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：

钢管桩 钻机基 础 地 锚 坑

穿越方向15m 基础连接部部

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： 短节→ 泥浆马达→牙轮钻头

出土侧钻具的连接方式如下：

**钻机→ 65/ 8\"钻杆→泥浆分流器→5 .5\"钻杆→ 无磁钻铤→无磁

**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

泥浆马达选用5LZ172型螺杆钻具，性能参数见下表： 钻具型

号马达流量 范围 马达压 降 额定扭 矩 最大 扭矩 钻 压 功 率

导向孔钻进示意图

(L/min) (MPa) (N.m) (N.m) ( kN) ( kW) 5LZ172 C

94～14 4.0 5200 7345 100 126

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： 穿越轨迹

钻头位置 出土点入土点 穿越中心线 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置。 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

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，

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Φ273 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

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。

钻机自锁式 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

钻头握手对接

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→215”钻杆→加重钻杆→板式扩孔器→加重钻杆→21

5” 钻杆→**—2000型钻机

双钻机扩孔示意图

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；

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。

测孔器由传感器、数据处理、存储和电池舱几个部分组成，可在施工的任何阶段对孔的参数（倾角、方位角）进行测量，探测器出土

后与计算机进行数据通讯，由计算机分析测孔数据，对钻孔进行评定。

由于地层软硬不均，扩孔过程中，扩孔器在软地层下切量大，在硬地层下切量小，容易出现台阶，当孔径扩至1120mm 后，进行测孔作业，如果存在台阶孔的现象，采取修孔措施，保证回拖前孔的平滑。

修孔器示意图如下：

修孔时，由一端的钻机驱动修孔切削头，另一端的钻机驱动管道扶正段，管道扶正段内安装有探测器，根据孔内的实际情况有针对性的进行修孔，并将修正后的孔型的参

数传至地面计算机，如果一次修正不能达到要求，可将切削头退至修正的起始位置，再次进行修孔，直到达到要求为止。

1.8.6管道回拖 1.8.6.1 管道回拖

一切准备就绪后，开始正式回拖，回拖时应尽量减少管