水平定向钻进管线铺设工程技术方案.docx

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1、水平定向钻进管线铺设工程技术方案一、技术概述(一)优越性在非开挖技术行业中，水平定向钻进是主要的增长领域之一。目前,在石油、天然气、自来水、电力和电信部门，水平定向钻进已是一种得到广泛认可的铺管施工技术，由于水平定向钻进施工精度的提高，也可用于污水管和其它重力管线的铺设。水平定向钻进穿越与其它施工方法相比，对环境的影响最小，能提供障碍物下管线覆盖的深度大，对管线的保护作用大，维修费用小，许多情况下费用更低。水平定向钻进穿越还有一个可预测的短期施工计划。(二)技术工艺水平定向钻进穿越铺设施工普遍采用：首先钻进导向孔，然后扩孔,最后回拉铺管的施工技术工艺。水平定向钻进铺设管线施工工艺过程1、导向孔

2、导向孔钻进一般采用小直径全面钻头，进行全孔底破碎钻进。在钻头底唇面上或钻具上，安装有专门的控制钻进方向的机构。在钻具内或在紧接其后部位，安装有测量探头。钻进过程中，探头连续或间隔地测量钻孔位置参数，并通过无线或有线的方式实时地将测量数据发送到地表接收器。操作者根据这些数据及其处理这些数据得到的图表，采取适当的技术措施调整孔内控制钻进方向的机构，从而人工控制钻孔的轨迹,达到设计要求。常用的孔内控制钻进方向的机构主要有两类：一类是钻头底唇面采用非平衡结构设计，如常钻头唇面是一个斜面，当钻头连续回转时钻进直孔，保持钻头不回转加压时，则钻孔钻进偏斜。这类方法因需要在不回转的条件下破碎岩层，所以在软质的

3、土层大多数采用钻进液喷射辅助破碎方式钻进。另一类是钻具采用弯外管或弯接头，其弯曲方向即决定了钻头的钻进方向。这类方法导向钻进钻杆是不回转的，钻头破碎岩石的扭矩，来自于钻头后部的孔底动力机，如螺杆马达或涡轮马达。这类方法通常用于钻进岩石等硬地层。2、扩孔导向孔完成后，必须将钻孔扩大至适合成品管铺设的直径。一般，在钻机对面的出口坑将扩孔器连接于钻杆上，再回拉进行回扩，在其后不断地加接钻杆。根据导向孔与适合成品管铺设孔的直径大小和地层情况，扩孔可一次或多次进行。推荐最终扩孔直径按下式计算：D1=KiD式中：D，一一适合成品管铺设的钻孔直径D成品管外径K1经验系数，一般Kl=1.2-1.5,当地层均质

4、完整时，Kl取小值，当地层复杂时，Kl取大值。3、拉管扩孔完成后，即可拉入需铺设的成品管。管子最好预先全部连接妥当，以利于一次拉入。当地层情况复杂，如：钻孔缩径或孔壁垮塌，可能对分段拉管造成困难。拉管时，应将扩孔器接在钻杆上，然后通过单动接头连接到管子的拉头上，单动接头可防止管线与扩孔器一起回转，保证管线能够平滑地回拖成功。（三）钻进液/泥浆多数定向钻机采用泥浆作为钻进液。钻进液可冷却、润滑钻头、软化地层、辅助破碎地层、调整钻进方向、携带碎屑、稳定孔壁、回扩和拖管时润滑管道；还可以在钻进硬地层时为泥浆马达提供动力。常用的钻进液/泥浆是膨润土和水的混合物。导向孔施工完成后，泥浆可稳定孔壁，便于回

5、扩。钻进岩石或其它硬地层时，可用钻进液驱动孔底“泥浆马达”Q一些钻机采用空气作为钻进液，又称为“干式钻进工艺”。其操作简单，废弃物少，不需要太多的现场设备，但受铺管尺寸和地层条件的限制。与采用泥浆钻进工艺不同，干式钻机施工采用高频气动锤钻进。与采用泥浆钻进工艺一样，干钻的钻头也有一个斜面，当在某个方位停止回转冲击钻进时，可控制钻孔轨迹。铺设小直径的管道、导管或电缆线,可使用镶有碳化鸨合金齿的锥形扩孔器，这种扩孔器安装有空气喷嘴，气流通过钻杆柱进入，在回扩时空气气流清除钻屑。对于大直径管道铺设，采用气动锤扩孔器，同样在其后部用单动接头连接管道。此时回扩孔起主要作用的是气动锤扩孔器的冲击作用，而不

