管线定向钻穿越施工方案

管线定向钻穿越施工方案

穿越施工时首先进行施工现场进场道路及施工场地的修 筑与平整，随后在出土端的施工作业带内进行穿越管道的预 制施工（完成组对、焊接、防腐、试压等）。与此同时，将 钻机、发电机组、控向系统、泥浆系统进行就位安装、连接 调试。设备安装调试完成后立即进行穿越施工。穿越施工前 将顶管机与钻机连接开始出、入土端钢套管的安装，套管安 装采用“顶管法”。然后经过 6 次的预扩孔和 1 次清孔后， 钻机牵引已预制完成的管线开始回拖，直至管线钻出地面

后，穿越施工完工。

1.1 定向钻穿越工艺流程

1.2 设计交桩及测量放线

施工前，与设计就穿越点位置进行仔细交桩，明确管道 的穿越位置及控制坐标。根据设计交桩与施工图纸放出钻机 场地控制线及设备

摆放位置线，确保钻机中心线与入土点、 出土点成一条直线。

1.3 进场道路及施工场地平整 从施工场地附近的塘边路修筑一条

130m× 8m的施工便道 进入土点施工现场，穿越入土点及修筑的施工便道均在鱼塘 里，塘内需要进行抽水晾晒，并铺垫平整出 50m×60m

的施

工场地，在场地附近需要开挖一个 40m×40m× 2m的泥浆池。 在出土点平整 50m× 60m的施工场地，并开挖 30m× 30m×2m 的泥浆池。

1.4 地锚基础的安装

1.4.1 入土点采用组合基础的方式来承受管道回拖时的最大 回拖力，

前面的基础采用钢管桩基础， 共需打入 16根钢管桩， 使用槽钢及钢板，把钢管桩连接起来，使其成为一个整体。 在钢管桩基础拉后面埋设 8个地锚。示意图如下：

1.4.2 出土点采用组合基础的方式来锚固钻机，基础采用沉 箱做基础，沿沉箱周围共需打入 4 根钢管桩，并把钢管桩和 沉箱焊接连接起来，使其成为一个整体。在沉箱基础拉前、 后面各埋设 2 个地锚。

1.5 钻机选取及配套设备就位

1.5.1 施工过程中先将钻机就位在穿越中心线位置上，钻机 就位完成后，进行系统连接、试运转，保证设备正常工作。

1.5.2 根据规范要求，钻机吨位选取应符合以下公式：

F拉＝πLf[ -（D-δ）δ×7.85]+kπDL 式中： F 拉－计算的拉力， t L—穿越管段的长度， m f —摩擦系数， 0.1-0.3

D —管子的直径， m δ—管子的壁厚， m

k —粘滞系数， 0.01 — 0.03

式中： L=**************m 、 f 取最大值 0.2 ， D=0.813，

δ=0.0159 ， k 取最大值 0.02 。

经计算得 F 拉＝*******246.4 吨，按规范要求，钻机宜 选取 F 拉的1.5-3 倍，因此 ** — 9800型钻机（回拖力 =980T） 满足规范要求。

1.6 测量控向参数 按操作规程标定控向参数，为保证数据准确，在穿越轴 线的不同位置测取，且每个位置至少测四次，进行对比，并 做好记录，取其有效值的平均值作为控向 Line Az 值。

1.7 钻机试钻

开钻前做好钻机、发电机、泥浆系统、控向系统等的安 装和调试，等一切准备就绪，确定系统联合运转正常。然后 开始试钻，钻杆和钻头吹扫完毕并连接后，严格按照设计图 纸和施工验收规范进行试钻，当钻进 20米左右时（即钻头入 土约两根钻杆）检查各部位运行情况，如各种参数正常即可 正常钻进。

