线发出控向指令, 司钻根据控向员的指令对钻具的推进进行调整。一方面需要对地层的软硬程度进行详细了解, 对钻进速度进行控制和调整, 当勘探资料和地质条件出现偏差的时候, 控向员要对控向方案进行修改;另一方面司钻要和控向员对导向孔的实际曲线进行密切配合。参考曲线所需, 导向孔出现偏离时要进行纠正, 纠正量需要进行严格控制, 泥浆的排量和压力也要进行调整和控制, 保证曲线、钻进速度和泥浆压力之间的关系可以及时进行调整, 起到降低推力和扭力的作用。
3 预扩孔
预扩孔指的就是当钻头出土之后, 使用扩孔钻具将钻孔进行扩大, 达到所需的标准, 再扩孔完成之后, 应该要保障不能出现塌方、缩径等现象;这道工序在整个穿越工程中属于中间工序, 起着十分重要的作用;这道施工工序需要依据地层情况、管径大小和钻具配套等要求进行扩孔施工。若在进行长距离穿越或是管径较大的施工中, 预扩孔施工工序会因为分级扩孔需要较多级数, 钻具会产生极大扭矩, 再加上其他因素的影响, 为保证预扩孔的施工质量, 要从下面几个方面入手。
进行大口径穿越过程中, 因为需要较多的预扩级数, 为了降低成本和增加效率, 关键是要采取合适的扩孔钻具:通常在前三级预扩孔使用盘式扩孔器实施切屑式扩孔, 后三级扩孔和清孔的施工中使用锥装通式扩孔器进行挤扩。导向孔钻井成功后, 开始逐级扩孔, 根据不同的地层选择合理的扩孔器十分重要。对于土质较为疏松的底层, 因砂多不易成孔, 易塌陷包钻, 所以我们使用切削半径较大的扩孔器, 以利用泥浆的冲刷、固壁、润滑及扩孔器后部对孔壁的挤压作用使孔径比较稳固。因此, 若钻具组配和使用都合理, 能够充分降低扭力, 使预扩孔能够顺利完成, 同时也帮助在管线回拖能够顺利进行。
4 回拖管道
回拖管道指的就是使用钻具把成品管道回拖到扩完的孔径中, 整个穿越工程就完成了。在进行回拖的时候, 成品管道和旋转接头与扩孔器相互连接, 并因为钻杆的回拖拉入使孔径扩大。这道工序在整体穿越施工中是最后一道工序, 同时也使关键点, 重点就是要减小回拖阻力。
(1) 因为是进行大口径的管道回拖, 管道本身重量就较大, 因此会在地表产生较大的摩擦力, 若要降低回拖阻力, 可以使用发送沟贮水漂管回拖管道, 可以有效减少回拖阻力, 而且能有效避免管道受损。
(2) 回拖时要增加泥浆润滑性, 因此必须要添加泥浆润滑剂, 泥浆配置高效可以行之有效减低回拖阻力, 提高施工进度。
(3) 为了避免管道在入土过程中, 因为折角较大而导致钻具折断。除了是因为地质不均和钻具疲劳等影响因素之外, 最主要的原因还是因为管道进孔不顺畅, 管道在入洞后, 因为预制管段的弹性形变, 使得管段和钻具不在同一条轴线上, 导致局部薄弱环节因为其交变应力的作用而产生碎裂。为避免出现这种现象, 在进行回拖的时候, 尽力保证管线入洞角度与出土角度一样, 使发送道与管孔充分结合, 使曲线更加圆滑便于管道入土。
5 结语
大口径、长距离的定向钻穿越施工作业中, 需要运用科学的方案、合理的施工安排、严谨的现场管理, 在每个细节都需要进行严格控制, 认真对待, 出现失误要及时纠正, 才能够保证工程可以顺利完成。
摘要：如今, 我国的经济和工业都得到快速发展, 石油化工行业发展也越来越快, 从而也使得越来越多的管道需要进行建设, 在管道施工中应用定向钻穿越技术也大大增加, 但是在施工过程中难免会遇到各种各样的问题, 本文介绍了在大口径管道水平定向钻穿越施工中所需重视的几个问题。
关键词：大口径管道,导向孔,预扩孔
参考文献
[1]熊勃, 隆威.某通信工程中的非开挖水平定向钻进技术应用探讨[J].探矿工程 (岩土钻掘工程) , 2010年12期
水平定向钻穿越工程 篇5
1 基本认识
水平定向钻穿越施工技术是当前管道工程、河流工程和铁路工程等施工中穿越障碍物的一种施工技术。水平定向钻穿越施工技术对施工条件的要求不高, 而且其施工对地面环境的影响也非常小, 施工速度非常快, 所以, 在穿越障碍物的各种工程施工中被广泛应用。但是, 与其他施工技术相比, 水平定向钻穿越施工技术对施工设备、钻具等有较强的依赖性, 在穿越施工中的扩孔、管道回拖等工程中存在不可见性, 因此, 大大增加了施工风险。
2 施工技术
