水平定向钻技术发展历史

水平定向钻技术发展历史

1、发展历史与背景

水平定向钻进(Horizontal Directional Drilling)是采用安装于地表的钻孔设备，以相对于地面的较小的入射角钻入地层形成先导孔，然后将先导孔扩径至所需大小并铺设管道(线)的一项技术，在施工中具有跟踪和导向功能。该技术起源于石油钻井工业，20世纪70年代，结合水井工业和公用设施建设方面的技术，经演变之后目前广泛用于市政管道、油气管道的建设行业。在20世纪60年代，当时主要使用开槽或大面积开挖法铺设各种地下公用设施管线。后来，由钻井技术演变而来的现代水平定向钻进技术用于在城区内铺设底下线缆和管道。 1964年，Cherrington制造了他的第一台水平定向钻机;1978年，Cherrington开发了在一个孔内回拉同时铺设多条管线的技术。形成了新的水平定向钻进技术，即产生了现代水平定向钻进技术，也就是先钻一个导向孔，经扩孔后铺设较大直径的管道。水平定向钻进根据其典型的应用领域，可分为三大类:大直径水平定向钻进(Maxi-HDD)、中型直径水平定向钻进(Midi-HDD)和小直径水平定向钻进(Mini-HDD)。尽管这些系统之间在操作原理方面并无明显的差别，但不同的应用范围通常需要相应的配套设备和技术、碎屑清除方式和导向方法等，才能获得最大的经济效益。虽然说我国早在1986年石油管道穿越黄河工程中，引进了一台美国RB5定向穿越铺管钻机。但是HDD技术真正在中国的应用却是在1993年由中国电信工程建设项目中引进国外设备而开始的。中国HDD技术借助于中国基本建设大发展的良好时机，于1994年拉开了这一新兴产业链的序幕。当时中国HDD市场培育是一个艰难的历程。这主要是为让各级政府在规划、设计、施工、成本核算等方面，与传统的开挖施工法在社会效益和经济效益上做全面的综合比较，从而认识、接受和推广使用HDD技术。目前国内从事HDD产品并具有一定研发能力的企业大约有十多家。钻

机性能上的优化设计，打破了以往的恒功率，定排量，机械控制阀，单一转速的设计思想;装备配套上更多的考虑施工工艺性;结构的可靠性，系统的安全实用性等。

2、国内外现状

(1)国外水平定向技术发展现状目前国外大约有30多家 HDD 装备制造商，典型生产厂家有 DITCH WITCH 公司、VERMEER公司、CASE公司等。DITCH WITCH 公司生产的非开挖定向钻机具有先进的控制技术和良好的通讯设备，技术性能先进、操作性能良好，。另外还有美国的AUGERS公司、INGERSOLL-RAND公司、德国的FLOWTEX、HUTTE公司、英国的POWERMOLE、STEVE VICK公司、瑞士的TERRA

公司、加拿大的UTILX公司和意大利的TECNIWELL公司等。目前国外HDD的产品大都具有以下几个技术特点:主轴驱动齿轮箱采用高强度钢体结构，传动扭矩大，性能可靠;全自动的钻杆装卸存取装置;大流量的泥浆供应系统和流量自动控制装置;先进的液压负载反馈，多种电气逻辑控制系统，高质量的 PLC 电子电路系统确保长时间的可靠工作;高强度整体式钻杆以及钻进和回拖钻具;快速锚固定位装置;先进的电子导向发射和接收系统。总之，国外HDD产品规格齐全，自动化程度高，结构紧凑，地层适应性强，均为履带底盘驱动，机动性能好，体现以人为本的设计理念，功能齐全。回拖力100,7000kN，扭矩1200,40000Nm ，性能指标覆盖范围大，功率匹配合理、可靠，技术水平含量高，尤其是在PLC控制、自动更换钻杆等方面有其独特的先进性和优越性。目前国外HDD的发展朝着大型化、微型化、硬岩作业、机械自动化(含自备式锚固系统、钻杆自动堆放与提取、钻杆连接自动润滑、防触电系统等自动化作业功能)、超深度导向监控等趋势发展。 (2)国内水平定向技术发展现状目前我国 HDD 产品整体的水平较之九十年代初期有了很大的提高，HDD的技术发展历程主要划分为以下几个阶段。第一阶段为技术引进期。第二阶段为研发期也可以称为技术和市场的培育期。第三阶段为发展期与进口期。近年来随着市政管道、电信通讯等基础设施的新建、扩建及改造，西气东输，川气

东输等大型管道的穿越工程量的增加，国产高科技的HDD配套装备发展很快。如北京土行孙公司研发的DDW产品系列，设备从回拉力5T-600T十多个型号品种，是目前中国最主要的HDD设备制造商之一，图12-1是该公司研制的目前国内回拖力最大的DDW-6000钻机施工现场。另外，HDD的辅助配套机具等也有了多家产品，技术和质量也有很大的进步和提高，且有一些国外钻机商家选择配套。中国自主知识产权的HDD产品在满足本国管道工程施工需求的同时，还出口到欧洲、澳洲、东南亚等很多亚洲国家。3、HDD钻机工艺

地层条件是影响HDD钻进工艺、工程成本和适应性的一个关键因素。HDD钻孔轨迹的设计与施工是HDD技术的核心内容，直接关系到铺管的成败。其施工过程一般分为三个阶段，即先导孔(Pilot hole)钻进、回拉扩孔和管道铺设，但有时第二和第三阶段可以合并，同步进行(如图12-22)。先导孔是指利用带导斜面的、直径相对较小的钻头按照预定路由设计轨迹首先形成小直径的导引孔，为后续扩孔和铺管提供导引功能。钻进设备按照轨迹设计要求安放并调整好钻具(机架)在入口处的初始角度，开始导向/定向钻进，钻进过程中通过监测和控制手段使钻孔按设计轨迹延伸，并从另一端钻出地表，完成导向孔的施工。导向孔施工过程中的一系列信息相当重要，对后续的施工有重要的指导作用。例如，当钻遇地下孤石、岩石或者其他障碍物时，可能引起钻头振动并传递到钻杆、钻机或地表，扩孔回拖时就可能需要采用分散型的回扩头，如凹槽型回扩头;通过顶进和回转阻力，可以掌握了钻遇的地层信息，如软硬程度，有助于改进扩孔或铺管工艺。土质坚硬，说明需要预扩，或逐级增大回扩钻头的尺寸;土质较软，钻进规程和钻头类别就需要及时调整;在钻遇砂层时，就必须采用优质泥浆或高分子聚合物泥浆，以增强泥浆的胶结强度或泥浆流动的能力;在出口坑没有泥浆

流出可能意味着由于缺乏钻进经验或者使用了不适当的泥浆而导致了钻孔中环形空间的堵塞或泥浆漏失;若钻进没有朝前钻进，旋转压力却不断增大，可能是土层吸水膨胀，粘附钻杆或泥浆不通，应重新考虑泥浆粘度、添加剂或泥浆量。钻孔轨迹的监测，如果在埋深较小和施工现场条件允许的情况下，一般可以采用地面步行式导航仪，如DigiTrackIII，IV，V(无线导航仪)等;如果施工深度过大、电磁干扰严重以及地表导向非常困难的条件下，如穿越江河和不可进入建筑下导向监测，可使用(有缆)随钻测量(MWD)系统来实现导向施工。