定向钻进技术及其应用

定向钻进技术及其应用（通用8篇）

篇1：定向钻进技术及其应用

鉴江定向钻进穿越铺管工程施工技术

以广东茂名鉴江定向钻进穿越铺管工程为例,叙述了定向钻进穿越铺管的施工方法、优缺点以及在本次穿越施工过程中遇到的挫折.所取得的`经验和教训对今后定向钻施工技术的采用具有一定的指导意义.

作 者：刘心庭 赵殿封 LIU Xin-ting ZHAO Dian-feng  作者单位：刘心庭,LIU Xin-ting(三峡大学土木水电学院,湖北,宜昌,443002)

赵殿封,ZHAO Dian-feng(武警水电部队三峡工程指挥部,湖北,宜昌,443002)

刊 名：探矿工程-岩土钻掘工程  ISTIC英文刊名：EXPLORATION ENGINEERING(ROCK & SOIL DRILLING AND TUNNELING) 年，卷(期)：2007 34(10) 分类号：P634.7 关键词：非开挖   定向钻进   西南成品油管道   鉴江  

篇2：定向钻进技术及其应用

运用水平定向钻进技术实施管道更换的新方法

结合工程实例,详细介绍了运用非开挖水平定向钻进技术实施原有管道更换的新技术,为旧有管道的更换探索了一条经济可行的`便捷之路,具有借鉴意义.

作 者：李淑海 周海松 王元满 LI Shu-hai ZHOU Hai-song WANG Yuan-man 作者单位：上海广联建设发展有限公司,上海,38刊 名：探矿工程-岩土钻掘工程 ISTIC英文刊名：EXPLORATION ENGINEERING(ROCK & SOIL DRILLING AND TUNNELING)年，卷(期)：35(2)分类号：P634.7 TU996.7关键词：水平定向钻进技术 管道更换 注浆加固

篇3：定向钻进技术及其应用

某市政工程是深圳市至汕头市一级公路改造的配套给水工程。地下给水管道横向穿过深汕路的机动车道、非机动车道、人行道及绿化带。常规明开挖施工需要封路、破路。由于深汕路车流量非常大,为避免破路铺设管道施工给繁忙的交通带来干扰和阻碍,所以决定使用非开挖技术的定向钻进施工完成地下给水管线的铺设。

本工程导向过路管、水平导向拖拉铺管的给水管径为DN600,长度约97 m。使用HDPE给水管(聚乙烯管道),材质环刚度为10 MPa。

2 定向钻进施工方法

图1为定向钻进施工流程。

2.1 泥浆配制

泥浆配比是否合理,对成孔起决定性作用。施工前,根据地质情况制定泥浆配制体系,通过控制压力、调整泥浆浓度、钻杆旋转速度,以完成正常钻进作业。针对不同地质条件和各钻进距离,调整加入的各种聚合物,保证施工过程中孔洞稳定、提高泥浆的抑制性、形成规则稳定的井壁和降低摩阻以减少钻井扭矩及推进阻力,从而达到提高机械钻速的目的。同时,要保证泥浆具有良好的孔洞净化能力。由于此次施工需要使用泥浆马达,为了满足泥浆马达的工作压力,泥浆的黏度必须达到60 s以上,流量为1 000 L/min。

2.2 导向孔钻进

1)根据设计轨迹和方位,确定钻机位置、固定钻机并连接泥浆系统及辅助系统。

2)通过钻机上的各种仪器、仪表的读数来确认地质层面情况;根据泥浆排出情况,确定调整泥浆参数。

3)导向钻进时根据设计好的钻孔轨迹,注入膨润土泥浆。严格控制导向仪方位、曲线深度,钻出精确而曲线平滑的导向孔。

2.3 预扩孔

导向钻孔完成后,卸掉探测棒,安装上楔形挤扩器,分别用150、300、400、600、800、1 000 mm进行逐级扩孔(根据实际情况确定)。经二次扩孔后将卵石挤向周边形成孔洞,并根据各段不同土质配制不同浓度的泥浆,使每次扩孔时回拖力的数值和扭矩值控制在钻机正常工作参数之内。若回拖力的数值和扭矩等参数过大时,可用1 000 mm挤扩器再进行一次洗孔,以保证孔洞的正确形成。

2.4 管道回拖

1)扩孔完成后,先检查回拉管线。检查合格后根据现场情况采用发送台作为回拖管线的发送方式。最简单的发送台是以装满膨润土的包装袋作为基座,在包装袋上垫上蛇皮袋,抹上适量的黄油作润滑材料,减少主管接触面的摩擦,以在进洞前有效地保护主管的防腐层。

2)管道回拖时按以下顺序进行钻具与管道连接:动力头→动力头保护短节→钻杆→扩孔器→旋转接头→U型环→拖拉头→管线。拖头与回拖管线焊接后进行回拖。施工中根据钻进时获取的资料调配不同的泥浆浓度。

3)回拖的同时根据钻机参数注入适当量的泥浆,减少管道与孔壁的摩擦,确保管壁防腐层不被破坏,并能使管道与孔壁的缝隙充分填满。通过膨润土的膨化作用完成孔壁与原土的完整结合。

4)回拖管道完成后割下拖头、焊上母板,进行管口保护。

2.5 完工作业

回拖管线完成后进行回流泥浆处理,清洗钻机;撤离现场,进行现场地貌恢复;整理竣工资料后上交监理方(或建设方)。

3 施工技术质量控制措施

3.1 防止定向钻在钻孔时呈“S”形

在定向钻穿越的施工过程中,导向孔的平滑与否、能否与设计曲线一致以及杜绝导向孔呈“S”形是顺利完成穿越施工的先决条件。可采取以下措施。

1)测量放线过程中,用全站仪对出、入土点进行确认。

2)采用有线控向系统。开钻前校验探头精度,控向电缆采用加厚耐磨绝缘层的进口电缆,确保在钻导向孔过程中的控向信号安全。

3)在开钻前,用探头在地面上测得设计轴线方向对应的地磁方位角,并多点反复测量,保证精度。

4)施工前进行地质条件分析,按设计曲线在坐标纸上以每根钻杆连接的方式画出穿越曲线图,给每根钻杆标号注明相应的地质情况。在钻进过程中,根据钻进位置的地层情况对泥浆黏度进行控制,随时根据地质条件调整泥浆压力、泥浆配比等参数,防止地下塌陷等因素影响钻进方位角。

5)钻机就位后,需精确测量出夹角的大小,计算出水平漂移量并记录下来。钻孔时每根钻杆改变的角度应<0.5°,而且不能是连续的上升和下降,避免钻杆在地层中呈“S”形,保证钻孔曲线的光滑,提升导向孔的钻进质量。

6)在导向孔的钻进过程中,严格监控每根钻杆的倾角、方位角、地球引力向量等数据;对比预先计算的结果,如出现穿越偏离设计曲线或水平漂移的现象,应及时抽回钻杆,调整修改角度,保证穿越曲线在正常范围之内。

