水平定向钻穿越技术初探

1、水平定向钻穿越技术初探天津市煤气工程设计院 高 茜 王晓楠2630摘 要：本文简要介绍了水平定向钻穿越技术的特点，指出了工艺设计中应注意的技术要点，描述了穿越施工的全过程。阐明了水平定向钻技术在管道穿越施工中的优势，及其广泛的应用前景。关键词：水平定向钻、管道、穿越、出土点、入土点引 言定向钻施工法也称为往复式潜钻施工法HDD（Horizontal Directional Drilling）,是指当作业人员无法进入工作区进行开挖、推进时，须用机械方法来控制方向，在钻掘、排土、清渣的同时完成扩孔，并将各种管材埋入地下的施工方法。水平定向钻技术最早出现在20世纪70年代，是传统的公路打孔和油田定向

2、钻井技术的结合，可用于敷设输送流体介质的管道和电力、光缆等各类线路的套管。不仅可以穿越河流，还广泛应用于穿越高速公路、铁路、机场、海岸、岛屿以及建筑物密集区。定向钻施工技术首先应用于美国海岸地区的冲积层穿越，现在已经能够在粗沙、卵石、冰碛和岩石等复杂地质条件下进行穿越施工。近几年水平定向钻穿越技术在世界各国各行业得到了广泛的应用，尤其在环保和市政管网改扩建项目及大型管道穿越江河工程项目上更显出了其独特的优势。我国是石油天然气资源比较丰富的国家，截至到目前我国的天然气骨干管网已达2.8万公里，到2010年将达到4.4万公里。燃气管道的主要敷设方式以大开挖为主，但在一些地势复杂的特殊地区，不能采取

3、开挖方式施工，定向穿越代替传统开挖，可有效解决此类问题。2007年3月，在天津市燃气集团建设的宝坻至蓟县高压管线工程中，成功穿越潮白河，管道规格323.9×6.3，穿越长度1300米。1 水平定向钻穿越技术的特点与传统开挖施工相比，定向钻穿越施工方法具有许多明显特点，现归纳如下：1) 定向钻穿越施工不阻碍交通，不破坏植被，减小了传统开挖施工对居民生活的干扰，以及对交通、周边建筑物的破坏和不良影响。2) 现代化的穿越设备的穿越精度高，易于调整敷设方向和埋深，管线弧形敷设距离长，完全可以满足设计埋深，并且可以使管线绕过地下的障碍物。3) 定向钻施工穿越河流时，一般埋深在河床下 918米，

4、对周围环境没有影响，不破坏地貌和环境，适应环保要求。4) 采用水平定向钻机穿越施工时，没有水上、水下作业，不影响通航，不损坏堤坝及河床结构，施工不受季节限制，具有施工周期短、人员少、成功率高、施工安全可靠等特点。5) 与其它施工方法比较，定向钻穿越施工方法进出场地速度快，施工场地可以灵活调整，尤其在城市施工时可以充分显示出其优越性，并且施工占地少，工程造价低。 6) 大型河流穿越时，由于管线埋在地层深处，地层内部的氧及其他腐蚀性物质很少，能够起到自然防腐和保温的功用，可以保证管线运行时间更长2 水平定向钻穿越技术施工工艺现以穿越河流为例，介绍水平定向钻穿越技术的工艺要求和设计要求2.1 工艺要

5、求1) 穿越位置应选在河流两岸施工场地良好、交通运输方便的地方。管道组装一侧场地的宽为20m，长度为穿越长度加50m。回托管道的直线长度一般不宜小于200m；如受地形限制可小于上述值，此时曲率半径应大于1000D（D为管道外径）。2) 定向穿越的土质不宜太松散。适宜的土层有黏土、亚黏土、粉沙、粉土及中沙。在流沙层和钻断面上土质变化很大的土层，定向钻方法的施工难度会很大。3) 定向钻施工法敷设管段的最小覆土厚度为5m，最大覆土厚度不超过50m。入、出土点位置选择，要考虑钻机安放、储水池、砂浆池的地点，取水点的距离，管道组装回拖场地。2.2 设计要求通过定向穿越施工方法敷设的管道最终形成一条类似抛

6、物线形的曲线，这条曲线设计应注意如下几点：1) 入土角一般控制在5°20°范围内，推荐设计角度为9°12°；出土角度一般控制在4°26°范围，推荐设计角度为4°8°。2) 导向孔应根据设计曲线钻进，设计时应考虑钻孔用钻杆的折角。每根钻杆允许最大折角见下表：管径 (mm)每根钻杆最大折角 (°)4根钻杆累加折角(°)219以下3.56（219426）2.55426以上243) 设计曲线上的曲率半径应满足管子强度和钻机允许要求，一般来说，曲率半径应大于管外径1200倍，最小不得小于300m。管段入土

7、点地下20m长度内的管段应为直线。3 水平定向钻穿越技术敷设的施工：使用水平定向钻机进行管线穿越施工，一般分为二个阶段：第一阶段是按照设计曲线尽可能准确地钻一条导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔，并将管道沿着扩大了的导向孔回拖到钻孔中，完成管线穿越工作。3.1  钻导向孔要根据穿越现场的地质情况，选择合适的钻头和导向板或地下泥浆马达，开动泥浆泵对准入土点进行钻进，钻头在钻机的推力作用下由钻机驱动旋转（或使用泥浆马达带动钻头旋转）切削地层，不断前进，每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位置，以便及时调整钻头的钻进方向，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求，同时根据钻杆回流的泥浆，分析土质的

8、情况，确定钻头转速和扭矩，调整泥浆配比。如此反复，直到钻头在预定位置出土，完成整个导向孔的钻孔作业。见示意图一：钻机被安装在入土点一侧，从入土点开始，沿着设计好的线路，钻一条从入土点到出土点的曲线，作为预扩孔和回拖管线的引导曲线。3.2  预扩孔和回拖管道在钻导向孔阶段，钻出的孔往往小于回拖管道的直径，需要用扩孔器从出土点开始向入土点将导向孔扩大至要求的直径。一般情况下，使用小型钻机时，直径大于DN200时，就要进行预扩孔，使用大型钻机时，当管道直径大于DN350时，就需进行预扩孔，预扩孔的直径和次数，视具体的钻机型号和地质情况而定。回拖管道时，先将扩孔工具和管道连接好，然

9、后，开始回拖作业，并由钻机转盘带动钻杆旋转后退，进行扩孔回拖，管道在回拖过程中是不旋转的，由于扩好的孔中充满泥浆，所以管道在扩好的孔中是处于悬浮状态，管壁四周与孔洞之间由泥浆润滑，这样即减少了回拖阻力，又保护了管线防腐层，经过钻机多次预扩孔，最终成孔直径一般比管道直径大200mm，所以不会损伤防腐层。地下孔经过预扩孔，达到了回拖要求之后，将钻杆、扩孔器、回拖活节和被安装管线依次连接好，从出土点开始，一边扩孔一边将管线回拖至入土点为止。4 结语随着现代文明意识和环保意识的逐渐加强，开挖路面进行各类地下管线施工导致的社会问题，交通问题和环境污染问题已越来越受到关注。这更加突出了采用非开挖施工的重要性和必要性。采用水平定向钻穿越技术进行管线穿越施工不仅适用于穿越大中小型江河，