定向钻穿越套管隔离新技术介绍

定向钻穿越套管隔离新技术汇报人：刘艳利中国石油天然气管道科学研究院2016.07定向钻穿越套管安装技术是指在定向钻穿越出入土两端，为了隔离不良地层而采用夯进、顶进或开挖等方式来进行的套管施工技术。

目前以夯管法套管安装为主一、传统套管安装技术一、传统套管安装技术夯管法套管安装技术是一种用低频率、高冲击能量的夯管锤，在空气压力差的作用，推动活塞在缸体内作往复运动，带动冲锤冲击砧座(锤外壳)，并将待铺的钢管沿设计路线直接夯入指定位置来实现隔离不良地层的技术。一、传统套管安装技术在夯管施工前，需对套管夯入过程阻力进行分析计算，保证选择的设备及配套机具符合现场要求。其中主要进行分析计算的力为：

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土层对钢管外壁的摩擦阻力

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钢管前端的正面阻力

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钢管内土芯产生的阻力1.夯管设备选型一、传统套管安装技术1）土层对钢管外壁的摩擦阻力：P=frD[πH/2+πK1(H+D/2)/2+(ω+G)/(rD)]L

式中：

r：土的重度(kN/m3)；f：钢管与土层的摩擦系数；D：钢管外径(m)；H：管顶以上露土厚度(m)；K1：主动土压力系数[K1=tg2(45°-φ)/2)]；

ω：单位长度钢管的自重(kN/m)；G：单位长度钢管内土芯的重量(kN/m)；L：套管安装长度(m)。一、传统套管安装技术2）钢管前端的正面阻力：Pˊ=nDˊtR

式中

：R：钢管前端中心线处的被动土压力

R=rHˊKp+2C/Kp

其中：

Kp：被动土压力系数，Kp=tg2(45'+D/2)r：土的重度(kN/m3)Hˊ：管道中心的深度(m)C：

土的粘聚力(kPa)Dˊ：管靴的平均直径(m)t：管靴的厚度(m)一、传统套管安装技术3）钢管内土芯产生的阻力：P〞=λp

·qpk

·Ap

式中：λp

：管端闭塞效应系数qpk：依据预制桩极限端阻力标准值(kPa)Ap：钢管内土柱的截面积(m2)4）夯管过程中所需的总推力：P总=P+P'+P"一、传统套管安装技术1）测量放线。2）制作工作坑。

坑底长为:管段长度+夯管锤长度+1米，

坑底宽为:管径+1米。3）钢管安装与定位。4）夯管。2.夯管施工工艺一、传统套管安装技术通过对管道定向钻穿越套管安装多个工程案例分析，现阶段夯管法安装主要存在以下问题：1）夯管过程受力分析；2）管体减阻；3）夯击精度控制；4）减震降噪；5）夯入深度不足。

3.夯管法安装技术存在的主要问题101、顶管法套管安装技术顶管法套管安装技术是指根据定向钻穿越出入土侧轨迹要求，利用可伸缩机头顶管机斜向安装套管的一项施工技术。二、套管安装新技术技术关键点：可伸缩机头

斜向地锚

111、顶管法套管安装技术1）日本技术日本研制的一种可变径及回收型顶管机，刀盘采用径向伸缩式。顶管机外径有φ1350mm、φ2000mm和φ4070mm等多种规格。此类顶管机由径向伸缩式刀盘、壳体、动力装置、纠偏油缸和排渣系统构成,由主顶装置和顶铁顶推水泥管完成顶管施工。二、套管安装新技术12■

采用液压缸收缩方式实现变径，液压缸伸出轴易因变形或岩屑渗入卡死，导致机头无法回收。■

刀盘设置和刀具选择均针对土层，不适用于砂层和卵砾石层套管安装。■

日本的可变径及回收型机头采用土压平衡及出土形式，仅适用于地下水以上的土层中施工，不适合高地下水位套管施工。该机头存在的缺点是：二、套管安装新技术13

德国圆环和圆面拼接式机头，采用定向钻机拉拔破坏刀盘进行回收的方式。该刀盘存在的问题是强度低，不能在砂层、卵砾石地质中进行套管安装，现在只应用于软土中。目前还不能在砂层、卵砾石地质中完成大口径（φ1219以上）套管的安装作业。2）德国技术二、套管安装新技术14

