水平定向钻施工作业中的有关计算

作者简介：杭超军（1973—）男，助工，1997年毕业于北京建筑工程学院城建系燃气专业，长期从事水平定向钻施工工作。

现任西安市天然气工程有限责任公司经营管理部副部长。

随着全国市政建设的高速发展，市政公用设施——城市地下管线的修复更换，安装完善工作也得以高速发展。

随着人们环境意识的增强，无开挖，无污染，高速高效施工方法——水平定向钻顶管敷管法已在全国范围高速发展，水平定向钻施工企业也在全国迅速膨胀，水平定向钻施工技术，实际操作经验也逐渐提高。

为适应这样趋势，本文汇总了水平定向钻施工作业中的相关计算，与施工作业者讨论。

1管重及回拖力计算
1．1管子重量计算
计算管子重量时，查找各种材料手册比较方便。

也可用以下公式进行计算：
Q=π(DW-S )S γ/1000对于钢管则用下式计算重量：Q=0.02466S (DW -S )式中Q ：管子重量,㎏/m ；
DW ：管子外径，mm ；S ：管子壁厚，mm ；
γ：管子材质密度，t/m 3，如钢取7.85，铸铁取7.2。

1．2所需回拖力计算
回拖产品管线所需回拖力也就是管壁和孔壁之间摩擦力w ，其由下式计算：
w =[2p (1+k a )+p 0]f L
式中：w ：管壁和孔壁之间摩擦力，KN ；
p ：土对每米管道压力,KN/m ；
k a ：主动土压力系数，一般取0.3；p 0：每米管道重量,KN/m ；
f ：管壁和孔壁之间摩擦系数,02～0.6；L ：管道长度，m 。

由上式可知，摩擦力主要取决于土对管道压力p 和摩擦系数f 的大小。

土对管道压力主要与土层的性质和导向孔的曲率有关。

沙土的粘聚力小，对管道的压力大，p 一般按所敷管线直径1～2倍高度土质量计算；粘性土的粘聚力大，对管道压力小，p 一般按所敷管线直径0.5～1倍高度土质量计算。

导向孔的曲率半径R 对p 影响也较大，但当R ﹥1200D （D 为管线直径）时，可以不考虑其影响。

2钻径轨迹的设计计算
钻径轨迹的计算是施工作业成败的关键环节。

其是顶钻施工实际操作的理论指导依据。

只有合理的，切乎实际的正确计算，严格按其操作，才能保证施工作业的圆满成功。

钻径轨迹的设计计算是建立在回拖产品管线的抗拉强度，弯曲半径以及使用钻机大小，回拖能力，钻杆弯曲极限和施工土壤结构等众多因素基础之上的，是一项综合性计算。

在实际操作中，施钻人员应根据地下障碍管线，和场地具体情况，结合土壤结构等众多因素，合理规划计算出每根钻杆的顶钻角度，深度，然后按其逐步施工。

对于实际操作中和设计计算不否者，要在满
水平定向钻施工作业中的有关计算
杭超军
（西安市天然气工程有限责任公司）
摘要：本文结合实际施工实例，详细，全面，列举了水平定向钻施工作业中的有关计算，为施工的顺利完成提供了数据保障。

对于工程施工有重要的指导意义。

关键词：水平定向钻、钻进轨迹、计算
非开放技术Trenchless Technology
第22卷第2～3期2005年3月
Vol ．22，No ．2～3
March ，2005
非开挖技术Trenchless Technology2005年
足地下障碍管线安全前提下，重新进行计算，以至施工完毕。

例如：进行一个特定的水下穿越，测量水最深处为6.0米，客户要求在水下留3.0米距离，回拖产品管线为de200pe管，进行钻进轨迹计算。

根据施工条件，我们选用回拖力为15吨钻机进行施工，钻杆为3.0米，弯曲度为3°/每根，每根3°的变化将改变深度变化为⊿y=sin33M。

设定入钻角度为-15°，为作出过渡曲线及使钻头在目标深度水平，需要5根钻杆（如图）。

要求计算钻机的最小回退距离L=？
我们知道两个已知量
入钻角度-15°，目标深度9米
5根钻杆以3°/每根的过渡曲线产生的深度变化为：
-15°变为-12°产生的深度变化：⊿y1=sin（15°+ 12°）/2×3M。

-12°变为-9°产生的深度变化：⊿y2=sin（12°+ 9°）/2×3M。

-9°变为-6°产生的深度变化：⊿y3=sin（9°+6°）/ 2×3M。

-6°变为-3°产生的深度变化：⊿y4=sin（6°+3°）/ 2×3M。

-3°变为0°产生的深度变化：⊿y5=sin（3°+0°）/ 2×3M。

总计深度变化为：⊿y=⊿y1+⊿y2+⊿y3+⊿y4+⊿y5=1.95
由图知：B=9.0-⊿y=9.0-1.95=7.05
A=Bctg15°=7.05×ctg15°=26.31
L=A+15=41.31米
所以，在入钻角度为-15°时，顶钻起始位置需距河中心41.31米。

