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1、水平定向钻穿越施 工 技 术 手 册,辽河油田油建二公司穿越工程分公司二零一一年五月,一.编制依据及相关内容1、油气输送管道穿越工程施工规范 GB 50424-20072、石油天然气建设工程施工质量验收规范 管道穿跨越工程 SY 4207-2007GB 50424-2007验收规范中与定向钻穿越有关的内容:水平定向钻穿越施工一般规定1.1穿越深度应符合下列规定:穿越河流等水域时,穿越管段管顶埋深应在河流最大冲刷线2.5m以下,且穿越管段管顶到河床底部的最少距离宜大于穿越管径的1015倍,且不小于6m。对防洪等级高的河流,应根据不同的地质类别,适当增加穿越深度。穿越铁路、公路时,穿越管段管顶埋深
2、应符合铁路、公路等相关部门的规定。1.2穿越施工时入土角、出土角的大小,应根据地质、地形条件和穿越管段的材质、管径来确定。入土角宜为820,出土角宜为412。必要时,可适当调整入土角、出土角的大小。1.3水平定向钻穿越的曲率半径应符合设计要求。曲率半径不宜小于1500D,且不得小于1200D。1.4在管道入土端和出土端外侧各预留保持不少于10m的直管段。1.5适合水平定向钻机施工的地质条件为岩石、砂土、粉土、粘性土。对仅在出土点或入土点侧含有卵砾石等不适合水平定向钻施工的地质条件时,经采取措施后也可进行水平定向钻穿越施工。,1.6地质材料准备应符合以下规定:施工前应熟悉地质类别、地质构造及地质
3、的性质。施工前,建设方应按现行国家标准GB 50021的要求向施工单位提供地质报告。其类容包括但不限于以下类容:勘察目的、任务要求和依据的技术标准。拟建工程概况。勘察方法和勘察工作布置。场地地形、地貌、地层、地质构造、岩土性质及其均匀性。各项岩土性质指标,岩土的强度参数、变形参数、地基承载力的建议值。地形水埋藏情况、类型、水位及其变化。土和水对建筑材料的腐蚀性。可能影响工程稳定的不良地质作用的描述和对工程危害程度的评价。场地稳定性和适宜性的评价。若有不足部分,施工单位可向建设单位提出补堪申请报告。地质报告应附下列图表:勘探点平面布置图。工程地质柱状图。工程地质剖面图。原位测试成果图表。室内测试
4、成果图表。,1.7管道穿越控向点位置应按下列公式计算:见第七章相关计算1.8钻机拖拉力的计算和钻机的选择应符合下列规定:见第七章相关计算1.9应根据泥浆泵排量确定切割刀、扩孔器的泥浆喷射孔的个数,泥浆喷射孔的个数应按下式计算:N=Q/R2VQ：泥浆泵正常排量（m3/min）N：扩孔器喷射孔个数（个）R：喷射孔半径(m)V：要求泥浆的喷射速度（m/min）1.10水平定向钻穿越施工前,建设方应提供完整的施工图。施工图的内容应包括:设计说明书管道穿越施工平面图、管道穿越断面图。出入土点的角度和位置。在穿越区域内有地下障碍物时,地下障碍物的位置、埋深,应标注在施工图上。1.11施工便道及场地应符合下
5、列规定:施工便道应具有足够的承载力,宽度应大于4m,弯道的转弯半径应大于18m,并与公路平缓接通。施工用水应符合配制泥浆的要求。施工场地应能满足施工作业的要求。1.12穿越管段预制应符合下列规定:穿越管段的组对、焊接、检验及补口等应符合本规范第5章的要求。穿越管段预制应在最后一级扩孔前完成。,1.13钻机安装调试应符合下列规定:根据施工场地规划,设备依次进场就位。钻机宜安装在穿越中心线上。锚固件应安装牢固。有线控向系统的调校地点应选在不受磁场干扰的区域。调校时探头在同一位置宜多次测量,并取多次测量值的算术平均值作为方位角基准值。设备安装完成后应进行整体试运转,确保设备工作正常。在条件具备的情况
6、下,应使用人工磁场。1.14钻机场地应符合下列规定:小型水平定向钻机的安装场地可为40m40m,大型水平定向钻机的安装场地一般约为60m60m。安装场地应根据钻机及附属设备的要求,结合现场条件进行布置。钻机场地内应设泥浆池,其大小应根据泥浆用量确定。泥浆池不宜放在穿越中心线上。1.15管段预制场地应符合下列规定:穿越管段预制场地宜设在出土点附近,在出土点应设一个30m30m的钻具操作场地。管段预制场地宜与入土点出土点成一线。穿越管段的预制场地的长度宜为设计水平长度加20m,宽度应符合现行国家标准GB 50369的有关规定。若因场地限制预制管段不能直线布置,应在出土点保持不少于100m的直管段,
7、方可采取弹性敷设。,2.测量放线2.1测量放线前,应根据设计给出的控制桩位、设备情况、工程情况、地形地貌等编制施工场地平面布置图。2.2应用测量仪器放出穿越中心线,并确定穿越入土点、出土点。2.3根据穿越入土点、出土点及穿越中心线,确定钻机安装场地、管线侧施工场地泥浆池以及穿越管段预制场地的边界线,并撒上灰线。3.穿越施工3.1钻导向孔应符合下列规定:控向操作应由经过培训合格的人员操作,控向系统的功能应满足工程的需要。导向孔应根据设计曲线钻进。每钻进一根钻杆宜采集一次控向数据。根据采集的空闲数据,及时调整,使穿越曲线符合设计要求。钻导向孔时,钻杆折角宜符合规定。见第五章4.1钻杆折角表。导向孔