采用大口径管道定向钻穿越施工技术时, 在施工前, 要先设计好施工钻孔曲线, 然后钻机就位, 从障碍物的一端入土钻导向孔, 从障碍物的另一端出土, 出土后拆卸钻头、仪表等, 然后按照所需钻具的需要, 选择合适的待铺设的管线直径和要铺设的位置、合适的钻具等实施反向扩孔。综合大口径管道水平定向钻穿越施工工艺流程, 可以将大口径管道的定向钻施工分为钻孔、扩孔和管道回拖3部分。
2.1 钻孔
在大口径管道水平定向钻穿越施工中, 需要按照施工设计方案完成相关的操作施工。在使用定向钻机进行导向孔钻孔前, 需要做好施工前的准备工作, 详细阅读和分析施工设计图、设计方案, 充分考虑大口径管道施工穿越的地理位置条件, 仔细阅读和分析施工地区的地质资料, 为大口径管道的水平定向钻穿越施工的顺利进行提供保障。为了保证大口径管道钻孔穿越障碍物的顺利进行, 必要时可以从施工设计方案中选择1个控制桩作为参考, 并以此为标准水平定向钻穿越试验, 测定需要穿越的长度、出入点的位置和施工场地的布置等。
完成试验后, 参考大口径管道施工的设计方案和施工图纸, 测量相关的数据, 并设计施工中的相关参数, 多方面比较水平定向钻穿越施工, 从而设计出最佳的穿越障碍物的路线图。在确定施工设计图之后进行实际的导向孔钻孔施工, 钻导向孔需要在钻孔导向员的指令下, 按照事先预定好的曲线、钻测量等参数钻孔。将探头安装在钻具中, 测量钻孔过程中出现的倾角、高程、方位角和横向偏差等, 并将这些数据传递到操作员手中, 及时控制和调整钻孔中出现的情况。
在大口径管道的水平定向钻穿越施工中, 需要控制穿越的曲线, 在实际的钻孔穿越中, 需要根据先前设计好的穿越曲线进行相关的操作, 并调整穿越曲线。在穿越施工中, 需要根据大口径管道水平定向钻穿越施工的地理条件调整泥浆配比。泥浆配比在一定程度上是依靠配方成分组成的, 有效的泥浆配比和配方成分能够减少在钻孔施工中对钻头产生的磨损和其他影响。在钻孔施工中, 产生的碎屑会通过泥浆回到泥浆坑中, 同时, 泥浆对孔壁能起到一定的稳定作用。在导向孔钻孔施工过程中, 钻孔操作人员、指挥控制人员需要有效配合才可以完成钻孔穿越工作。两者一个负责了解地质软硬程度, 控制和调整钻头的钻进速度, 另一个制订、修改和纠正钻孔方案, 以保证钻孔工作能够顺利进行。
2.2 扩孔
大口径管道水平定向钻穿越施工的第二个施工环节是分级扩孔, 又被称为分级回扩。这就是钻头从钻孔中出来之后, 使用扩孔钻具将先前钻的孔扩大, 使钻孔达到大口径管道水平定向钻穿越施工的要求。在分级扩孔施工时, 需要保证在钻孔时不会出现塌方等情况。分级扩孔是大口径管道水平定向钻穿越施工的中间环节, 它在其中发挥着非常重要的作用, 其施工需要根据施工场所的环境、地质条件、大口径管道的材质等相关资料进行。
在大口径管道水平定向钻穿越施工中, 因为管道的口径大、铺设距离长, 所以, 扩孔施工需要分级进行。而较多的分级扩孔级数会增加扩孔中产生的扭矩, 同时, 还会受到其他方面因素的影响, 因此, 为了保证分级扩孔的顺利进行和扩孔的质量, 需要加大对这些方面的施工监管力度, 具体可分为以下2点: (1) 完成导向孔的钻孔之后, 在逐级扩孔施工时, 根据不同的地层需求选择不同类型的扩孔器。 (2) 在分级扩孔中, 前几级的扩孔施工使用盘式扩孔器进行切屑式的扩孔施工, 后几级的扩孔施工和清孔使用锥桶式扩孔器进行钻孔的挤扩。扩孔钻具组合的有效使用可以降低扩孔中产生的扭力, 进而顺利完成扩孔工作。
2.3 管道回拖
在大口径管道水平定向钻穿越施工中, 管道回拖是最后一个施工工序。在管道回拖的过程中, 主要使用回拖钻具将成品管道回拖到已经完成扩孔施工的孔洞中, 这样整个大口径管道水平定向钻穿越施工则完成了。在大口径管道回拖的过程中, 成品管道、旋转接头、扩孔器需要相互连接, 在钻杆回拖拉力的作用下使管道就位。管道回拖工序是整个大口径管道施工中的最后一道施工工序, 同时, 这也是施工中的重点, 因此, 在管道回拖的过程中, 要尽量减小回拖产生的阻力。
3 结束语
总而言之, 近几年, 在城市发展和建设的过程中, 燃气管道、供暖管道等施工规模不断扩大, 大口径管道的应用越来越广泛, 水平定向钻穿越施工技术在大口径管道施工中的应用频率也逐渐加大。为了更好地在大口径管道施工中应用水平定向钻穿越施工技术, 本文主要分析和研究了大口径管道水平定向钻穿越施工技术的相关内容, 为日后相关工作提供参考。
参考文献
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水平定向钻穿越工程 篇6