3）可伸缩机头套管安装新技术工艺

根据日本和德国的相关设备，管道科学研究院结合套管安装工艺及成熟顶管主机，设计了满足定向钻穿越出入土侧隔离套管安装的可伸缩机头顶管机，同时设计了满足套管安装的斜向地锚。

使用改技术安装套管的优点：

☆可控方向

☆可进基岩

☆地层适应范围广二、套管安装新技术151可折叠刀盘2锥形破碎装置3套管4壳体5“I”形钢条6旋转回收装置7“[”形槽口8纠偏油缸9动力系统123465879可伸缩机头顶管机二、套管安装新技术16

a、第一节钢套管机头固定装置b、伸缩机头外壳体

c、机头插入d、机头插入到位二、套管安装新技术17

e、机头旋转到位f、安装旋转固定-回收装置

g、安装回收用钢丝绳

二、套管安装新技术18

（a）支撑油缸收回，旋转油缸收缩（b）挖掘机拉动钢丝绳，机头相对钢套管向后移动

（c）被卡住的折叠刀盘伞状收缩，固定销轴被剪断（d）继续拉动钢丝绳，机头连同壳体整体收回

二、套管安装新技术19套管安装掘进机性能参数表序号名称参数1刀盘外径（固定部分）Φ2144mm2刀盘外径（折叠部分）Φ1835mm3掘进机外径Φ1930mm4全长3950mm5刀盘转矩216KN﹒m6刀盘转速2.5～3.5rpm..7推进速度0～5cm8刀盘动力22kw×5台9刀盘对抗土压100MPa10纠偏能力1.5°，50ton×4根，行程50mm11纠偏角度左右、上下各一12整机重量24t二、套管安装新技术20地锚系统二、套管安装新技术为了减少主顶站后背墙施工工期、钻机方面就位，主顶站由地基和地锚承受作用力，不采用传统的后背墙式结构。主顶站直接焊接或锚固固定在其下的钢木基础上。钢木基础和固定钢木基础的钢管作为地锚系统，起到后背墙的作用。地锚系统结构示意图1-地层2-钢木基础3-锚固钢管21顶推装置、折叠式可伸缩切削机头、钢套管、止水密封圈、导轨、进/排浆管、钢丝绳、钢丝绳导管、挖掘机、液压站、排浆泵泥浆处理单元、进浆泵、减阻泥浆注入系统和旋转回收系统。2）顶管法套管安装所需设备场地准备设备安装顶进切削钢套管接续继续顶进钢套管安装到位切削机头收回钢套管安装完成工艺流程图

3）顶管法套管安装施工工艺二、套管安装新技术22

技术特点：

1）能够挖掘盲孔，将钢套管安装到位，伸缩切削机头能够从套管内整体收回。不用人员进入拆卸成散件分块运出，保证了高水压下人员的安全，提高了施工效率。

2）机械式挖掘、液体排渣，代替了以往人工取土落后的施工方式，降低了人工劳动强度。效率高，安全可靠。

3）全地质型，可在砂层、卵砾石、碎石、较大石块（φ100mm以上），和抗压强度高达100Mpa的岩层完成套管安装。突破了夯管锤夯击套管的地质不适应性和局限性。二、套管安装新技术23实施设备配置序号设备名称型号单位数量备注1套管安装掘进机DN2064台12顶推装置200T台43液压泵站30KW台14进排泥浆系统320m3/h套15泥浆处理系统320m3/h套16注浆设备80L／min，1MPa套17洞口止水装置φ2064套18中继间动力站DN2064台19发电机台210导轨5米/根根511钢木基础5000×2000×210个512钢套管φ2064×27.5，L=10m根13挖掘机PC200台2日本小松14吊车30T台115吊车16T台116电焊机BX-1

630台1二、套管安装新技术24

套管安装新技术对比分析序号套管安装技术刀盘结构与强度变径伸缩方式地质适应性设备费用（人民币）1日本可变径及回收型顶管机辐条式、强度差，仅能在土层中使用液压缸收缩，易卡死粘土、砂土、地下水位以上2000万元