坤宇定向鉆機的靠實力實現大跨越
坤宇定向鉆機的靠實力實現大跨越
（1）定向鉆機的構造和工作原理
在管線入土點附件安設一臺榮山定向鉆機，該鉆機用地錨固定，鉆機長15～20m，在其鋼制底盤的左半部安一可以調整傾斜角度的井架，右半部設有柴油機、液壓泵、壓力油箱、泥漿泵、控制室、變壓器、發電機等設備。
柴油機帶動一臺液壓油泵和一臺發電機。液壓油泵為所有液壓馬達提供動力，從而控制井架的升降、卡盤的移動、帶動泥漿泵和鉆機配套的液壓起重機。發電機提供現場照明、水泵的用電。
（2）主要配套設備
定向鉆穿越河流設備除主機即定向鉆外，為了完成全部施工作業，尚需一些配套設備。主要是供水系統、泥漿系統和現場施工所必須的施工機具。
1）液壓起重機液壓起重機主要供起下鉆時吊鉆桿和套管用，因此起重量很小，設備做得很輕巧，類似我們國家的少先式起重機，設備上裝置全部靠液壓油泵提供的液壓動力而工作。
2）泥漿罐該設備全長10m，寬3m，高2m。它是泥漿罐和工具間合二為一的設施，其中泥漿罐約占總長2/3，工具間約占總長1/3，泥漿罐的前部安裝供水管、閥、泵、泥漿進出管路、加干料的漏斗等設施。
3）液壓單斗挖掘機現場配單斗挖掘機一臺，供挖地錨坑、接頭管溝和吊裝。
4）推土機施工現場設推土機一臺，供平整場地和拖拉重物使用。
5）火、電焊兩用機施工現場有一臺體形很小（約長2m，寬1m）的火、電焊兩用機，供施工中使用。
6）鉆桿和套管鉆桿長10m，直徑76.2m，套管長10m，直徑為127mm或152.4mm。其數量按穿越長度而定，堆放在鉆機旁邊的場地上。
（3）定向鉆的控制系統
定向鉆的控制系統是由若干控制儀表和電子計算機、電視機組成的，這是定向鉆的神經中樞，測向儀表和造斜工具裝在鉆頭后面的鉆桿中，反映鉆進方向的參數，由微波傳給控制室的計算機控制機構，鉆進方向由電視屏幕上顯示出來。
（4）主要施工程序
定向鉆穿越河流技術是油田定向鉆井和鐵路、公路的橫鉆孔機的基礎上發展起來的一項河流穿越技術，它的施工程序是：先用定向鉆機鉆一導向孔，當鉆頭和套管在對岸出土后，撤出鉆桿，在套管出土端連接擴孔器和穿越管段，在擴孔器轉動擴孔的同時，鉆臺上的活動卡盤向上移動，拉動擴孔器和穿越管段前進，逐漸穿越管段就被敷設在擴大了的孔中。
（5）定向鉆穿越河流施工作業原理和方法
1）鉆導向孔的原理和作業方法在采用定向鉆穿越河流施工中，鉆導向孔是關鍵問題，其原理是泥漿通過鉆桿前的渦輪鉆頭破土鉆進，泥漿從鉆桿和套管間隙返回（鉆桿為203.2mm，套管127～152.4mm，長均為10m），具體操作要點如下：
1、采用液壓吊桿將鉆桿吊上鉆臺，并固定在能在鉆臺上移動的活動卡盤上，前端和鉆頭連接后端與泥漿管路連通，開動泥漿泵后，泥漿推動渦輪鉆向前鉆，卡盤與鉆頭同步向前移動。
2、當活動片盤移至鉆前部的固定卡具時，卸開鉆桿接頭向后移動活動卡盤，能放下一根鉆桿時，吊上另一根鉆桿，進行接加鉆桿，接頭安裝卸開均靠前端卡具固定鉆桿，活動卡盤正反轉完成，然后斷續鉆進。
3、在鉆進到一定進尺時需加套管，其方法是用活動卡盤向前推進套管，套管前端保持距鉆頭20m，因為距鉆頭20m范圍內為去磁段。如遇復雜地層可鉆進一根鉆桿加一根套管。