8、实际曲线一设计穿越曲线的偏差不应大于1%,且偏差应符合下表规定:,3.2扩孔应符合下列规定:最终扩孔直径应根据不同的管径、穿越长度、地质条件和钻机能力确定。一般情况下,最小直径与穿越管径的关系应符合下表规定:(mm),注:管径小于400mm的管线,在钻机能力允许的情况下,可直径扩孔回拖。扩孔宜采取分级、多次扩孔的方式进行。扩孔过程中,如发现扭矩、拉力较大,可采取洗孔作业;洗孔结束后,再继续进行扩孔;扩孔结束后,如发现扭矩、拉力仍较大,可再进行洗孔作业。3.3回拖应符合下列规定:回拖前,应完成以下事项:连接前应用泥浆冲洗钻杆,确保钻杆内无异物。连接后应进行试喷,确保水嘴畅通无阻。旋转接头内应注满
9、黄油,旋转应良好。回拖前应对钻机、泥浆泵等设备进行保养和小修。管段回拖时,如管径大于1m,宜采用浮力控制措施。,回拖宜按下列要求采用发送沟或发送道的方式发送:采用发送沟时应符合下列规定:a 在回拖前,应将穿越管段放入发送沟。发送沟应根据地形出土角确定开挖深度和宽度.一般情况下,发送沟的下底宽度宜比穿越管径大500mm。b 管道发送沟内应注水。一般情况下,管沟内最小注水深度宜超过穿越管径的1/3。c 采取措施,使管道入土角与实际钻杆出土角一致。采用发送道方式时应符合下列规定:a 根据穿越管段的长度和重量确定托管架的跨度和数量。b 托管架的高度设计应满足预制管段弯曲曲率的要求。c 托管架的强度、刚
10、度和稳定性应满足设计要求。回拖钻具连接的顺序宜为:钻机 钻杆 扩孔器 旋转接头 U型环 拖拉头 穿越管段回拖时宜连续作业。特殊情况下,停止回拖时间不宜超过4h。3.4施工完毕后,应清理场地,恢复地貌。3.5泥浆应符合下列规定:根据不同的地质条件,应在泥浆实验室试配并确定不同的泥浆配方。在施工过程中,应根据地质情况和钻进工艺,调整泥浆的配方和泥浆的性能。在整个施工过程中,泥浆宜回收、循环使用。泥浆粘度的现场测量宜用马氏漏斗,每2h测量一次。泥浆粘度应根据地质情况确定,也可按下表确定。,SY 4207-2007验收规范中与定向钻穿越有关的内容:1.定向钻作为单位工程时的分部、分项工程与检验批的划分
11、:,2.定向钻穿越工程2.1成孔与回拖2.1.1导向孔钻进2.1.1.1一般项目根据施工图要求的入土点和出土点坐标放出管道中心轴线,并确定钻机安装位置和蓄水池、泥浆池、回收池的占地边界线。泥浆配置应根据地质条件和管径大小确定粘度、密度。钻进施工时应做好泥浆回收,防止污染环境。施工钻进应根据设计曲线钻导向孔,并应随钻随测量,做好记录。施工前应对钻杆和套管进行清扫,不应有杂物,钻杆质量应满足钻进要求。2.1.1.2主控项目导向孔钻进曲线的曲率半径应符合设计要求。检验数量:全部检查。检验方法:检查施工记录。入土点坐标符合设计要求检验数量:入土点。检验方法:仪器测量。导向孔曲线允许偏差及其检验数量、检
12、验方法应符合表2的规定。,2.1.1.3质量验收记录导向孔钻进检验批质量验收记录应符合表A.13(见第九章)2.1.2导向孔扩孔2.1.2.1一般规定a扩孔应根据地质条件与管径大小分次逐步扩大。b扩孔时应注意两端的石头和杂物等不要进入导向孔中。2.1.2.2主控项目扩孔的孔径应满足管道回拖要求。一般情况下,穿越管段直径小于或等于219mm时,最小扩孔直径宜比管径大100mm;穿越管段大于219mm且小于610mm时,最小扩孔直径宜为管径的1.5倍;穿越管段直径大于或等于610mm时,最小扩孔直径宜比管径大300mm。检查数量:全部检查。检验方法:检查施工记录。2.1.2.3质量验收记录导向孔扩
13、孔检验批质量验收记录应按表A.14(见第九章),2.1.3回拖2.1.3.1一般规定a穿越管段组装焊接长度应核实设计长度后,再加长20m。b回拖前应将试压使用的放空阀和压力表割除,并应将端头封堵。c穿越管段回拖前应检查切割刀和扩孔器内各泥浆喷嘴是否通畅,合格后方可将穿越管段与钻具连接。d穿越管段回拖前应将管段摆放在发送托管支架上货放入发送沟内,发送沟内不应有石块等硬物与植物根,沟内应放水。e穿越管段回拖施工宜连续进行,特殊情况停留时间不宜大于24h。f出土角度较大时,在回拖过程中应采取措施保证管道曲率半径不宜过小。g采用支架或发送沟回拖管道时,应满足出土角的坡度要求,并应保证管道支点受力均匀。
14、2.1.3.2主控项目穿越管道回拖前应对管道防腐层及补口进行检查。检验数量:全部检查。检验方法:检查电火花检漏记录。2.1.3.3质量验收记录管道回拖检验批质量验收记录应按表A.15(见第九章),第二章 概述,一.施工原理1、利用水平定向钻机在障碍物（如河流、公路、铁路和沟渠等地面构筑物）下面沿预定轨迹钻一导向孔，钻头在障碍物一侧入土，从另一侧出土，然后利用钻机通过钻杆把要敷设在障碍物下面的管道沿导向孔回拖到钻机一侧的地面出土，如图示：,2、定向钻孔法敷设管道的关键是按照预先设计的曲线钻出圆滑的导向孔。其原理是：钻机通过钻杆推动钻头沿预定的轨迹前进，泥浆系统提供的高压泥浆流经过钻杆内腔，由钻头
