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1、水平定向鉆進鋪管施工技術(shù)與發(fā)展水平定向鉆進鋪管施工技術(shù)與發(fā)展oilnews.com.cn 2004-06-04 12:48:58中國石油網(wǎng)一、概述水平定向鉆進鋪管技術(shù)是將石油工業(yè)的定向鉆進技術(shù)與當(dāng)代先進控制技術(shù)相結(jié)合的一種現(xiàn)代非開挖施工新技術(shù),主要用于穿越河流、公路、鐵路、建筑物等障礙物鋪設(shè)各種管線(包括電力電纜、電訊電纜、熱力管道、燃?xì)夤艿?、給排水管道等)。定向鉆進的基本原理:按預(yù)先設(shè)定的地下鋪管軌跡鉆一個小口徑先導(dǎo)孔,隨后在先導(dǎo)孔出口端的鉆桿頭部安裝擴孔器回拉擴孔,當(dāng)擴孔至尺寸要求后,在擴孔器的后端連接旋轉(zhuǎn)接頭、拉管頭和管線,回拉鋪設(shè)地下管線。hdd施工技術(shù)是一項由多學(xué)科、多技術(shù)、不同設(shè)備
2、集成運用于一體的系統(tǒng)工程,在施工過程中任何一個環(huán)節(jié)出問題,都可能導(dǎo)致整個工程的失敗,造成巨大的損失。二、施工技術(shù)1、施工工藝水平定向鉆進鋪管的施工順序為:地質(zhì)勘探、規(guī)劃和設(shè)計鉆孔軌跡、配制鉆液、鉆先導(dǎo)孔、回拉擴孔、回拉鋪管。2、關(guān)鍵技術(shù)(1)地層勘探及地下管線探測地層勘探主要了解有關(guān)地層和地下水的情況,為選擇鉆進方法和配制鉆液提供依據(jù)。其內(nèi)容包括:土層的標(biāo)準(zhǔn)分類、孔隙度、含水性、透水性以及地下水位、基巖深度和含卵礫石情況等。可采用查資料、開挖和鉆探方法獲取。地下管線探測主要了解有關(guān)地下已有管線和其它埋設(shè)物的位置,為設(shè)計鉆進軌跡提供依據(jù)。一般采用物探法,按其定位原理分為:電磁法、直流電法、磁法、
3、地震波法和紅外輻射法等。(2)鉆進軌跡的規(guī)劃與設(shè)計導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計是否合理對管線施工能否成功至關(guān)重要。鉆孔軌跡的設(shè)計主要是根據(jù)工程要求、地層條件、地形特征、地下障礙物的具體位置、鉆桿的入出土角度、鉆桿允許的曲率半徑、鉆頭的變向能力、導(dǎo)向監(jiān)控能力和被鋪設(shè)管線的性能等,給出最佳鉆孔路線。目前國外著名的鉆機制造商可提供商品化的軌跡規(guī)劃設(shè)計軟件,通過采集所需的全部信息,利用計算機進行最優(yōu)化鉆孔軌跡設(shè)計。大大提高了軌跡設(shè)計的科學(xué)性和設(shè)計效率。(3)配制鉆液鉆液在施工中起著非常重要的作用。鉆液常常被誤認(rèn)為是泥漿,這是錯誤的概念。鉆液是指在鉆進施工中用來與鉆孔過程中切削下來的土(或沙石)屑混合,懸浮并將這些混
4、合物排出鉆孔的一種液體,而泥漿則是鉆液與鉆孔中鉆屑的混合物。鉆液具有冷卻鉆頭(冷卻和保護其內(nèi)部傳感器)、潤滑鉆具,更重要的是可以懸浮和攜帶鉆屑,使混合后的鉆屑成為流動的泥漿順利地排出孔外,既為回拖管線提供足夠的環(huán)形空間,又可減少回拖管線的重量和阻力。殘留在孔中的泥漿可以起到護壁的作用。在不同的地質(zhì)條件下,需要不同成份的鉆液。鉆液由水、膨潤土和聚合物組成。水是鉆液的主要成份,膨潤土和聚合物通常稱為鉆液添加劑。鉆液的品質(zhì)越好與鉆屑混合越適當(dāng),所制造的泥漿的流動性和懸浮性越好,回擴成孔的效果越理想,成功的概率越大。所以在施工中千萬不能為省錢,僅用水來替代鉆液。這樣做的結(jié)果只能會影響工程施工效率、影響
5、成孔質(zhì)量、甚至導(dǎo)致工程失敗。由于不用鉆液,使鉆進和回拖的力和扭矩增大,不但影響鉆機壽命,而且還會大大增加施工成本。為改善泥漿性能,有時要加入適量化學(xué)處理劑。燒堿(或純堿)可增粘、增靜切力、調(diào)節(jié)ph值,投入燒堿量一般為膨潤土量的2%。為成孔良好,增加孔中潤滑,可加入適量的drispac。為提高泥漿攜帶巖屑能力,將孔中的巖屑帶出,可在鉆孔過程中的某一段加入一定量的flowzen,能達到很好的使用效果。施工人員必須能夠配制適合不同地層性能的鉆液,懂得如何正確使用鉆液。特別是當(dāng)施工中遇到不同地層時,能及時調(diào)整鉆液的性能以適應(yīng)工程要求。(4)鉆導(dǎo)向孔鉆導(dǎo)向孔的關(guān)鍵技術(shù)是鉆機、鉆具的選擇和鉆進過程的監(jiān)測和