水平定向钻进技术是非开挖技术的一种, 又称HDD技术, 即Horizontal Directional Drilling, 是近年来发展起来的一项高新技术, 它是利用钻杆的柔性在导向系统的监测下沿设计线路轨迹钻进, 到达目的地后, 卸下钻头换上回扩器进行逐级回扩孔, 往复循环, 达到要求孔径后, 利用水平定向钻机对既定管道进行回拖以完成施工任务的一项新的施工方法。该技术是一种新兴的施工技术, 是相对于开挖技术而言的, 是指在不开挖或少开挖地表的条件下探测、检查、修复、更换和铺设各种地下公用设施的一种技术和方法。非开挖技术相对于传统的管线铺设施工而言, 具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合施工成本低、社会效益显著等优点。它可以广泛用于穿越公路、铁路、建筑物、河流、以及在闹市区、古迹保护区、作物和植被保护区等条件下进行供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线的铺设、更新和修复、还可以用在水平降排水工程、隧道工程 (管棚) 、基础工程 (钢板/管桩、微型桩、土钉) 、环境治理工程领域, 是地下管线铺设和修复的一种全新的方法。
1 工程概况
新密电厂二期2×1000MW机组扩建工程厂外补给水系统水源采用郑州市东郊王新庄污水处理厂排放的中水。厂外中水补给水系统工程自王新庄污水处理厂至新密电厂, 包括单根中水输水管道、一级加压泵房、高位水池, 以及配套的电气、热工、土建工程等。从污水处理厂升压泵站至高位调节水池为压力管道, 铺设单根φ1220×10～20 mm的螺旋焊缝内涂塑复合钢管, 从高位水池至电厂设单根DN900的PCCP管。工程I标段起点为郑州市王新庄污水处理厂, 终点在环城高速公路涵洞前1 m, 补给水管道采用单根φ1200内涂塑复合钢管, 沿线需穿越河流、铁路、城市主干道、高速公路、中线南水北调主干渠、大型商品物流园等障碍物。管道穿越南水北调中线干渠时, 采用水平定向钻弹性曲线敷设技术, 穿越敷设的曲率半径为1800 m。由于考虑到国内水平定向钻技术的局限性, 穿越南水北调中线干渠处采用φ1020×20 mm的内外涂塑螺旋焊缝钢管。穿越水平长度为548 m, 实际长度550.5 m;穿越深度距地面不小于17 m。
2 工程特点
2.1 管道孔径大
本工程设计于2008年9月, 根据当时国内水平定向钻的技术水平, φ1020 mm螺旋焊缝钢管为国内定向钻所能完成的最大直径。随着国内定向钻水平的高速发展, 截止至2010年6月, 国内完成的定向钻最大孔径为西气东输天然气管道φ1280 mm。
2.2 地质条件复杂
根据地质报告, 定向钻自上到下需要穿越:地表层 (主要成分为粉土, 根系发育, 填土含砖渣、碎石等建筑垃圾) 、粉土层、粉砂层、泥质粉砂层。
2.3 采用“二接一”方案
由于施工场地受限, 出钻点一侧不能一次性布管焊接550 m, 故采用分成两节平行布置, 在管线回拖过程中将两节连接成一体的办法。
2.4 综合难度大
综上所述, 工程具有穿越孔径大、深度大、曲率半径小、地质条件复杂等特点, 给水平定向钻的钻孔导向、泥浆护壁成孔、回拖都提出了更高工艺水平和技术措施要求;特别是“二接一”工艺, 需要克服对接施工中的防止塌孔和起动阻力难题, 在国内φ1020 mm级别中尚属首次应用。
3 水平定向钻施工工艺及技术措施
3.1 施工工艺流程
3.2 进场准备
3.2.1 测量定线
(1) 根据线路平面图、断面图、线路控制桩、水准标桩, 采用全站仪进行测量, 放出穿越轴线、定向钻穿越的入钻点、出钻点以及施工场地的位置和范围。
(2) 对地下障碍物和管线, 通过查找有关资料、用探测仪器、挖探坑等多种办法来确认其地下障碍物和管线的埋藏方位、方向和深度, 如与设计穿越曲线有冲突时, 及时修正设计。
(3) 根据设计要求及现场实际, 最终确定穿越曲线参数如表1。
3.2.2 场地布置
(1) 钻机场地 (入土点) 占地40×40 (m) , 主要设备有DDW-3000型钻机一台, 12 m3造浆储浆罐两台套, 100kw发电机两台, 高压泥泵一套。现场挖尺寸为15×15×2 (m) 泥浆池一座, 在穿越轴线方向上设9×3.5×1.8 (m) 地锚一座, 钻机底部设固定地锚箱一个, 布置如图2。
