DN700直埋保温管定向钻施工工法.docx

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DN700直埋保温管定向钻施工工法

DN700直埋保温管定向钻施工工法

一、前言：

随着城市的发展，市区的交通量、人流量加大以及扬尘治理方面措施的加强，在市区繁华路段的管道施工，现在也较多的都采用了水平定向钻施工的方法，不再采用以前的开槽施工。

非开挖地下管线施工具有不污染环境，不影响交通，施工周期短，综合成本低等优点。

且随着管道工程施工规模的扩大，大口径管道施工逐渐增多，大口径管道水平定向钻穿越施工也逐渐发展起来，在其施工过程中，对施工场地条件、大口径管道材质、钻孔器具等都有较高的要求。

为了保证施工的顺利进行和施工质量，结合山西泽州供热项目DN700管道的800m定向钻施工工作，对管道定向钻施工做技术研究。

二、特点：

1）施工工艺简单，可操作性强，容易组织施工，通过对现场勘察，设计好穿越路线，连接钻头和管道，钻机就位，即可施工。

2）不污染环境，不影响交通，对地层破坏小，满足环境保护要求，施工地点在耕地时，有效减少耕地等地破坏。

3）安全性能好，采用拉管施工，操作人员都在地面上进行，避免了深基坑、沟槽等不良施工条件的影响。

4）管道连接质量好，因管道都在地面上进行，单段管道连接合格后一次拉管铺成，提高了管道连接质量。

5）施工周期短，与传统的明挖开槽相比，大大缩短了周期，节省了堆土运土的工序。

三、适用范围

本工法是一篇非开挖定向钻施工工法，适用于输送石油、天然气、石化产品、水、污水等物质和电力、光缆各类管道的施工。

不仅应用于河流和水道的穿越，同时还广泛应用于高速公路、铁路、机场、海岸、岛屿以及市区和密布建筑物、管道密集区的穿越。

此次定向钻施工选用的管道材质为20#钢，钢管具有在使用期限内各项指标保持不变的特性，且从管材性能分析钢管的抗拉强度，屈服极限高，因而管道抗外力破坏、抗扭曲能力强。

与聚乙烯PE管道拖管施工不同的是：

钢管管道穿越弹性曲率半径要远大于PE管道。

弹性铺设时钢管曲率半径不宜小于1500倍钢管外径且不应小于1200倍钢管外径，而聚乙烯管道铺设时，管道允许曲率半径不应小于25倍公称直径。

拉管过程中的穿越曲线也是有很大的差别：

如下图：

图3.1.1-1钢管理想穿越曲线

图3.1.1-2聚乙烯管理想穿越曲线

四、工艺原理

定向钻拉管施工一般采用导向钻进铺管法施工，通过定向钻导向仪对导

向孔轨迹前进方向进行导向，对地层地质情况进行探测，结合导向仪监控定向钻出满足设计曲线要求的导向孔。

导向孔完成后，进一步扩孔，把穿越主管道通过回拖，铺装在导向孔中，完成管线穿越施工。

主要工艺流程为：

导向--扩孔--回拖。

图4-1钻导向孔示意图

图4-2预扩孔示意图

图4-3回拖示意图

五、工艺流程及操作要点：

5.1、水平定向钻施工工艺流程：

5.2、施工前的准备工作

1）工程项目实施前，需进行详细的穿越地段地质勘测，结合地质勘测结果设计定向钻拉管施工方案和工艺环节操控要求。

穿越实施时，要加强观测，确保穿越工程的安全可靠。

根据土质及地下障碍物的情况合理选择钻头、钻机。

2）现有地下管线探测不应小于穿越线路两侧5米，并查明现有地下管线的的性质类型及所在的空间位置，可采用管线探测仪进行探测，为管线铺设设计轨迹提供参考依据，使导向的过程中有效避开这些设施，保持一定的安全距离。

3）定向钻导向孔轨迹线段，根据拉管工艺特点，结合长距离河道实际，可分钻进初始斜直线段、跨越河道中心曲线段、出口水平直线段等。

根据管线技术要求、施工现场条件、施工机械等进行轨迹综合设计。

定向钻入土角控制在8°～18°,出土角控制在4°～12°,出土段和入土段均设置不小于10m的斜直线段。

《水平顶线钻法管道穿越工程技术规程》规定,钢管穿越时曲率半径宜大1500D,且不应小于1200D（D为管道外径）,根据计算结果并考虑管道埋深、出入点开口距离等,最终确定各穿越位置定向钻导向孔曲率半径和出、入土角。