6、是钻机的回拉力，而且回扩过程中可不回转。二、施工技术(一)工程设计1、程序安排一项有效的施工设计应有下列条目：vl准备1.1过去施工情况的调查1.2设计计算1.3进一步确认设计、图纸及计算14施工地层情况调查1.5施工测量L6办理施工许可证2工程实施v2.1测量入土点、出土点、钻孔轨迹轴线和切点2.2钻机场地准备2.3进场道路准备2.4管子场地准备2.5设备和人员调动2.6管子卸车2.7管子焊接v2.8压力试验2.9减阻试验（如果需要）2.10连接拉管头2.11焊缝测试2.12处理钻杆的过度弯曲v2.13实施钻进v2.14钻进2.14.1调动钻机和人员2.14.2安放钻机2.14.3准备钻进液

7、混合设备2.14.4钻导向孔2.14.5通过钻杆清洗钻孔2.14.6分级扩孔（根据需要）2.15拉管2.15.1去掉拉管头2.15.2实施焊缝测试v2.15.3实施减阻v2.15.4施工酉己合3清理施工现场4撤走钻机和人员或迁移到下一个工地2、设计计算(1)轨迹测量一旦选择确定了施工位置，就应该对钻孔轨迹作测量并准备详细的图纸。钻孔轨迹和基准线的最后精度取决于测量资料的精度.(2)轨迹设计参数：1)覆盖深度完成岩土勘察，确定了穿越的轨迹，就可确定穿越的覆盖深度，需要考虑的因素包括钻孔施工对地面道路、建筑物或河流的影响，以及对该位置已有的管线的影响。推荐穿越的最小覆盖深度大于钻孔最终扩孔直径的6

8、倍以上；在穿越河床时，应在河床断面最低处之下5m米以上。2)入、出土角和曲率半径8-20的入、出土角适用于大多数的穿越工程。对地面始钻式，入土角和出土角应分别在6。至20。之间(取决于欲铺设管的直径等)。对坑内始钻式，入土角和出土角一般应采用0。或近似水平。进行大曲率的弯曲以前最好钻进一段直线段。曲率半径的确定由欲铺设管的弯曲特性确定，管径越大曲率半径越大。铺设钢管的最小允许弯曲半径可用下列公式计算。但是，为了利于铺管，最小弯曲半径应尽可能大。Rmi11=206DS/K2(m)Rmin一最小弯曲半径(m)206常数(Nmmm2)D管子的外径(mm)S-安全系数，S=12“一管子的屈服极限（N/

9、mm2）3）辅助参数入土点或出土点与欲穿越的第一个障碍物之间的距离（例如道路、沟渠等）应至少大于3根钻杆的长度。与水体的最小距离应至少为5-6m,以保证不发生泥浆喷涌。从钻进技术方面考虑，第一段和最后一段钻杆柱应是直线的，即没有垂直弯曲和水平弯曲，这两段钻杆柱的长度应至少为IOm。入土点与出土点有高差时，应专门另作讨论。4）钻进测量与精度孔内测量工具是测量倾角（上/下控制）、方位角（左/右控制）和深度等参数的电子装置。钻孔轨迹精度很大程度上取决于孔内测量的精度。当有干扰时，如:无线电发射台、大型钢结构（桥梁、桩及其它管线等）和电力运输线，会影响测量结果。合理的钻孔轨迹精度应是：导向孔出口处左右

10、土1m,上下1m。5）钻孔轨迹控制钻进导向孔时，每23m应进行一次测量计算。工程承包商在这些测量计算基础上作出钻孔轨迹图。（3）管线壁厚一D/T经验公式下表给出了根据钢管直径选择壁厚的推荐值，这些推荐值仅供设计时参考。在最后的设计中，应根据计算应力进行选择。直径(D)mm壁厚COmm1526.25152-3059.25305-76212.70762D/t50对高密度聚乙烯管（HDPE管），推荐D/t值小于或等于11,并且咨询制造厂家。另外，选择管线壁厚应考虑铺管长度。铺管长度越长，管壁应越厚。3、校核计算（1）校核计算内容 开始拉管时的管线应力（摩擦力、重力） 全部拉入时的管线应力（摩擦力、浮

