水平钻机外文翻译

水平定向钻机非开挖技术

——相关的风险和减轻风险

摘要

目前水平定向钻进技术被普遍应用，大多数的电缆和管道安装都成功的运用这项技术，但在一些情况下，在地下对该技术的风险仍然缺乏足够的控制。因此，在钻井阶段，为了预防意想不到的危险，应该对那块土壤做相应的危险分析。在风险分析中最重要的阶段是确定风险的情形。在钻井阶段，确定风险，需要足够的相关知识，以定性的方式一旦确定所有的风险，知道风险的重要性。在风险的统计中通常用定量或半定量的方式是必要的。在分类风险后，对特别重大的风险可以确定缓解措施。由于概述了所有可能的风险，水平定向钻广泛使用。本文的重点是水平定向钻出现频率最高相关的风险：（1）、局部的井壁失稳引起高拉力或不能完全撤出；（2）、在空里面由于摩擦力引起的高拉力或不完整的拉回；（3）、渗流通过钻孔的表面。

1、介绍

在有限的空间内，在人口稠密的地区压力是很大的，人口增长以及商业活动的增加将会建造新的住宅区和工业区。地下基础设施在现代世界的一个重要组成部分，在短时间和有限的空间内，社会经济发展需要当局和建设部门适当的政策和灵活的态度。非开挖技术能在很短的时间内和有限空间内为电缆和管道的安装提供方便，因此成为我们现代世界必要的工具。

从上世纪九十年代初期开始，非开挖技术被广泛应用，尤其是水平定向钻进技术变得非常流行。水平定向钻进是非开挖管道安装技术中增长最快之一。一方面，当电缆，管道或小隧道穿越公路时，提供了一个合理的选择，另外铁路，堤防，湿地，河流和其他设施能保持完整。

图1 水平定向钻机经济敏感地区提供管道安装

在很短的时间内，水平定向钻在电缆和管道的安装中成为了一项普遍的技术，水平井钻井技术的好处是非常明显的：

•需要一个相对较短的安装时间；

•相对较低的安装费用；

•在道路铁路和堤坝的安装中最大限度地减少负面影响；

•不会中断铁路和水路交通；

•最大限度地减少管道或电缆的外表面以后的活动

虽然水平定向钻进技术在目前很流行，大多数的电缆和管路的安装很成功，该技术对来自地下的风险仍缺乏足够的控制，相关危险分析工作能有效地控制风险。

2、水平定向钻机

水平定向钻从八十年代开始大量的被应用，对于水平定向钻多年的研究已使其设计规范。

在水平定向钻进安装中要考虑三个安装步骤：

•钻先导孔

•对最初孔扩孔

•回拉管道钻扩孔

最初钻的孔称为先导孔，使用钻孔液钻孔，通过旋转钻头送进去。在钻头顶部由于相对较高的压力有利于土壤向外表面的运输，使用钻孔器把先导孔扩大。钻孔使用钻孔器可通过几个步骤增加直径，这取决于所需要的最后的孔直径。最后，管子被拉入钻孔。在所有三个钻井阶段钻孔液都存在于钻孔中。

图2水平定向钻探阶段：

一个成功的水平定向钻有3个很重要的因素：

•钻井设备

•钻井液

•通过土壤层进行钻探。

水平定向钻钻进，前面的两个与第三个是密切相关的（选择合适的钻井设备和钻井液主要取决于土壤和地下水），在水平定向钻进工作时，土壤的性质是很重要的。在钻进过程中，地下水对机器的化学作用在风险分析时起主要作用。

3、土壤相关的风险分析

风险就是可能发生的某一特定的、不想要的后果，风险分析可以分为几个步骤：

1）、采集数据

2）、识别风险

3）、风险等级

4）、对减轻风险采用控制措施

5）、对残余风险评价

第二步是的风险分析种最重要的，在钻井阶段过程中，对风险认识需要足够的知识，所有的风险以定性的方式确定，经常以定量或半定量的方式统计风险的等级是必要的，在确定风险等级后，对相关的特别风险可采取缓解措施。

概述了所有可能的风险，定向钻将应用更加广泛，本文的重点是水平定向钻机出现最多的与土壤相关的风险：

1）、局部的孔壁失稳引起高拉力或不能完全撤出；

2）、钻孔的摩擦力引起高拉力或不能完全撤出；

3）、流体由钻孔渗到表面；

在钻孔的三个阶段都可能出现钻孔不稳定的情况，当然，在拉回操作中，最引人关注是钻孔的崩溃，拉力增加可能会超出钻机承受能力或超过管材料的屈服强度。

井壁失稳引起的原因可以分为：

•由于松散的便携粒状土层；

•由于存在非常渗透砂砾层；

•由于地下水的高压力；

•由于地下水流动；

•由于强度非常低的土壤层；

•由于钻井液和地下水的化学反应；

•由于钻井液与土壤颗粒化学反应。

在拉回操作中移动的管线接触钻孔壁，被一个确定的垂直孔壁力推动，在拉回操作中这些垂直的力决定了在轴向方向大部分的剪切力和导致土壤的变形，在弯曲部分的钻孔路径增加对钻孔壁的力。

高摩擦力的原因可以分为以下几种：

•由于与土的强度相关的硬管道和钻孔路径的弯曲半径；

•由于土壤不均质，带来转向问题，从而导致不规则的孔眼和不规则的钻孔路径；

•由于在凿孔与钻井液的单位重量有关的镇流管道的错误

水平定向钻通过较高的水压力层会存在渗流的风险，在这种情况下，钻井液是非常重要的，因为渗流的发生能被钻井液的静态压力控制。

渗流发生的原因可以分为以下几类：

•在含水层由于高压头，超过静态下的钻井液压力；

•在钻孔阶段钻井液的密度对钻孔壁；

•接头焊缝的进入或退出；

•由于钻井液和地下水化学反应；

•外部原因，地下水的高压力，如：管道破坏；

在提到的上述过程中确定3种类型的风险，适当的分类和建立减灾措施是必要的，随后的章节将会处理提到过程的背景。

4、孔壁失稳

在拉回操作中，保证成功最重要的因素是钻孔的稳定，如果孔不稳定管土相互作用变化剧烈，如果孔倒塌，一个非常大的土壤载荷最大限度的作用在管道上，然而孔的井壁失稳产生更高的牵引力，这是可以克服的，一个较大长度的钻孔的不稳定，必将导致管道卡紧，以及不能完整的拉回。

除了钻井液压力的降低，引起孔壁失稳的原因是：

•地下水压力高于钻井液的静态压力；

•一个不稳定的钻井液由于在有盐环境石或咸水中凝结的皂白；

•在松装砂中钻孔，其中小剪应力可能导致崩溃周围的土壤；

•在一个与粒度分布均匀井粒状土壤中，为了联锁，需要拱颗粒土壤，才不会发生井壁失稳。

如果可能，在钻孔路径设计中应该避免这种情况，井壁稳定是难以维持的。例如，应避免钻孔路径通过层粗砾石，松砂和非常软的粘土/泥炭或采取相应的措施。

5、减轻风险

在拉回操作中根据确定的风险，在水平定向钻工作之前和工作过程中可以采取一系列措施减轻风险，下面列举的措施近阶段已经在实施中：•在钻进阶段加重钻孔液的重量；

•钻井工程；

•使用较大的弯曲半径为设计准则；

•在松散的土壤层使用套管稳定孔筒壁；

•在不同的土壤条件下详细的土壤调查获得信息；

•通过位置测量来确定钻孔路径；

•使用强涂层防止和土壤反应而损坏；

•在水平定向钻进中，测量土壤层地下水的化学成分；