(2) 出土点占地40×40 (m) , 设15×15×2 (m) 排浆池一座。布管作业带宽20 m长280 m。布置如图3。
3.3 泥浆配制
(1) 根据不同地层和工序, 编制泥浆工艺及配比方案, 确定正确的混合次序, 按不同的地层配制出符合要求的泥浆。根据地质报告, 制定泥浆性能指标具体参数如表2。
(2) 泥浆是定向穿越中的关键因素, 由于主要穿越地层为淤泥混砂、粉砂、中沙、细砂等砂性地质, 砂性土层具有渗透性较强、土层胶接强度差、土层密实度低, 易发生孔壁垮塌等特点, 为克服这种不利因素, 采取以下保证措施: (1) 预先对水源水质进行PH检测, 取洁净水 (不可使用受污染的水) , 经过蓄水池沉淀, 沉淀之后的水存入水罐, 在水中加入纯碱, 调整水的PH值至8～10, 使水软化, 改善水质; (2) 按照事先确定好的泥浆配比用一级膨润土加上泥浆添加剂, 配出合乎要求的泥浆。使用的泥浆添加剂有:降失水剂、提粘剂和防塌润滑剂等, 达到造壁好、携带好、悬浮好、失水小, 即“三好一低”的技术要求。
(3) 为了确保泥浆的性能, 使膨润土有足够的水化时间, 在用量不改变的情况下, 我们采取增加泥浆储存罐的数量, 在此工程中我们使用一个配浆罐和两个泥浆搅拌罐。
(4) 泥浆的回收利用。钻机场地和管线组装场地各有一个30×30×1.5 (m) 返浆收集池, 泥浆通过泥浆池收集, 再经过泥浆回收系统回收再使用。
(5) 剩余泥浆的计算和处理。根据以往施工经验, 钻导向孔有28%左右的剩余泥浆, 预扩孔有67%左右的剩余泥浆, 回拖管线有44%左右的剩余泥浆。
即:剩余泥浆= (πR12+πR22……+πR52) ×L×67%+πR钻头2×L×28%+πR52×L×44%=2615m3。
施工剩余泥浆拉运到当地垃圾填埋场。
3.4 主管道组对焊接
主管道在布管场地内分两节平行布置, 分别长240 m和258 m;管道焊接严格按照设计及规范和技术交底要求施工, 焊接必须满足《火电施工质量检验评定标准》 (焊接篇) 建质 (1996年版) 111号要求;焊口按100%比例进行X射线探伤检验, 检验必须满足《电力建设施工及验收技术规范》 (钢制承压管道对接接头射线检验) DL/T821-2002II级片标准要求;检测合格后及时做好焊口的补涂塑并进行涂层厚度检验、针孔检验, 所有指标达到设计标准要求。
3.5 钻导向孔
(1) 导向孔的钻进是整个定向钻的关键, 采用DDW-3000水平定向钻机进行整个穿越工程的施工。钻导向孔的钻具组合是:钻机→S135级5.5″钻杆→无磁钻铤→动力钻头。根据穿越的地质情况, 选择合适的钻头和造斜工具, 开动泥浆马达对准入土点进行钻进, 每钻一根钻杆要测量若干次钻头的实际位置, 以便及时调整钻头的钻进方向。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, 保证导向孔曲线符合设计要求。
(2) 定向设备采用英国Sharewell公司生产的MGS定向系统, 确保出土位置达到设计要求。控向对穿越精度及工程成功与否至关重要, 开钻前仔细分析地质资料, 确定控向方案, 泥浆和司钻要重视每一个环节, 认真分析各项参数, 互相配合钻出符合要求的导向孔, 钻导向孔要随时对照地质资料及仪表参数分析成孔情况。
(3) 为防止钻孔时导向孔与设计穿越曲线的偏移, 采取了以下技术措施: (1) 精确放线。为穿越机组配备经权威部门检验检定的全站仪, 保证在测量放线阶段, 利用控制桩准确定位入土点、出土点, 从而得到精确的穿越轴线, 防止穿越曲线与设计曲线的偏移; (2) 认真做好穿越中心线的磁方位角测量。在导向孔开钻前, 要测量穿越中心线的磁方位角, 这一数值是导向孔控向的原始依据数值, 必须准确。我们通过在地表多点测量 (一般情况下, 出、入土侧各取两个点) , 然后将各组数据进行分析对比, 排除由于那些由于磁干扰而错误的数据, 确定正确的磁方位角数值。如果各组数据相差较大 (0.2°以上) , 则增加测量点 (2～4个) , 直到确定准确的磁方位角数值; (3) 保证控向仪器精度。每次施工前, 用消磁仪对无磁钻挺进行消磁处理, 防止由于无磁钻挺被磁化产生磁场干扰, 影响控向的精度; (4) 精心施工, 导向孔严格按设计曲线钻进。在钻导向孔阶段, 对每一测量点的控向数据的采集, 采取不同工具面角进行实时测量。