3.2 确保定向钻出土点偏差控制在设计范围内

为确保定向钻出土点偏差控制在(设计轴向的)纵向不大于穿越长度的1%且≤10 m、横向不大于穿越长度的0.2%且≤2 m的范围内,采取如下措施。

1)测量放线过程中,用全站仪反复测量、计算,确认出土点。

2)对控向探测装置进行消磁及校验,以保证探头的准确性。

3)对定向穿越轴线采用不同位置,多次复查测量,取其平均值,减少人为误差。

4)设计与实际相结合,参照实际的水平长度和地面高程,根据设计图纸中穿越直线段和曲线段的长度和曲率半径、弧度,采用钻杆连接方式在坐标纸上做出穿越方案,标明每根钻杆的设计折角及深度,确保穿越过程中实际的曲线与设计曲线相一致。

5)在穿越前,对穿越区进行磁场测量。如该地区磁场干扰较强,应建立磁场布控,确保穿越过程中计算机显示数据的准确性。

6)穿越中,针对回馈资料的DIP(磁倾角)、Dec(磁场偏角)和Gtotal(地球引力向量)进行分析。如出现数据变化较大,不能稳定保持的情况,而穿越地段又处于河流中间无法进行磁场布控时,应按前一根钻杆的测量结果来进行综合分析,以便下达正确的穿越指令。

3.3 确保回拖顺利成功

1)施工前对钻机、钻具及泥浆配套系统等设备进行全面检查及维护保养,确保钻机及其动力系统性能良好,运转正常;泥浆系统通畅,压力能够满足回拖要求。对钻杆、无磁钻铤、切割刀和扩孔器等钻具进行探伤检查(Y射线或X光检测等),确保钻具无裂纹,强度满足回拖要求。

2)在钻进过程中,导向孔曲线应符合设计图纸的要求,且曲线平稳、圆滑。

3)在最后一次回扩时,采取扩孔器直径比穿越管道直径大1.5倍的方式进行连接后扩孔。扩孔之后采用扩孔器与管道连接的方式进行回拖,才能保证在回扩过程中钻机的大部分动力应用在拉力上,从而避免直接采用切割刀、扩孔器、管道连接而造成的钻机动力的分散,确保回拖的成功。在回拖时钻具连接要迅速,尽量缩短钻具在导向孔内的停滞时间。

4)全部连接并检查无误后,用泥浆进行冲洗钻具,确认钻杆内通畅无异物,泥浆喷嘴畅通无阻后,正式回拖。

5)管线回拖应连续作业,回拖速度≤2 m/min。根据地质变化应随时调整泥浆的黏度和压力。泥浆应由膨润土、泥浆添加剂和清洁的淡水搅拌而成,并保证回拖过程中使管线能悬浮在泥浆当中,以减小回拖阻力,保护管道的防腐层。

6)回拖过程中,工作井与接收井之间要加强联系,遇到情况及时处理。

3.4 确保回拖时管道防腐层不被损坏

1)钻导向孔时,要保证导向孔圆滑、平整,避免出现超限的拐角。在回拖时采取的切割刀扩孔器直径比穿越管道直径大1.5倍,以减少回拖阻力,同时减少管道与孔壁发生的刮碰现象。

2)泥浆配比随地质情况变化,在回拖时对泥浆进行处理,加入一定数量的防卡剂、防塌剂,减少管线和井壁的摩擦阻力,并起到防塌作用。孔内形成的泥饼要薄、坚韧、质密,失水量要小,黏度在60～80 s之间即可。

4 结语

篇4：定向钻进技术及其应用

【关键词】定向钻进技术；矩形顶管；顶拉施工；钢拉索

Application of directional drilling technology in process of rectangular channel pushing and pulling

Chen Xi-shuan1，Zhang Zhi-yong2

（1.Jiangsu Yangtze River mechanization foundation engineering company Changzhou Jiangsu 213003；

2.Shanghai Guanglian Construction Development Co.，Ltd Shanghai 200438）

【Abstract】This papers introduce technical requirements， precision requirements and control points of laying of steel cables during directional drilling construction with an actual project，and provide experience for further application of this technology.

【Key words】Directional drilling technology；Rectangular channel；Pushing and pulling construction；Steel cables

1. 前言

（1）定向钻技术的基本原理[1 ]是采用定向钻机，在预先挖好的发射坑和接受坑之间进行；也可在安装钻孔机的地面，以小角度直接从地表钻进，从另一端地表钻出。安装在钻头上导向仪发射器发出的导航信号，被地面的接受器接受识别。由钻机操作人员控制、监测钻孔的方位、深度和其他参数。钻头的直径较小，定向钻孔完成后，可根据铺管直径扩孔，最后将管道回拖至钻机一端。

（2）目前，在天然气、自来水、电力和电信部门定向钻技术已是一种普通的施工工艺，由于定向钻技术的工艺特点，其不仅在以上领域中应用，而且更多地应用于其他领域中，如管道修复[2 ]，箱涵牵引钢拉索铺设[3 ]等领域。本文介绍定向钻进技术在矩形通道顶拉结合施工工艺中的应用，共同行共飨。

2. 工程概况

（1）上海轨道交通2号线东延伸段工程张江高科站一号出入口地下通道内部净空尺寸3.00m（高）×5.00m（宽），长约23.00m，顶部覆土深度约7.20m。自北向南通道分别穿越22万伏电力管廊、18孔电信排管、500上水管、300煤气管、2400雨水管等市政管线。始发井位于一号出入口北侧，围护型式为SMW工法，紧靠中国科学院上海药物研究所危险品仓库及篮球场，受既有建筑物及22万伏电力管廊相关保护要求的限制，始发井沿地下过街通道轴线方向净空尺寸仅6.0m，与轴线垂直方向净空尺寸为9.5m。接收井位于一号出入口南侧，围护型式为钻孔灌注桩，沿地下过街通道轴线方向净空尺寸仅2.0m，与轴线垂直方向净空尺寸为7.4m。一号出入口平面位置见图1。

（2）考虑到工作井尺寸及上覆市政管线变形要求，经业主、设计、总包方研究决定采用"矩形通道顶拉结合施工技术"施工。

图1 张江高科站一号出入口平面位置图

（3）"矩形通道顶拉结合施工技术"是针对复杂环境下开发的一种新工艺方法。是近年来开发的一种新的施工技术，具有可在工作面积狭小的环境条件下施工、施工对环境影响较小、导向精度高等优点，其工艺是现代顶管施工技术的一种创新和补充，是非开挖地下箱涵施工的一种新的技术手段。所用的装置主要包括出发井、千斤顶组、刀头土压平衡拉管掘进机头、提供反力的锚固装置、标准管涵管节以及与千斤顶组相对应的钢棒组及钢棒自锁装置，其中钢棒组贯通连接于锚固装置与穿心千斤顶组之间，穿心千斤顶组连接在机头上，机头后连接标准管涵管节，钢棒组中的每根钢棒上有一端采用穿心千斤顶及所附带钢索自锁装置以提供动力及限位。如图2所示。

