水平定向鉆穿越工程技術(shù)要點-導(dǎo)向孔示意圖-技術(shù)資料
水平定向鉆穿越工程技術(shù)要點-導(dǎo)向孔示意圖-技術(shù)資料
導(dǎo)向孔示意圖
在管道穿越工程中，傳統(tǒng)的開挖方式已不適應(yīng)城市發(fā)展的要求。近年來，隨著水平定向鉆技術(shù)及其相關(guān)機具的引進和使用，對傳統(tǒng)的開挖法施工進行了技術(shù)性的變革，有效解決了河流、道路、鐵路和繁華街道下敷設(shè)管道的難題。
1 水平定向鉆系統(tǒng)簡介
水平定向鉆系統(tǒng)由鉆機系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控向系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、鉆具及輔助機具組成。
① 鉆機系統(tǒng)
鉆機系統(tǒng)是穿越設(shè)備鉆進作業(yè)及回拖作業(yè)的主體。它由鉆機主機、轉(zhuǎn)盤等組成。鉆機主機放置在鉆機架上，用以完成鉆進作業(yè)和回拖作業(yè)。轉(zhuǎn)盤(動力頭)裝在鉆機主機前端，連接鉆桿，并通過改變轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)向和輸出轉(zhuǎn)速及扭矩，達到不同作業(yè)狀態(tài)的要求。
② 動力系統(tǒng)
動力系統(tǒng)由液壓動力源(發(fā)動機)和發(fā)電機(為發(fā)動機、配套的電氣設(shè)備及施工現(xiàn)場照明提供電力)組成，為鉆機系統(tǒng)提供高壓液壓油作為鉆機的動力。
③控向系統(tǒng)
控向系統(tǒng)通過計算機監(jiān)測和控制鉆頭在地下的具體位置和其他參數(shù)，引導(dǎo)鉆頭正確鉆進。由于有該系統(tǒng)的控制，鉆頭才能按設(shè)計曲線鉆進?，F(xiàn)經(jīng)常采用的有手提無線式和有線式兩種形式的控向系統(tǒng)。前者經(jīng)濟、使用方便，但要操作人員直接到達鉆頭上方的地面，易受地形、電磁干擾及探測深度的限制，多在中小型鉆機上使用；后者可跨越任意地形，不受電磁干擾，但復(fù)雜，效率低，價格高。
④ 泥漿系統(tǒng)
泥漿系統(tǒng)為鉆機系統(tǒng)提供適合鉆進工況的泥漿，由膨潤土加泥漿添加劑與水?dāng)嚢瓒?。泥漿與鉆孔回拖的關(guān)系非常密切，應(yīng)視地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況配置泥漿，以穩(wěn)定孔壁、降低回轉(zhuǎn)扭矩和拉管阻力、冷卻鉆頭和發(fā)射器、清除鉆進產(chǎn)生的土屑，起到固孔護管的作用。泥漿添加劑主要作用為改變泥漿的黏度，流性地質(zhì)的土質(zhì)要求泥漿黏度值高，具體見《石油天然氣管道穿越工程施工及驗收規(guī)范》(SY/T4079—95)。
⑤ 鉆具及輔助機具
鉆具及輔助機具是鉆機鉆進中鉆孔和擴孔時所使用的各種機具。鉆具主要有適合各種地質(zhì)的鉆桿、鉆頭、泥漿電動機、擴孔器、切割刀等機具。輔助機具包括卡環(huán)、旋轉(zhuǎn)活接頭和各種管徑的拖拉頭。
2 穿越施工現(xiàn)場布置
入土側(cè)、出土側(cè)現(xiàn)場布置見圖1、2。
鉆機側(cè)(入土點)是定向鉆施工的主要場所，施工占地較大，小型水平定向鉆機的安裝場地一般約40m×40m，大型水平定向鉆機的安裝場地一般約60m×60m。安裝場地應(yīng)根據(jù)鉆機及附屬設(shè)備的要求，結(jié)合現(xiàn)場條件進行布置。鉆進時需大量的水配制泥漿，附近有充足的水源十分必要。
