定向钻基础培训

目 录
第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 一般介绍 常用规范 勘察现场 设计基本资料 设计内容 设计步骤 检测与防腐 CAD设计演示
1.1 、一般介绍 1 一般介绍
• 发展与应用 • 始于二十世纪七十年代的水平定向钻进穿越 技术，综合了传统的道路钻孔、地质勘探和油气 井定向钻进技术。这项技术已成为一种完善的施 工方法。它应用于穿越河 流和水渠、街道、高速 公路、铁路、机场跑道、海滩、岛屿、建筑物拥 挤的地方、管线通道和运河等的石油、天然气、 自来水、污水及其它流体的管线铺设和电力与 电 讯电缆的导管铺设等。
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在城市市区施工时，由于受街道围墙的限制或必须在拥挤的小胡同、 人行道、风景区或特殊的公共通道的地方工作，设备须线性排列，占 据空间不超过单行道宽度。 • 施工场地还须考虑开挖进、出口坑和泥浆循环池。尽管水平定向穿 越对公共设施的破坏最小，但必须告知财产所有者或管理机关，这些 坑是定向穿越施工的必要组成部分。
• 管线场地
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应提供足够长的工作空间便于欲铺设管子的连接。穿越工程的设计， 应尽量设法将欲铺设的管线做到全长度一次性拉入，并尽可能避免水 平方向的弯曲。多次回拉连接管线会增加施工风险。
管道一侧要有足够长度的施工现场，现场宽度应满足管道施工的需要（一般 为12----18米）。总长度以能够摆放下所预制的管道为准，（场地的总长度一 般为穿越管道长度再加上20米）在回拖前，要将管道预制完成，包括焊接， 通球，试压防腐等工序，在回拖过程中，不能再进行管道的连接工作，因为 回拖过程是要连续进行的（小于4h） ，若此时进行管道连接将可能造成地下 孔洞的塌方，极可能造成整个工程施工的失败。
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注：管径小于400mm的管线，在钻机能力许可的情况下，可直接扩孔 回拖。 • 2 扩孔宜采取分级、多次扩孔的方式进行。 • 3 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。
• 拉管
扩孔完成后，即可拉入需铺设的成品 管。管子最好预先全部连接妥当，以利于 一次拉入。当地层情况复杂，如：钻孔缩 径或孔壁垮塌，可能对分段拉管造成困难。 拉管时，应将扩孔器接在钻杆上，然后通 过单动接头连接到管子的拉头上，单动接 头可防止管线与扩孔器一起回转，保证管 线能够平滑地回拖成功。
?工程概况?设计依据?遵循的标准规范?自然地理条件?河势分析及防洪影响评价?区域地质与地震?水文地质条件?工程地质条件?穿越设计?穿越设计范围内管道设计?施工技术要求?健康安全环境保护与水土保持?主要工程量专业资料工程概况?工程概况应包括以下内容
水平定向穿越设计基本知识
2014年度培训
陈寿安
天津市燃气热力规划设计院 2014.10
2 基本规范
• 油气输送管道穿越工程设计规范 GB 50423-2013 • 油气输送管道穿越工程施工规范 GB 50424-2007 • 油气输送管道线路工程抗震技术规范 GB50470-2008 • 油气输送管道工程水平定向钻穿越设计规范 SY/T 6968-2013
3 勘察现场
水平定向钻进穿越工程需要两个分离的工作场地： • 1、设备场地（钻机的工作区）（入土点区域） • 2、管线场地（与设备场地相对的钻孔出土点工作 区）（出土点区域）。 • 场地大小取决于设备类型、铺管直径和钻进穿越 长度。 • 5.1.1 穿越断面应选择在水域形态稳定的地段， 两侧场地应满足布设钻机、泥浆池、材料堆放和 管道组焊的要求。
• 钻杆 钻杆要求有很高的物理机械性能，必 须有足够的轴向强度承受钻机给进力和回 拖力；足够的抗扭强度承受钻机施加的扭 矩；足够的柔韧性以适应钻进时的方向改 变；还要尽可能地轻，以方便运输和使用； 同时，还要耐磨损。
• 导向系统
