水平定向钻进和导向钻进施工法

水平定向钻进和导向钻进施工法

水平定向钻进施工法最初是从石油钻进技术引入的，主要用于穿越河流、湖泊、建筑物等障碍物，铺设大口径、长距离的石油和天然气管道。定向钻进施工时，按设计的钻孔轨迹，采用定向钻进技术先施工一个导向孔，随后在钻杆柱端部换接大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待铺设管线，在回拉扩孔的同时，将待铺设的管线拉入钻孔，完成铺管作业。有时根据钻机的能力和待铺设管线的直径大小，可先专门进行一次或多次扩孔后再回拉管线。在定向钻进中，大多数工作是通过回转钻杆柱来完成的，钻机的扭矩与轴向给进力和回拉力同样重要。

水平定向钻进铺管在美国使用最多。美国按照钻机铺设管线的直径和长度能力，将用于非开挖铺管的定向钻机分为三类，即小型(Mini)、中型(Midi)和大型(Maxi)。

水平定向钻进和导向钻进之间并没有严格的界限。导向钻进技术的基本原理大致和定向钻进相同，即先钻一个小口径的先导孔，随后边扩孔边回拉铺设地下管线。由于小型定向钻机采用的钻孔轨迹量测、控制技术与大中型钻机的不一样。因此，国际上通用的分类方法是将采用小型定向钻机施工的方法称之为“导向钻进”。“导向钻进”一般是指用于铺设小直径、长度较短的管线；而将采用大中型定向钻机施工的方法称之为“定向钻进”。对于大型工程，直径较大(有些直径大于1m)的管线施工则属于“定向钻进”这一范畴，如穿越较大的河流、运河和高速公路施工。

水平定向钻进和导向钻进技术在铺设新管线中所占有的市场比例在不断地增加。最近几年，设备的能力得到了改进，非开挖铺设新管线的优点也越来越被广泛地重视。非开挖施工除了明显的环境上的优点外，导向钻进的相对成本在许多应用场合也降到开挖施工的成本以下，即使忽略干扰交通等社会成本也是如此。

水平定向和导向钻进的优点为：对地表的干扰较小；施工速度快；可控制铺管方向，施工精度高。定向钻进的不足之处在于对施工场地要求较大，在非黏性土层和砾石层中施工比较困难，一般适用于不含大卵石的各种地层，包括含水地层。导向钻进不适用于砂层和砾石层，一般适用于软土层；由于受到探测器的探测深度的限制，导向钻进的深度有限。

导(定)向钻进设备

导(定)向钻进设备主要包括用于管线探测的仪器和导(定)向钻机。

一、导向仪

导向仪是导向钻进技术的关键配件之一，它用来随钻测量深度、顶角、工具面向角、温度等基本参数，并将这些参数值直观地提供给钻机操作者，其性能是保证铺管施工质量的重要前提。目前，导向仪有手持式、有缆式和无缆式三大类。

1．手持式导向仪

手持式导向仪主要由三部分组成：孔内探头、手持式接收机和同步显示器。测量深度是手持式探测仪的重要功能之一。为适应市场的需要，许多公司将仪器的测深能力由6m提高到10～20m，见表4-2。另外，测量顶角、工具面向角的方式从原来的定点显示改为连续显示，顶角的增量改为1％，这样一来使操作者可以更加方便、准确地控制钻孔的方向。

大深度手持式导向仪表4-2公司名称型号测深

英国雷迪公司RD385,RD386(DrillTrack) 4～20

美国DCI公司DigiTrak MarkⅢ,Ⅳ,Ⅴ,Eclipse5～21 美国Ditch Witch公司Subsite 75R/T,66TKR,750R/T 3～30

美国McLaughlin公司Spot D Tek Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ3～15

2．有缆式导向仅

随着导向钻进铺管技术应用领域的不断扩大，手持式导向仪在许多场合显示出不足，如在繁忙的街道下穿越铺管时，手持式导向仪显得不太方便，易产生交通事故；穿越河流时，手持式导向仪需要船只配合，问题较多。另外，手持式导向仪的测深能力往往不能满足使用需求。这些因素促成有缆式导向仪在导向钻进中得到应用。目前有两种有缆式导向仪：一是类似石油定向钻进使用的有缆式导向仪，应用磁通门和加速度计作为基本测量元件，只是在测量深度、耐湿和耐压等性能参数方面有所简化，价格比石油钻井仪器的低。另一种是在手持式导向仪的基础上改进而成的有缆式导向仪，它通过电缆向孔底探头提供电源，增加STS 发射功率，同时用电缆传输顶角和工具面向角等基本信息，深度还是通过手持式接受机来测定。这种仪器的价格只是石油钻井用仪器的10％～20％。表4-3列出的SubsitSTS属于第一种有缆仪器，另两种属于第二种有缆式导向仪。

公司型号测深能力,m 孔长范围,m Ditch Witch Subsit STS 60 450 Utilx Wireline System 25 240

DCI Digi Trak 100 Cable 43

3．电磁通道无缆随钻测量仪

有缆随钻测量系统解决了手持式导向仪存在的一些问题，但这种系统也有一些弱点：如电缆传输的信息须通过滑环导出；每接一根钻杆，就需要做一个电缆接头，操作繁琐；电缆的使用是一次性的，电缆接头多使故障概率增高。为了解决这些问题，美国Guided Boring Systems公司和Maurer公司联合开发了以电磁波传输信息的无缆随钻测量系统Accunav。该系统测量精度高，测量孔长可达300m，可用于小口径导向钻孔钻进，并且成本相对较低廉。该系统也采用磁通门和加速度计作为钻孔方位角、工具面向角和顶角的测量元件。

GT-l型工程导向孔多功能无线探测仪

1994年河北省地矿局利用已开发的钻孔电磁信号通道及HB—1型无线随钻自动定向仪的有关技术，吸取管道探测仪的优点，研制和试验成功了工程导向专用探测仪。经过进一步改进，在1995年成功地研制出了工程导向多用途无线探测仪。该仪器的主要功能有：

①管线探测仪功能；

②探测钻孔和管道水平投影位置和深度；

③随钻定向仪功能：监测工具面向角(360‘分16等分进行监测)和倾角(30°范围按0°、±l°、±3°、±5°、±7°、±10°、＞12°及＜－12°分段监测)；

④定向指挥仪功能：向钻场监示器发送测量数据和造斜指令。

仪器由孔内仪器、地面探测仪和钻场监示器三部分组成。

(A)孔内仪器装在造斜工具和钻杆柱之间，它监测造斜工具面向角和倾角并向地面发送电磁脉冲信号。地面探测仪接收电磁信号，根据磁场分布和衰减规律测定钻孔水平位置和距地面的深度，解调电磁脉冲以测定工具面向角和倾角。测量结果及造斜指令由地面探测仪自动无线转发至钻场监示器。

孔内仪器由传感器、控制电路、发射电路、螺管线圈和温度传感9S组成。孔内仪器通过传感器检测工具面向角和倾角。经控制电路、发射电路和螺管线圈将调制过的电磁脉冲信号发送到地面。当温度高于65℃时，控制发射电路向地面发出报警信号。孔内仪器由R2025锂电池供电，更换一次电池可连续工作24小时以上。

孔内仪器外径74mNl，总长550mm，并有足够的强度、赖压和抗震能力，可以用于高压水力钻进和空气潜孔锤钻进。