水平定向钻施工重点环节介绍.pdf

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1、 水平定向钻施工重点环节介绍（一）水平定向钻概述 本工程设计采用水平定向钻管道穿越技术，技术综合成本低、施工周期短、环境影响小、不影响交通、施工安全性好。主要面临地下管网复杂的风险。施工工艺包括：1)、管线勘察 2)、穿越曲线设计 3)、钻机进场 4)、泥浆配置 5)、钻导向孔 6)、扩孔 7)、回拖 8)、环境保护 9)、地貌恢复（二）施工现场勘察 1、地下管线探测 城市地下管线资料残缺不全，有的资料精度不高或与现状不符等问题，以致影响地下管线规划建设的科学性和在工程建设过程中挖断、挖穿地下管线的事故时有发生。（1）地下管线探查 地下管线探查是通过现场调查和不同的探测方法探寻各种管线的埋设位

2、置和深度。方法：1）要求业主提供工程现场地下管网资料；2）寻找施工现场周围的工作井，查看管线的走向，情况不明打电话让相应负责部门到现场标明；3）询问当地居民；4）用管线探测仪进行测量；5）钻机出入土点挖工作坑，至少 1.5 米深。（2）地下管线测绘 地下管线测绘是对已查明的地下管线位置的平面位置和深度进行测量。我们要沿穿越方向，对已探测地下管线的深度及管线走向做出标记；根据探查结果，对现场地下管网进行复查，准确掌握地下各种管线和其他基础设施的分布及埋深，为导向孔轨迹提供准确的设计依据。2、地质勘察 较长穿越工程应当让业主提供工程现场的地质勘察报告，根据地质勘察报告可以进行钻机及钻具组合的选择，

3、也是我们提供工程报价的依据。（三）穿越“仪器”概述，流程及曲线设计 1、导向仪/流程及曲线设计 操作界面包括：Locate(定位)PowerOff(关闭)SetUs(设定超声波测量值)Configure(设置)设置 1Pt.Cal 单点校准，2Pt.Cal 双点校准，TeleCh 信号频道 TargetDepth 目标深 度，TargetPitch目 标 倾 角，Grade/%Grade斜 度/百 分 数，UesMetric/UseEnglish 使用公制/使用英制，Cold/NormalScreen 冷暗/正常屏，SetTime 设定时间，Code 代码(维修用)，Exit 退出。2、碳棒的

4、磁力线（信号）3、定位点 后定位点 中位线 前定位点 4、干扰信号（1）有源（主动）干扰 包括高压电缆，变电站，汽车发动机等所有有主动信号产生的物体。（2）源（被动）干扰 包括大型钢结构，金属护栏，含盐量高的地层及金属含量高的地层，所有能够吸收并扭曲信号的物体。5、影响（1）深度不准确（2）定位困难（3）度面向角丢失 6、解决办法 尽量远离干扰，调整工作时间，盲打。7、碳棒超过 40（104）会发出警报声，碳棒一端的温度点如果变黑则表示碳棒接触到超过 104的温度，应视为失灵。8、工程前期的交底，要对工程概况有所了解，根据现场情况初步确定能否进行穿越施工，及大概需要的长度、出入土点位置。9、物

5、探，绘制物探图 根据现场情况定出物探范围，物探一定要做到细致，把范围内的井盖全部打 开，并用雷迪跟踪探测，确定管线走向及与穿越交叉处的深度，注意没有井盖的管线，例如由电线杆下来的电力，墙边的电信等。物探完成后绘制物探图，具体定出出入土点位置，测量预计穿越长度。10、设计导向轨迹 物探完成后，根据距离入土点最近的管线的深度及距离，定出入土角，如果不能达到所需要的角度可以适当延长入土点与管线之间的距离；根据距离出土点最近的管线的深度及距离，定出出土角，如果不能达到所需要的角度可以适当延长出土点与管线之间的距离；最后根据与所有管线交叉处的有效安全距离定出导向轨迹。有效安全距离应减去扩孔上浮的距离。如

6、果有弯曲度，可以调整出入土坑的方向，尽量减小导线轨迹的弧度。11、钻机入场后的摆放，定位，角度等钻机入场后，根据设计出的导向轨迹，确定钻机的摆放位置，摆放钻机尽量使入土点和出土点在一条直线上，以方便导向，调整入土角度尽量按照设计的角度入土。12、导向 由于有时物探和导向之间相距时间较长，所以导向之前根据物探图把管线重新确定一遍，做到管线心中有数，导向时注意轨迹与管线之间的距离，并随时调整，如果遇到障碍可以调整钻进方向及深度；如果遇到软土或硬土，角度调整不能达到要求时，给操作工提供的钻进数据可以有提前量，但要随时注意角度变化。随时与操作工沟通，让操作工知道目前钻进的进度，注意土质变化，调整需要变