图2 矩形通道顶拉结合施工技术示意图

（4）通道结构采用预制矩形钢筋混凝土管节，管节混凝土强度为C50，抗渗等级为S8，外形尺寸为6.0m×4.0m，管壁厚为0.5m，单节长度为1.5m，单节重约35t。

3. 工程地质条件

（1）本工程施工场地平坦，属滨海平原地貌类型，场地地面标高3.74～4.03m，矩形通道顶标高-3.315，底标高-7.315。各土层主要物理力学指标见表1。

（2）从地质资料来看，矩形通道主要穿越第③淤泥质粉质粘土层、第④淤泥质粘土层。该两层土具流变触变性，扰动后强度迅速降低；同时，矩形通道上方存在着③T灰色粘质粉土，该层土极易产生坍塌、流砂、涌水等不良现象，对于拉索铺设过程中导向孔施工不利。

4. 钢拉索设计及精度要求

（1）对于"矩形通道顶拉结合技术"来说，其中的钢拉索承担着两个方面的功能：一是掘进机头前进过程中的导向作用，二是加接管节时的止退作用。掘进机头前方迎面阻力根据以下公式计算：NF =abγsHs=4*6*18*7.2=311T。

（2）根据本工程的通道截面形状与施工时掘进机头的受力状态，本工程钢拉索总设计数量为4根40mm的高强度螺纹钢棒，考虑到接收井尺寸要求，钢棒在厂家预先切割成1.5m/根，钢棒之间通过螺纹套筒连接，主要分布在掘进机头的顶部与底部，单根钢棒的允许施工拉力值限定为120T，4根钢拉索可承受480T的拉力，大于掘进机头迎面阻力，满足止退要求。

（3）设计对通道轴线偏差控制要求：高程+80mm，-100mm；水平：+100mm。而通道轴线偏差控制要求主要通过钢拉索拉进来控制，因此，钢拉索的铺设精度必须控制在50mm以内。

5. 钢拉索定向钻铺设施工

5.1 始发井、接收井围护施工要求。

钢拉索在本工程中起到控制掘进机头方向的作用，因此，钢拉索的定位要求较高，在始发井、接收井施工前应尽量将钢拉索位置留出，防止其遇到桩或型钢等障碍物。具体要求如下：

5.1.1 在前期始发井SMW工法桩围护结构施工过程中，必须按拉索孔定位要求错开型钢的插入位置与型钢插入时的垂直度，以利于定向钻穿越时有足够空间进行钻孔与定位。型钢插入时垂直度须控制在5‰以内。

5.1.2 在接收井围护灌注桩施工时，尽量将围护灌注桩间间隙放在拉索位置，以减少后期钢拉索导向孔施工时灌注桩凿除量。

5.2 施工设备的配备。

（1）拉索铺设时水平定向钻选择主要考虑两个方面因素，一是拉索是在始发井内施工，而始发井在轴线方向上仅有6m长度，故拉索施工设备的选择应满足始发井的尺寸要求，二是拉索铺设精度必须控制在5cm以内。

（2）目前，水平定向钻进技术中铺设精度的实现是通过有线或无线电磁技术进行控制，本工程钢拉索施工时覆土厚度达到7.2m，常规的无线或有线导向难以满足本工程中钢索铺设的精度要求。为此，重新开发研制了HD200TL型高精度导向钻机。实现了拉索铺设精度在5cm以内，为后续对矩形掘进机的方向精确控制奠定了基础。HD200TL型高精度导向钻机主要技术参数见表2。

（3）本钻机的特点在于：光源固定在导向钻头内，导向钻头中心安装有"十"字光靶，钻进过程中利用水平定向钻机后方的激光经纬仪监测钻头内"十"字光靶靶心，判断钻进方向，通过钻头"鸭嘴"板进行纠偏，将定向钻进精度控制在50mm内。

5.3 施工方法与技术措施。

5.3.1 主要技术措施。

5.3.1.1 导向孔定位测量和地面控制测量。

（1）在始发井与接收井之间，按每根拉索相对应的水平位置利用全站仪测放出拉索的水平投影线，本工程总共设计4根拉索，在水平投影面上反映为2根。

（2）在每根投影线的上方按照间距的要求在地面利用全站仪测放出地面的导向监控点，根据地面监控点的水平坐标及高程推算出各点拉索铺设的深度以及方位角，以利于导向孔钻进过程中导向深度与方位的控制。

（3）将各拉索的水平投影线延伸至两端工作坑内，并在拟穿越土体段的临空面上测放出拉索孔的具体位置。在定向钻机停放一侧将拉索孔的水平投影线测放至钻机的尾部，以利于钻机对中时作参考。

5.3.1.2 钻孔灌注桩开洞施工。

由于本次水平定向施工钻机位于始发井内部，而拉索在接收井内与钻杆连接，因此应对接收井围护灌注桩进行开洞，围护开洞直径约300mm。

5.3.1.3 钻机就位。

钻机就位是钢拉索导向孔施工前的

一个重要环节。就位时掌握三点：一是使钻机的钻进中心线（大梁中心线）与拉索轴线重合；二是使钻机的钻头与拉索孔位重合；三是使钻机保持水平（入土角为0），上述三点要求在导向孔施工前同时达到。

5.3.1.4 导向孔施工。

导向孔成孔导向时须勤测勤纠，确保导向孔轨迹相对于拉索的铺设轨迹的偏差控制在5cm以内。

考虑拉索回拉时，因重力产生下沉，导向孔的竖向偏差宜控制为正偏差。

5.3.1.5 拉索回拖。

导向孔施工完成以后，立即进行钢拉索回拖施工，钢拉索回拖时，将回扩器与分动器连接，通过拉索引锚将分动器与钢拉索连接在一起。拉索连接好后，应尽快将拉索拉进孔内，由于本次施工采用拉索是分段制作，通过连接接头进行连接而成，故在回拖过程中将拉索丝扣与接头部位用黄油涂满，并用胶布缠牢，防止泥砂进入接头内部而影响后续施工。

在回拉过程中处理拉索进入导向孔处洞口土体，在回拉过程中尽可能放慢速率，以便顺利进入导向孔内。

6. 结论

矩形顶管拉顶结合施工技术的关键是利用钢拉索的导向性实现高精度、低沉降掘进施工，因此，对钢拉索的铺设精度要求非常高，本工程中利用高精度光学导向钻进技术，成功地将钢拉索铺设精度控制在5cm以内，有效地保证了掘进机头进洞时的精度；施工过程中，钢拉索的存在为掘进机头止退提供了良好的保障，未出现掘进机头后退而导致地面沉降的现象，保证了上覆市政管线的安全，为后续开展通道对拉技术研究积累了宝贵经验。

参考文献

[1] 刘建华，黎晓林.定向钻非开挖技术在城市建设中的应用[J].中国市政工程，2006.12：62～63.

[2] 杜华东.利用非开挖技术修复旧管道[J].化工设备与管道，2007.6：47～48.

