如何解决水平定向钻在施工中出现的问题及关键技术

自70年代初，在美国发展起来的受控水平定向钻(HDD)，已在世界范围内成为一种障碍物下铺设管线的高效、可靠的方法。该技术获得了不容置疑的技术与经济成功，且具有十分积极的环保优势。随着我国经济的发展，通讯、电能传输、石油工业、天然气的开采及水利事业的突飞猛进，同时随着城市高层建筑及铁路、公路、核电基础和水利工程设施的不断兴建，地下工程建设和应用日益广泛，非开挖施工技术在穿越公路、铁路、建筑物、河流以及在闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区等条件下，进行供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线的铺设、更新和修复等方面的作用日益明显。随着非开挖技术在煤气管线施工中应用越来越广，出现的问题越来越多，对出现的问题从以下几方面采用关键技术将其解决。

2 钻机锚固

　　钻机在施工中如锚固不好，钻进拖管过程中发生事故的情况非常多。在钻机锚固前，对锚固区域用仪器进行地下管线检测，防止将锚杆打在地下管线上。合理钻机锚固是顺利完成钻进及回拖管的前提，钻机锚固能力反映了钻机在钻进和回拖施工时利用本身功率的能力。一台钻机推力再大，钻机在定向中发生了移动，也会导致钻机无法按预定的计划完成钻进工作。在回拖管时，如锚固不好，钻机移动，需进一步锚固，从而导致了管道有可能拖不动，进一步加大钻机拖力，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亡。

3 信号接收

　　信号在钻进过程中，由于地磁信号强(建筑物、高架桥屏蔽作用)，使定向信号无法接收。依靠在信号消失之前的钻进斜率与点数在钻杆上作标记进行盲钻，在盲钻过程中，由钻杆上的标记及计算钻杆的斜率来完成造斜及整个钻进，直至信号出现(例如泰安阿吉斯在施工过程盲钻150m，直至收到信号，从而完成整个工程施工)。

4 钻具选择

　　钻头是定向的重要工具之一，对于不同的土层，采用不同的钻头，这样才能防止卡钻的出现。
　　(1)淤泥质粘土：必需采用较大的钻头，要想向前推进0．9m就实现钻孔变向，狗腿度为10的钻头或大钻头。
　　(2)干燥的软粘土：采用中等尺寸钻头效果最佳。
　　(3)硬土层：较小的钻头效果最佳，要保证钻头至少比探头外筒的尺寸大12．5mm。
　　(4)钙质层：最小钻头效果最佳，采用特殊的切削破碎技术来实现钻孔方向改变。
　　(5)糖粒砂：中等尺寸狗腿度钻头效果最佳，镶焊硬质合金钻头耐磨性最好，钻机的锚固和钻进液是成败的关键。
　　(6)砂质淤泥：中等到大尺寸钻头效果较好。有时需要高扭矩来驱动钻头。
　　(7)致密砂层：小尺寸锥形钻头效果最好，但钻头的尺寸必须大于探头外筒的尺寸，这种土质中，向前推进较难，可较快实现控向，钻机锚固是钻孔成功的关键。
　　(8)砾石层：镶焊小尺寸硬质合金的钻头效果最佳，对于大颗粒卵石层，钻进难度大，不过若卵石层间有足够的胶结性土，钻进还是可行的。在砾石层中，回扩难度最大。
　　(9)固结的岩层：使用孔内动力钻具钻进效果最佳。采用标准钻头钻到硬质岩时，钻机可在无明显方向改变的条件下完成施工。

5 设计轨迹与穿越地层的合理选择

　　水平定向钻可承担各类材质管线的穿越任务，钻机性能的很好发挥，依赖于理想的地质条件和合理的轨迹设计，如果地质条件理想，穿越曲线位于粘土、亚粘土或淤泥等造浆能力好的地层，就可以适当加长穿越长度，而实际拖拉力不会增加太多，如果穿越曲线所在地层不理想时(流沙、钙质层、砾石层)，就会降低穿越成功的可能性，甚至导向孔无法完成。
5．1地质要求
　　对穿越工程，必须先勘察穿越处的地质情况，不同地层(淤泥、粘土、亚粘土、粉土层、砂土、流沙穿越)，需选用不同的钻具及其结构。
　　穿越段地质必须详勘，一般按要求在穿越中心线两边各25m，沿中心线方向间距打勘察孔，复杂的地段勘察孔必须加密。穿越段地质勘探应提供以下参数，取样深度、含水量、颗粒度、液性指数、塑性指数、液限、塑限、标贯击数、承载力等、并提供水质报告，提供穿越地段地形图和地质钻探剖面图供设计及施工单位参考。
5．2轨迹设计
　　根据铺管设计标高、地层及地形情况，根据钻杆曲率半径、工作场地、地下管线分布情况，甲方图纸来设计钢管埋深，钢管的弯曲曲率半径，确定定向钻进过程中钻头的顶角、方位角、工具面向角、计算出测定空间坐标，设计出定向钻进的轨迹图及对特殊地层、地段制订特殊施工方案，并且要把常用和应急材料准备一定的库存量，以防特殊情况的发生，保证施工各阶段的顺利进行。