15、水嘴喷射泥浆冲刷钻头前端的泥土并起到冷却润滑和固定孔壁作用，从而减少钻杆旋转和推进的阻力，钻孔的方向控制（控向）及泥浆的配制对导向孔的质量有重要影响。钻头的位置及钻进方向有两种控制方式：地面无线控制方式是用手提式信号接收装置，接收钻头内发射器发出的信号，由控向员进行分析判断；有线式控向方式由控向员根据计算机提供的钻头在孔内的位置参数实施控制。两种方式均包括方向测定和动态调整过程。二.施工特点1、施工质量好：采用定向钻孔法敷设障碍物下埋地管道，其埋深能够满足设计要求，有效地避免了常规开挖穿越往往因埋深不足给管道安全运行留下的隐患。2、节省工程投资，施工人员少：实现了完全的非开挖施工，节省大量的人
16、力和挖沟费用且不影响交通及航运。3、减少施工占地，避免了开挖管沟对环境造成的破坏，可最大限度地减少对工农业生产的影响。,4、施工周期短，实现了由地表到地表的非开挖施工，大大缩短了施工工期。5、灵活机动性强：从普通电缆管（一般加套管或PVC管）到大口径钢质管道穿越障碍都可采用。长度从数十米到上千米（长度较短时，须认真衡量经济性）。三.适用范围1、适用于管道穿越湖泊、沼泽、河流、高等级公路、多股铁路及其它不宜进行开挖施工的地段。2、穿越管道的埋深：穿越施工分别在穿越段的两端进行，穿越管道段的最低点覆土厚度一般在6m-30m之间，具体深度要根据实际情况和设计确定。3、适合水平定向钻机施工的地质条件为
17、岩石、砂土、粉土、粘性土。对仅在出土点或入土点侧含有卵砾石等不适合水平定向钻施工的地质条件时，经采取措施后也可进行水平定向钻穿越施工。4、穿越点具备钻机安置场地和管线组装场地，穿越管段中线与地上或地下的高压动力线路、通讯电缆的距离按有关规范要求应大于50m。,第三章 定向钻穿越技术质量要求,一.一般要求1、当穿越地层土质为粘土、砂土、淤泥时，出土点精度为纵向不大于穿越长度的1%，横向不大于穿越长度的0.5%。2、穿越管段的曲率半径应尽量取较大值；曲率半径以不小于1200D为宜（D为穿越管段外径，单位mm，下同），但最小曲率半径应不小于300m。穿越管段在入土点地面以下20m的长度范围以内应为直
18、线段。3、穿越管段曲线的入土角和出土角，就根据穿越区域的地形、地层条件和穿越管段的管径的大小来确定。一般情况下入土角控制在820，出土角控制在48为宜，出土角最大不得超过15。二.地质 地质条件对定向钻施工十分重要，施工单位应全面掌握穿越段地质资料。1、探孔平面布置地质钻探孔应沿穿越段轴线两侧对称错开布置，一般孔距为50m（当地层变化不大易于判断时可为100m），每排孔与穿越中心线距离为15m。如钻探中发现地质复杂难以判断地质变化时，应酌情增加探孔密度，探孔布置见图。,第四章 定向钻施工主要设备组成及相关操作,2、探孔深度应大于管线敷设深度10m。3、穿越前应掌握下列地质资料：穿越地质、含水量
19、、颗粒度、标贯指数、液性指数、塑性指数、液限、塑限。4、若穿越地段处于盐碱地、滩涂、沼泽等区域中，施工单位应掌握地下水位等相关的水文资料。5、应详尽地掌握穿越地段地形图及地层剖面图。,水平定向钻系统的设备组成主要包括：钻机、泥浆泵、发电机组、配浆系统等。一.钻机（一）、导向孔阶段对钻机的操作要求1、导向孔钻进时，司钻应将控向员的意图尽可能完全的转化为现实，同时要保证设备和钻具的能力在允许的正常范围内。2、钻进距离较长，软地层承载能力较低时，一长串钻杆易在地层中形成“S”型弯曲，且随穿越距离的增大，易导致钻机向前的推力和扭矩传递困难，钻头因自重下沉，向上造斜时较难抬头。这就要求司钻在第一造斜段时
20、熟悉地层特性，掌握钻进的扭矩和推力变化，随时调整推进和旋转的长度。（二）、扩孔回拖阶段对钻机的操作要求1、预扩孔和回拖阶段要密切关注钻机扭矩和拖力变化，反映出地层的变化，及时调整钻机旋转速度和回拖速度，使钻机扭矩和拖力保持在一个相对较小和稳定的数值。并做好详细记录。,2、每根钻杆推进或回扩前，司钻应先对泥浆泵操作手正确下达开泵指令，待泥浆充分泵送到钻头或扩孔器后，再进行操作，如果泥浆泵送未到钻头或扩孔器就进行操作，很容易造成泥浆喷射孔堵塞造成憋泵或卡钻。3、预扩孔速度不应过快，应使扩孔器充分的旋转切削后再扩进，保证泥浆能够将切削下来的钻屑携带到地面，正常回扩情况下每根钻杆8-15分钟，具体情况
21、视拖力、扭矩以及扩孔级差确定。4、回拖工作管时，应在保证钻机能力在允许范围内，扭矩和拖力正常的情况下，保持匀速回拖，正常回拖速度2-3m/min为宜，尽量避免回拖中停滞，以免发生意外情况，给施工带来不便。5、回扩过程中若遇到扭矩拉力异常增大现象，应立即停止扩进，检查泥浆系统是否正常，泥浆泵是否憋压，洞口返浆情况是否正常等。同时应采取扩孔器回退一定距离后大排量开泵的方式来降低扭矩。若仍无法保持正常扩进则考虑将扩孔器及时退出防止卡钻发生。6、上钻杆扭矩和回扩时扭矩不得超过钻机卸扣扭矩，否侧钻杆卸扣困难。若卸扣困难则需及时查看夹持器牙板磨损情况，确定是否需要更换，或采用火烤加热的方式辅助卸扣。,二.