篇5：定向钻进技术及其应用

1 随钻测量定向钻进技术原理

1.1 钻进技术

随钻测量定向钻进设备由两部分组成, 其中一部分是钻进设备。钻进设备主要包括定向钻机、泥浆泵、马达等部件组成。钻进设备运行时, 泥浆泵将高压水输送到马达, 用水来驱动马达转动, 从而带动钻机的钻头旋转工作。系统的钻进方向由马达控制, 我们可以通过改变马达的弯角来改变钻头的工作方向。

1.2 测量技术

测量技术是随钻测量定向钻进技术的核心部分。系统中的测量探管能将当前钻孔的倾斜角、方位角和工具面向角等信息通过通信电缆传回监视器, 监视器根据传回的数据生成钻孔路径图。随后将实际路径图与设计路径图相比较, 调整工具面角, 保证钻出的钻孔路径与设计路径完全一致。

近年来还研制出了电磁波无限随钻测量系统, 该系统可以将测量数据以电磁波的形式输送出去, 从而摆脱通信电缆的束缚。

2 随钻测量定向钻进工艺

2.1 水平长钻孔施工

当进行瓦斯抽采作业时, 我们希望钻孔穿过尽量多的煤层, 同时钻孔的长度越长越好。当我们进行地质构造探测时, 如果遇到断层较大等复杂的地质构造, 我们希望钻孔能尽量绕开构造中的障碍, 从而提升钻孔的长度。随钻测量定向钻进技术为这一要求提供了优良的技术支撑, 带来了“探地层, 开分支”的循环钻进方案。这一方案大大提升了煤层和构造的探测精度, 同时为长钻孔施工提供了有力的帮助。

2.2 分支孔施工

目前煤矿井分支孔施工最常用的施工方法有缓慢磨削法和反复磨削法。这两种方法的原理都是悬空侧钻, 既调整钻头角度, 用较慢的给进速度, 在分支点下方边缘磨削出一个新的钻孔。

2.2.1 缓慢磨削法

首先将钻进设备移至预定分支点, 调整马达弯角, 使工作面向角达到160°-200°之间, 然后打开泥浆泵, 以较慢的速度 (约为每小时6m到8m) 钻进, 直到打出新的钻孔。

2.2.2 反复磨削法

同样将钻进设备移至预定分支点, 调整马达弯角, 使工具面向角达到160°到200°之间, 然后打开泥浆泵, 以较快的速度 (约为每小时20到30m) 的速度钻进。待钻进设备全部没入钻孔后, 将设备退出主钻孔, 再重复以上步骤3到5次, 然后加上钻杆正常钻进, 直到打出新的钻孔

3 随钻测量定向钻进技术的应用

3.1 井下瓦斯抽采

3.1.1 集束型定向钻孔群抽采瓦斯

该方案常见于普氏硬度不超过1、集中连片、构造简单、易于成孔的煤层。这一方案指在同一个钻场打数个多分支的定向钻孔, 其中主孔集中在同一个区域方便收集, 主钻孔和分支孔在地下呈扇面装分散或相对平行。

截至目前, 这一方案是我国在煤矿井瓦斯抽采领域最为常用, 同时也是最为成熟的技术方案, 多家大型煤矿都使用了这一方案来抽取煤层瓦斯, 并获得不错的成效。集束型定向钻孔群抽采瓦斯方案的钻孔深度深, 钻孔路径可控性高, 且抽采瓦斯效率更高。数据显示, 集束型定向钻孔群抽采瓦斯方案抽采效率是传统钻孔方案的3到5倍。

3.1.2 梳状定向钻孔远距离卸压抽采瓦斯

该方案主要适用于普氏硬度小于1的松软煤层。水钻工艺在这类煤层上难以成孔, 因而必须采用定向钻进技术施工, 在煤层顶板梳状钻孔进行瓦斯抽采。

具体来说, 首先在煤层顶板设置一个水平方向的长钻孔, 然后按照由内而外的顺序, 每隔一段距离打一个垂直向下的分支钻孔。整体来看, 钻孔的布置呈梳状, 因而这一工艺被称为“梳状定向钻孔工艺”。若所钻进煤层的透气性不好, 可以考虑在梳状钻孔内进行压裂操作, 从而提高煤层透气性, 改善瓦斯抽采效率。与传统高位钻孔采集方案相比, 梳状定向钻孔远距离卸压法的瓦斯抽采量更大, 且持续时间够长。这一方案不仅有效处理了松软煤层瓦斯抽采的难题, 而且预防了采空区瓦斯聚集的风险, 是松软煤层中瓦斯处理效果最好的方案。

3.1.3 顶板高位定向钻孔抽采瓦斯

顶板高位定向钻孔法也是我国煤矿井常用的一种瓦斯处理方法, 目前主要用来处理工作面上的瓦斯。

随着煤矿井采空区顶板变形坍塌, 工作面的上隅角常常聚集大量高浓度瓦斯, 顶板高位定向钻孔抽采工艺可以有效抽采这些瓦斯, 从而避免工作面上隅角瓦斯超标。

这一方法的流程是:钻进设备从井底巷道出发, 向煤层顶板钻进, 待钻进设备接近顶板到达高效抽采层位时转向为水平方向钻进, 最终打出定向长钻孔抽采瓦斯。

3.1.4 井上、下联合抽采瓦斯

井上指煤矿地表直井, 井下指地下水平定向长钻孔。该方案将二者充分结合利用起来, 形成立体化的抽采系统。该方案既合理利用了地表直井, 又发挥了井下抽采的优点, 具有技术成熟, 安全, 施工简单, 成本较低的提点, 而且不会对煤层造成伤害。

3.2 井下地质勘探

煤矿井下地质勘探对煤矿的开采具有重大意义, 井下煤层的布局、厚度以及地质构造是否正常都对煤矿开采方案有着重大的影响。以往常用的勘探方法有地面钻孔勘探法、井下常规钻孔法、巷道掘进法等。但相较之下, 地面钻孔勘探法勘探范围大, 但勘探信息精确度低;井下常规钻孔勘探范围较小, 无法做到长距离精确勘探;巷道掘进只能获取揭露煤层的信息, 不具有预测性, 而且这一方法具有一定危险性。

随钻测量定向钻进技术有效弥补了以上几种方法的缺点。定向钻孔可以提前精确得探测煤层的地质情况, 了解煤层的地质构造, 且勘探范围较大, 能够满足长距离精确勘探的要求。

3.2.1 勘探地质构造

该方法利用了测量功能。在勘探过程中, 测量探管记录下所遇到的地质构造点的三维坐标, 然后钻机在所遇到的地质构造点附近开一些分支孔, 分支孔遇到地质构造时再记录这一点的三维坐标。最后我们根据获得的一组三维坐标可以建立地质构造的三维模型, 从而直观得了解地质构造的分布情况。

3.2.2 探测工作面煤层走向及煤层厚度

该方法同样利用了测量功能。在勘探时首先在主钻孔中每隔一段距离设置数个探顶 (底) 分支钻孔。当钻孔遇到煤层顶板或底板时就记录下这一点的坐标, 然后将坐标与地面的距离转化为相对标高, 最后根据获得的一组标高我们可以计算出煤层的倾斜角, 进而分析出煤层的走向。