出土點一側(cè)主要作為管道焊接場地，在出土點應(yīng)有一塊20m×40m的場地供預(yù)擴孔、回拖時接鉆桿和安裝其他設(shè)備使用。在出土點之后有一條長度與穿越長度相等的管道焊接作業(yè)帶。
3 水平定向鉆穿越施工工藝
使用水平定向鉆機進行管道穿越施工，一般分為二個階段：第一階段是按照設(shè)計曲線盡可能準確地鉆一個導(dǎo)向孔；第二階段是將導(dǎo)向孔進行擴孔，并將管道沿著擴大了的導(dǎo)向孔回拖到導(dǎo)向孔中，完成管道穿越工作。
① 鉆導(dǎo)向孔
導(dǎo)向孔是按預(yù)定角度和預(yù)定截面鉆進成孔。鉆頭通常為帶斜面的非對稱鉆頭，在回轉(zhuǎn)和給進同時進行時，鉆孔呈直線延伸，即導(dǎo)向鉆頭進行直線鉆進；在只給進不回轉(zhuǎn)時，由于受斜面反力的作用，實現(xiàn)造斜鉆進。導(dǎo)向孔的方向控制由位于鉆頭后端的鉆桿內(nèi)的控制器完成，鉆孔曲線由放置在鉆頭后端鉆桿內(nèi)的電子測向儀進行測量并將測量結(jié)果(包括鉆頭位置、頂角、深度、溫度等參數(shù))傳到地面的接收儀。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和計算后，以數(shù)字的形式顯示在顯示屏上，并將測量到的數(shù)據(jù)與設(shè)計的數(shù)據(jù)進行對比，以便確定鉆頭的實際位置與設(shè)計位置的偏差，并將偏差值控制在允許的范圍之內(nèi)，如此循環(huán)直到鉆頭按照預(yù)定的導(dǎo)向孔曲線在預(yù)定位置出土。圖3為鉆導(dǎo)向孔示意圖。
② 預(yù)擴孔
導(dǎo)向孔完成后，要將該鉆孔擴大到合適的直徑以便安裝管道，此過程稱為預(yù)擴孔。通常，在鉆機對岸將擴孔器連接到鉆桿上，然后由鉆機旋轉(zhuǎn)回拖入導(dǎo)向孔，將導(dǎo)向孔擴大，同時要將大量的泥漿泵入鉆孔，以保證鉆孔的完整性和不塌方，并將切削下的巖屑帶回到地面。一般情況下，使用小型鉆機時，燃氣管道規(guī)格大于DN 200mm時，就要進行預(yù)擴孔；使用大型鉆機時，當(dāng)燃氣管道規(guī)格大于DN 350mm時，就需進行預(yù)擴孔。預(yù)擴孔的直徑和次數(shù)，視具體的鉆機型號和地質(zhì)情況而定。圖4為預(yù)擴孔示意圖。
③ 回拖管道
預(yù)擴孔完成以后，燃氣管道即可拖入鉆孔。管道預(yù)制應(yīng)在鉆機對面的一側(cè)完成。擴孔器一端接上鉆桿，另一端通過旋轉(zhuǎn)接頭接到燃氣管道上。旋轉(zhuǎn)接頭可以避免管道隨著擴孔器旋轉(zhuǎn)，以保證將其順利拖入鉆孔。回拖由鉆機完成，這一過程同樣需要大量泥漿，這樣既減少了回拖阻力，又保護了管道防腐層。經(jīng)過鉆機多次預(yù)擴孔，最終成孔直徑一般比管子直徑大200mm，因此不會損傷防腐層。回拖過程要連續(xù)進行直到擴孔器和管道自鉆機一側(cè)拖出。
圖5為回拖管道示意圖。
4 水平定向鉆施工條件及控制要點
4.1 水平定向鉆施工條件
① 地質(zhì)情況：地質(zhì)情況是工程造價、工期的主要影響因素。最好穿越的地層是黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、中砂等，最難穿越的地層是花崗巖、卵礫石、流砂等。