22、泥浆泵（一）、泥浆泵操作注意事项1、泥浆泵运转前应对每个易损部件进行检查更换，如缸套、活塞、反耳胶圈、压力表等，检查无误后进行试运转，观察泥浆泵有无异常现象，然后待整个泥浆系统管路连接好后再进行开钻前的泵浆试运行。2、泥浆泵操作手应听从司钻指令及时进行开、停泵及调节泥浆排量的操作。3、穿越过程中，应保证泥浆泵冷却水箱内水充足，随时检查冷却水管是否通畅。4、每次扩孔完毕后，应对泥浆泵缸套、活塞、反耳胶圈等易磨损部件进行检查和更换，回拖前应对泥浆泵进行整体维护检修，以保证回拖过程中正常泵送。5、冬季施工时，整个泥浆泵需同泥浆罐等放在保温棚内，外部连接管线应做好保温措施：管路用电加热带缠绕，再用保温
23、棉被等保温材料包裹，使用电加热器（带继电器）进行加热。（二）、导向孔钻进过程中泥浆泵性能要求1、钻导向孔期间泥浆泵排量要根据采用的钻具所形成的环形空间的大小和地层来确定，普通地层使用127钻杆时泥浆泵排量通常控制在300L/min 600L/min左右；特殊地层排量控制在600L/min左右。地层过硬钻进困难时应再加大泵排量。2、钻导向孔期间泥浆压力较高，在钻进地质疏松的地层可能造成泥浆冒顶现象，因此钻进过程中应控制泥浆排量，正常钻进为宜，防止冒浆。3、导向孔期间泥浆压力通常可达到7-8MPa。（三）、扩孔过程中泥浆泵性能要求1、扩孔过程中泥浆排量不够，扩孔器喷射孔泥浆压力小，切削时起到的冲刷
24、效果就不好，同时孔洞中泥浆的循环速度减慢，泥沙携带不出去，容易产生泥沙沉积现象。2、扩孔过程需要泥浆量较大，排量通常控制在不低于600L/min，随着扩孔级别的增加泥浆泵排量应逐渐增大，保证钻屑的悬浮和携带。3、扩孔过程中泥浆压力不会太大，通常在45MPa。,（四）、回拖过程中泥浆泵性能要求1、回拖过程中要保证泥浆泵能够正常连续作业，泥浆泵排量应控制在600ml/min左右，以加快孔内泥浆循环速度，减小回拖阻力。四.施工安全用电操作要求发电机组的选择主要以满足现场所有用电设备的需求为宜，我公司现有发电机主要包括：30KW，50KW，110KW，200KW，通常我公司100吨钻机进行施工时选择一
25、台200KW发电机，即可满足施工供电需要，35吨钻机施工时选择50KW或30KW发电机。（一）、电气设备的设置应符和下列要求1、配电系统应设置室外总配电箱和分配电箱，实行分级配电。2、动力配电箱与照明配电箱宜分别设置，如合置在同一配电箱内，动力和照明线路应分路设置，照明线路接线宜接在动力开关的上侧。3、开关箱应由末级分配电箱配电。开关箱应“一机一闸一箱”，每台用电设备应有自己的开关箱，严禁用一个开关电器直接控制两台及以上的用电设备。4、总配电箱应设在靠近电源的地方，分配电箱应装设在用电设备或负荷相对集中的地区。分配电箱与开关箱的距离不得超过30米，开关箱与其控制的固定式用电设备的水平距离不宜超
26、过3米。,5、配电箱、开关箱应装设在干燥、通风及常温场所。不得装设在有严重损伤作用的烟气、蒸汽、液体及其它有害介质中。也不得装设在易受外来固体物撞击、强烈振动、液体侵溅及热源烘烤的场所。配电箱、开关箱周围应有足够两人同时工作的空间，其周围不得堆放任何有碍操作、维修的物品。6、配电箱、开关箱中导线的进线口和出线口应设在箱体下底面，严禁设在箱体的上顶面、侧面、后面或箱门处。（二）、电气设备的操作与维修人员必须符合以下要求：1、施工现场内临时用电的施工和维修必须有经过培训后取得上岗证书的专业电工完成，电工的等级应同工程的难易程度和技术复杂性相适应，初级电工不允许进行中、高级电工的作业。2、各类用电人
27、员应做到：1）掌握安全用电基本知识和所用设备的性能；2）使用设备前必须按规定穿戴和配备好相应的劳动防护用品；并检查电气装置和保护设施是否完好。严禁设备带“病”运转；3）停用的设备必须拉闸断电，锁好开关箱；4）负责保护所有设备的负荷线、保护零线和开关箱。发现问题及时报告解决；5）搬迁或移动用电设备，必须经电工切断电源并作妥善处理后进行。四.其它设备及机具穿越施工中使用的其它主要设备及机具见附表一，设备和机具的选择因不同地质条件下的施工而不同，在下面施工工艺中具体介绍。,第五章 施工工艺,一.穿越施工工艺流程,1、测量放线根据设计图纸和现场实际情况放出管线中心线及入土点、出土点位置，在入土点一端测