5.3、钻机的选择

大口径超长距离定向钻穿越管道自重较重，并且大口径的扩孔器与地层之间产生的摩阻较大，需要足够大的扭矩和回拖力才能完成逐级扩孔和最终的管线回拖。

合理选择钻机的关键是应准确计算穿越所需回拖力，选择符合要求的钻机。

5.4、钻具的选择

钻杆：

在定向钻施工中，钻杆应有足够的强度，以免扭折、拉断，又要有足够的柔性，才能钻出弯曲的孔道。

同时长距离大管径管道定向钻穿越，钻杆在孔中需要克服的摩擦阻力大，推盘所需的推拉力大，因此选配适当直径的钻杆很重要，一般来说，选用的钻杆是达到API标准的S-135以外加厚钻杆，直径为5″以上，刚性好，不易弯曲。

为减少钻杆连接次数，节省钻进时间，提高效率，应优先使用较长的钻杆，国际标准长为30英尺。

钻铤及钻头：

跟钻头连接的无磁钻铤直径在7″以上，一般选择大钻头，直径在10″以上，同时根据不同的地质条件选择不同的钻头，在较软的粘土中一般选择相对较大尺寸的钻头，在较硬的钙质地层中，选用相对较小的钻头，对于承载力较高的地层可选择镶齿或铣齿牙轮钻头，在硬岩中钻进则选择特殊的岩石钻头例如选用金刚石钻头，而对于承载力较低的地层可选择牙板钻头以便调整角度。

5.5、泥浆配比

根据穿越地层情况预扩孔、清孔回拖过程中泥浆中添加羧甲基纤维素钠（CMC），调整泥浆性能，增强泥浆悬浮粉砂和固壁及降失水性能。

为了调整泥浆PH值，在泥浆中添加纯碱，添加量为每立方米水添加0.3-0.5kg纯碱。

PH至控制在9-10之间，泥浆配比如下（粘度测定采用马氏漏斗，单位为秒）：

导向孔钻进，泥浆粘度为35-40秒；

第一级φ400mm扩孔，泥浆粘度为40秒，CMC添加量为每立方米水添加0.3kg；正电胶添加量为每立方米水添加0.3kg；

第二级φ500mm扩孔，泥浆粘度为40-45秒，CMC添加量为每立方米水添加0.4-0.6kg；正电胶添加量为每立方米水添加0.3kg；

第三级φ600mm扩孔：

泥浆粘度为45-50秒，CMC添加量为每立方米水添加0.4-0.6kg；正电胶添加量为每立方米水添加0.4kg；

第四级φ700mm扩孔：

泥浆粘度为55秒，CMC添加量为每立方米水添加0.4-0.6kg；正电胶添加量为每立方米水添加0.4kg；

第五级φ800mm扩孔：

泥浆粘度为60-65秒，CMC添加量为每立方米水添加0.4-0.6kg；正电胶添加量为每立方米水添加0.4kg；

第六级φ1000mm扩孔：

泥浆粘度为70-80秒，CMC添加量为每立方米水添加0.4-0.6kg；正电胶添加量为每立方米水添加0.4kg；

清孔1次：

泥浆粘度为75秒，CMC添加量为每立方米水添加0.4-0.6kg；添加润滑剂。

正电胶添加量为每立方米水添加0.4kg；

回拖管：

泥浆+润滑剂

扩孔过程中针对部分土层，我们采取增加泥浆粘度，提高泥浆悬浮能力的办法，从而来提高泥浆在砾石层中的稳定性增大孔壁泥饼厚度，使孔壁的承载力加大，防止踏孔卡钻的风险出现。

