1 水平定向鉆系統簡介

    水平定向鉆系統由鉆機系統、動力系統、控向系統、泥漿系統、鉆具及輔助機具組成。

    ① 鉆機系統

    鉆機系統是穿越設備鉆進作業及回拖作業的主體。它由鉆機主機、轉盤等組成。鉆機主機放置在鉆機架上，用以完成鉆進作業和回拖作業。轉盤(動力頭)裝在鉆機主機前端，連接鉆桿，并通過改變轉盤轉向和輸出轉速及扭矩，達到不同作業狀態的要求。

    ② 動力系統

    動力系統由液壓動力源(發動機)和發電機(為發動機、配套的電氣設備及施工現場照明提供電力)組成，為鉆機系統提供高壓液壓油作為鉆機的動力。

    ③控向系統

    控向系統通過計算機監測和控制鉆頭在地下的具體位置和其他參數，引導鉆頭正確鉆進。由于有該系統的控制，鉆頭才能按設計曲線鉆進。現經常采用的有手提無線式和有線式兩種形式的控向系統。前者經濟、使用方便，但要操作人員直接到達鉆頭上方的地面，易受地形、電磁干擾及探測深度的限制，多在中小型鉆機上使用；后者可跨越任意地形，不受電磁干擾，但復雜，效率低，價格高。

    ④ 泥漿系統

    泥漿系統為鉆機系統提供適合鉆進工況的泥漿，由膨潤土加泥漿添加劑與水攪拌而成。泥漿與鉆孔回拖的關系非常密切，應視地質結構情況配置泥漿，以穩定孔壁、降低回轉扭矩和拉管阻力、冷卻鉆頭和發射器、清除鉆進產生的土屑，起到固孔護管的作用。泥漿添加劑主要作用為改變泥漿的黏度，流性地質的土質要求泥漿黏度值高，具體見《石油天然氣管道穿越工程施工及驗收規范》(SY/T4079—95)。

    ⑤ 鉆具及輔助機具

    鉆具及輔助機具是鉆機鉆進中鉆孔和擴孔時所使用的各種機具。鉆具主要有適合各種地質的鉆桿、鉆頭、泥漿電動機、擴孔器、切割刀等機具。輔助機具包括卡環、旋轉活接頭和各種管徑的拖拉頭。

2 穿越施工現場布置

入土側、出土側現場布置見圖1、2。

 

 

    鉆機側(入土點)是定向鉆施工的主要場所，施工占地較大，小型水平定向鉆機的安裝場地一般約40m×40m，大型水平定向鉆機的安裝場地一般約60m×60m。安裝場地應根據鉆機及附屬設備的要求，結合現場條件進行布置。鉆進時需大量的水配制泥漿，附近有充足的水源十分必要。

    出土點一側主要作為管道焊接場地，在出土點應有一塊20m×40m的場地供預擴孔、回拖時接鉆桿和安裝其他設備使用。在出土點之后有一條長度與穿越長度相等的管道焊接作業帶。

3 水平定向鉆穿越施工工藝

    使用水平定向鉆機進行管道穿越施工，一般分為二個階段：第一階段是按照設計曲線盡可能準確地鉆一個導向孔；第二階段是將導向孔進行擴孔，并將管道沿著擴大了的導向孔回拖到導向孔中，完成管道穿越工作。

① 鉆導向孔

導向孔是按預定角度和預定截面鉆進成孔。鉆頭通常為帶斜面的非對稱鉆頭，在回轉和給進同時進行時，鉆孔呈直線延伸，即導向鉆頭進行直線鉆進；在只給進不回轉時，由于受斜面反力的作用，實現造斜鉆進。導向孔的方向控制由位于鉆頭后端的鉆桿內的控制器完成，鉆孔曲線由放置在鉆頭后端鉆桿內的電子測向儀進行測量并將測量結果(包括鉆頭位置、頂角、深度、溫度等參數)傳到地面的接收儀。這些數據經過處理和計算后，以數字的形式顯示在顯示屏上，并將測量到的數據與設計的數據進行對比，以便確定鉆頭的實際位置與設計位置的偏差，并將偏差值控制在允許的范圍之內，如此循環直到鉆頭按照預定的導向孔曲線在預定位置出土。圖3為鉆導向孔示意圖。

 

 

② 預擴孔

導向孔完成后，要將該鉆孔擴大到合適的直徑以便安裝管道，此過程稱為預擴孔。通常，在鉆機對岸將擴孔器連接到鉆桿上，然后由鉆機旋轉回拖入導向孔，將導向孔擴大，同時要將大量的泥漿泵入鉆孔，以保證鉆孔的完整性和不塌方，并將切削下的巖屑帶回到地面。一般情況下，使用小型鉆機時，燃氣管道規格大于DN 200mm時，就要進行預擴孔；使用大型鉆機時，當燃氣管道規格大于DN 350mm時，就需進行預擴孔。預擴孔的直徑和次數，視具體的鉆機型號和地質情況而定。圖4為預擴孔示意圖。