28、量确定钻机安装位置，标出地锚箱、泥浆池的占地边界线。在出土点一端，根据穿越中心轴线放出管线预制、场地及泥浆池占地界线、进出场地路线。2、穿越施工现场布置2.1根据穿越管径穿越长度和穿越段出、入土地点的现场情况，确定入土点和出土点，施工场地面积，一般入土点场地为6060m，出土点场地为4040m为宜（100t钻机），当遇到双穿以上施工时场地面积应适当增大。对取水不方便的穿越点在钻机附近应设临时蓄水池或打降水井，泥浆池也应根据穿越地质情况和穿越长度、管径及扩孔次数确定大小（通常为10102m），以满足返回泥浆存储和方便施工为宜。2.2入土点施工现场布置应根据现场情况而定，本着尽量少占地的原则，如附
29、图一。2.3穿越出、入土点的施工场区的道路应确保畅通，能满足大型施工车辆的正常通行，否则应对施工便道进行整修。施工便道的修筑可通过挖掘机平整、铺设砂石和铺设钢板或管排等方法，做到三通一平。,3、设备安装调试3.1将钻机安装在设计要求穿越的轴线上，钻机导轨与水平面的夹角略大于设计的入土角（一般比入土角大1），钻机、地锚箱应安装牢固、平稳且运转可靠，钻机要根据预先计算出的拖拉力进行可靠固定。3.2地锚箱锚固：先将钻机地锚箱埋设在地锚坑内，然后在地锚箱四周打入4根273钢管作为锚固桩，并用钢板焊接在地锚箱上，锚固桩长度不小于5米。,大型穿越工程施工时，需对钻机前后两端同时进行锚固，必要时采用混凝土形
30、式对地锚进行加固，以满足回拖需求。3.3对施工所用钻杆丝扣进行逐根检查，碰伤严重者严禁使用，将合格钻杆摆放规整，并对钻具进行检查无损后安装好。3.4对钻机进行调试直至运转正常，控向系统安装调校可靠，并将现场轴线上测定的方位角，出、入土点坐标等参数整理，归档并存入计算机，以备钻进过程中进行对比和调整及施工后复核。3.5泥浆系统连接应能保证正常工作，系统所用泥浆罐容积和数量视具体的穿越工程而定。3.6辅助设备安装就绪，操作人员到位，进行联合试运，直至正常。4、钻导向孔4.1钻导向孔是整个工程的关键，导向孔应根据设计曲线及穿越曲率半径进行钻进，每根钻杆的折角应根据管径大小确定，边钻进边测量，在穿越曲
31、线上每隔9.5m左右设数据控制点，并作好记录。钻杆折角应符合下表要求。,4.2在钻进过程中根据控向系统显示的数据随时调整钻头的走向。4.3钻孔施工同时采用人工磁场法对钻头进行跟踪，确保曲线的规则和出土点的精确度。4.3.1人工磁场法是在穿越中心线两侧布设闭合导线圏，通电后形成外加磁场，用以对控向参数的复核。人工磁场可不受任何外部磁场的干扰，准确反映钻头所在的具体位置，左右偏移量和钻头深度情况，人工磁场测得的数据是探头所在位置的真实反映。人工磁场的实际应用能够保证实际出土点在设计穿越规范的范围内，为管道的顺利回拖打下了良好的基础。,4.3.2人工磁场线圈的角点采用木桩固定，保持四边笔直减少测量误
32、差。线圈的宽度以3倍的探头深度为宜，也可以取3倍于设计曲线的最深值，长度不易过长，以免造成电阻过大，电流小而影响测量的真实度。线圈所使用的的导线截面积在10mm2以上为宜，,4.3.3在钻头进入人工磁场后的下一根钻杆钻进完成时进行测量偏差。测偏时首先根据控向员的指令接通电源为线圈供电，供电设备选用现场的直流电焊机（或两块电瓶串联），通直流电的电流以7080A为宜。测量完成后断开电源，重复测量23次取平均值做为当时的偏差量。进入磁场后每钻进一根钻杆测量一次，对比前后测量结果及时发现偏差和偏差趋势，如果不在标准要求范围内需及时纠偏或将钻进钻杆抽回至满足曲线要求处后重新钻进调整。,4.4导向孔钻完成
33、后实际出土点与设计出土点的误差：纵向不大于穿越长度的1%，横向不大于穿越长度的0.5%，曲线偏移量小于2m。4.5为确保曲线规则和出土点精度，可采用有线与无线控向相结合的方式进行联合控向，可适用于短距离、敷设深度较浅的穿越工程。5、预扩孔,5.1最终扩孔直径应根据管径、穿越长度、地质条件、钻机能力以及最后一次扩孔扭矩来确定。一般情况下，最小扩孔直径与穿越管径的关系见表：,5.2扩孔宜采取分级、多次扩孔的方式进行。一般地层扩孔级差不大于150mm。5.3当穿越管段直径小于325mm，地层为粘土、亚粘土、粉土、粉砂层时，可不进行预扩孔而直接连接扩孔器进行回拖，当管径大于325mm，且地质为中砂层时