3.3 井下水害防治

煤矿开采时, 由于地表水下渗以及开采产生生产废水, 矿井采空区和老硐内容易聚集很多积水, 为煤矿生产带来了巨大隐患。随钻测量定向钻进技术能通过定向钻孔, 精确钻至采空区, 为积水排排放打通通道。

3.3.1 煤矿井下定向钻孔探放水

煤矿井下定向钻孔探放水法是煤矿井下最简单也是效果最好的水害防治方法。由于随钻测量定向钻进技术钻孔路径可以准确测量和操控, 在探放水领域具有相当的优越性, 可以最大限度地释放煤层底板的积水。

3.3.2 煤矿井下定向钻孔注浆加固煤层底板

这一方法是从加固煤层底板来预防透水或崩塌的角度入手的。这一方法的流程是:首先钻至预定施工水平面, 随后使用定向钻技术进行造斜钻孔, 在需要加固的地点上方钻进。最后在钻孔内高压注浆, 填补煤层底板上的裂纹, 起到防水保护的作用。实践表明煤矿井下定向钻孔注浆法能够极大程度上减少煤矿水害的产生。

4 结语

随钻测量定向钻进法在煤矿井下生产作业中有着广泛的应用价值, 在井下瓦斯抽采、地质构造勘探, 井下水害防治等方面创造出了丰富的应用成果, 大大提升了煤矿井下生产效率和生产安全, 是目前较为先进的钻探技术, 值得煤矿山大力发展。

摘要：煤矿井下随钻测量定向钻进技术是近年来煤矿企业常用的一项钻探技术, 它可以实现钻孔轨迹的精确控制。本文介绍了随钻测量定向钻进技术的原理和水平长钻孔施工和分支孔施工的工艺, 并详细介绍了这一技术在井下瓦斯抽采、地质构造勘探及井下水害防治等方面的应用。

关键词：随钻测量,定向钻进,瓦斯抽采,地质勘探,探防水

参考文献

[1]石智军, 等.煤矿井下随钻测量定向钻进使用手册[M].北京:煤炭工业出版社, 2012.

[2]史海岐.随钻测量定向钻进技术在煤矿水害防治中的应用[J].现代矿业, 2014, 4.

[3]石智军, 等.煤矿井下随钻测量定向钻进技术及应用[J].地质装备, 2013, 14 (6) .

[4]李泉新, 石智军.煤矿井下定向钻进技术的应用[J].煤田地质与勘探, 2014, 42 (2) :86-88.

[5]石智军, 等.煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工技术与装备[J].煤炭科学技术, 2009, 37 (7) :1-4.

[6]姚宁平, 等.煤矿井下梳状定向孔钻进技术与装备[J].煤炭科学技术, 2012, 10.

[7]姚宁平, 等.煤矿井下近水平定向钻技术研究与应用[J].煤炭科学技术, 2011, 10.

篇6：定向钻进技术及其应用

【摘要】本文从燃气管道施工的角度出发，对水平定向钻井技术的基本理论进行阐述，进而对燃气管道水平定向钻进技术施工进行有关探讨与思考，对于水平定向钻进技术更好地应用与燃气管道施工过程中，具有一定的实际意义。

【关键词】燃气管道；水平定向；钻进技术；探讨

引言

能源问题一直都是我国国民经济发展中的重要方面，如今随着我国各大城市的繁荣发展，城市规模的进一步扩大及城市生活水平的提升，对能源的需求越来越细致，像燃气的使用就是一个很好的例子。而今燃气不仅得到了城市工业方面的应用，更重要地被应用于城市的大部分居民用户中，这对于燃气供应企业来说，燃气管道施工是必不可少的，由于城市管网日益变得复杂，传统的以开挖沟槽为主要技术手段的方法显然逐步显现出一些弊端。因此，从实际出发，创新一种更为科学合理的燃气管道施工技术，不仅能够大大提升燃气管道施工水平，同时也在最大程度上减少了燃气管道施工对周围环境及居民的干扰。

一、水平定向钻进技术概述

简单来说，水平定向钻进技术是利用相应的设备，沿着水平的一定的方面进行孔道钻进的一种技术。具体而言，水平定向钻进技术主要借助的是具有钻孔功能的设备，它主要是在地层中进行孔道的钻进，通常水平钻进技术是沿着水平方向进行钻进的，但在实际中为了施工的便利性及实际需求，则会以与地面较小的入射角为参考在地面以下进行钻进，初步形成先导孔，而后通过一定的措施将之前已经形成的先导孔孔径扩大至管道铺设所需求的大小，最后将管道从一侧推送到合适的位置并对其进行加固的一种技术，即为水平定向钻进技术。

水平定向钻进技术最大的优势是不需要对地面进行开挖，并且钻进对底层及周围环境的影响作用很小，这样就在很大程度上避免了机械开挖土体对周围环境、交通及居民造成的严重干扰，不仅如此，水平定向钻进技术耗费资源较少，单位距离内施工耗时较短，并且施工钻孔具有较高的精准度，能够让燃气管道敷设更加到位，同时由于水平定向钻进技术对周围土体的影响作用较小。因此后期管道敷设后加固效果会更加，从而大大减小了因振动、冲击力造成的管道侧移。

通常来说，水平定向钻进设备由动力系统、钻机系统、泥浆系统、控制方向系统以及有关辅助机具构成，动力系统主要是为钻机提供施工钻进中足够的动力；钻进系统应用与钻进中，同时还能实现回拖；泥浆系统是在指导一定浓度的泥浆，借助泥浆提供给钻进，使得钻进更加顺利，同时泥浆还能对孔道起到护壁的作用；控制方向系统就是引导钻头始终以正确的钻进方向向前钻进，有效避免了钻进方向的偏离；有关辅助机具主要是与水平定向钻进配套的一些辅助设备，像扩孔辅助机具。

二、燃气管道水平定向钻进技术施工探讨

燃气管道施工采用传统的方法不仅耗费人力、物力及财力，在施工中也会遇到各种因素的干扰，使得管道施工进度缓慢，同时也很难从根本上确保管道敷设质量。而水平定向钻进技术不仅及时避免了传统管道施工的诸多缺陷，同时也在很大程度上提升了工作效率及管道施工质量，它作为我国目前应用的一种先进的施工技术手段，在石油、天然气、电力等行业中已经得到了普遍應用与广泛的认可，特别是如今各大城市建设步伐加快，加上各类地下管线的增多，这使得燃气管道施工的难度越来越大，而水平定向钻进技术则在很大程度上解决了这样的难题，让燃气管道施工得以顺利进行。具体来说，燃气管道水平定向钻进技术施工探讨如下。

