定向钻主要用于穿越河流、湖泊、铁路、公路和山体或建（构）筑物等障碍物，敷设大口径、长距离的石油和天然气管道。定向钻施工时，按设计的钻孔轨迹，采用定向钻进技术先开一个导向孔，随后在钻杆端部换接大直径的扩孔钻头和直径小于扩孔钻头的待敷设管线进行扩孔和管道回拖。在扩孔回拖的同时，将待敷设的管线拉入导向孔，完成敷管作业。有时根据钻机的型号和待敷设管线的直径大小，可先进行一次或多次扩孔后再回拖已试压、检漏合格的管段。定向钻进过程中，多数工作是通过回转钻杆来完成的，选择钻机的扭矩与轴向给进力和回拖力同样重要。 定向钻法是一种经济实用，可以做到管道埋深达到安全可靠目的的敷管方法，宜作为管道穿越的第一优选方法。定向钻的优点为：对地表的干扰较小；施工速度快；可控制铺管方向，施工精度高。定向钻的不足之处在于对施工场地要求较高，在砾石层中施工比较困难，一般不适用于成孔困难的地层。
水过滤板
第一节 定向钻敷管穿越01
制作交通工具1）施工占地（1）定向钻施工占地包括钻机场地、管线场地、蓄水池及泥浆池占地、管线焊接占地。（2）钻机安装场地的大小根据钻机型号而定。泥浆池和蓄水池占地根据管径的大小、场地及地质情况而定，尽量节约用地。（3）在出土点一端，应根据管道中心轴线、占地宽度和长度（为穿越设计曲线管道长度加50m），本着节约用地的原则，放出管道场地、泥浆池占地及管道焊接占地边界线，并标出拖管车出入场地的路线和地点。（4）管道预制应在穿越中心线上。如地形不允许，从出土点起200m后方可弯曲，弯曲半径应不小于1500D（D为管子结构外径尺寸）。 2）施工准备施工准备的工作内容为：修筑施工便道、平整场地、仪器设备的检查维护、施工辅助用料的准备和钻机锚固系统的建立等。（1）修筑施工便道：根据穿越地点的地理环境，在施工场地（入土点与出土点）与公路主干线之间修筑施工便道。施工便道的承载能力应不低于最重车辆或设备的重量，并在适当位置一开阔地平整压实，以方便车辆调头进入钻机场地。（2）平整场地：在入土点，以穿越中心线为中线，平整场地，安放钻机、泥浆系统、钻杆和泥浆池等；在出土点平整作业场地，安放钻杆、钻具、挖掘机和泥浆池，
并设置合适大小的管线预制作业带。在合适位置开挖泥浆池、废浆池等收集废弃泥浆。根据穿越地段的地质情况及管径、长度，配备一定数量的泥浆罐，准备好泥浆用料，并妥善保管好各类泥浆用料和油品，防止污染施工工地及水源。（3）仪器设备的检查维护主要针对钻机系统、钻具、泥浆系统、控向系统进行，检查各仪器设备是否运转良好。（4）钻机的锚固对于定向钻来说非常重要。钻机在安置期间发生事故的情况经常发生，甚至和钻进期间发生事故的概率相当，尤其是对地下管线的损坏。在钻机锚固时，要防止将锚杆打在地下管线上。合理的钻机锚固是顺利完成钻孔的前提，钻机的锚固能力反映了钻机在给进和回拉施工时利用其本身功率的能力。一台钻机的推拉力再大，如果钻机在推拉过程中发生了移动，其推拉力不但会降低，而且可能会出现孔内功率损失，这时会出现钻机的全部功率作用在钻机机身上，容易发生设备破坏和人员伤害。如果钻机本身的固定能力差，一方面钻机的控制能力降低，从而导致无法很好地按预定的计划完成钻进工作；另一方面，钻机在运转过程中振动较大，会引起钻杆发生弯曲或损坏，使钻孔无法按预先设计的轨迹完成。尤其对于大口径、长距离管道穿越，回拖力大，施工周期长，施工中容易造成地锚失稳，导致穿越失败，对此可采取如图4-1-8所示的方法进行加固。