即:在每个测量点, 旋转钻头, 使工具面角分别在0°、90°、180°、270°、360°时进行控向数据的实时测量, 取最接近五次实时测量数据的平均值的工具面角作为控向数据采集时的工具面角, 减少控向数据采集的误差。从而防止钻进曲线与设计曲线的偏移; (5) 严格按照施工规范, 确保每根钻杆的操作, 符合设计所规定的曲率半径范围, 并在此基础上, 每根钻杆的倾角和方位角的变化值满足《管道工程穿越工程施工及验收规范》规定的钻杆折角范围之内; (6) 连接无磁钻挺、造斜短节、钻头时, 确保造斜短节的工具面与钻头射流钻进的中心线一致。从而, 使测量的工具面值更接近实际工具面值, 有助于控向工程师控制钻进方向; (7) 控向系统的数学模型采用高精度的数学模型。在水平定向钻施工中, 控向系统数学模型主要有三种:正切法、平均角法、最小曲率法。其中常用的数学模型是正切法。根据数学原理, 在这三种数学模型中, 正切法的精度较差, 平均角法和最小曲率法的精度较高。因此, 在实际操作中, 我们将采用精度较高的平均角法和最小曲率法作为控向系统的数学模型, 以求在相同的数据采集基础上, 得到较高的计算精度, 从而提高控向的精度; (8) 根据地勘资料和导向孔数据, 认真分析穿越轴线各地层组成成分、物理力学性质。要将各穿越地层的岩土类型、含水量、孔隙度、粘聚力、内摩擦角、地基承载力标准值、侧摩阻力、锥尖阻力等等, 仔细阅读, 将这些数据标识在穿越曲线图上, 以指导司钻人员操作。
3.6 扩孔
钻具连接:钻机→S135级5.5″钻杆→扩孔器
(1) 扩孔工艺根据地层情况采用Φ350、Φ500、Φ650、Φ800、Φ900、Φ1000、Φ1100、Φ1200、Φ1300、Φ1400、Φ1500 (mm) 十一级预扩孔。
(2) 导向孔完成后, 动力钻头、钻头在出钻点出钻, 卸掉动力钻头、钻头和探测棒, 安上回扩器, 试泥浆, 确定回扩器泥浆喷孔没有堵塞后开始扩孔。回扩器和钻杆必须确保连接到位、牢固才可回扩, 以防止回扩过程中发生脱扣事故。
(3) 回扩过程中要密切注视泥浆浓度的配比, 保证切削下的碎屑随泥浆排出孔洞。同时注意钻机的各种仪表参数, 根据参数及时撤出钻杆, 更换扩孔器牙轮, 防止出现掉轮事故。
(4) 根据不同地质配制不同浓度的泥浆, 保证每次回扩孔时回拖力的数值和扭距值控制在钻机正常工作参数之内。
(5) 回扩过程中必须注意观测钻机扭矩和现场出浆状况并填写记录表格, 根据钻扭矩及返浆状况确定回扩速度和泥浆浓度及压力;当遇到扭矩突然变大时, 应减慢回扩速度、提高泥浆浓度、加大泥浆压力, 直到扭矩回到正常水平;一般回扩过程中钻机扭矩以小于10KN·m为理想状态。
(6) 技术创新。一般钻机预扩孔是钻机回拖一节钻杆在出土点连一节钻杆, 由于DDW-3000钻机的钻杆长9.6m, 比较重, 因此钻杆运输、周转、连接占用了较大的工作时间和劳动强度。该钻机预扩孔时采用回扩器后不再连接钻杆的方式, 而是在扩孔完成后, 在孔道中将钻杆送到出土端, 为保证送钻杆顺利, 在钻杆的前端连接一个自制的引导头。这样就加快了施工速度、节省了工程成本。钻杆引导头如图6。
(7) 洗孔。扩孔完毕后, 用挤扩器进行洗孔, 洗孔可能洗一遍或几遍。洗孔过程中, 一是观测钻机全过程扭矩值和拖力能否达到可以回拖的参数;另一点观测泥浆中岩屑的含量, 确保孔洞中岩屑已被泥浆带出和泥浆护壁稳定。洗孔目的就是为了保证成孔的质量, 确保主管道能顺利回拖。
3.7 管道回拖
(1) 回拖是定向穿越的最后一步, 也是最为关键的一步, 回拖前将管道与扩孔器用500t分动器和U形环连接牢固, 检查无误后方可进行回拖。钻具连接:钻杆→扩孔器→分动器→U形环→管道
(2) 管线回拖采用机械辅助发送方式进行。现场采用四台130 t吊车平均分布在280 m布管场地内, 将管道吊起, 随着管道的回拖速度向前吊送。吊送过程中, 机械旁设专人由总调度统一协调指挥, 确保发送动作协调一致。吊装钢丝绳设胶皮套管, 防止对管道防腐层造成损坏。
(3) 管道回拖时, 应保持均速 (一般3 min/根为宜) , 钻机回拖力应保持在合理范围内, 避免突然加大回拖力, 造成钻杆卸扣困难, 欲速则不达。