1.水平定向钻进技术施工准备工作

水平定向钻进技术施工前需要开展一定的准备工作，准备工作主要是为了让后续水平钻进更加顺利，以最短的时间最高的效率完成钻进，从而为燃气管道施工节省一定的时间与成本。具体准确工作表现在两个方面，一方面是在施工前需要对钻进位置处的地下情况进行探明，其主要是对地下管线的分布情况，分布走向及具体位置等查明，这样做的好处是能够为水平定向钻进施工提供重要的参考数据，以便其合理确定钻孔施工轨迹或采取措施进行管线迁移等工作；另一方面是对铺管材料选择的慎重，通常来看，燃气管道需要具有较高的质量密度及较高的抗拉强度等良好的性能，燃气管道采用三层PE结构外覆盖层和全线涂层采用加强级防腐，焊口采用热缩套进行补口。

2.燃气管道中水平定向钻进技术的施工装备

钻机应该根据工作位置的不同分为坑内始钻式和地表始钻式；水平定向钻机的主要技术指标是钻机的最大扭矩、轴向最大给进力和最大回拖力。水平定向钻机有大中小型机之分，这需要视工程对象来选择；施工设计参数，这一过程需要注意钻近角和曲率半径的确定和施工地覆盖层的厚度；地质调查主要是包括探孔数量和探孔深度。燃气管道中水平定向钻进技术施工的关键技术：

1）水平定向钻进轨迹设计。水平定向钻进轨迹设计是施工中成败的关键环节，是施工过程中具体操作的理论指导。

2）导向孔轨迹。导向孔轨迹设计必须要考虑到地下管线、地质状态、水文状态、地表环境、铺设物材质、穿越物深度以及长度等因素。

3）预扩孔。预扩孔是继导向孔完成后的另一项比较关键的部分。顾名思义，就是要把钻孔扩大到合适的直径以便于安装成品管道。根据成品管道和钻机规格，可进行多级扩孔。

4）回拖管道。预扩孔完成之后，成品管道可拖入钻孔，回拖前必须检查管材。检查完毕才能铺设回拖管道。回拖管道的过程需要连续进行直到扩孔器和成品管道自钻机的一侧出来为止。回拖时要注意扭矩和回拖力的变化。

三、结束语

总而言之，水平定向钻进技术在燃气管道施工中的应用，从施工单位方面来看，不仅为他们节省了各种资源的大量使用，同时也在很大程度上确保了施工进度与施工质量，而从施工的影响方面来看，水平定向钻进技术的应用则大大降低了对周围交通、周围环境及周围居民的负面干扰作用，更重要是燃气管道水平钻进技术施工从很大程度上确保了燃气管道后期进行燃气运输的安全。

参考文献

[1]赵岚.水平定向钻在钢制燃气管道施工的应用[J].城市管道，2013（03）：25.

篇7：水平定向钻进砂层的泥浆技术

水平定向钻进(英文简写HDD)是采用安装于地表的钻孔设备,以相对于地面的较小的入射角钻入地层形成先导孔,然后将先导孔扩径至所需大小并铺设管道(线)的一项技术,在施工中具有跟踪和导向功能。该技术解决了使用开挖法不能在城区内或在大型天然障碍下铺设地下管线的问题。

钻具在地层中进行穿越成孔,孔在空间上处于近乎水平状态,当孔周为砂层等松散地层时,极易发生孔内事故或质量问题。

1 砂层对穿越施工的不利影响

由于砂层颗粒之间的粘结力弱或没有粘结力,地层在钻进成孔后,原受力状态被打破,在砂层进行定性穿越施工最容易出现塌孔事故。钻进过程中若出现塌孔,直接的后果是钻具被埋,造成埋钻、卡钻施工;若塌孔发生在回拖过程,则可能导致拉管阻力过大甚至失败。在砂层中,造成塌孔的原因主要有以下几个:

(1)地层胶结少,一旦裸露,失去原有平衡,产生坍塌;

(2)泥浆冲刷,在钻进过程中,泥浆从喷嘴高速射出,对砂层强烈冲击造成坍塌;

(3)回拉扩孔(回拖铺管)过快,开泵过猛,孔内产生大的压力激动;

(4)钻具的不断碰撞、挤压孔壁;

(5)泥浆压力过大,将地层压裂造成塌孔。

2 泥浆体系选择

2.1 泥浆的基本功用

泥浆工艺技术是HDD工程的重要组成部分。随着HDD施工难度的逐渐增大,该项技术在确保安全、优质、快速施工中起着越来越重要的作用。泥浆最基本的功用有以下几点:

(1)携带和悬浮钻屑。

泥浆首要和最基本的功用,就是通过其自身的循环,将孔内的钻屑携至地面,以保持钻孔清洁,使给进回拖畅通无阻,并保证钻头在孔内始终接触和破碎新地层,不造成重复切削,保持安全快速钻进。在上卸钻杆或因故停泵时,泥浆可保持其中的钻屑稳定悬浮,防止钻屑在孔内大量沉积。

(2)稳定孔壁和平衡地层压力。

孔壁稳定、钻孔规则是实现安全、优质、快速施工的基本条件。性能良好的泥浆可对松散性地层起到一定的胶结作用,并阻止泥浆往地层持续渗漏,减弱泥页岩水化膨胀和分散的程度,增加孔壁的稳定性。与此同时,泥浆的液柱压力能够平衡部分地层压力,降低孔壁坍塌的风险。

(3)冷却和润滑钻头、钻具。

在钻进中钻头旋转并破碎岩层,产生很多热量。同时钻具也不断地与井壁摩擦而产生热量。正是通过泥浆不断地循环,将这些热量及时吸收,然后带到地面释放到大气中,从而起到了冷却钻头、钻具,延长其使用寿命的作用。由于泥浆的存在,钻头和钻具均在液体内旋转,因此在很大程度上降低了摩擦阻力,起到了很好的润滑作用。

(4)传递水动力。

泥浆在钻头喷嘴处以极高的流速冲击孔内,从而提高了钻进速度和破岩效率。另外,循环过程中的泥浆可为孔内动力钻具如螺杆、液动冲击器提供驱动力,以应对复合钻进或孔内马达钻进的需要。

2.2 泥浆主要性能指标

对于HDD泥浆而言,需要关注的泥浆指标主要有:比重、漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API滤失量、PH值、含砂量及固相含量等。

2.3 泥浆性能指标选择

(1)密度:泥浆要有一定的密度,密度第一是给地层一个回压力,保持地层稳定,不坍塌。

如果孔在地表下20m左右,其地层水也有2kg/cm2的压力,这时泥浆的密度为1.02g/cm3,在同深度可产生2.04kg/cm2的压力,也就是说对地层加了0.04kg/cm2的压力,某种意义上减少了地层坍塌的机会。当然密度不能太大,否则要压裂地层引起孔漏。所以在20m-30m深度穿越时泥浆密度为1.02g/cm2-1.04g/cm2较为合适,此时用6%~8%的膨润土配制泥浆,即可达到以上密度,因此必须保持一定量的膨润土。

(2)粘度:泥浆要有合适的粘度,粘度的本质是液液、液固、固固的内摩擦力,它可以调节流变性能,可以帮助携带钻屑,清洁孔眼。

如果钻粘土层,粘度可以低一些,为30s-50s。如果钻砂砾石层,粘度可以高一些,为70s-80s。要提高粘度可以增加膨润土量,也可以加入增粘剂如高粘CMC、聚阴离子纤维素、改性淀粉等。