6 导向孔工艺及卡钻出现的解决方法

6．1导向钻孔
　　采用射流辅助钻进方式。导向孔钻进是通过定向钻的高压泥浆射流冲蚀破碎旋转切削成孔的，以15(斜面钻头来控制钻头方向。钻头内的发射器，发射钻头的位置、顶角、深度、钻头的温度、面向角、发射器内电池的状态等参数，这些参数由地面手提定位示踪仪接收，供操作人员能及时准确确定钻头的具体位置、深度，并随时通过钻机调整钻进参数，以控制钻头按设计轨迹钻进。
6．2斜面纠偏
　　地面示踪仪测量精度一般为3％～5％，测量深度为21m，当发现定向钻进偏离设计轨迹时，通过调整钻头斜面的方向，进行造斜纠偏。纠偏不能太急，应按照钢管的曲率半径在几根钻杆内完成纠偏，不能在一根钻杆内就完成所有纠偏工作，防止拖管过程中，出现拖不动的问题。
6．3卡钻的出现及解决方法
　　在(砾石、糖粒砂、钙质层)钻进中，会出现卡钻的现象。应及时调整泥浆配比，使用最大泥浆泵排量，与挖掘机配合，将钻杆撤出卡钻区。总结卡钻出现的原因，调整泥浆配比，使用进口澎润土，增加泥浆切力与粘度，使用扭矩大、推力大的钻机及相匹配的钻头，完成导向孔的钻进。

7 扩孔器及扩孔工艺

　　当先导孔钻至出钻区需用一个扩孔器来扩大钻孔，以便安装成品管线，一般将钻孔扩大至成品管尺寸的1．2～1．5倍，扩孔器的拉力或推力一般要求为每毫米孔径175．1N，根据成品管和钻机的规格可采用多级扩孔。对于不同的地层，采用不同的扩孔器，这是保证回扩成孔的关键。
　　(1)快速切削型扩孔器：这种类型的扩孔器，对粘性大及砂土层较有效，但这种扩孔器无法破碎坚硬的岩石。
　　(2)拼合型钻头通孔器：它由剖开的牙轮锥形体制造，并将其焊接到金属板和短的间接构件上。拼合型钻头通孔器是一种通用的，经济的扩孔工具。易定做，有多种切削具类型和规格，制造时必须特别焊接、热处理以及其他的保护措施，以免损坏后牙轮失落于孔内。
　　(3)锥形牙轮扩孔器：这种扩孔器现在广泛应用，应用于除岩石以外，硬度在40MPa以内的各种地层。
　　(4)YO—YO型扩孔器：这种扩孔器非常适应于非开挖施工，它在岩石崩落的地层中可以向前或向后钻进。这种平衡式的牙轮是稳定的，而且能够自动跟踪先导孔。大型牙轮和密封式轴承的应用延长了其在孔内的寿命。
　　扩孔工艺：是将导向孔孔径扩大至所铺设的管径以上，减少铺管时的阻力。