② 鉆探要求：一般要求在穿越中心兩側(cè)20～30m，沿中心線方向間距100m設(shè)勘察孔，復(fù)雜的地質(zhì)條件下，勘察孔要適當(dāng)加密，孔深應(yīng)在穿越管道深度以下10m。
③ 穿越施工前，應(yīng)對地質(zhì)勘察孔進行封堵。
④ 定向鉆鉆孔不宜過淺，以避免因不能成孔而形成噴漿現(xiàn)象。
4.2 控制要點
① 鉆機系統(tǒng)要求：鉆機的回拖能力應(yīng)滿足要求。
② 控向系統(tǒng)要求：穿越管道深度在15m以下時，應(yīng)采用有線控向系統(tǒng)。
③ 泥漿系統(tǒng)要求：泥漿在回擴過程中起決定作用，泥漿的供給量決定鉆進速度；地質(zhì)情況不同決定泥漿的配比和回擴過程中的擴孔器的選擇。
④ 鉆機提供泥漿能力決定鉆進速度，一般情況導(dǎo)向孔的鉆進速度比回拖速度要快，但由于其他原因可能相反，例如控向系統(tǒng)采用有線式時，則導(dǎo)向孔的鉆進速度相對較慢。
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°，這樣回拖阻力減小，便于管道的回拖。
⑥ 彈性敷設(shè)的曲率半徑：一般為1500倍管道公稱直徑。
⑦ 水平定向鉆工程施工和驗收執(zhí)行《石油天然氣管道穿越工程施工及驗收規(guī)范》(SY/T 4079—95)。
⑧ 穿越控制點主要有以下幾個參數(shù)：入土點位置、入土側(cè)冷彎彎管位置、入土側(cè)起彎點位置、水平段起點位置、水平段終點位置、出土側(cè)彎點位置、出土側(cè)起冷彎彎管位置、出土點位置。
⑨ 工程造價的影響因素主要是地質(zhì)情況，其次為管道長度、N徑以及鉆機的成本(國產(chǎn)或進口)，與深度關(guān)系不大。在杭州的一個工程中，公稱管徑為325mm，長度為350mm，穿越地層為中性土層，采用國產(chǎn)鉆機，工程費用約1000元/m，施工期為10d。
5 細砂層含卵礫石地層穿越施工方案
① 多級擴孔
由于地質(zhì)密實，擴孔時拖拉力過大、扭矩偏高，采用多級擴孔技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的擴孔做法。采用這種多級擴孔技術(shù)，還使地層中的卵礫石均勻地分布于孔內(nèi)，避免卵礫石在孔內(nèi)堆積而造成卡鉆。
② 泥漿配制
增大加料能力來提高泥漿黏度。改進泥漿配方，在泥漿中加入改性淀粉、磺化瀝青、石棉絨等處理劑以提高泥漿的攜砂能力和改進造壁性能，增加鉆孔的穩(wěn)定性和孔壁的潤滑性能。
③ 選擇最佳回拖速度
擴孔過程中，隨時測量返出泥漿含砂量，根據(jù)含砂量的大小，選擇最佳回拖速度，確定合適的回拖時間。
6 結(jié)論
① 定向鉆穿越施工不阻礙交通，不破壞綠地和植被，不影響正常生活和工作秩序，避免了傳統(tǒng)開挖施工對居民生活的干擾以及對交通、環(huán)境的不良影響。
② 現(xiàn)代化的穿越設(shè)備穿越精度高，易于調(diào)整敷設(shè)方向和埋深，管道弧形敷設(shè)距離長，完全可以滿足設(shè)計要求埋深，并且可以使管道繞過地下障礙物。
③ 采用水平定向鉆穿越施工時，沒有水上、水下作業(yè)，不影響江河通航，不損壞江河兩側(cè)堤壩及河床。
④ 與其他施工方法比較，水平定向鉆施工進出場地速度快，施工場地可以靈活調(diào)整，施工占地少，工程造價低，施工速度快，尤其在城市施工時可以充分顯示出其優(yōu)越件。
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