(4) 管道回拖过程中, 为了减小回拖阻力, 采取以下技术措施: (1) 在回拖时无特殊原因尽量保证连续作业, 避免因暂停回拖造成钻机回拖起动阻力过大; (2) 连管回拖前, 保证管道 (至少出土点附近的100 m管线) 和穿越轴线的一致性, 减少管线进入孔洞时的侧向摩擦力, 确保防腐层完好进入孔洞; (3) 机械发送时计算发起吊高度, 确保发管道, 特别是进入孔洞的这一段发送管道与穿越孔洞的圆顺; (4) 在回拖作业时, 采用高润滑泥浆, 增大泥浆的粘度和压力, 使整个孔道润滑, 减小摩擦阻力; (5) 管道“二接一”。当第一节管道回拖完成后, 必须暂停回拖, 将第二节管道与第一节管道进行焊接, 并进行检测和补口工作, 然后继续回拖管道。由于管道“二接一”使回拖暂时停止, 一方面给再次回拖起动增加了很大的起动阻力, 另一方面有可能造成第一节管道在孔道内抱死、孔道塌孔不能回拖等不利状况, 因此就要求现场以尽可能坏的速度完成两节管道的连接工作, 时间越长越不利。为此我们采取了以下措施: (1) 精心组织, 提前拟定实施方案并对实施方案进行了现场演练。通过演练, 掌握操作要点、找出改进办法。演练两条管道对接最快时间为250 min, 改进办法为为管道对口加工专用对口器, 缩短对口时间; (2) 管道暂停回拖时, 钻机仍保持低速转动和压浆, 保证孔壁稳定的润滑; (3) 现场准备夯管机备用, 当钻机因起动阻力过大不动起动时, 用夯管机助力起动。
实践证明, 在精心组织和各项措施保证下, 现场顺利完成了管道的对接, 对接用时230 min, 为管道回拖争取了宝贵的时间, 回拖力虽有所增大, 但在钻机的合理承受范围内, 回拖顺利起动, 完成了整条管道的回拖工作。
4 结语
水平定向钻穿越工程 篇7
水平定向钻技术应用于市政给排水工程中, 具有不破坏环境、不影响交通、施工周期短、综合成本低、社会效益显著等优点。随着我国城市化进程的加快以及人们生活水平的不断提高, 水平定向钻拖拉法在市政给排水工程中得到了广泛应用。本文就其设计与应用问题进行探讨。
1 技术选择
非开挖技术的主要适用范围分别是:盾构法主要适用于大口径管道 (通常DN≥3 500 mm) 的敷设, 管道主要由预制钢筋混凝土管拼装而成;顶管法主要适用于中大口径管道 (通常DN=600～3 500 mm) 的敷设, 适用的管材主要包括钢筋混凝土管、钢管以及方涵;定向钻拖拉法主要适用于中小口径管道 (通常DN≤1 200 mm) 的敷设, 管材主要为PE管和钢管;气动矛法主要适用于短距离 (30 m以内) 、小口径钢管的穿越敷设;夯管法主要适用于短距离 (30 m以内) 、中等口径钢管的穿越敷设。
在城市地下管线的建设中, 中小口径给排水管道占有相当大的比重。随着城市建设的要求越来越高, 定向钻拖拉法成为中小口径地下管线施工的首选。定向钻拖拉法包括水平定向钻拖拉法与二程式拖拉法, 其各自的特点如下:
(1) 水平定向钻拖拉法适用于被拖拉管道两端有足够的造斜段距离, 该方法不需要挖掘工作井, 拖拉距离可达600～1 000 m (由管材及管径决定) , 拖拉管的最大管径DN可达1 200 mm。
(2) 二程式拖拉法管道两端无造斜段, 需要挖掘工作井, 管道长度通常<80 m, 拖拉管的最大管径DN达到1 000 mm, 更适用于对沉降和标高要求高的场所。
与水平定向钻拖拉法相比, 二程式拖拉法的施工难度大, 对施工设备要求高, 而且造价较高, 拖拉距离较短。因此, 中小口径管道的非开挖技术以应用水平定向钻拖拉法为主。
2 水平定向钻拖拉法的设计应用
2.1 设计前的准备
水平定向钻拖拉管的布置方案受多种因素的影响, 其中最主要的是现场的地上和地下条件。设计前的准备工作的关键, 是做好拖拉管段的勘察测量和地上、地下障碍物 (尤其是地下隐蔽障碍物) 的调研工作。现场的地上条件包括地形、地貌以及周围建筑物、道路、河流等;地下条件包括工程地质、水文地质、现有地下管道、地下水和地下隐蔽工程等。因此, 在水平定向钻设计前必须取得第一手的地质资料, 为编制设计方案和计算工程造价提供依据。这些资料一般包括:现状与规划公用设施管线性质、材质、位置、直径和埋深;现状地面及地下桩基;水 (河、沟渠) 、道路、桥涵或其他地面障碍物的资料;穿越地层的土质类型和结构, 土质的主要物理力学特性 (特别是土的抗剪强度和土层的内摩擦角) 、含水量、透水性、岩石硬度、含卵石或砾石的比例等。
2.2 管材的选择
设计方案及参数的确定主要包括管材的选择与穿越曲线的设计。水平定向钻拖拉法的常用管材为钢管和PE管, 这两种管材采用水平定向钻拖拉法的技术经济比较见表1。