7、化角度的距离，记录导向记录，绘制三点定位图。13、在施工前要求业主提供穿越设计图纸，按照图纸提供的参数进行施工，如有问题及时与业主及设计进行沟通。14、如果业主没有设计图纸，要求我们自己进行设计，可按如下方式：在曲线设计时五个关键参数为：（1）入土角度（入土角通常选择在 8-12 度（14%-21%）之间），（2）最大穿越深度（根据地下管线探测结果）（3）曲率半径（钢管：R 大于、等于 1500D（D 为钢管直径）；PE，PVC 管：R 大于或等于 1500d 和 R 大于或等于 1000D（d 为钻杆直径，D为待铺管直径）（4）穿越长度（现场实际测量）（5）出土角度（出土角应控制在 5-12

8、 度（8.7%-21%）之间，）钢管时出土角 5-8 度（8.7%-14%）之间 15、选择合适的曲率半径（1）曲率半径不宜太小，否则钻进时对钻杆偏磨严重，并且回拖管线时摩擦阻力增大，可能发生卡钻的危险。（2）管线回拖来说，选择曲率半径越大越好。但选择曲率半径太大时，则每根钻杆的可调角度小，由于钻机的倾斜角已确定，则穿越深度太深，有时可能延长钻进的长度。根据穿越管的管径、穿越长度、要求的穿越深度、地层条件等选择合适的曲率半径。16、每根钻杆的深度算法 下一根钻杆的深度=现在的深度-百分数钻杆长度例如现在深度是 2 米，角度是 20%，如果钻进，下一根的深度为 2-20%3=1.4 米 17、整

9、体算法（1）三角函数：根据需要的深度及管材的曲率半径算长度（2）取中：在平均曲率下，根据入土角度，长度和深度的互算角度/2长度=深度，深度角度/2=长度 18、施工过程中角度变化的简单计算方法：3 米钻杆为例，穿越深度为 3 米，此时仪器离出土点距离为 30 米，工作坑深度 1.5 米，每根钻杆调整 1为 0.03 米，1.5/0.03=50 即 10 根钻杆要累计调整 50 个斜度（）即每根调整后角度为（1、2、3、4、5、5、6、7、8、9）其和为 50。每根钻杆增加 1，平稳上升，有利于管线回拖。（四）泥浆配置 1、泥浆是定向钻穿越工程中非常重要的因素，可以说，泥浆的质量，很大程度上，决

10、定了定向钻施工的成与败。泥浆一般由水、膨润土及泥浆添加剂等配成，根据穿越工程的实际情况，泥浆的成分配比需要作适当调整 泥浆的质量，主要从以下三个方面来控制：（1）水。泥浆用水，宜用碱性的水.（2）膨润土。宜用钠膨润土，不使用钙膨润土，（3）配置好的泥浆 pH 值控制在 810 如果地质情况复杂、穿越直径和长度较大，对泥浆的性能要求就比较高，相应要采取不同的措施，通过添加泥浆添加剂改善泥浆性能，以确保能够穿越成功。2、泥浆的作用：（1）泥浆具有适当的粘度和流动性，携带钻屑能力强，使钻屑在孔底呈悬浮状态，通过泥浆的流动使钻屑能够顺利返出地面。（2）泥浆有较强的护壁作用，能够提高孔壁的稳定性，尤其对

11、于孔径较大、容易坍塌的地层。（3）泥浆具有较强的润滑性能，为管线回拖提供有效的润滑作用，特别是当穿越长度较长，加入润滑剂降低摩擦系数可以降低管线的回拖力。（4）泥浆能够对钻具起降温作用。3、常用泥浆化学处理剂 为了保证水平定向钻进泥浆的稳定性和提高泥浆的各种工艺性能，以适应各种情况下的钻进要求，泥浆中使用着各种各样的泥浆添加剂。水平定向钻进泥浆常用的泥浆添加剂有：A.纯碱；B.防塌剂；C.降失水剂；D.润滑剂；A.纯碱 碳酸钠（Na2CO3），又叫苏打。纯碱在水中容易电离和水解，在配制时加入从而有效地改善粘土的水化分散性能，因此加入适量纯碱可使泥浆的失水下降，粘度增大。D.润滑剂 它提高了泥浆

12、的润滑性，从而降低了摩擦力，减少钻具与泥浆的摩擦，可防止粘附性卡钻。4、泥浆在不同地层的配置（1）粘土层的泥浆性能要求及组成 A其主要特点：成孔性好，可钻性好，钻具在土中旋转推进、造斜和出土都能比较好的成孔，不易坍塌，是最适宜穿越的地层。B.泥浆的组成：膨润土+纯碱+降失水剂 在一般的条件下，采用上面的配合比；施工中要根据现场的实际情况进行适当的调整。（2）砂层和细砂、卵石、砾石（少量的）地层的泥浆性能要求及组成 A其主要特点：成孔性一般，易塌、易漏失、吸水能力强。导向孔和回扩孔时极易坍塌，泥浆含砂量高造成机具对岩屑的重复破碎，机具和设备磨损较重。B.泥浆的组成：膨润土（一级）+防塌剂（聚合物