规整填料图4-1-8 钻机锚固
3）测量放线按照设计确定出的管道穿越中心线、入土点、出土点，在入土点侧测出钻机安放位置、地锚箱、泥浆池、占地边界等；在出土点侧测出焊接管道中心线及泥浆池位置、占地边界等。现场测量完成后，技术人员要及时编写施工计划、方案及措施，并向施工人员进行技术交底。
4）安装钻机彩灯控制电路钻机一般应安装在入土点和出土点的连线上，钻机导轨与水平面的夹角与设计
的入土角相等。钻机应安装牢固、平稳，经检验合格后进行试运转。应对控向系统进行准确调校，调校的基准参数应存入计算机内。
5）钻导向孔
钻机架通过钻杆推动装在钻杆前的钻头破土钻进，泥浆从钻杆和钻孔的间隙返回泥浆罐，如图4-1-9所示。具体操作要点如下：（1）液压起重机将钻杆吊上钻台，固定在能在钻台上移动的活动卡盘上，钻杆的前端连接钻头，后端与泥浆管路连通。开动泥浆泵后，泥浆和钻机架推动钻头向前钻进，活动卡盘和钻头同步向前移动。（2）当活动卡盘移动到钻台前部的固定卡具时，卸开钻杆接头向后移动活动卡盘，能放上一根钻杆（9.5m）时，吊上另一根钻杆，进行接加钻杆。接头安装、卸开均靠前端卡具固定钻杆，活动卡盘的正反转动来完成，然后继续钻进。（3）钻头的入土角为7°～13°，出土角为4°～9°。特殊情况下，沿管线出、入土点的地面管道中心线，增设支撑管线曲率变化的滚动发送架，管线的最大入土角可以达到25°；管线穿越的水平长度不变，增大钻头的出、入土角和减小管线穿越的曲率半径（国外的管线穿越曲率半径最小达到DN800管径），可以有效地增加管线的穿越深度；增加管线的穿越深度，有利于防止跑浆造成的地面塌陷，并增加了管线穿越优良地层的机会。入土角和出土角确定后，在曲线上确定若干点X、Y、Z魔幻音响三维坐标，此坐标
跟刀架返回控制盘上，控制各点坐标沿设计曲线向前推进。（4）导向孔实际穿越曲线与设计穿越曲线的偏移量不应大于2m。出土点沿设计轴线的纵向偏差应不大于穿越长度的1%，且不大于12m；横向偏差应不大于穿越长度的0.5%，且不大于6m。（5）钻杆和钻头在施工前应进行清扫，严禁有杂物，以防止钻杆内有杂物堵住钻头水嘴造成事故。
图4-1-9 钻导向孔示意图
6）扩孔扩孔是利用与钻杆相连的扩孔器来完成的。扩孔时钻杆带动扩孔器转动，泥浆从扩孔器喷出（泥浆压力0.8～1.6MPa），同时活动卡盘向后移动，拉动扩孔器前进，并牵引
穿越管前进，直至敷设完毕。具体操作方法如下：①当钻杆在对岸出土后，将扩孔器前端螺纹和钻杆相连，后端轴承和穿越管相连（扩孔器尺寸比穿越管道尺寸大0.3m）。②注入泥浆推动扩孔器（此泥浆不回收），移动钻台上活动卡盘，拉动扩孔器和穿越管段前进。扩孔器的前端是扩孔钻头，中间是圆筒，左端为轴承。工作时，钻头和中间圆筒一起转动，并向前向后喷射泥浆，轴承将转动部分和后面穿越管段的不转动部分分开。预扩孔的尺寸和次数应根据穿越地质情况和管径大小确定。当地质条件为中砂、粗砂、砾砂或管径等于或大于273mm时，应进行预扩孔。管径每增加150mm，应增加一次预扩孔。如图4-1-10所示。对于预扩孔，扩孔前，在出土侧（钻机的对面）提前固定一液压紧扣装置，安装完预扩孔器，在其后安装钻杆，每行进一根钻杆，由液压卸扣装置安装一根钻杆，预扩200m后，开始倒运钻杆，使钻杆循环使用。