根据钢管与PE管在水平定向钻拖拉法应用中各自的特点, 一般情况下, 两种管材的主要适用场合如下:钢管一般用于施工场地开阔、拖拉距离长的场合;PE管适用于施工场地相对受限、拖拉过程中要求更加灵活的场合。相比较而言, PE管在水平定向钻拖拉法中更为常用。
2.3 穿越曲线的设计
穿越曲线设计即寻找最理想的钻进路径, 它是水平定向钻拖拉法设计的核心。拖拉管的穿越曲线由造斜段与水平段组成, 图1为水平定向钻拖拉管穿越曲线示意图。
水平定向钻拖拉法穿越曲线的设计过程如下:
(1) 对管道进行技术经济比较与论证, 对工程特点进行分析, 选择最适宜的管材。
(2) 根据流量及试验压力, 确定管道的壁厚和管道外径D。
(3) 确定拖拉管水平段的埋深h及长度l3。l3一般是穿越障碍物的实际需要长度。
拖拉管的最小覆土需满足以下要求:①穿越公路、铁路、河流时, 其覆土厚度满足有关专业规范的要求, 当无特别规定时, 应符合表2的要求;②敷设在建筑物基础一侧时, 管道与建筑物基础的水平净距必须在持力层扩散角范围以外, 且应考虑土层扰动后的变化, 扩散角须≮45°;③敷设在建筑物基础以下时, 必须经过验算对建筑物基础不会产生影响后, 方可确定埋深;④与现有地下管线平行敷设时, 扩孔与地下管线的水平净距须≮0.6 m;⑤与现有地下管线交叉敷设时, 扩孔与地下管线垂直净距在黏性土中须≮0.5 m, 在砂性土中须≮1.0 m;⑥遇可燃性管道、特种管线时, 应考虑加大水平净距和垂直净距。当达不到上述距离要求时, 应增设技术与安全防护措施。
(4) 确定拖拉管的曲率半径。拖拉管的曲率半径包括第1造斜段 (钻杆进入敷管位置的过渡段) 曲率半径R1及第2造斜段 (钻杆钻出地表的过渡段) 曲率半径R2。拖拉管的曲率半径R通常是由钻杆的曲率半径与管材的曲率半径共同确定的。
钻杆的曲率半径Rz由钻杆的弯曲强度所决定, 但因钻杆制造厂家的不同也有差异, 通常根据经验取Rz≥1 200Dz (Dz为钻杆外径) , 这是保证钻杆不至于过载的最小转弯限值。
拖拉PE管的最小曲率半径Rmin按 (1) 式计算:
Rmin=1 000ED/ (2σp) (1)
式中:E——管道弹性模量, MPa;D——管径, m;σp——管道弯曲应力, MPa。
通常拖拉PE管的曲率半径大于管材外径的40倍即可, 故其曲率半径通常是由钻杆确定;而钢管的弹性模量较大, 拖拉钢管的曲率半径通常是由钢管本身确定。根据经验, 拖拉PE管的曲率半径通常取R=800D～1 200D, 拖拉钢管的曲率半径通常取R=1 200D～1 500D。
(5) 造斜段水平长度l1与l2的确定。造斜段水平长度是由水平段管道埋深h与R确定的。若造斜段水平长度值太大, 则导致拖拉管总长度增加, 致使总投资增加;若造斜段水平长度值太小, 则难以达到要求的施工精度, 而且施工难度、风险增加。根据国内的经验, 造斜段水平长度值一般为h的8～10倍, 而国外则高达11倍以上。
(6) 入土角α与出土角β的确定。一般入土角α宜≯15°;出土角β由导向钻杆及拖拉管材允许的曲率半径较大者确定, 一般β宜≯20°。
(7) 确定入土点A与出土点B。根据水平段埋深h、曲率半径R及入土角α与出土角β等参数, 可确定距障碍物最近的可能的入土点与出土点, 得到拖拉管总水平长度L, 从而可得到拖拉管穿越曲线的实际长度L′。L′可以根据穿越曲线来计算, 也可以采用经验值L′= (1.02～1.04) L。
(8) 拖拉管段回拉力Pt的计算。根据拖拉管的回拉力, 复核管道壁厚是否满足拖拉的要求。拖拉管段的回拉力Pt为:
式中:Pt———拖拉管段的回拉力, kN;
Py———扩孔钻头的迎面阻力, kN;
Dk———扩孔钻头的外径, m;一般为管道外径的1.1～1.4倍;
Ra———迎面土积压力, kPa;
Pf———管周摩阻力, kN;
f———管周与土的单位侧壁摩擦力, kPa。
迎面土积压力Ra和管周与土的单位侧壁摩擦力f根据各地的土质状况取值, 如上海地区在护孔泥浆中黏性土取Ra=50～60kPa, f=0.3～0.4;砂性土取Ra=80～100kPa, f=0.5～0.7。
拖拉管应进行必要的压力试验, 通常包括拖拉管材连接完成后的压力试验以及拖拉管施工完毕的压力试验, 这是确保拖拉管施工质量的重要手段。
摘要：阐述了水平定向钻拖拉法在市政给排水管道中的设计与应用。
水平定向钻穿越工程 篇8