13、）+降失水剂+润滑剂 在一般的条件下，可采用上面的配合比；施工中要根据现场的实际情况进行适当的调整。（3）泥岩：成孔性极好的泥岩，这类岩层在管径小、距离短的情况下，一般用清水就可以完成工程，但建议在清水中添加一些碱，提高造浆率和携带悬浮能力，能使工程更加顺利的完成。5、泥浆粘度值表 地质状况 粘土 粉砂 细砂 中砂 粗砂 风化岩 粘度（s)3035 3040 4045 4045 5055 4550 用马氏漏斗测量粘度（五）施工过程中注意问题 1、设备就位、安装、调试 定好穿越长度后，根据入土点、入土角度结合现场实际情况使钻机准确就位。钻机设备、泥浆设备安装完成后，对设备进行调试、检查、确保设备

14、安全运行。导向设备仪器安装完成后，对其进行校准，确保导向孔的精度。2、导向孔钻进（1）要根据穿越的地质情况，选择合适的钻头。（2）在导向孔钻进时，每钻进一根钻杆，至少测量一次方向及钻头的实际位置，对探测点要做好标记。根据仪器显示数据进行及时调整，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求。（3）司钻认真记录钻进过程中的扭矩、推力、泥浆压力。以便对地质情况 有所了解，为扩孔器孔径及类型的选择提供依据，根据施工经验对扩孔速度进行控制。3、扩孔（1）扩孔次序：根据管径、钻机吨位及地质条件确定每级扩孔器的选择，一般扩孔至管径的 1.31.5 倍，根据扭矩及拉力的大小决定是否需要清孔。（2）在扩孔和回拖过程中控

15、制钻进速度，不宜忽快忽慢、甚至停钻，这样会导致所扩孔径严重变形，在软硬交界的地层中尤为明显，因此在施工过程中要保持匀速，当因故停钻时要定时活动钻具。（3）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。（4）根据各种不同土质配制不同浓度的泥浆，使其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）回扩过程根据不同地层地质情况以及现场出浆状况确定回扩速度和泥浆浓度及压力，确保成孔质量。4、回拖（1）管线回拖时连接顺序：动力头动力头保护短节钻杆扩孔器分动器U 型环拖拉头管线（2）原则上要求扩孔（或清孔）与铺管一气呵成，中间不允许有长时间的非作业停顿。（3）回拖时钻机应先

16、开泵打水，保证扩孔器排浆畅通，当扩孔器快要入土时，同时指挥钻机旋转，通过钻杆输送泥浆到扩孔器，一边旋转一边回拉。（4）回拉铺管过程中，要密切注意拉力、扭矩、水压等参数的变化，同时还要随时关注现场有无异常情况出现，及时处理多余的泥浆。拉管中要派专人负责装卸及运输钻杆，以保持整个拉管作业的连续性。入土和出土之间密切配合，用对讲机互通信息，随时保持联系。（5）另外，对出土处管线也要派专人进行维护，防止管线划伤，确保回拉时管线安全及行人安全。5、回拖速度（1）管线回拖快慢三个因素 1）孔壁的失水量 2）钻屑造浆性能 3）管材的长度（2）孔壁的失水量：泥浆从扩孔器流出后假如保留在了孔中，经过钻头的搅拌作

17、用形成湿滑的泥，后面拖的管材经过时将起到一个很好的润滑作用，这样就减小了回拖阻力。回拖管材时出土坑中不停地有泥浆流出，那孔的失水量一定很小，润滑作用就好。（3）钻屑的造浆性能：不论是清水、泥浆，在扩孔时会切削下钻屑，水或泥浆与这些钻屑搅拌后就会使其性能改变。如果钻屑造浆性能本身就很良好的话，就会使原来的水或泥浆长时间保持性能，但如果造浆性能不好就破坏了原泥浆的效果，大大地降低了流动性、携带孔内残余物和润滑的作用，会使回拖力大为上升。（4）管材的长度：管材越长时摩擦距离越长，回拖阻力越大。（5）措施：1）失水量大、造浆性能差、不论管材长短都宜保证回拖力不很大时快拖；2）失水量小、造浆性能差或失水

