水平定向钻施工作业中的有关计算

水平定向钻施工作业中的有关计算 2007 年 02 月 12 日 来源 中国水协设备网 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 钻径轨迹 计算 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 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 DW S S 1000 对于钢管则用下式计算重量 Q 0 02466 S DW S 式中 Q 管子重量 m DW 管子外径 mm S 管子壁厚 mm 管子材质密度 t m3 如钢取 7 85 铸铁取 7 2 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 2 p 1 ka p0 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 ka 主动土压力系数 一般取 0 3 p0 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 sin3 3M 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 我们可适当根据情况调整钻头前进路线 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 1 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 2 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 3 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