11、力、弯曲） 由于过度弯曲造成的管线应力（出土角度） 拉入过程中的管线应力（内部压力、温度、弯曲、过度弯曲） 钻机的锚固力（水平和垂直） 钻进设备的尺寸（土壤、管线尺寸、钻孔剖面）在最后的校核设计计算中，必须计算管道在施工和使用时的应力大小，校核是否在材料强度允许的范围内。计算中，每一阶段的应力都必须从单独受力和联合受力分别考虑。如：拉管时，滚柱间跨距造成的应力、作静压试验产生的应力、铺设时的拉力、管入孔时弯曲和钻孔轨迹弯曲产生的应力、钻孔内的附加力和工作应力。1 .铺管前a.计算静压试验产生的环向和轴向应力；b.根据滚柱间的距离，可计算出管线的最大上拱和下垂，并计算出管线的最大张应力。注：在静

12、压试验期间管线是注满水的，因此计算中必须计入水的重量。2 .铺设中a.在l.b中计算张应力的方法可用于铺设阶段；b.为了计算出应力，必须先计算理论拉力。考虑管线的安全性和拉管时钻孔弯曲的影响，推荐孔内摩擦系数为1.0。最大预测拉力用于计算轴向应力。c.当计算轴向弯曲应力时，允许有10%的实际偏差，即按设计曲率半径的90%计算。d.必须考虑孔内液体静压力产生的附加应力。考虑到液体静压力的轴向和周向力的影响，推荐安全系数取值1.5。3 .铺设后a.轴向弯曲应力的计算见2c；b.附加外力的计算见2.d；C.计算最后的静压试验产生的环向和轴向应力。4 .使用中a.钻孔曲率的影响见2.c；b.附加外力的

13、计算见2.d；c.用于计算的管线在使用中的最大工作压力而产生的轴向和周向应力。(2)许用应力计算出施工各个阶段的单独受力和联合受力后，必须与许用应力比较，进行强度校核。一般，许用应力按以下计算：轴向最大许用应力：最小屈服强度的80%；周向最大许用应力：最小屈服强度的72%；组合应力下的许用应力：最小屈服强度的90%。当权威机构可能在以上内容之外提出其他限制条件时，业主应认可并允许修改设计。4、作图（1）剖面图剖面图至少应包含下列信息：工地的纵向剖面图入土角 出土角 钻孔的水平长度 钻孔的实际长度 钻孔剖面的绝对高度（或相对）覆盖层 最小（垂直）弯曲度 钻孔轨迹区域内的建筑物或其它管线 障碍物

14、欲铺设管线的信息（2）平面图平面图至少应包括下列信息： 从委托方提供的施工区地形图了解到场地的特殊情况 钻孔轴线 入土点和出土点的坐标 指北的箭头 钻孔附近的建筑物和其它管线 障碍物 钻孔轴线与障碍物之间的最短距离 最小（水平）弯曲度 规划的设备场地和管线场地（3）现场平面图现场平面图至少应包含下列信息： 各种设备的位置（钻机、工作站、泵等） 钻机的固定方法 钻井液配制设备的安放位置一一进出场道路（4）运输线路图确定的运输线路图至少应包括下列信息： 运输设备的数量、各自的承载能力 运输设备的位置 运输设备在平面图中的摆放位置 运输设备的细节（5）管束图一束管子的示意图至少应包括下列信息： 束管线的横截面图 单根管线的直径 捆成一束的方法（二）设备仪器1、定向钻机水平定向钻机无论大小，操作与用途都是相似的。一般，钻机都采用机械或液压驱动钻杆，通过钻杆对孔底钻头施加回转扭矩、给进或回拖力。对水平定向钻进穿越铺管的钻机来说，回转扭矩和回拖力是其主要参数，它们是根据工程大小及要求选择钻机的重要依据。由于水平定向穿越往往钻进弯曲的钻孔，所以与其它钻机相比，对钻机的转速要求不lft。地表始钻式钻机有一个倾斜的给进导轨；坑内始钻式钻机一般采用水平的给进导轨。给进导轨长度决定钻杆单根的长度，也直接影响钻进过程的平稳性和纯钻效率。当施工条件