(3)滤失量:泥浆要有较低的滤失量,它表征泥浆中自由水的多少。

滤失量大说明泥浆中自由水多,胶体性能差;滤失量小说明泥浆中束缚水多,胶体性能好。对20m-30m深度穿越时泥浆滤失量控制在8ml-10ml可以满足要求。降低滤失量可以加低、中粘CMC,改性淀粉、水解聚丙烯睛铵盐(NH4-HPAN)等降滤失剂。

(4)p H值:泥浆要有合适的p H值,它表征泥浆酸碱度。

泥浆是在水中分散悬浮了膨润土的胶体,p H值一般在8以上,即呈碱性。水基泥浆要求p H值为9,但考虑到地层中的粘土会吸附氢氧根离子(OH-),地层中有时也有钙盐、镁盐,对20m-30m或更深地层穿越时泥浆p H值控制在9-10。一般泥浆中用烧碱来调节p H值,考虑到地层中有钙盐、镁盐,穿越时泥浆中烧碱和纯碱一起用,各占50%。特别是大直径扩孔时,p H值调节到10-11,有利于地层稳定,也有利于泥浆稳定。

3 砂层泥浆体系设计

3.1 泥浆设计原则基于砂层的特点,在水平定向穿越施工过程中,面临的主要困难有:

(1)砂层颗粒间没有胶结质、结构松散,一旦地层平衡被打破后,施工过程中极易发生钻孔坍塌;

(2)砂比重大、颗粒粗,泥浆悬浮运移困难;

(3)砂层一般都含有地下水,在钻进过程中,面临着地下水渗入从而导致泥浆被稀释的风险,一旦泥浆被稀释,将无法在孔壁附近形成致密的泥饼环,孔内压力与地层压力互通,泥浆无法起到维持孔壁稳定的作用,塌孔风险大。

基于上述难点,在泥浆设计上主要注意了以下几个方面:

(1)在砂层中尽量使用高分子聚合物泥浆体系,该体系在使用过程中性能稳定,通过高分子聚合提高泥浆粘度可以极大的增强泥浆对砂粒的胶结作用,并可很快在孔壁周围形成厚度小、韧性好的泥饼环,快速建立孔内外正压差,对孔壁形成良好的支撑作用。

此外,高分子聚合物泥浆不容易被地下水侵入而稀释,更好的维护了工程安全;

(2)尽量使用高粘度、高屈服值泥浆。

由于砂颗粒粗、比重大,要排出孔外,泥浆自身的悬浮性能必须足够;此外,由于砂层中含有丰富的地下水,切削下来的钻屑中同样含有大量的水分,这部分水将对泥浆造成极大的稀释作用。

因此,在设计泥浆时应详细查明砂层的含水率,并结合设计的扩孔直径、扩孔级配、泥浆排量、扩孔速度等参数,预先估计单位时间进入泥浆的水占该时间段泵入泥浆量的比例,在地面试验过程中,应保证设计的泥浆在掺入该比例清水后,仍然具有足够的悬浮性能,即泥浆指标设计时要充分考虑水的稀释;

(3)合理控制泥浆排量,既保障及时排除钻屑,又可避免过度冲刷孔壁;此外,在回拖过程中,可加入润滑剂,这样将有利于降低回拖阻力。

3.2 注意事项

在砂层穿越施工中,很多时候缺乏真实详尽的地质资料。因此,泥浆性能指标不能完全按照实验室确定的指标实施;在施工过程中,应以返浆中钻屑含量作为泥浆指标是否合格的重要依据,如果出现返浆中钻屑含量少的情况,则应当继续增加泥浆的粘度、静切力等主要指标,直到返浆中的钻屑含量与理论值相当。

其次,由于前面介绍的地下水的不利影响,在砂层中进行穿越施工,泥浆受钻进速度的影响最为明显。钻进速度越快,相同时间内产生的钻屑量越多,进入泥浆中的地下水量越多,对泥浆的稀释就越明显。

因此,在砂层中进行钻进,应设计好每一级扩孔的泥浆排量及钻进速度;在整个施工过程中,扩孔速度不能比设计值高,最好保持同一速度钻进,这样可以维持孔内泥浆的相对均匀。

表1为西气东输某地主管第二次穿越时采用的泥浆参数指标。

由于地下水丰富,使用了高粘度的泥浆,且每级扩孔都对泥浆指标进行了一定幅度的提高,从而保证了工程的顺利实施。

其中,在施工过程中,最为明显的一点就是,回收后的泥浆粘度一般只有50~70s,不足新浆粘度值的1/3,足以说明在砂层中钻进施工,如何有效预防泥浆被地下水稀释是整个工程成败的关键。

参考文献

[1]马保松等.非开挖工程学[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2]乌效鸣,胡郁乐,李粮纲,等.导向钻进与非开挖铺管技术[M].武汉:中国地质大学出版社,2004.

[3]颜纯文,蒋国盛,等.非开挖铺设地下管线工程技术[M].上海:上海科学技术出版社,2005.

篇8：谈非开挖定向钻进拉管施工技术

关键词：定向钻进,拉管,施工,钻机

铺设地下管线一般采用开槽挖沟的方法, 但是随着经济的发展、社会的进步、现代文明意识和环保意识的逐渐加强, 开挖施工方式显现出很大的局限性和不足之处。非开挖定向钻进拉管施工技术不需在地面开挖沟槽, 而只在管线路径的特定部位挖掘工作坑, 在工作坑之间利用水平定向钻机地下钻进挖掘管孔, 铺设管道, 精度高、速度快、可以控向。适用于供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线的铺设、更新和修复。管径为50 mm~1 500 mm, 管线长度最大可达1 500 m, 管材为PE管、钢管。适用于各种地层。

1 工艺原理

1) 定向钻进是由导向钻头、扩孔钻头、钻机和导向仪器相互配合完成的。

2) 采用定向钻进技术施工时, 按照设计的钻孔轨迹, 先施工一个近似水平的先导孔, 待先导孔导向钻头在被穿越障碍物的另一侧露出后, 卸下导向钻头换上大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺设管线, 然后进行反向扩孔, 同时将待铺设的管线拉入钻孔。钻进导向孔见图1, 扩孔和回拉管线见图2。

3) 钻孔的轨迹测量依靠随钻测量系统。

2 施工工艺流程及操作要点

2.1 施工工艺流程

现场勘测→编制拉管方案→钻机安装→开挖起始工作坑、接收工作坑和钻进液储备坑、泥浆回收坑→钻进液配制→钻进导向孔→扩孔、清孔→管线连接、加固、涂层→回拖铺管→工作坑回填、清理现场。