在以上计算中，只是理论计算，而在实际操作中，可能由于水层下面的土质较软，或是淤泥，每根钻杆3°的变化很难保证，其将导致在目标深度处，钻头难以水平，为此在实际施工中，我们可适当增加回退距离，提前进行角度变化，以保证施工作业的顺利进行。

在钻径轨迹计算方面，各大厂商同时提供计算软件，其对施工人员有较好的指导意义，但其有局限性，在不同的地域土壤结构，不同的施工地理条件，不同的设备材料下，不能一概而论，因此，在实际操作中，我们要根据条件，合理修正计算参数，让理论计算更加接近实际。

3进尺速度计算
井筒体积计算公式为：
V=D2×L/25
式中：V：井筒体积，加仑/英尺；
D：井孔直径，英寸；
L：井孔长度，英尺。

泥浆体积流量计算公式为：
Q=V×f
式中：Q：泥浆体积流量，加仑；
V：井筒体积，加仑；
f：流量因素。

其中流量因素f是指由于土壤结构不同产生的泥浆流失或渗失而耗掉的泥浆流量，f取值为1～5，一般情况
沙土：f取1～1.5
黏土：f取3～5
随着土壤塑性的增大，密实度的增加，f取值增加。

井孔越长，f取值越大。

进尺速度计算：
最大的钻孔速度取决于井筒尺寸，井下工具，地层条件，泥浆泵的容量和效率，钻井液的黏度以及流量因素。

在保持环流并且避免泥浆泵超负荷所需要的每节钻杆的最快钻孔时间（进尺速度）为：T=井筒体积V×流量因素f
泵的速率×泵送效率：
式中：V：井筒体积，加仑/英尺；
T：进尺速度，分钟/英尺；
泵的速率：加仑/分钟。

其中泵送效率与泥浆的黏度系数有关。

厂商设备出厂的泥浆泵的额定排量是以海平面高度水的泵送量为基础（水的马氏漏斗黏度为26秒/夸脱）。

在实际操作中，按以下方式估算泥浆黏度的增加对泥浆泵效率构成的影响：黏度每增加1秒/夸脱，相应的以制造商标定的额定排量为基础减小1%，也就是泥浆泵效率下降1%。

例：建设方需在低塑性，中等硬质黏土中安装一根16英寸的水管，承包商使用的是钻杆长度为15英尺/每根，钻杆直径为4.5英寸的钻机进行施工，泥浆
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泵的额定排量为150加仑/分钟。

要求计算将4.5英寸导向孔一次性扩孔到24英寸的最快扩孔速度？
根据条件：低塑性，中等硬质黏土，流量因素取f=3。

配置钻井液黏度为50秒/夸脱。

井筒体积V=D2×L/25=24×24/25=23加仑/英尺。

需要的泥浆体积流量：
Q=V×f=23加仑/英尺×3=69加仑/英尺
69加仑/英尺×15英尺/每根钻杆=1035加仑/每根钻杆
差值：50秒/夸脱-26秒/夸脱=24秒/夸脱
泵送效率：100%-24%=76%
调整泵的额定排量：150加仑/分钟×76%=114加仑/分钟。

进尺速度：T=1035加仑/每根钻杆÷114加仑/分钟=9.07分钟/每根钻杆。

因此，在将4.5英寸导向孔一次性扩孔到24英寸时，扩孔速度必须以9.07分钟/每根钻杆的速度进行或者更低的速度进行，才能保证在泥浆泵额定排量范围内井孔内泥浆量达到足够。

如果在速度计算中仅依照井筒体积和泥浆泵的额定排量计算，而不进行调整，进尺速度为：23加仑/英尺×15英尺/每根钻杆÷150加仑/分钟=2.3分钟/钻杆
对以上计算结果进行比较，数值相差很大，如果未正确进行计算，而盲目施工，将难以保证井孔内泥浆量达到足够，直接导致回拖产品管线失败。

4结论
因水平定向钻穿越所施工的区域和地层不同，地质条件和岩性结构也不尽相同，所以在实际施工中，要求现场技术人员要根据具体情况进行参数调整，结合钻机型号，合理计算，详细，全面考虑各种影响问题，进行系统整体设计规划。

万不可不进行计算而盲目依靠经验，估摸着进行施钻；或顶那算那，遇到问题再计算；这些都是导致施工失败的关键因素。

参考资料：
[1]赖新元，城市地下管线施工新技术与质量检验评定标准实施手册.。