水平定向钻进 (HDD) 是采用安装与地表的钻孔设备, 以相对地面较小的入射角钻入地层形成导向孔, 然后将导向孔扩径至所需大小并铺设管道 (线) 的一项施工技术, 具有跟踪和导向控制功能。该技术起源于20世纪70年代的石油钻井工业, 经演变之后目前广泛用于市政管道、油气管道及通信管线的建设行业。
1.1 水平定向钻进的施工工艺
水平定向钻施工基本可以划分为三个阶段:先导孔的钻进、扩孔和管道回拖。
导向孔的钻进应根据穿越的地质情况, 选择合适的钻头和导向板或地下泥浆马达, 开动泥浆泵对准入土点进行钻进, 钻进过程中通过监测和扩孔手段使钻孔按照预先设计的轨迹进行延伸, 并从另一端钻出地表, 完成整个导向孔的施工。
扩孔施工是定向钻进施工技术中的关键技术环节之一, 它直接关系到铺设管道的成败。在利用小口径的导向钻头完成了先导孔的施工后, 应立即换上扩孔钻头, 对导向孔进行扩大施工。扩孔施工示意图见图1。
管道回拖是定向钻进铺设燃气管道施工技术中的最后一个环节, 如果条件合适最后一级扩孔和管道铺设可以同步进行, 这样就避免了因钻孔暴露时间过长而引起孔壁坍塌的危险。管道回拖施工的示意图见图2。
1.2 水平定向钻的现状
虽然说我国早在1986年石油管道穿越黄河工程中, 引进了第一台美国RB5定向穿越钻机。但是水平定向钻施工技术真正在中国的应用却是在90年以后中国电信工程建设中引进国外设备开始的。90年代初期主要是进口设备占据市场主导, 主要有VERMEER系列钻机、DITCH WITCH系列钻机、CASE系列钻机;到了90年代后期。我国开始有自己研发的钻机在市场上出现, 主要有地质矿产部勘探技术研究所的GBS系列钻机、黄海机械厂的FD系列钻机。到了2000年以后, 随着民营企业在水平定向钻产业的兴起, 我国国产钻机的研发能力和制造水平及全球采购理念的更新, 并随着市场竞争力度的大大提高, 有力的推动了国产设备在技术性能、产品种类、综合配套上的提高和发展, 国产设备以其性价比的绝对优势, 逐渐代替了进口设备。施工能力水平也有力很大的进步, 不论是穿越距离还是铺设管径来说都到达了世界先进水平。
然而, 随着水平定向钻的发展, 民营施工企业不断涌现, 水平定向钻设备数量不断增加, 施工市场竞争日趋激烈。水平定向钻的发展面临着新的机遇和挑战。
2、通信建设光纤入户孕育着巨大的水平定向钻市场
我国宽带发展从普及率以及网速上和全球还有一些差距。截至2010年年底, 我国宽带接入普及率为9.6%, 而发达国家达到24.3%, 相差约15个百分点。在速率方面, 据Topic统计, 我国平均下行速率仅1.8Mbps, 不足全球平均水平 (5.6Mbps) 的三分之一。
工信部部长苗圩2011年12月26日表示, 目前用户对于互联网的上网速度越来越不满意, 宽带提速将作为工信部明年工作的重点, 并推动上网资费进一步下调。苗圩称, 到2015年末, 城市家庭带宽将达到20Mbps, 而农村家庭将争取达到4Mbps的带宽。
综上所述, 我国格外重视宽带普及和提速工程, 必定要全面落实光纤入户战略。然而落实光纤入户战略不论是从通信管道网络建设还是机房基础设施建设都能涉及到水平定向钻, 都可以为水平定向钻赢得市场。
3、水平定向钻应用于光纤入户施工中的关键技术问题
3.1 施工环境问题
光纤入户工程当中, 很多管道建设都是起连接沟通作用的, 一般就是连接用户单元和城市通信主管道。这样的施工环境大多数都是在市区, 所以要求最小的施工影响、最小的占用场地、最快的施工速度。这样的施工环境水平定向钻是首选的施工方法。
3.2 铺设管材问题
光纤入户工程当中, 铺设管材主要集中在多孔梅花管和硅芯管上, 由于梅花管承受拉力所限, 一般来说穿越距离不宜大于300米, 硅芯管受力情况相对较好, 特别是采用加强硅芯管, 最长穿越距离可达600米。
3.3 施工钻机设备问题
适用于光纤入户施工的钻机设备要求比较小巧高效, 自动化程度较高, 特别是mini钻机, 现在国内外都有生产, 对有一些短距离穿越, 可以坑内作业, 安全高效, 具有不可替代的作用。
4、结语
总之, 随着宽带提速工程的推进, 通信工程光纤入户管道网络建设占有很大的比重, 随着国家这方面投资的不断加大, 我们相信这必将给水平定向钻施工企业带来巨大的经济利益, 从而促进水平定向钻在通信建设工程中的不断发展和壮大。
参考文献
[1]马保松.非开挖工程学.人民交通出版社, 2008.