2.2 操作要点

1) 现场勘测。现场勘察包括地下勘察和地表测量两部分。地下勘察包括原有地下管线、设施的勘察和地层的勘察。地表测量主要是对管线工程周围的地形进行测量。

2) 编制拉管方案及导向孔轨迹的设计。

a.拉管方案的内容应包括:工程概况、现场地质条件、地下管线分布与埋深;施工机械、人员配置;施工材料及用量;施工进度计划;施工平面图, 包括:钻机位置、工作坑位置、钻进液存放位置、施工用水和排水位置、临时用电位置等;施工工艺;与拉管相关的计算书及图纸;质量保证和安全保证措施;文明施工措施。

b.导向孔轨迹的设计。导向孔轨迹一般如图3所示, 其中, B为穿越起点, C为穿越终点。

管线入土角:

其中, α1为管线入土角, (°) ;H为铺管深度, m;R1为入土造斜段曲率半径, m (一般取R1≥1 200d, d为钻杆直径) 。

管线入土造斜段水平长度:

其中, L1为管线入土造斜段水平长度, m。

管线出土角:

其中, α2为管线出土角, (°) 。

管线出土造斜段水平长度:

其中, L2为管线出土造斜段水平长度, m;R2为出土造斜段曲率半径, m (一般取R2≥1 200D, D为铺设管线直径) 。

3) 钻机安装。钻机进场后将钻机安装在待铺设管线的中心线起始位置。钻机安装应牢固稳定, 钻孔或回扩孔时不应出现钻机移位和钻机沉降等现象, 也可以用地基沉箱定位或用混凝土进行加固处理。钻机锚护要牢固可靠, 钻机轴线与穿越直线偏差不大于0.1 m。钻机安装完毕后, 需进行试车运转。

4) 开挖起始工作坑、接收工作坑和钻进液储备坑、泥浆回收坑。起始工作坑和接收工作坑, 应根据地形、施工场地大小、管线材质、管线种类、管径大小、管线埋设深度和地质条件设置, 应满足钻孔和拉管的要求, 保证施工安全。工作坑位置应满足导向距离的要求, 须设在被铺设管线的中心线上。

在钻进液调制箱旁设置钻进液储备坑。回收泥浆坑设置在便于回收泥浆的位置上, 宜在定向钻进设备钻杆导轨一侧和泥浆回收坑之间挖引沟以便回收泥浆。钻进液储备坑和回收泥浆坑底及周边用塑料布围护, 以保证钻进液的纯度和浓度, 避免钻进液水分流失。

5) 钻进液配制。钻进液由水、膨润土和适量处理剂组成。膨润土通常采用一级钠基膨胀土。钻进液处理剂又称为钻进液添加剂, 如降烧碱 (或纯碱) 、失水剂、固壁剂、粘土分散剂等。钻进液的p H值、密度、粘度等性能参数应根据不同的地质条件、孔径、钻孔长度、钻进工艺、孔内情况等因素调整和控制。实际施工过程中, 泥浆的性能参数随地层不同而随之变化, 需选用不同的添加剂随时调整。

钻进液主要有以下五方面的作用:a.稳定孔壁, 建立并维持钻孔的完整性。b.利用钻进液的悬浮性和流动性, 将悬浮钻头产生的钻屑带走, 防止钻屑沉淀并堵塞钻杆和钻头。c.降低管壁和孔壁之间的摩擦系数, 从而降低钻进时所需的扭矩和回拉力。d.冷却钻头。e.软化底层, 易于钻进。

6) 钻进导向孔。当铺设小直径 (D≤250 mm) 、长度较短 (L≤180 m) 的管线时, 干式钻进靠冲击挤压成孔, 不排土;湿式钻进以高压水射流切割土层, 有时辅以顶驱式冲击动力头以破碎大块卵石和硬土层。当要钻进斜孔时, 根据所钻孔的角度调整斜面钻头的空间位置, 停止回转, 只提供给进力, 由于斜面受到来自周围地层的反作用力从而实现钻孔方向的改变 (见图4) 。

当铺设大口径 (250 mm<D≤1 500 mm) 、长距离 (L>300 m) 的管线时, 钻机只提供给进力, 回转扭矩由孔底的泥浆马达来提供。调整方向主要依靠弯接头来实现。在松软地层中, 靠高压水射流来切割成孔。孔底钻具组合由一弯接头和一带喷嘴的钻头构成。钻柱回转时, 钻出的孔是直孔。如果钻柱不回转, 在给进力和水射流作用下, 可产生定向的弧形孔 (见图5) 。

导向系统采用走过式定位仪器, 在钻头后部空腔内装有探头, 探头发出的无线电信号由地面接收器接收, 地面接收器具有显示与发射功能, 将接收到的孔底信息无线传送至钻机的接收器并显示, 传输的信号包括钻头的位置、深度、倾角、斜面面向角和探头温度等。根据测量数据得到的信息与设计轨迹进行比较, 以便及时纠偏保证精度, 确定下一段将要钻进的方向。

7) 扩孔、清孔。导向孔施工完成后, 应根据待铺设管线的管径计算出扩孔次数和每次回扩所使用的回扩器的规格, 分一次或几次逐级扩孔。当先导孔钻进完成并抽回导向钻杆后, 卸下导向钻头, 接上反向扩孔钻头 (扩孔器) 和旋转接头, 然后在旋转接头后接上回拉钻杆, 进行扩孔钻进 (见图6) 。

管线铺设之前应作一次或多次清孔, 清除扩孔后孔内残留的泥渣。

8) 管道连接、拉接头制作和涂层。根据管材选择适合的连接方法, 钢管一般采用焊接。PE管采用电熔连接或热熔连接。

铺设钢管时应根据被铺设管线的管径和长度, 制作拉接头, 拉接头与被铺设管线应焊接牢固。

定向穿越往往会遇到不同的地层情况, 使管道在回拉时遭受腐蚀、磨蚀, 所以需要在外层涂上保护层。

9) 回拉铺管。扩孔完成后, 在回拉钻杆后接上扩孔钻头和旋转接头, 在旋转接头后接上拉接头和待铺设的管线进行回拉铺管 (见图7) 。

10) 工作坑回填、清理现场。定向钻施工结束后, 采用原生土或者其他填埋材料两侧分层对称回填并且压实, 不得含砾石、垃圾等, 恢复到施工前的使用功能。

回收剩余钻进液及泥浆, 清除地表的钻屑、垃圾。现场清理工作应满足施工前的场地要求。

3 质量、安全控制措施

1) 路面建筑物及管道铺设区域无塌陷, 平整度不得低于90%。2) 水平最大偏差±0.3 m, 纵向垂直最大偏差±0.25 m。3) 施工前, 施工人员应认真勘察现场, 了解施工现场地下各类设施、管线分布和周边环境, 明确安全技术要点并制定出有针对性的安全技术措施。4) 施工人员进入施工现场前, 应接受安全培训和安全教育, 电焊工、电工、机械操作工等专业的作业人员必须持证上岗。

4 结语

非开挖定向钻进拉管施工技术避免了开挖施工中存在的安全隐患, 安全性较好;避免了对居民正常生活的干扰, 以及对交通、环境、周边建筑基础的破坏和不良影响;缩短工期, 具有广阔的推广应用前景。

参考文献

[1]牛松山, 章寅国, 王飞.水平定向钻在管道施工中的应用[J].建筑机械, 2003 (6) :23-25.