4、入土角、出土角的確定和鉆進曲線的形成。入土角12～20度為宜，出土角4～30度為宜，入土角和出土角確定后，在曲線上確定若干點，并確定各點x、y、z三維坐標。此坐標返到控制盤上，由控制各點坐標使鉆頭按設計曲線前進。
2）擴孔的原理和作業方法
A．擴孔器擴孔和牽引管線同時進行，擴孔器上端管段用絲扣和套管相連，由套管供給泥漿（此時鉆桿撤出）推動擴孔器轉動，同時鉆臺上活動卡盤向后移動，拉動擴孔器前進，并牽引穿越管段前進直到鋪設完畢。
B．操作方法
（A）當鉆頭和套管對岸出土后撤出鉆桿，將擴孔器前端絲扣和套管相連，后端抽承和油管相連（擴孔器尺寸一般比穿越管道尺寸大一號，例如φ600穿越管段應采用φ700的擴孔器）
（B）注入泥漿推動擴孔器，此泥漿不回收，用量約為：φ377，1.59m3/min；φ7203.54m3/min。移動鉆臺上活動卡盤，拉動擴孔器和穿越管段前進。
3）定向鉆穿越河流的方向控制定向鉆穿越河流的方向控制系指方向測定、造斜和糾偏，通過這三項措施，使鉆頭按特定的方向前進，形成一條曲線，該曲線有兩種形式：一種是當河面較寬時其穿越曲線由三條直線和兩段圓弧組成，如圖形39.2-15所示。設計曲線的曲率半徑R的圓弧與直線AE、EB及CF、FD相切與點A、B、C、D，在弧線和直線切點處更換造斜工具即可形成曲線。另一種是對窄而深的河流整個穿越管段是一條曲線，這種情況應在曲線上確定若干點的坐標，是鉆頭按這些點前進形成所要的曲線如圖39.2-16。
A．方向測定。再設計曲線上確定若干點，按設計曲線算出各點的空間坐標（X、Y、Z）輸入到電子計算機，鉆進過程中鉆頭到達各點的坐標，有裝在鉆頭后面鉆桿中的特制的儀表測出，并通過有線或無線的方式傳到控制室的表盤或電視機屏幕上，如果與既定的坐標不符，說明鉆頭偏離了設計方向，需進行糾偏。如與既定坐標一致說明鉆頭按設計方向前進。
B．造斜。造斜工具有兩種，既造斜短節（也叫彎接頭）和造斜偏塊。造斜短節是兩端有斜口和絲扣的短管段，裝在鉆頭后面的兩根鉆桿中間，考其斜度使鉆進方向轉折而造斜，根據造斜需要可更換不同斜度的短節。造斜偏塊是加在鉆頭后面鉆桿一側的半圓形的金屬塊，采用螺絲和焊接固定，它的工作原理是改變鉆桿受到的側向壓力而造斜。這里兩種造斜工具構造見圖。
C．糾偏。發現鉆頭偏離設計方向，采用造斜短節和造斜偏塊調整鉆頭前進方向，其方法是：如果偏離不大，可轉動鉆桿；如果偏離較大，可抽出鉆桿更換造斜短節和造斜偏塊，從而改變鉆頭的前進方向，達到糾偏的目的。
4）泥漿的配制和要求
a.泥漿的配備泥漿的配備在方箱型的泥漿罐中進行，在泥漿罐的前端裝有泥漿管線、供水管線以及相應的閥組和上下水用的管道泵，泥漿干料從方型漏斗加入，攪拌用水靠管道泵從河中吸取，并打入罐中，干料隨之進入罐中和水混合并靠水流進行攪拌而成泥漿。施工中如需要再攪拌，則用從泥漿泵返回泥漿灌的具有一定壓力的泥漿進行攪拌。
b.對泥漿的要求定向鉆穿越河流采用一般鉆井泥漿，其相對密度為1.1～1.2，在施工中應根據地質情況不同隨時調整泥漿相對密度，如，卵石地層的河床，應加大泥漿相對密度，減少泥漿的漏失。
（6）定向鉆穿越河流的勘察設計工作
1）定向鉆穿越河流技術對地質條件的使用范圍