34、应进行预扩孔。一般情况下管径每增加150mm时应增加一次预扩孔。管径与预扩孔次数及地质情况变化对照表如下：,5.4扩孔时钻具组合顺序为：钻杆扩孔器钻杆5.5扩孔器公母扣两端应加保护短接，防止扩孔器扣型损坏。5.6扩孔过程中，各工序紧密衔接，扩孔器进洞前，应开泵检查扩孔器水眼有无堵塞，保证水眼泥浆压力正常后再进行扩孔，以免水眼堵塞引起卡钻。6、清孔6.1清孔通常选用同级别的桶式扩孔器，清孔效果较好。6.2清孔的主要目的就是进一步将孔眼内的泥沙、岩屑携带出来，减少钻屑的沉积而使孔清洁；清孔的另一个目的是在一定程度上修正孔眼。6.3清孔的次数通常根据泥浆循环时间、切削量等因素灵活把握，扩孔过程中，如
35、果扭矩、拉力较大，可考虑进行清孔作业；清孔结束后，再继续进行扩孔。回拖前应进行清孔作业直至扭矩、压力稳定正常。6.4岩石地层通常扩两遍孔后至少清孔一次。,7、管线回拖,7.1回拖前，应完成以下事项：a）连接前用泥浆冲洗钻杆，以确保钻杆内无异物。b）连接后要进行试喷，确保扩孔器畅通无阻。c）旋转接头内应注满油，旋转应良好，无卡阻现象。d）回拖前应对钻机、泥浆泵等设备进行保养和小修。e）回拖前应对工作管线进行电火花检漏，回拖过程中防腐人员发现有破损现象及时进行补伤。7.2水平定向钻机回拖宜采取发送沟注水浮管或发送道的方式，北方冬天也可采用垫白菜的方式防止磨损防腐层。,7.2.1采用发送沟的方式：1
36、）在回拖前，应将穿越管段吊放至发送沟(吊具用吊带)。发送沟应根据地形、出土角确定开挖深度和宽度。一般情况下，发送沟的下底宽度宜比穿越管径大500mm。2）发送沟内注水。一般情况，管沟内最小注水深度宜超过穿越管径的1/3,能够保证回拖管处于漂浮状态。3）宜采取措施，回拖入土处要修筑”猫背”，根据管线的自然弹性弯曲来考虑，管道入土角与实际出土角一致，以免造成回拖受阻等情况。7.2.2采用发送道（托管架）的方式：1）根据穿越管段的长度、重量、管径确定托管架的跨度和数目。2）托管架的高度设计须满足预制管段弯曲曲率的要求。3）托管架的强度、刚度和稳定性应满足设计要求。7.3回拖钻具的连接顺序：钻机钻杆扩
37、孔器旋转接头U型环牵引头管线7.4回拖管线用扩孔器应比管线直径大50100mm，一般选用桶式扩孔器。7.5牵引头一般制作成锥形，以减小回拖阻力，防止泥沙堆积，牵引头材质、焊接方法应符合相关标准的规定，并且必须满焊，如图所示。,7.6回拖穿越管段应连续作业，在钻机扭矩和拉力允许的范围内，钻具和回拖管线能够承载的拉力情况下，以最大的回拖速度进行回拖。7.7岩石地层管线回拖可采用加配重的方法：回拖管段在孔中是漂浮状态的，管道上部防腐层受钻孔上壁损伤较大，因此要增加管道重量。在穿越管段整体预制完毕后，在其中穿一根相应的螺旋焊缝钢管或PE管（管径通过计算确定，使回拖管线处于悬浮状态），钢管中再注满水。这
38、样穿越管段的重力增加，浮力相对减小，使浮力略大于重力，工作管处于漂浮状态。为方便施工，在钢管外部每隔12米安放一组滑块，穿越完毕再将此钢管全部取出。如下图示：,二、钻头的选择1、钻导向孔钻头：根据不同地质条件采用三牙轮钻头或牙板钻头，通常短距离标贯较低地层选用牙板钻头，长距离（800m以上）标贯较高地层采用三牙轮钻头，岩石地层采用泥浆马达三牙轮钻头。1.1三牙轮钻头定向钻施工中最常用的钻头是三牙轮钻头，又分为镶齿三牙轮钻头和钢齿（铣齿）三牙轮钻头，如下图示：,二者最大的区别在于镶齿三牙轮钻头破碎、耐磨能力强，而钢齿三牙轮钻头切削能力强，因此镶齿三牙轮钻头最适用于岩石地层穿越，钢齿三牙轮钻头适合