 

 

    ③ 回拖管道

    預擴孔完成以后，燃氣管道即可拖入鉆孔。管道預制應在鉆機對面的一側完成。擴孔器一端接上鉆桿，另一端通過旋轉接頭接到燃氣管道上。旋轉接頭可以避免管道隨著擴孔器旋轉，以保證將其順利拖入鉆孔。回拖由鉆機完成，這一過程同樣需要大量泥漿，這樣既減少了回拖阻力，又保護了管道防腐層。經過鉆機多次預擴孔，最終成孔直徑一般比管子直徑大200mm，因此不會損傷防腐層。回拖過程要連續進行直到擴孔器和管道自鉆機一側拖出。

圖5為回拖管道示意圖。

 

 

4 水平定向鉆施工條件及控制要點

4.1 水平定向鉆施工條件

    ① 地質情況：地質情況是工程造價、工期的主要影響因素。最好穿越的地層是黏土、粉質黏土、粉砂、中砂等，最難穿越的地層是花崗巖、卵礫石、流砂等。

    ② 鉆探要求：一般要求在穿越中心兩側20～30m，沿中心線方向間距100m設勘察孔，復雜的地質條件下，勘察孔要適當加密，孔深應在穿越管道深度以下10m。

    ③ 穿越施工前，應對地質勘察孔進行封堵。

    ④ 定向鉆鉆孔不宜過淺，以避免因不能成孔而形成噴漿現象。

4.2 控制要點

    ① 鉆機系統要求：鉆機的回拖能力應滿足要求。

    ② 控向系統要求：穿越管道深度在15m以下時，應采用有線控向系統。

    ③ 泥漿系統要求：泥漿在回擴過程中起決定作用，泥漿的供給量決定鉆進速度；地質情況不同決定泥漿的配比和回擴過程中的擴孔器的選擇。

    ④ 鉆機提供泥漿能力決定鉆進速度，一般情況導向孔的鉆進速度比回拖速度要快，但由于其他原因可能相反，例如控向系統采用有線式時，則導向孔的鉆進速度相對較慢。

    ⑤ 入、出土角的控制：一般入土角控制在9～12°，出土角控制在4～8°，這樣回拖阻力減小，便于管道的回拖。

    ⑥ 彈性敷設的曲率半徑：一般為1500倍管道公稱直徑。

    ⑦ 水平定向鉆工程施工和驗收執行《石油天然氣管道穿越工程施工及驗收規范》(SY/T 4079—95)。

    ⑧ 穿越控制點主要有以下幾個參數：入土點位置、入土側冷彎彎管位置、入土側起彎點位置、水平段起點位置、水平段終點位置、出土側彎點位置、出土側起冷彎彎管位置、出土點位置。

    ⑨ 工程造價的影響因素主要是地質情況，其次為管道長度、N徑以及鉆機的成本(國產或進口)，與深度關系不大。在杭州的一個工程中，公稱管徑為325mm，長度為350mm，穿越地層為中性土層，采用國產鉆機，工程費用約1000元/m，施工期為10d。

5 細砂層含卵礫石地層穿越施工方案

    ① 多級擴孔

    由于地質密實，擴孔時拖拉力過大、扭矩偏高，采用多級擴孔技術，改變了傳統的擴孔做法。采用這種多級擴孔技術，還使地層中的卵礫石均勻地分布于孔內，避免卵礫石在孔內堆積而造成卡鉆。

    ② 泥漿配制

    增大加料能力來提高泥漿黏度。改進泥漿配方，在泥漿中加入改性淀粉、磺化瀝青、石棉絨等處理劑以提高泥漿的攜砂能力和改進造壁性能，增加鉆孔的穩定性和孔壁的潤滑性能。

    ③ 選擇最佳回拖速度

    擴孔過程中，隨時測量返出泥漿含砂量，根據含砂量的大小，選擇最佳回拖速度，確定合適的回拖時間。

6 結論

    ① 定向鉆穿越施工不阻礙交通，不破壞綠地和植被，不影響正常生活和工作秩序，避免了傳統開挖施工對居民生活的干擾以及對交通、環境的不良影響。

    ② 現代化的穿越設備穿越精度高，易于調整敷設方向和埋深，管道弧形敷設距離長，完全可以滿足設計要求埋深，并且可以使管道繞過地下障礙物。

    ③ 采用水平定向鉆穿越施工時，沒有水上、水下作業，不影響江河通航，不損壞江河兩側堤壩及河床。

    ④ 與其他施工方法比較，水平定向鉆施工進出場地速度快，施工場地可以靈活調整，施工占地少，工程造價低，施工速度快，尤其在城市施工時可以充分顯示出其優越件。