5.6、针对管径大、距离长的特点制定具体施工方案

5.6.1、回拖力的计算：

根据GB50423-2007《油气输送管道穿越工程设计规范》中穿越管段实际回拖力（管段不冲水回拖时）计算公式：

5.6.1-1

式中穿越管段回拖力，KN

f摩擦系数，一般取0.1～0.3

g重力加速度，,取9.8

D穿越管段的管身（含防腐层）外径，m

泥浆密度，,一般取1.15～1.2

穿越管段的管道外径，m

穿越管段的管道内径，m

管道壁厚，m

管材密度，

K粘滞系数，一般取0.01～0.03

穿越管段回拖时，最大回拖力应按计算值的1.5～3倍选取，经计算该回拖力大约为583KN，为保证拉管施工工作顺利进行现场调配90T拉力钻机配合施工。

5.6.2：

主要影响因素

鉴于本次拉管施工的特点：

距离长，管径大，特列出几大重要影响因素，并作出详细解决方案。

扩孔过程是成功完成穿越工程的关键，扩孔的作用是扩大钻孔，使孔道能容纳回拖的管道，主要目的是混合钻屑和泥浆，以制成泥浆排出孔外，使回拖的管道有进入的空间。

在扩孔施工过程中，通过合理选择扩孔器、扩孔级数、扩孔速度，达到成功回拖的目的。

1、扩孔器的选择：

采用板式扩孔器和桶式扩孔器搭配使用，可以确保孔道成形质量。

飞旋式扩孔器切削能力强，阻力和旋转所需要的能量小，适用于不塌方且不易包泥的底层；板式扩孔器有较好的切削能力，又能很好的混合钻屑和泥浆，并且能让泥浆自由流过，但由于自身过重，大尺寸扩孔时应与桶式扩孔器配套使用；桶式扩孔器对底层的挤压作用使其十分适用于易塌方和可塑地层，同时具有良好的清孔能力。

2、扩孔级数的确定：

主管道管径为DN700mm，根据穿越扩孔的要求，扩孔直径达到管径的1.3～1.5倍，每级扩孔相差150mm～200mm，并根据地质报告描述确定穿越的主要地层情况，确定预扩孔工艺为六级扩孔，分别为：

φ400mm扩孔、φ500mm扩孔、φ600mm扩孔、φ700mm扩孔、φ800mm扩孔、φ1000mm扩孔。

3、扩孔速度的确定：

合理的扩孔速度应使泥浆和钻屑的比例不小于1:

1。

扩孔时，根据泥浆泵的排量和不同扩孔直径分别进行计算，选用合理的扩孔速度，使充足的泥浆与钻屑混合并带出孔洞，从而降低回拖力和扭矩。

加强定向钻现场清孔环节管理，保证所有定向钻回拖前必须进行清孔，一般选用桶式扩孔器。

在清孔时，同时增加泥浆流量20%～30%，尽量携带出更多的钻屑，保证孔洞的顺畅。

若一次清孔未能降低扭矩和推拉力，或者泥浆中钻屑比例较多，仍需进行第二次清孔。

清孔可通过扭矩、推拉力的降低和泥浆携带出的钻屑逐步减少进行综合判断。

通过清孔，有效清除孔内钻屑，形成光滑的孔道，减少回拖阻力。

在开钻前对司钻人员作好详细的技术要求，要求定向钻操作人员均持证上岗，选用从业多年、经验丰富、能力满足施工要求的操作员上岗，且施工过程中均严格按照操作规程操作。

定向钻施工前会根据实地地形、地貌及有关特性进行分析、判断，必要情况下复杂地质还要进行详细的地质勘查，通过打勘察孔取样分析，做出地质报告。

钻具、钻杆从导向孔到回拖全过程都在重复使用，抗扭、抗拉强度不断降低，对于长距离和大孔径的钻孔，所以必须选择较大直径的钻杆，否则因扭矩过大导致钻杆断裂。

现场实时测量泥浆各项参数，检查泥浆效果，对泥浆性能指标持续进行监测，不断优化泥浆配方，调节泥浆性能，扩孔时适当增加聚合物、流变剂，提高泥屑携带能力，降低粘滞力；回拖时适量加入润滑剂，提高泥浆润滑性，降低摩阻，保证管道顺利回拖。

六、材料与设备

经计算该回拖力大约为583KN，为保证拉管施工工作顺利进行现场调配90T拉力钻机配合施工，考虑现场地下会有岩石，选用的钻杆是达到API标准的S-135以外加厚钻杆，直径为5″，除常规钻头，额外配备金刚石钻头。

物资、机具准备：

设备、机具、材料配备表

序号

设备名称

数量

序号

设备名称

数量

1

徐工90吨

1台

15

配电柜房

1个

2

泥浆回收系统

4套

16

污水泵7.5KW

8台

3

泥浆罐24m3

4个

17

清水泵5.5kw

8台

4

泥浆泵250型

2个

18

钻杆6-3/8”

300根

5

单斗挖掘机

320型

1台

19

扩孔器

3套（5个/套）

6

单斗挖掘机

220型

1台

20

圆桶式扩孔器

1套（5个/套）

7

40KW射流泵

2台

21

sharewe控向

1套

8

双排座

2台

22

RTK

1套

9

皮卡越野车

1台

23

泥浆测试仪器

1组

10

车

1台

24

八平柴

1台

11

炮车

1台

25

钢板（1.8*9m）

6块

12

工具房

2个

26

13

发电机组300kw

2套

27

14

导向仪

1台

28