多数水平定向钻进技术要依靠准确的钻孔定位和导向系统。随着 电子技术的进步，导向仪器的性能已有明显改善，能获得相当高的精度。 • 导向系统有几种类型，最常用是“手持式跟踪（walk-over）”系 统，它以一个装在钻头后部空腔内的探测器或探头为基础。探头发出的 无线电信号由地面 接收器接收，除了得到地下钻头的位置和深度外， 传输的信号还包括钻头倾角、斜面面向角、电池电量和探头温度等等。 这些信息通常也转送到钻机附属接受器上， 使钻机操作者可直接掌握 孔内信息，从而据此做出必要的轨迹调整。 • 手持式跟踪系统的主要限制是：必须要直接到达位于钻头上部的 地面，这一不足可采用有缆式导向系统或装有电子罗盘的探头来克服。 有缆式导向系统用通过钻杆柱 的电缆从发射器向控制台传送信号。虽 然缆线增加了复杂性，但由于不依靠无线电传送信号，对钻孔的导向可 以跨越任何地形，且可用于受电磁干扰的地方。 • 为使电子元件免受严重动载，一种基于磁性计的导向系统用于有 冲击作用的干式水平定向钻进系统上。系统的永久磁铁装在冲击锤体上， 当其旋转时即产生磁场，磁场的强度及变化由地表磁力计探测，数据交 由计算机处理，计算出钻头的位置，深度及面向角。
施工设备
• 钻机 式。
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钻机根据工作位置分为两类：地表始钻式和坑内始钻
地表始钻式钻机具有行走机构，方便迁移。铺管施工时，可不需 要起始坑和出口坑，但管线连接时需要开挖。如果要求在地下相同深 度连接其它管线，可能会浪费几 米新管。地表始钻式钻机有几种桩定 方式锚固钻机，性能完善的钻机桩定系统是液压驱动的。一些地表始 钻式钻机是整装式的，载有钻进液用搅拌池和泵，以及动力 辅助装置、 阀和控制系统，有的还配置有钻杆自动装卸系统，定长的钻杆装在一 个“传送盘”上，随钻进或回扩的过程自动地从钻杆柱上加、减钻杆； 有的搅拌池和 泵等设备是分离配置的。 • 坑内始钻式钻机一般体积较小，施工时在钻孔的两端都需要挖坑， 可在操作空间受限的地方使用。坑内始钻钻机固定在发射坑中，利用 坑的前、后壁承受回拉力和给 进力。一些设计紧凑的钻机的起始坑， 比接钻杆所需的坑稍大一点即可。钻杆单根长度受坑的尺寸限制，这 对铺设速度和钻杆成本造成影响。
调压器： 自动调节燃气出口压力,使其稳定在某一出口压力范围的装置。 （GB 27790-2011 《城镇燃气调压器》）(燃气调压阀、减压阀）
基本概念
• 优越性 • 在非开挖技术行业中，水平定向钻进是主要 的增长领域之一。目前，在石油、天然气、自来 水、电力和电信部门，水平定向钻进已是一种得 到广泛认可的铺管施工技 术，由于水平定向钻进 施工精度的提高，也可用于污水管和其它重力管 线的铺设。水平定向钻进穿越与其它施工方法相 比，对环境的影响最小，能提供障碍物下管线 覆 盖的深度大，对管线的保护作用大，维修费用小， 许多情况下费用更低。水平定向钻进穿越还有一 个可预测的短期施工计划。
• 扩孔
导向孔完成后，必须将钻孔扩大至适合成品管铺设的 直径。一般，在钻机对面的出口坑将扩孔器连接于钻杆上， 再回拉进行回扩，在其后不断地加接钻杆。根据导向孔与 适合成品管铺设孔的直径大小和地层情况，扩孔可一次或 多次进行。推荐最终扩孔直径按下式计算： Ｄ’＝ K1Ｄ 式中： Ｄ’——适合成品管铺设的钻孔直径 Ｄ——成品管外径 K1——经验系数，一般K1=1.2～1.5，当地层均质完整时， K1取小值，当地层复杂时，K1取大值。
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• 钻进液/泥浆 • 多数定向钻机采用泥浆作为钻进液。钻进液可冷却、
润滑钻头、软化地层、辅助破碎地层、调整钻进方向、携 带碎屑、稳定孔壁、回扩和拖管时润滑管道；还可以在 钻进硬地层时为泥浆马达提供动力。常用的钻进液/泥浆 是膨润土和水的混合物。导向孔施工完成后，泥浆可稳定 孔壁，便于回扩。钻进岩石或其它硬地层时，可用 钻进 液驱动孔底“泥浆马达”。 一些钻机采用空气作为钻进液，又称为“干式钻进工 艺”。其操作简单，废弃物少，不需要太多的现场设备， 但受铺管尺寸和地层条件的限制。
1.水平定向钻机2.电力供应设备3.钻杆4.水泵5.泥浆搅拌池6. 泥浆净化设备7.泥浆泵8.泥浆材料仓库9.发电机10.仓库 11.12.现场办公室13.入口坑14.钻屑处理池
GB50424规范场地说明
