简述水平定向钻穿越施工工艺

简述水平定向钻穿越施工工艺

一、概述

1、技术发展

水平定向钻技术最早出现在70年代，是传统的公路打孔和油田定向钻井技术的结合，目前已成为广受欢迎的施工方法，可用于输送石油、天然气、石化产品、水、污水等物质和电力、光缆各类管道的施工。水平定向钻穿越施工在近些年应用比较广泛，多用于河流和水道的穿越、大型油气管网建设、城市燃气、供水等工程，以其施工工艺先进、施工工期短、质量有保证而被很广泛的应用，同时还广泛应用于高速公路、铁路、机场、海岸、岛屿以及密布建筑物、管道密集区穿越施工。

2、技术应用

定向钻施工技术首先应用于美国海岸地区的冲积层穿越，现在已经能够开始在粗沙、卵石、冰碛和岩石地区等复杂地质条件下进行穿越施工。目前，最长的穿越施工已达2308米、最大穿越管径为1219mm。

二、水平定向钻施工的特点

1、定向钻穿越施工具有不阻碍交通、不破坏绿地、植被、不影响穿越施工作业范围内正常生活和工作秩序，解决了传统开挖施工对居民生活的干扰，对交通，环境，周边建筑物基础的破坏和不良影响。

2、现代化的穿越设备的穿越精度高，易于调整敷设方向和埋深，

管线弧形敷设距离长，完全可以满足设计要求埋深，并且可以使管线绕过地下的障碍物。

3、城市管网埋深一般达到三米以下，穿越河流时，一般埋深在河床下 9—18米，所以采用水平定向钻机穿越，对周围环境没有影响，不破坏地貌和环境，适应环保的各项要求。

4、采用水平定向钻机穿越施工时，没有水上、水下作业，不影响江河通航，不损坏江河两侧堤坝及河床结构，施工不受季节限制，具有施工周期短人员少、成功率高施工安全可靠等特点。

5、与其它施工方法比较，进出场地速度快，施工场地可以灵活调整，尤其在城市施工时可以充分显示出其优越性，并且施工占地少工程造价低，施工速度快。

6、大型河流穿越时，由于管线埋在地层以下 9—18mm，地层内部的氧及其他腐蚀性物质很少，所以起到自然防腐和保温的功用，可以保证管线运行时间更长。

三、水平定向钻机系统简介

各种规格的水平定向钻机都是由钻机系统、动力系统、控向系统、泥浆系统、钻具及附助机具组成，它们的结构及功能介绍如下：

1、钻机系统：是穿越设备钻进作业及回拖作业的主体，它由钻机主机、转盘等组成，钻机主机放置在钻机架上，用以完成钻进作业和回拖作业。转盘装在钻机主机前端，连接钻杆，并通过改变转盘转向和输出转速及扭矩大小，达到不同作业状态的要求。

2、动力系统：由发电机和液压动力系统组成动力源是为钻机系

统提供高压液压油作为钻机的动力，发电机为配套的电气设备及施工现场照明提供电力。

3、控向系统：控向系统是通过计算机监测和控制钻头在地下的具体位置和其它参数，引导钻头正确钻进的方向性工具，由于有该系统的控制，钻头才能按设计曲线钻进，现经常采用的有手提无线式和有线式两种形式的控向系统。

按操作规程标定控向参数，为保证数据准确，在管中心线的不同位置测取，且每个位置至少测四次，进行对比，并做好记录。

4、泥浆系统：泥浆系统由泥浆混合搅拌罐和泥浆泵及泥浆管路组成，为钻机系统提供适合钻进工况的泥浆。

泥浆是定向穿越中的关键因素，根据工程项目所在地域不同，所穿越经过地层情况也均不相同。开钻前，应按本工程穿越泥浆工艺要求及地质情况编写配制方案，确定正确的混合次序，按不同的地质层配制出符合要求的泥浆。

5、钻具及辅助机具：是钻机钻进中钻孔和扩孔时所使用的各种机具。钻具主要有适合各种地质的钻杆、钻头、泥浆马达、扩孔器、切割刀等机具。辅助机具包括卡环、旋转活接头和各种管径的拖拉头。

四、水平定向钻穿越施工技术工艺

使用水平定向钻机进行管线穿越施工，一般分为二个阶段：第一阶段是按照设计曲线尽可能准确的钻一个导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔，并将产品管线（一般为pe管道、光缆套管、钢

管）沿着扩大了的导向孔回拖到导向孔中，完成管线穿越工作。

1、钻导向孔:

要根据穿越的地质情况，选择合适的钻机、钻头，钻头在钻机的推力作用下由钻机驱动旋转（或使用泥浆马达带动钻头旋转）切削地层，不断前进，每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位置，以便及时调整钻头的钻进方向，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求，如此反复，直到钻头在预定位置出土，完成整个导向孔的钻孔作业。

见图：钻导向孔。

图解：钻机被安装在入土点一侧，从入土点开始，沿着设计好的线路，钻一条从入土点到出土点的曲线，作为预扩孔和回拖管线的引导曲线。

2、预扩孔施工：

一般情况下，使用小型钻机时，管线直径大于200mm时，就要进行预扩孔；使用大型钻机时，当产品管线直径大于350mm时，就需进行预扩孔。在钻导向孔完成后，钻出的孔往往小于回拖管线的直径，为了使钻出的孔径满足回拖管线要求，需要用扩孔器从出土点开始向入土点将导向孔扩大至要求的直径。预扩孔的直径和次数，视具体的钻机型号和地质情况而定，一般地质条件3-5次扩孔可达到回拖管线条件。

图：预扩孔

3、管线回拖：

地下孔经过预扩孔，达到了回拖要求之后，将钻杆、扩孔器、回拖活节和被安装管线依次连接好，从出土点开始，将管线回拖至入土点为止。

经过钻机多次预扩孔，最终形成比管子直径大200mm的回拖孔或以回拖管线管径的1.3-1.5倍的回拖孔。回拖管线时，先将扩孔工具和管线连接好，然后，开始回拖作业，并由钻机带动钻杆旋转后退，进行回拖。由于扩好的孔中充满泥浆，所以产品管线在扩好的孔中是处于悬浮状态，管壁四周与孔洞之间由泥浆润滑，这样即减少了回拖阻力，又保护了管线防腐层。

图：回拖管线

总之，通过水平定向钻穿越施工解决了一些在传统开挖术不能施工的问题同时，还能有效降低施工费用，其技术也日渐成熟，但其客观和主观的影响因素也比较多。同样条件下，不同的施工队伍、不同时期都可能出现不同结果。实际的操作经验和技术，对成功穿越具有不容忽视的作用。施工过程中，宜根据实际情况，按照设计参数及地质条件编制符合实际的技术文件和选择合适的钻机、钻具。