范圍較為廣泛，它適用于各種粘性土樣，也使用于各種非粘性土，雖然各種地層難易程度有所不同，在黏土和砂土中鉆進和定向較為容易，在卵石地層中鉆進和方向控制都比較困難。由于鉆進技術和方向控制技術的發展，在這些困難地層中穿越問題逐漸得到解決。例如，穿越中如遇到卵石地層可先穿透卵石層，在容易鉆進的地層中前進；如穿越中遇到局部巖石，可繞過這些巖石，再沿設計方向前進，這就使復雜地層的穿越成為可能，因而適用范圍也就越來越大了。
2）定向鉆穿越河流對地質勘探工作的要求
在穿越范圍內需要鉆孔，布孔間距和鉆孔方法和常規穿越方法相同，其鉆孔深度需在管線設計標高以下6.1～9.15m，在粘性土中要取完整土樣，在非粘性土中則采用標準動力觸探，每1.52～3.05m取一土樣，作顆粒分析，含水量、干密度、液限、塑限和塑性指數等項試驗分析工作。
3）入土點和出土點
根據考察美國兩家公司提供的資料，入土點和出土點均需在距河岸60.96m以外設置入土角以12～20度為宜，出土角以4～30度為宜，此兩個角度的選擇直接影響管段牽引力的計算，因此施工前應根據設計資料和地質情況適當的選擇入土角和出土角。
4）穿越管段的彎曲半徑
關于曲率半徑的設計，可按一般管道強度計算取值，但是由于造斜的要求，曲率半徑r應大于300mm。
5）穿越管段的埋深和配重
采用定向鉆穿越河流的方法穿越管段很容易埋設到設計深度，但是由于埋設過深會因增加管段彎曲程度而使施工中的牽引力大大增加，因而一般要求埋設深度為8～19m。由于管段埋設到河床下面的穩定的地層中，因而不必另外增加連續覆蓋層、加重塊、復壁管等穩定設施。
6）關于管線的涂層問題
在考察過程中看到的穿越管線都采用環氧粉末涂層，他們認為在粘性土和砂質土壤中采用瀝青涂層也是可以的。但是，我們認為采用定向鉆穿越的管線最好不采用瀝青涂層，而應采用環氧粉末、黃夾克等防腐涂層。
（7）定向鉆穿越河流技術的優點
1）工程造價低
由于施工方法的改革，所采用的人力、物力都大大減少，工期顯著縮短，因而工程造價也大降低，粗略估算可認為，定向鉆穿霸占河流的造價僅為常穿越方法的1/2~1/3。
2）工期短
由于施工方法的改變，不但施工設備和人員大大減少，而且施工工期顯著的縮短了，以中開線黃河穿越工程為例，如果用爆破氣舉例法工期為4個月左右，而采用定向鉆穿越河流只需30天。
3）有利于保護周圍環境
如果采用爆破氣舉占很多土地，官線發送道和牽引道要求占地3333~40000m2,河道還要停止航運3~5d，爆破時對河堤和水中生物威脅很大，而采用定向鉆穿越河流，河道不必停止航運，對水中生物和河堤毫無影響，施工占地只需25×40m2的面積（約1.5畝土地）。
4）施工人員少
如果采用爆破氣舉法，以中開線黃河穿越為例，大約需500人，而定向鉆穿越河流只需40~50人（包括管線組裝和焊接）。
5）工程質量好
根據目前常規穿越方法的技術水平，管線只能埋設3~4m深，達不到沖刷深度以下，因此生產運行很不安全，而采用定向鉆穿越河流可以很容易埋到預期深度，因此質量安全可靠。
6）節約工程材料
采用定向鉆穿越河流不許加重層和復壁管等設施，因此工程材料了大為節省。
7）應用范圍廣
由于定向鉆穿越河流不受水流和環境的影響，因此，陸地、海上、市區、河流等情況的穿越工程都可以采用這一方法。
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