18、量大、造浆性能好且管子长时宜用偏快速度回拖，管子短时宜用偏慢速度回拖；（六）施工经验 在定向钻铺管施工过程中，经常发生一些生产事故，给施工单位、建设单位及管线业主带来严重的经济损失 1、钻杆方面（1）钻杆丝扣扭损 钻杆的倾角远大于了钻机塔架的倾角，加钻杆时由于两根钻杆的夹角不同，丝扣不能对正，斜着往上拧，丝扣严重受损；（2）钻杆磨损 定期对钻杆进行检查，如磨损，钻杆损伤、严重弯曲等，并做相应标记，（3）擅自加大动力头丝锥强度 动力头丝锥强度提高，那薄弱环节就不在该处而在孔内的钻杆上了，动力头丝锥保住了，却把孔中的钻杆扭断了。2、导向技术 导向工作是定向钻铺管中的一个重点。虽然从施工流程来看只是

19、一个施工环节，但是整个工程从扩孔、清孔、拖管都无一不受导向轨迹的影响。在导向施工前要做到“胸有成竹”，事先计划好所需的轨迹数值，使整个轨迹尽量形成一条平滑的曲线，不宜猛纠硬调。3、拖管中断 拖管时由于客观原因限制，中途需要停顿，这时要隔一段时间向孔中送一次冲洗液，不能使孔内壁的残留钻屑失水后抱死管材。4、管线回拖经验总结 为了避免不必要的损失，提高水平定向钻铺管工程施工的成功率，保证管线铺设的质量达到设计要求，我们应该对施工不断进行经验总结，它包括以下五个方面内容：（1）钻机的固定方面 回拉管材时，钻机是不能移动的，而一般情况下，钻机的自重根本无法与铺管的回拉力相抗衡，因此钻机必须用地锚固定住

20、。25T 钻机的地锚，一般是用大锤打锚杆，把钻机前支撑架固定在地面上。如果回拉力很大，在必要情况下，采用钢丝绳套住钻机大梁，然后埋后地锚将钻机拉住，条件允许情况下可以租用挖掘机用钢丝绳拉住钻机。（2）钻具方面 1）回拉铺管钻具的组合 2）扩孔器与分动器连接处有起固定作用的螺母，螺母一端专门设有插销孔，组装钻具时必须在插销孔中穿入铁丝作为插销，以防止螺母在回拉铺管过程中松动脱落。3）U 形环属易损件，一般情况下使用的是国外进口产品，因为有些国产 U形环强度不如进口 U 形环的强度大，容易拉断，使用寿命短，耐久性也不好。U形环上的固定螺母要用扳手拧紧，并且要插上插销，防止松动脱落。4）上述两处是很

21、容易被忽略的，要特别引起重视，否则可能会造成严重的事故导致拉管失败。（3）扩孔方面 1）孔内的清洁状况。如果没有清孔或清孔不彻底，拉管时会带出大量的残余泥土，影响施工场地，并且会大大增加拉管的回拖阻力。拉管时，拉力和扭矩都会很大，必须再次清孔，直到孔内残留物较少为止，然后才能进行回拉铺管作业。所以要保持孔内清洁，不要残留过多钻屑。清孔时，用挤压式扩孔钻头，操作钻机慢拉快转。利用扩孔器的结构形状使钻孔得到径向挤密，既能形成完好的孔壁，也对孔壁有一定的保护和巩固作用，多余的土体被挤压或拉出孔外。2）孔内的畅通情况 孔内返浆与孔内的畅通情况有一定的关系。如果没有返浆现象，可能会导致铺管失败，要分析实

22、际原因。如果孔内不畅通，泥浆中水也漏失，则剩下钻屑越积越厚，管线易被“抱住”，给拉管造成很大的阻力。在正常拉管情况下，一般会有返浆现象出现。一般是开始返浆发生在尾部，当回拉到只剩下三四根钻杆时，前面才会出现返浆。在砂层中拖管，返浆中携带有大量残存的砂粒等钻屑冒出。而在粘土层中，返回的泥浆比原冲洗液泥浆更浓。返浆的出现说明孔内畅通，拉管很容易成功。（4）泥浆方面 1）铺管过程中孔内要始终充满足够的泥浆。泥浆不仅可以保持孔壁稳定，防止坍塌，还可以对铺管起到很好的润滑作用，大大减小管线与孔壁之间的摩擦阻力。2）关于泥浆的配比 非开挖泥浆的 PH 值一般应该保持在 810。根据砂层、粘土层等各种不同的土层情况，应采用不同的配合比，回拉铺管中泥浆的作用要引起足够的重视。（5）管道防腐层 防腐层的质量问题，一直伴随着管线回拖安装的全过程。在定向钻的回拖过程中，管线一直处于滑动摩擦中。例如钢管，如果防腐层的质量不好，特别是补口的质量上不去，很容易造成收缩套和补伤片的损伤，从而导致回拖后的管线防腐质量事故。这就要求我们在回拖过程中检查垫管架的质量，主要是牵涉到成品管线的防 腐层质量问题。再看看出土坑内有没有影响防腐层质量的因素。如坑底和坑壁有没有突出的石块、树根等。