图4-1-10 预扩孔示意图扩孔工艺包括扩孔器系列的组合、扩孔次数的确定、扩孔速度的选择等。（1）扩孔器及扩孔次数的选择。合理组合扩孔器系列，采用板式扩孔器和桶式扩孔器搭配使用，可确保孔道成型质量。预扩孔时，如发现某次扩孔的扭矩过大或摆动幅度过大，可适当增加扩孔次数，用相同尺寸的扩孔器重新扩孔1～2次。①对于不塌方的地层：稳定均匀的粘土层、板结连续的砂层等，孔道主要依靠扩孔器的回扩切削成型。切削下来的钻屑由泥浆携带排出孔外。当扩孔直径为1.5D时，需外排钻屑量达到50%；当扩孔直径为1.35D时，需外排钻屑量达到60%，这样才能满足管道回拖的要求。这说明对于不塌方的地层，在泥浆携带能力有限的情况下，扩孔直径愈大愈好。②对于易塌方的地层：流沙、淤泥以及疏松的粘质粉土和粉质粘土等地层，“孔道”与周围地层没有严格的界限，由“孔道”的中心线向四周分布为泥浆与钻屑混合的流塑状态物，在垂直于轴线方向上分布范围的大小取决于泥浆压力与地层压力差以及地层的含水情况等，泥浆的悬浮能力保证了“孔道”的稳定。当然，这种情形下，并不排除在采用桶式扩孔器时，局部地段会出现由于泥浆滤饼而形成孔道的情况，但这时的滤饼环空尽管充满泥浆，却依然很脆弱，容易垮塌，因此最终还是边界模糊的“孔道”占主导地位。管道穿越的成功经验证明，这种“稳定”的受泥浆保护的“孔道”也是定向钻孔道的一种；在这样的地层中，要想满足管道顺利回拖的
条件，十分关键的一点就是在扩孔时要提高泥浆排量、增加扩孔次数、加大扩孔直径，从而在尽量大的范围内构建“孔道”。③对于介于上述二者之间的地层：可塑的粘土、粘质粉土、粉质粘土、粉土以及卵砾石含量小于10%的地层，除上述切削和泥浆护壁成孔外，挤扩成孔也是十分有效的成孔手段。在这样的地层中，有时出现局部的塌方，钻屑不能有效地外排，但经过桶式扩孔器的挤扩孔壁以及对孔壁的旋转“抹光”作用，可以有效清除井孔内钻屑而形成光滑的孔道。在实际运用中，所采用的桶式扩孔器挤扩成孔和双桶扩孔器清孔、修孔工艺是非常有效的；而在保证孔道曲线的“平顺性”（即“横向成形”、“纵向连续圆滑”）方面，可在两个相差一个扩孔级差（级差因钻机能力大小有所变化，通常在6～12in）的桶式扩孔器之间安装一根刚性良好的麻花钻铤进行扩孔。这一技术的有效而成功的应用属国内独创，处于世界先进水平。（2）扩孔速度。成功扩孔不仅需要适当种类的钻井泥浆，同时还应使用足量的泥浆以便使泥浆在孔内流动。确定合理的扩孔速度，使泥浆和钻屑比例不小于1∶1，从而降低回拖力和扭矩，扩孔的速度须按这个原则确定。例如：如果泥浆泵的排量为300gpm，在进行52in扩孔时，每扩孔1ft的长度所需要的泥浆量为：52×52/24.5=110gal/ft，这样才能维持1∶1比例的钻进液和钻屑。那么所能扩孔的长度为：300/110=2.73ft/min。则对于要扩完31ft长的钻杆长度所需要的时间为：31/2.73=11.5min。
在这个例子中，如果扩孔的速度大于2.73ft/min，也就是说如果一根标准的5″API钻杆的扩孔时间少于11.5min，则孔内就会出现干燥的而且混合不良的钻屑，这时就没有泥浆返出孔外，钻屑将停留在孔内，给工程造成隐患。所以在实际施工中，泥浆返出孔外是一个好现象，表明所使用的泥浆量是足够的，同时也说明成孔良好。施工中，凡是返浆良好的孔，其回拖力一般都很正常。另外，对于易塌方的地层，尽管不会返浆，但是扩孔的速度也依然要按上述原则进行确定，其道理就是要保证钻屑与泥浆充分混合。在整个西气东输管道穿越工程中有部分河流穿越失败，其关键原因就是扩孔工艺的错误。
