導(dǎo)向孔示意圖

1 水平定向鉆系統(tǒng)簡介

    水平定向鉆系統(tǒng)由鉆機(jī)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控向系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、鉆具及輔助機(jī)具組成。

    ① 鉆機(jī)系統(tǒng)

    鉆機(jī)系統(tǒng)是穿越設(shè)備鉆進(jìn)作業(yè)及回拖作業(yè)的主體。它由鉆機(jī)主機(jī)、轉(zhuǎn)盤等組成。鉆機(jī)主機(jī)放置在鉆機(jī)架上，用以完成鉆進(jìn)作業(yè)和回拖作業(yè)。轉(zhuǎn)盤(動力頭)裝在鉆機(jī)主機(jī)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(dá)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(jī))和發(fā)電機(jī)(為發(fā)動機(jī)、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(jī)系統(tǒng)提供高壓液壓油作為鉆機(jī)的動力。

    ③控向系統(tǒng)

    控向系統(tǒng)通過計算機(jī)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(jìn)。由于有該系統(tǒng)的控制，鉆頭才能按設(shè)計曲線鉆進(jìn)�，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(jì)、使用方便，但要操作人員直接到達(dá)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(jī)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(jī)系統(tǒng)提供適合鉆進(jìn)工況的泥漿，由膨潤土加泥漿添加劑與水?dāng)嚢瓒�成。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(jìn)產(chǎn)生的土屑，起到固孔護(hù)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(jī)具

    鉆具及輔助機(jī)具是鉆機(jī)鉆進(jìn)中鉆孔和擴(kuò)孔時所使用的各種機(jī)具。鉆具主要有適合各種地質(zhì)的鉆桿、鉆頭、泥漿電動機(jī)、擴(kuò)孔器、切割刀等機(jī)具。輔助機(jī)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(jī)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(jī)的安裝場地一般約40m×40m，大型水平定向鉆機(jī)的安裝場地一般約60m×60m。安裝場地應(yīng)根據(jù)鉆機(jī)及附屬設(shè)備的要求，結(jié)合現(xiàn)場條件進(jìn)行布置。鉆進(jìn)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(kuò)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(jī)進(jìn)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(zhǔn)確地鉆一個導(dǎo)向孔；第二階段是將導(dǎo)向孔進(jìn)行擴(kuò)孔，并將管道沿著擴(kuò)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(jìn)成孔。鉆頭通常為帶斜面的非對稱鉆頭，在回轉(zhuǎn)和給進(jìn)同時進(jìn)行時，鉆孔呈直線延伸，即導(dǎo)向鉆頭進(jìn)行直線鉆進(jìn)；在只給進(jìn)不回轉(zhuǎn)時，由于受斜面反力的作用，實現(xiàn)造斜鉆進(jìn)。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(jìn)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(jìn)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(kuò)孔

導(dǎo)向孔完成后，要將該鉆孔擴(kuò)大到合適的直徑以便安裝管道，此過程稱為預(yù)擴(kuò)孔。通常，在鉆機(jī)對岸將擴(kuò)孔器連接到鉆桿上，然后由鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)回拖入導(dǎo)向孔，將導(dǎo)向孔擴(kuò)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(jī)時，燃?xì)夤艿酪?guī)格大于DN 200mm時，就要進(jìn)行預(yù)擴(kuò)孔；使用大型鉆機(jī)時，當(dāng)燃?xì)夤艿酪?guī)格大于DN 350mm時，就需進(jìn)行預(yù)擴(kuò)孔。預(yù)擴(kuò)孔的直徑和次數(shù)，視具體的鉆機(jī)型號和地質(zhì)情況而定。圖4為預(yù)擴(kuò)孔示意圖。

    ③ 回拖管道

    預(yù)擴(kuò)孔完成以后，燃?xì)夤艿兰纯赏先脬@孔。管道預(yù)制應(yīng)在鉆機(jī)對面的一側(cè)完成。擴(kuò)孔器一端接上鉆桿，另一端通過旋轉(zhuǎn)接頭接到燃?xì)夤艿郎�。旋轉(zhuǎn)接頭可以避免管道隨著擴(kuò)孔器旋轉(zhuǎn)，以保證將其順利拖入鉆孔�；赝嫌摄@機(jī)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(hù)了管道防腐層。經(jīng)過鉆機(jī)多次預(yù)擴(kuò)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�；赝线^程要連續(xù)進(jìn)行直到擴(kuò)孔器和管道自鉆機(jī)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(jìn)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(jī)系統(tǒng)要求：鉆機(jī)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(kuò)過程中起決定作用，泥漿的供給量決定鉆進(jìn)速度；地質(zhì)情況不同決定泥漿的配比和回擴(kuò)過程中的擴(kuò)孔器的選擇。

    ④ 鉆機(jī)提供泥漿能力決定鉆進(jìn)速度，一般情況導(dǎo)向孔的鉆進(jìn)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(jìn)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(jī)的成本(國產(chǎn)或進(jìn)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(jī)，工程費用約1000元/m，施工期為10d。

5 細(xì)砂層含卵礫石地層穿越施工方案

    ① 多級擴(kuò)孔

    由于地質(zhì)密實，擴(kuò)孔時拖拉力過大、扭矩偏高，采用多級擴(kuò)孔技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的擴(kuò)孔做法。采用這種多級擴(kuò)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(jìn)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(jìn)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(kuò)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(jìn)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。