1.8 管道穿越施工方案 本次主管道定向钻施工大体可分为 3个阶段：钻导向孔；

扩孔、洗孔、测孔、修孔；管道回拖。工艺流程见下图： 1.8.1 导向施工

1.8.1.1

钻导向孔

钻导向孔时，由于大钻杆刚度大，适合长距离穿越，但 是他的钻进阻力和旋转扭矩也较大，小钻杆虽然刚度小， 钻进距离短，但在满足刚度要求的前提下钻进阻力小，旋 转扭矩也小，所以采用不同规格的钻杆组合钻进。

入土侧钻具的连接方式如下：

** 钻机 → 6 5/ 8" 钻杆 →泥浆分流器 →5 .5" 钻杆→ 无磁 钻铤 →无磁短节 → 泥浆马达→牙轮钻头 出土侧钻具的连接方式如下：

** 钻机 →5 .5" 钻杆 →泥浆分流器 →5 .5" 钻杆→ 无磁钻 铤 →无磁短节 → 泥浆马达→牙轮钻头

导向孔钻进示意图

泥浆马达选用 5LZ172 型螺杆钻具，性能参数见下表：

钻具型 马达流量 马达压 额定扭 最大 钻 功

号 范围 降 矩 扭矩 压 率

(L/min) (MPa) (N.m) (N.m)

( kN) ( kW)

5LZ172

C 94～ 1894 4.0 5200 7345 100 126 控向对穿越精度及工程成功至关重要，并直接关联到主 管穿越。开钻前仔细分析地质资料，确定控向方案，控向与 司钻重视每一个环节，认真分析各项参数，互相配合钻出符 合要求的导向孔，钻导向孔要随时对照地质资料及仪表参数 分析成孔情况，达到出土准确，成孔良好。

出、入土点导向孔钻至水平段后，停止钻进，准备安装 导向孔套管。

1.8.1.2 钻头跟踪测量

。

系统主要原理

DX-I 型导向系统探测器安装有三轴微磁强计和三种重力

加速度计，地面计算机通过这些传感器的数据计算出钻头的

方位角和倾角，然后根据每一根钻杆的数据累计计算出钻进 长度、钻头深度以及左右和上下的偏差。

导向系统是依靠地磁场进行导向的，由于地磁场容易受 到地面磁性物质 （如河流上通过的船舶、 高压线等） 的干扰， 导致控向出现偏差，针对这一问题的解决方法是采用在地面 布设一个强磁场线圈或使用磁靶对钻头进行辅助定位，由于 此次穿越对接位置在水面下，不宜铺设强磁场线圈，所以采 用 GPS钻头跟踪测量仪（磁靶定位结合 GPS自动测量）在对 接前对钻头进行精确定位（如下图所示） ，确保对穿精度。

GPS钻头跟踪测量仪最大测量深度 60m，可置于水中，

深度测量精度 0.5m， GPS定位精度 <2m。

GPS钻头跟踪测量仪工作原理：

GPS钻头跟踪 测量仪

根据出、入土点标定的 GPS坐标, 建立穿越中心线的 GPS

坐标系， GPS 钻头跟踪测量仪发射磁信号， 钻头探测器接收

到信号后，由计算机计算出钻头相对穿越中心线的相对位 采用上述系统进控向，可在钻进过程中随时对钻头位置

进行检测，而无需设置任何辅助设施。对环境影响小。

1.8.2 在入土段安装导向孔套管

由于该工程穿越距离较长，钻杆的推力达上百吨，同 时，浅层地质较疏松，容易造成钻杆弯曲，同时，出入土段 导向孔的曲线段也容易使钻杆过度弯曲，造成导向孔钻进的 推力加大和钻杆的失稳；

另外为保证泥浆返浆通畅，减小或避免大堤处跑冒浆 的风险。所以本次穿越拟采用在入土段和入土弧线段套钻套 管的方案，入土段套管安装至水平段，具体选用的材料、设 备及施工方案如下：

套管参数

a．套管规格 Φ 273 mm X12 mm无缝钢管

b．套管材质 20CrMo

由于螺纹连接的石油套管接头处无法承受套钻过程中钻 机给套管施加的扭矩，所以本工程我 ** 选用优质低碳合金钢 无缝钢管作为套钻套管。钢管之间采用焊接的方式连接，可 满足本次施工需要。这一方法已在不同工程多种地质情况下 使用过，是一种成熟的施工工艺。