39、于除岩石之外的任何其他地层。钻头的规格要和选用的螺杆合理搭配。1451657单弯螺杆配91/2或12钻头比较合适，小一些的钻头形成的环形空间小，影响单弯螺杆的旋转；大一些的钻头切削量自然增大，螺杆的功率无法满足。目前镶齿钻头的常见齿型有球形、尖卵形、偏顶勺形、勺形、圆锥形、楔形、锥勺形、边楔形等，楔形齿适用于软至中硬地层；球形齿耐磨性最好，适用于硬至极硬地层；尖卵形和圆锥形齿的锥形有长锥、短锥、双锥、单锥等形状，适用地层广，尤其适用于中硬地层；勺形齿适用于极软至中软地层。三牙轮钻头可以和单弯螺杆搭配使用，也可以和造斜短节搭配使用，选用造斜短节的角度为1302即可，依地层硬度而定。,1.2牙板钻
40、头对于标贯较低（10以下）的地层，使用牙轮钻头配合以单弯螺杆或造斜短节的造斜效果不满足曲线要求，通常会出现钻进曲线（钻头走向）难以控制的现象，这情况下使用牙板钻头。牙板钻头的结构如下图所示：,牙板钻头只适合于软地层，对于距离长、标贯在20以上的地层，建议使用牙轮钻头。另外牙板钻头修孔、切屑能力差，调整方向敏感等缺点。1.3造斜工具：造斜工具主要有造斜短节、单弯螺杆、牙板钻头。1.3.1造斜短接造斜短节一般为1302（狗腿度），通常是和三牙轮钻头组合使用，使用过程中易受地层硬度限制，造斜短节和三牙轮钻头组合使用时，如遇较硬地层，则推力大；如地层较软，则造斜效果不明显。造斜短节和牙板钻头组合使用时
41、适用于较软地层。,1.3.2单弯螺杆 单弯螺杆既是造斜工具，也是钻进动力工具。一般使用145单弯螺杆，国内生产的LZ系列1657螺杆钻具基本上能满足各种施工需要，对泥浆流量的要求为1628L/s，很容易实现。小一点的螺杆功率小，影响进尺速度；大一点的螺杆虽然进尺速度快，但对泥浆排量要求很高。选用34级螺杆即可，级数高的虽然扭矩增大，但转数低，影响进尺速度；级数低的虽然转数高，但扭矩达不到要求。螺杆一般只和三牙轮钻头搭配使用，主要适用于较硬地层，岩石地层只能用螺杆。对于标贯较低的松软地层，由于螺杆的重量大而下沉，使用螺杆很难抬头。1.3.3牙板钻头牙板钻头造斜效果最明显，适用于极软地层。三、不同
42、地层扩孔器的选择1、扩孔器类型：扩孔器类型主要包括刮刀式、锥式、桶式和岩石扩孔器。1.1刮刀式扩孔器（如图一）适合于粘土层，或与桶式扩孔器结合使用，另外，在长距离沙层中不宜使用，刀式扩孔器在遇到扭矩增大等紧急情况时回退难度很大。,1.2锥式扩孔器前面为锥形（如图二），利于成孔和清孔，但后端为平面，遇到紧急情况回退难度更大。1.3桶式（又称双锥桶式）扩孔器（如图三），适用于砂层扩孔，其特点是扩孔成孔好、孔眼清扫干净、扩孔受阻时容易回退，其弊端是在高粘土地层容易发生泥包。,2、岩石地层的扩孔作业：2.1扩孔必须使用岩石扩孔器并选用可灵活调整级差的扩孔器，也就是说扩孔器的一个本体通过安装不同的牙轮可
43、满足不同尺寸的扩孔需求，如图（四）示。2.2岩石地层扩孔级差不宜过大，一般不要超过6，如果岩石硬度较高或钻机能力有限，可将级差降至4或2，随着孔径的增大级差相应降低。即便钻机能力允许也不要过度加大扩孔级差，因为级差大势必会造成扭力增大，这涉及钻具的承受能力问题，造成钻具卸扣困难。2.3如果扩孔直径在18以上扩孔器前端应连接扶正器，扶正器的直径比扩孔器小46。扩孔器与扶正器的连接如下图所示：,第六章 泥浆配制工艺 泥浆被视为定向钻的“血液”，是定向穿越中的关键控制因素，其主要作用是悬浮和携带钻屑净化钻孔、稳定孔壁和降低扭矩和推拉力、冷却钻具。一.常用泥浆处理剂简介1、常用处理剂主要有工业纯碱、正
44、电胶干粉、CMC、CMS、封堵剂、油基润滑剂等，其主要性能特点如下：,2、处理剂的添加量一般控制在0.1%1%。二.泥浆性能参数1、密度 由于泥浆的特性密度，钻进中所需要的（超）静态流体压力（稍超压的地下水）可以作用于地下，支撑孔壁。由于切进的缘故，液体密度不断在增加。因此，有必要不断地用气体比重计或泥浆天秤测量进入地下和回流的泥浆。清洁的水/膨润土基液的密度是在1.05和1.20g/cm3 之间。,2、粘度 粘度（单位：mpa*s）可以理解为液体对流动的阻力。粘度存在着两种值，表观粘度和塑性粘度。满足被钻土质要求的粘度可保证泥浆的液压特性，尤其是被钻固态物质的运送和泵送能力。液体参数可以用构