• 7.1.11施工便道及场地应符合下列规定： • 1 施工便道应具有足够的承载能力，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。 • 2 施工用水应符合配制泥浆的要求。 • 3 施工场地应能满足施工作业的要求。
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GB50424-2007扩孔规定
• 1 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，最小扩孔直径与穿越管径的关系应符合表7.3.2的规 定。 • 表7.3.2 最小扩孔直径与穿越管径关系(mm)
穿越管段的直径 ＜219 219～610 ＞610 最小扩孔直径 管径+100 1.5倍管径 管径+300
GB50424规范场地说明
• 7.1.14钻机场地应符合下列规定： • 1 小型水平定向钻机的安装场地可为 40m×40m，大型水半定向钻机的安装场地 一般约为60m×60m。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。 • 2 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。
• 附助设备
• • 大量的附属和辅助设备在水平定向钻进施工中起着重要的作用。 拉头——拉管的拉头类型很多，包括压力密封式拉头和专用于 水平定向钻进的改进型拉头。水平定向钻进拉头的一个重要作用是防 止钻进液或碎屑进入成品管，这对铺设饮用水管特别重要。 单动接头——单动接头（又称旋转接头）是扩孔和拉管操作中 的基本构件，应设计成防止泥浆和碎屑进入密封式轴承。单动接头的 承载能力从低于5 t至200 t 以上。 安全接头——可使用安全接头保护成品管，该接头上有一系列 在预定载荷下断开的销钉，可根据成品管的允许拉伸载荷断开接头。 这种断开式接头不仅可以减少因疏忽造成损失的风险，而且可防止操 作者试图追求高效率采用超过允许载荷回拉力。 其它重要的附助设备包括：聚乙烯管焊接机、管道支护滚筒和电 缆牵引器。在一些特殊条件下，还可采用管道顶推装置辅助拉管。
பைடு நூலகம்
• 水平定向钻穿越施工工艺 • 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 （沿着扩大了的导向孔回拖到导向孔中， 完成管线穿越工作。 • 视频演示
• 导向孔 导向孔钻进一般采用小直径全面钻头，进行全孔底破 碎钻进。在钻头底唇面上或钻具上，安装有专门的控制钻 进方向的机构。在钻具内或在紧接其后部位，安装有测 量探头。钻进过程中，探头连续或间隔地测量钻孔位置参 数，并通过无 线或有线的方式实时地将测量数据发送到 地表接收器。操作者根据这些数据及其处理这些数据得到 的图表，采取适当的技术措施调整孔内控制钻进方向的机 构，从而 人工控制钻孔的轨迹，达到设计要求。 • 常用的孔内控制钻进方向的机构主要有两类：一类是钻头 底唇面采用非平衡结构设计，如常钻头唇面是一个斜面， 当钻头连续回转时钻进直孔，保持钻头 不回转加压时， 则钻孔钻进偏斜。这类方法因需要在不回转的条件下破碎 岩层，所以在软质的土层大多数采用钻进液喷射辅助破碎 方式钻进。另一类是钻具采用弯外 管或弯接头，其弯曲 方向即决定了钻头的钻进方向。这类方法导向钻进钻杆是 不回转的，钻头破碎岩石的扭矩，来自于钻头后部的孔底 动力机，如螺杆马达或涡轮马 达。这类方法通常用于钻 进岩石等硬地层。
• 设备场地 • 安放设备、施工操作需要充足的工作面积。一般应保证钻进设备周
围具有至少大于钻杆单根长度的操作空间，设备上方应无障碍以保证 吊放和防止落物。如果设备是可分离的，摆放设备位置可由一些较小 的、不规则的面积组成。 • 参考：钻机施工场地至少需要30m，长45m的面积。该面积从入土点 算起，入土点应位于规定的区域内至少3m处，同时由于许多钻机配 套的设备或配件设有规定的存放地点，所以钻机一侧施工现场可由许 多不规则的小块组成，以便节省占地面积，现场尽量要平整，坚硬， 清洁，以便有利于进行施工。由于穿越施工时需要大量的淡水供搅拌 泥浆用，所以施工现场要尽量靠近水源或便于连接自来水管道的地方。 • 施工场地还应考虑可能干扰钻架或起重机操作的空中设施，以及可能 影响设计轨迹线和钻机布置的地下设施。交通高峰期对工作时间的限 制也影响施工场地的充分利用。