8 钻井液性能与钻孔、回拖的关系

　　定向钻穿越施工，由于钻孔处于地表(一般位于地表层以下3m～20m)，地质松软，所以不易形成孔洞，钻孔易塌方，这就要求所用泥浆的护壁性要好，泥饼质量高，控制失水性要好，以保证钻机性能的很好发挥。由于地层结构不同所需泥浆性能也不相同。
　　泥浆作为钻进冲洗液，使用优质的膨润土和添加剂，严格按照比例经搅拌系统搅拌成泥浆注入洞内，具有润滑钻具、稳定孔壁、降低回转扭矩和回拉力，降低拖管时钢管和洞壁的摩擦系数、冷却钻头和发射器、携带土屑、减少腐蚀、固孔护管等作用。
　　长距离穿越，泥浆的作用尤其重要，孔内缺少泥浆往往是钻孔失败的重要原因。保持整个过程中有反浆，对工程顺利进行至关重要，为改善泥浆性能，需加入适量地添加剂来配制成不同性能的泥浆。纯碱，可增粘，增静切力，调节pH值，投入纯碱量一般为钠土量的2％。为成孔良好，增加孔内润滑，可加入适量的Drispac。为提高泥浆携带土屑的能力，将孔内的土屑带出，可在钻孔过程中的某一段加入一定量的Flowzen，能够达到很好的使用效果。
　　为了保证穿越工程的顺利进行，切实保证泥浆的性能才能保证穿越管线的成功。
　　(1)认真研究地质构造图，制定完善的的泥浆配比方案，并认真实施，对特殊地段应提前采取特殊措施，及时加入添加剂，调节好泥浆性能，尽量保证孔内状况良好，形成良好的孔壁。
　　(2)在易塌方的地段，一方面改进泥浆的性能，另一方面，改变钻孔和回拖工艺等，尽量缩短停钻时间，加快钻进速度，保证钻孔不塌方。
　　(3)加强泥浆循环。停止钻进时，仍要注入适量泥浆，保证孔内始终存在正压，使泥浆把孔内切削物尽量多的携带出来，防止沉积于孔内。

9 在拖管过程中出现管拖不动的情况

　　拖管途中出现管道拖不动，应及时将钻机移到管道入地端，与挖掘机配合，使拖力达到原来拖力的两倍，将管道拖出地面。总结拖不动的原因，审查各个工程环节及相关保障措施，并加以改善，如采用更大的回扩头、使用进口粘土和添加剂，更大动力的钻机，完成穿越。

钻机锚固

　　钻机在施工中如锚固不好，钻进拖管过程中发生事故的情况非常多。在钻机锚固前，对锚固区域用仪器进行地下管线检测，防止将锚杆打在地下管线上。合理钻机锚固是顺利完成钻进及回拖管的前提，钻机锚固能力反映了钻机在钻进和回拖施工时利用本身功率的能力。一台钻机推力再大，钻机在定向中发生了移动，也会导致钻机无法按预定的计划完成钻进工作。在回拖管时，如锚固不好，钻机移动，需进一步锚固，从而导致了管道有可能拖不动，进一步加大钻机拖力，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亡。

3 信号接收

　　信号在钻进过程中，由于地磁信号强(建筑物、高架桥屏蔽作用)，使定向信号无法接收。依靠在信号消失之前的钻进斜率与点数在钻杆上作标记进行盲钻，在盲钻过程中，由钻杆上的标记及计算钻杆的斜率来完成造斜及整个钻进，直至信号出现(例如泰安阿吉斯在施工过程盲钻150m，直至收到信号，从而完成整个工程施工)。

4 钻具选择

　　钻头是定向的重要工具之一，对于不同的土层，采用不同的钻头，这样才能防止卡钻的出现。
　　(1)淤泥质粘土：必需采用较大的钻头，要想向前推进0．9m就实现钻孔变向，狗腿度为10的钻头或大钻头。
　　(2)干燥的软粘土：采用中等尺寸钻头效果最佳。
　　(3)硬土层：较小的钻头效果最佳，要保证钻头至少比探头外筒的尺寸大12．5mm。
　　(4)钙质层：最小钻头效果最佳，采用特殊的切削破碎技术来实现钻孔方向改变。
　　(5)糖粒砂：中等尺寸狗腿度钻头效果最佳，镶焊硬质合金钻头耐磨性最好，钻机的锚固和钻进液是成败的关键。
　　(6)砂质淤泥：中等到大尺寸钻头效果较好。有时需要高扭矩来驱动钻头。
　　(7)致密砂层：小尺寸锥形钻头效果最好，但钻头的尺寸必须大于探头外筒的尺寸，这种土质中，向前推进较难，可较快实现控向，钻机锚固是钻孔成功的关键。
　　(8)砾石层：镶焊小尺寸硬质合金的钻头效果最佳，对于大颗粒卵石层，钻进难度大，不过若卵石层间有足够的胶结性土，钻进还是可行的。在砾石层中，回扩难度最大。
　　(9)固结的岩层：使用孔内动力钻具钻进效果最佳。采用标准钻头钻到硬质岩时，钻机可在无明显方向改变的条件下完成施工。

5 设计轨迹与穿越地层的合理选择

　　水平定向钻可承担各类材质管线的穿越任务，钻机性能的很好发挥，依赖于理想的地质条件和合理的轨迹设计，如果地质条件理想，穿越曲线位于粘土、亚粘土或淤泥等造浆能力好的地层，就可以适当加长穿越长度，而实际拖拉力不会增加太多，如果穿越曲线所在地层不理想时(流沙、钙质层、砾石层)，就会降低穿越成功的可能性，甚至导向孔无法完成。