6、控制。要根據(jù)不同的地質(zhì)條件以及工程的具體情況,選擇合適的鉆機、鉆具和鉆進方法來完成導(dǎo)向孔的鉆進。鉆機與鉆具的選擇:鉆孔主要靠鉆機產(chǎn)生的推力、旋轉(zhuǎn)扭矩以及所提供的鉆液的流量、壓力來完成施工。特別是長距離穿越,一方面,由于管線及鉆桿自重較重,鉆桿與地層之間產(chǎn)生的摩擦阻力較大,因此,鉆機的回拉力及扭矩必須足夠大;另一方面,為了確保工程成功,應(yīng)盡量避免工程中途停鉆,因此鉆機連續(xù)運轉(zhuǎn)時間相對較長,這就必須要求鉆機具有良好的性能。在松散的土質(zhì)地層中施工,可選用普通鉆機和可造斜的鉆頭(一般為鴨嘴板式帶射流噴嘴的組合鉆頭)。在硬巖或含卵礫石的地層中施工,應(yīng)選用帶破巖功能的鉆機和鉆頭。監(jiān)測與控制:在鉆進導(dǎo)向孔時
7、能否按設(shè)計軌跡鉆進,鉆頭的準(zhǔn)確定位及變向控制非常重要。鉆進過程中對鉆頭的監(jiān)測方法主要通過隨鉆測量(mwd)技術(shù)獲取孔底鉆頭的有關(guān)信息??椎仔盘杺魉偷姆椒ㄖ饕校弘娎|法和電磁波法。電磁波法的測量范圍較小,一般在300m以內(nèi)水平發(fā)射距離,測量深度在15m左右。電磁波法測量的原理為:在導(dǎo)向鉆頭中安裝發(fā)射器,通過地面接收器,測得鉆頭的深度、鴨嘴板的面向角、鉆孔頂角、鉆頭溫度和電池狀況等參數(shù),將測得參數(shù)與鉆孔軌跡進行對比,以便及時糾正。地面接收器具有顯示與發(fā)射功能,將接收到的孔底信息無線傳送至鉆機的接收器并顯示,以便操作手能控制鉆機按正確的軌跡鉆進。目前,電磁波法在中小型鉆機上應(yīng)用較多,缺點是必須隨鉆跟
8、綜監(jiān)控。另外,電纜法在長距離穿越中,特別是地形復(fù)雜的工程中應(yīng)用較多。優(yōu)點是抗干擾能力強,不要隨鉆跟蹤;但其操作復(fù)雜,選用的信號線必須強度高(不易拉斷)、耐磨、絕緣性能好。(5)回拉擴孔鋪管在回拉擴孔鋪管施工中的關(guān)鍵技術(shù)是根據(jù)不同的土層、地下水位以及最終成孔直徑正確地選擇回擴鉆具和每次的進刀量,正確的選配鉆液和確定鉆液的流量。擴孔器類型有桶式、飛旋式、刮刀式等:穿越淤泥黏土等松軟地層時,選擇桶式擴孔器較適宜,擴孔器通過旋轉(zhuǎn),將淤泥擠壓到孔壁四周,起到很好的固孔作用;當(dāng)?shù)貙虞^硬時,選擇飛旋或刮刀式擴孔器成孔較好。一般要求選擇的最大擴孔器尺寸為鋪設(shè)管徑的1.21.5倍,這樣能夠保持泥漿流動暢通,保證
9、管線能安全、順利的拖入孔中。特別在長距離回拉擴孔鋪管中,泥漿作用尤其重要,孔中缺少泥漿往往是工程失敗的主要原因。一般地層泥漿較易漏失,泥漿漏失后,孔中缺少泥漿,鉆桿及管線與孔壁間的摩擦力增大,導(dǎo)致拉力增大。要保持在整個鉆進過程中有返漿,這對回拉擴孔施工的順利進行尤其重要,而且在同一工程中如遇到地層條件是硬巖、泥灰?guī)r和礫石交替變化,應(yīng)及時調(diào)整鉆液以產(chǎn)生不同的泥漿。三、施工機具應(yīng)用與發(fā)展趨勢1、鉆機水平定向鉆機的主要功能是為鉆桿提供足夠大的扭矩和推拉力,以實現(xiàn)導(dǎo)向鉆進和回拉擴孔鋪管。與之相配匹的輔助功能為:鉆機的鉆進架與水平面之間的夾角可調(diào),以滿足不同入射角的要求。鉆機入射角的大小,也是衡量鉆機性
10、能的主要指標(biāo),與鉆機的總體布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān),將直接影響到成孔軌跡設(shè)計。鉆機的分類與應(yīng)用:鉆機技術(shù)的發(fā)展趨勢:(1)多功能:一臺鉆機同時具備土壤和硬巖層鉆進施工功能,且能干、濕鉆進,增強其適應(yīng)性和作業(yè)能力。(2)集成化:將動力系統(tǒng)、泥漿泵送系統(tǒng)、鉆桿裝卸系統(tǒng)、地錨系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等集成于鉆機一體,便于集中控制。(3)自動化:提高鉆機的自動化程度,將大大減輕工人的勞動強度,提高作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率。主要體現(xiàn)在地錨自動安裝與卸拆、鉆進架角度調(diào)節(jié)、支腿調(diào)節(jié)、自動更換鉆桿、自動潤滑鉆桿前后端絲扣、更換鉆桿時鉆液泵送系統(tǒng)自動啟閉控制、自動鉆進與回拉擴孔作業(yè)等。鉆機的自行駛功能對鉆機轉(zhuǎn)移工作場地、快