45、成粘度的添加剂予以变更。粘度的测量单位，多数情况下使用一升泥浆通过“马氏漏斗”（马氏粘度）的时间来表示。如有必要，可用旋转的“叶片粘度计”提供屈服点或塑性粘度（宾汉模型）的精确数值。从这些数值可推导出泥浆的液压的和载荷承载能力。3、PH值 PH值控制膨润土的物理化学结构并确定它们的电化学载荷，这就决定了钻屑液体的有效性以及添加剂的有效性。PH值是评定泥浆化学反应的重要参考值。膨润土液体的PH值应在8.0和10.0之间。4、固相成份 泥浆中所有不可溶解的组分都叫做固体。依据颗粒大小，可以分为胶质、淤泥和沙。测定是以AP1筛子并用沙量杯进行的。固体成份（单位：容积%）用以鉴定泥浆的携带能力，泵送能
46、力，磨蚀能力，以及输送容积，钻孔的清洁度验证和泥浆再循环中使用的分离设备（筛，旋风分离器，离心机）的有效性。,5、循环容积 循环容积（单位L/min）必须经常监测并记录，尤其在早期探测钻屑液体流失或稀释时必须如此。根据它的差别可以探测到钻孔塌方或土地变动的危险，从而可采取必要的措施。需要的流量决定于钻屑的地质条件和钻孔液体的携带能力。总流体流量是根据钻孔体积和流入土地的流体损失系数计算出来的。该系数一般依据土地资料在1.05到2.20之间。VB=dA2/4LBfk 式中：VB=钻孔体积,m3;dA=钻孔最后直径,m;LB=钻屑长度,m;fk=液体损失系数;6、滤失量 动滤失：在泥浆循环的情况下
47、，泥浆建立、增厚、直至平衡而滤失速度也由开始较大逐渐减少至恒定形成泥饼；静滤失：停止循环时，不存在泥浆液对泥饼的冲刷力，随着滤失的进行，泥饼逐渐加厚，滤失也逐渐减少。静滤失的滤失量比动滤失小。滤失量适中，形成泥饼薄、致密、韧性好、摩阻小。可通过滤失量测定仪测定，通常不超过15ml/30min。7、按工程特性（如坚硬岩石钻屑或丘陵松散岩石钻屑），也需测定钻屑液体的流动曲线（剪切应变/剪切梯度），胶凝强度或动态流体压力。需用粘度计测量。,三.配浆用水 水是最重要的配浆材料之一，配浆用水PH值应控制在8-10，含盐量不超过10g/L，无固体杂质，通常用纯碱来净化水质，降低水的硬度和调节PH值，处理后
48、更适合膨润土水化分散。配浆用水尽量选用淡水，可取施工场地附近河流水，也可在施工场地内打井抽水。四.泥浆配方1、在穿越施工中，不同地质条件下要求泥浆的性能指标不同，通常通过改良泥浆配方来改善泥浆的性能。可穿越地质主要分为：粘土、亚粘土、粉砂细砂、中砂、粗砂砾砂、岩石。2、不同管径的导向孔、扩孔回拖过程中所需泥浆性能也稍有不同。导向孔阶段泥浆粘度相对要低，随着扩孔级别增加粘度应依次增加5-10s，增加携屑能力，降低失水，回拖时粘度不应太高需比最终扩孔级别时粘度低5-10s为宜。3、各种地层特点、穿越特点及对泥浆性能要求，如下表：,4不同地层泥浆性能指标参数，如下表：,1、穿越工程由于泥浆用量大，要
49、求保证泥浆中钻屑含量（一般保持在10%左右，保证施工安全），在钻机一侧采用泥浆回收的方法重复利用泥浆来满足大量泥浆的需要和减少废弃泥浆的污染。2、从钻导向孔、扩孔到回拖，有多个工序需耗用较多泥浆，如不回收将增加工程成本，造成环境污染，所以安装回收、处理泥浆系统减少泥浆总量是必要的，出土点的泥浆通过钻杆倒运到入土点进行处理再利用，同时要及时清收和控制跑冒的泥浆。,第七章 定向钻穿越施工相关知识,3、施工中要根据泥浆回返，冒顶情况和泵压变化等分析，判断并采取对应措施。如严重冒顶可进行封堵处理，当钻屑过多导致扭矩增大，应停止钻进，先进行循环，排砂或采取其它措施，待正常后再恢复钻进。4、当需较长时间停
50、钻，应及时替入新泥浆提高护孔能力，防止塌孔卡钻；当出现钻屑床时，在泥浆中加入0.050.1%的泥浆结构剂。坚持循环泥浆清扫孔眼。,一、司钻相关知识1.钻机旋转扭矩和拉力主要通过压力表进行观察，司钻要时刻注意扭矩和拉力变化，并作好相关记录。2.扭矩压力表表示类型主要包括四种：扭矩（Nm）；MPa；PSI（磅/平方英寸）；巴(bar)；扭矩：物理学中力矩的大小，力和力臂的乘积，单位Nm。1Kgm=9.8Nm；PSI（磅/平方英寸）：欧美国家压力表示单位；1Psi=6.895KPa=0.0703kg/cm2=0.0689bar=0.068大气压（ATM）；1bar=0.1MPa=100KPa=1.0