7）管道回拖管道回拖前，应将管道放在发送架上或放入发送沟内。采用发送沟方法回拖管道时，发送沟内不得有石块、树根和硬物等，沟内宜注水，确保将管线浮起，以避免管线底部与地层摩擦，划伤防腐层，并降低钻机拖拉力。管段与钻具连接应符合下列要求：——检查切割刀和扩孔器内各通道及各泥浆喷嘴是否畅通，确认合格后方可连接；——连接顺序宜为钻杆、麻花钻杆、切割刀、扩孔器、旋转接头、“U”型环、管道；——切割刀直径宜比扩孔器直径大150mm，扩孔器直径宜比穿越管道直径大150mm，目的是减小拖拉力，保护防腐层；全部连接完后应泵送泥浆冲洗，检查各泥浆喷嘴是否正常，合格后方可进行回拖施工。管道回拖施工应连续进行，除发生不可抗拒的原因外，严禁在施工中无故
停拖。
图4-1-11 管道回拖示意图
8）穿越管道施工（1）定向钻穿越施工的管道，应严格按设计要求施工，并经检查验收合格后方可进行回拖施工。（2）严禁在穿越管道上开孔，焊接其它附件；试压时只允许在管道两端加长段上开孔焊接阀门和安装压力表，回拖后与线路连接时，开孔的加长管道应割除。（3）按规定的要求进行试压和吹扫。
9）泥浆配制泥浆的基本组分是现场的淡水，大多数情况下，需在水中添加膨润土来增加泥浆的粘度。泥浆主要用于稳定孔壁、降低回转扭矩和回拖阻力、冷却钻头和控向探头、清
除钻进产生的土屑等。因此，它被视为定向钻施工的“血液”，一般要求采用优质膨润土制备泥浆，有时视地层条件在泥浆中加入适量的聚合物。膨润土是主要由钠高岭石组成的天然粘土。泥浆粘度应根据地质情况和管径大小确定，泥浆粘度值可参照表4-1-1的规定。定向钻所采用的泥浆相对密度为1.1～1.2，泥浆的相对密度应根据地质条件而定，卵石地层应加大泥浆的密度。泥浆粘度宜用马氏漏斗测量，每2h测一次。
表4-1-1 泥浆粘度值表泥浆粘度为马氏漏斗测量。定向钻施工时应注意泥浆的非正常返回和泥浆的循环使用问题。（1）泥浆非正常返回。定向钻进经常产生无法控制的泥浆地下流失。理想条件下泥浆在钻杆端部钻头处流出，再沿钻杆外壁与孔壁间隙返回地表，这样可以重复利用泥浆，降低生产费用。但实际施工时泥浆将沿阻力最小的通道流动，因此往往会扩散到钻孔周围的地层中去，有时也会渗到地表上。当泥浆没有沿钻孔返回而是随便流
到地表时，称为泥浆的非正常返回。在定向钻施工时，泥浆非正常返回不是一个严重的问题。如果泥浆向河底流出，则对环境的影响较小。但是，如果在市区或是在风景优美的游览胜地施工，泥浆非正常返回就会给公众带来不便，有时泥浆的流动还能冲坏街道、冲垮堤坝和公路铁路。因此，在施工中应不断地调整施工方法，尽量减少泥浆非正常返回的发生。所以施工前，应制定应急计划并准备好可能的补救措施，同时还应通知有关施工管理部门。（2）泥浆的重复利用。重复利用泥浆可减少购买和处理泥浆的费用。通常把返回的泥浆收集起来泵送到泥浆净化设备中，再把净化后的泥浆送回到泥浆储存或混合箱中反复使用。当然，有时大量的泥浆会从与钻机和泥浆循环系统所在河岸相对的另一岸上孔口返出，这时就要使用两套泥浆循环系统，或是把返出的泥浆运回到钻机所在的一端，可以使用卡车等工具运输；或事先钻一小孔安装管道将对岸的泥浆返回（此孔也可做光缆通道），使用哪种运输手段最佳要根据施工现场的具体情况来决定。当使用临时管道时，应检查管道的设计方案，以保证管道的大小合适，防止管道损坏，泥浆流失。
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