11、速就位非常必要。主要有履帶式和輪胎式底盤兩種形式。履帶式底盤鉆機具有爬坡能力強、接地比壓小、機動靈活、地面適應(yīng)性強等特點是今后的發(fā)展方向。(4)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化:鉆機的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化設(shè)計,使鉆機的零部件通用性和互換性增強,適用范圍更加廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)和非開挖施工技術(shù)的不斷發(fā)展,鉆機的各項技術(shù)性能也在不斷改進和提高,而且不斷向微型化和大型化兩個方向發(fā)展。2、鉆桿與鉆具鉆桿是孔底鉆具關(guān)鍵部件,可提供作用在鉆頭上的推拉力、旋轉(zhuǎn)扭矩、輸送鉆液等。就鉆桿兩端內(nèi)外螺紋部位與桿體的結(jié)構(gòu)而言,有整體鍛造式和焊接式兩種。鉆桿的發(fā)展趨勢是重量輕、強度高、柔韌性好。鉆桿兩端的螺紋結(jié)構(gòu)非常重要,將直接
12、影響鉆桿間的連接強度、密封性和可拆卸性能。國外鉆桿螺紋形式多樣化,主要有api標(biāo)準(zhǔn)扣型、90度牙形角扣型錐扣、不對稱尖齒鋸齒扣型錐扣、不對稱錐扣等。發(fā)展趨勢:采用螺紋雙端面同時接觸的雙頂形式,這樣可以有效增強螺紋的連接強度。高品質(zhì)的絲扣油對鉆桿螺紋的使用壽命影響非常大,不正確的使用絲扣油將導(dǎo)致鉆桿螺紋過早損壞。鉆具包括導(dǎo)向鉆進鉆頭、回擴鉆頭和旋轉(zhuǎn)接頭、拉管頭等。導(dǎo)向鉆進鉆頭分軟地層鉆頭和硬巖層鉆頭,有刮板式和牙輪式鉆頭等。其技術(shù)研究的主要內(nèi)容為不同地層條件下的鉆進能力、鉆進效率以及變向與控制方式?;財U鉆頭一般采用流線形結(jié)構(gòu)。這種鉆頭以切削和擠壓雙重作用成孔,具有回轉(zhuǎn)阻力小,形成的孔壁穩(wěn)定和有助
13、于排屑的特點。旋轉(zhuǎn)接頭和拉管頭的作用也十分重要,在施工前特別要檢查旋轉(zhuǎn)接頭和拉管頭的性能和質(zhì)量,并確保正確可靠的安裝。3、鉆液混合攪拌與泵送系統(tǒng)鉆液混合攪拌與泵送系統(tǒng)是鉆機施工系統(tǒng)的重要組成部分?;旌蠑嚢柘到y(tǒng)是將水、膨潤土、聚合物等按一定比例加入混合倉,而后進行充分?jǐn)嚢栊纬摄@液。泵送系統(tǒng)是由鉆液泵將鉆液通過中空鉆桿輸送至孔底鉆頭,并與孔中鉆屑混合形成泥漿在孔底流動。其發(fā)展趨勢是能夠回收泥漿,經(jīng)再生處理可反復(fù)循環(huán)使用,既節(jié)省資源又實現(xiàn)環(huán)保。4、安全保護系統(tǒng)由于施工中的地質(zhì)情況復(fù)雜、距離較遠(yuǎn)等特點,在施工中必須設(shè)置必要的安全保護措施,主要有:(1)防觸電報警系統(tǒng),一旦地下鉆頭觸及電纜等帶電體后,鉆機發(fā)出觸電報警,此時操作手必須坐在座椅上不得離開,以免觸電。報警解除后,操作人員方可離開鉆機。(2)遠(yuǎn)距離遙控緊急停機裝置,隨鉆跟蹤測量者應(yīng)時刻保持與鉆機操作手的聯(lián)系,一旦發(fā)生意外應(yīng)及時處置。目前一般采用無線通信聯(lián)絡(luò)方式,有時由于受到當(dāng)時當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響這種方式己不能應(yīng)付緊急突發(fā)事件。所以在施工中應(yīng)由隨鉆跟蹤者采用緊急措施停止鉆機工作,待處理完后,由后者解除對鉆機的限
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