1.8.2.1主要施工设备、机具

序号 名称 规格型

号 数量

1 半自动焊机 NPS-5

00 2 2 外对口器 DK-27

3 1

3 套管钻头 300 1

4 自锁式套管卡 头

1套

5 焊接施工平台

1组

1.8.2.2主要施工工艺

本项工程的导向孔套管的施工采用套钻套管的方案，首先 钻导向孔至水平段，然后更换钻具，安装套管钻头，套进导 向孔的钻杆， 沿钻杆方向套钻套管， 当一根套管钻到位置后， 套管自锁卡头随钻机退回，再装卡套管到焊接平台上，由外 对口器固定后开始焊接，两台半自动焊机同时工作，焊接时

间约 10~15分钟，焊接结束后，重复上次工序，继续套钻钻 进，直到套钻到设计长度，然后卸下套管卡头，恢复导向孔 的正常钻进工序。 自锁式

钻机 套管接头待焊套管外对口器

1.8.3 钻头握手对接 由于此次工程穿越距离较长，地质相对比较松软，钻进 阻力较大，导向孔对接后很难直接单端钻到出土点，另外地 质的不连续很可能造成错孔，从而引起导向孔的错位，导至 对接失败，所以在较软地层内长距离穿越，钻头必须握手对 接连成一体，牵引到另一端出土 , 才能确保导向孔的穿越成 功.

因此在施工过程中，入土段采用采用 5 1/2 ” 钻杆钻进 长度为

900~600m然后接 6 5/8 ”钻杆进行钻进，钻进长度为 1000m，出土段采用 5 1/2 ”钻杆进行主动对接钻进，钻进长 度为 600~900m。当两钻头钻进至预定对接位置后， 开启钻头 对接系统（如下图） ，** 钻机的钻头中安装对接导向系统的 信号发射装置， ** 钻机的钻头中安装对接导向系统的信号接 收装置，通过对信号的处理，计算出两钻头的相对位置（如 下图），再调整钻头的钻进方向，最后使两个钻头扣合在一 起（如下图） ，由出土端钻头将入土端钻头牵引出土，完成

长距离导向孔穿越。

钻头定位对接系统

导向孔对接示意图

穿越钻头对接后牵引出土

1.8.4 双钻机扩孔 所以根据本工程具体情况，采用双钻机同步扩孔，并使 用动力扩孔器提高扩孔效率。

扩孔时，采用双钻机扩孔，减少单侧钻杆使用扭矩，同 时可避免卡钻，钻具连接方式：

** —9800 型钻机→ 2 ”钻杆→加重钻杆→板式扩孔器

51

→加重钻杆→ 52” 钻杆→ ** —2000型钻机

双钻机扩孔示意图

根据穿越工程的实际情况，在穿越距离超长的特定条件 下，减小钻头握手对接 扩孔器的级差，增多扩孔次数，加快单次扩孔的速 度。

根据穿越工程的实际情况，在穿越距离超长的特定条件 下，减小扩孔器的级差，增多扩孔次数，加快单次扩孔的速 度，采取六次预扩孔及一次洗孔；

扩孔级

数 扩孔直径

(mm) 级差

(mm) 扩孔器型式

1 400 200 板式扩孔器

2 600 200 板式扩孔器

3 750 150 板式扩孔器

4 900 150 板式扩孔器

5 1050 150 板式扩孔器

6 1120 70 板式扩孔器

根据实际扩孔情况，每一次扩孔后都进行一次洗孔，如

果在扩孔过程中发现有抱钻杆情况，适当增加洗孔次数。

1.8.5 测孔、俢孔

扩孔完成后或在扩孔、洗孔过程中，在钻杆之间安装测 孔器，可随时孔洞进行测量。若孔的参数有不满足规范及回 拖管线的角度要求，针对有问题的部位进行俢孔，做到有的 放矢。