CN108071341A - 长距离定向穿越施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长距离定向穿越施工方法，包括：按照穿越轨迹导向钻进，钻进过程中保持泥浆压力和排量的均衡稳定；扩孔；扩孔过程中实时观察泥浆的浓度及泥浆压力，使泥浆对孔内的压力要大于孔壁对孔内的压力；洗孔；在洗孔过程中，将泥浆的黏度保持在55s以上，在泥浆中添加携沙剂；调整好管道的入孔角度，与出土角保持一致，进行管线回拖。本发明能够实现长距离、大口径定向钻穿越的顺利施工。
Description
技术领域
本发明涉及一种施工方法，具体说，涉及一种长距离定向穿越施工方法。
背景技术
管道运输作为五大运输业方式之一，与其他四种运输方式铁路、公路、航空、水运相比较，由于具有高效、节能、安全、经济等诸多优点，成为输送石油、天然气和矿浆的首选方式。目前，我国已建管道6×104km以上，并且计划在今后几年内，将继续大力引进国外能源资源，再建成10多条输送管道，届时长输管线将达1万公里之上，形成管道运输网，这预示着我国即将迎来管道工程建设的高峰期。
当前，我国的管道工程铺设主要采用开挖、顶管、定向钻穿越等几种方式，管道铺设途径高速公路、高速铁路、大型河流、水库、池塘、沼泽地等障碍物时，采用定向钻穿越是首选的施工工艺。定向钻穿越施工具有施工工期短、对地表的破坏性小、对环境的污染也能降到最低等几个特点。现阶段，随着定向钻穿越施工工艺的普及，定向钻穿越施工已经形成常态化的施工工艺。在穿越工程施工过程中，穿越的长度、管径的大小、穿越深度、地质情况、地下水质等因素，对工程的顺利实施也起着关键作用。其中地质情况又可分为淤泥质粘土、粘土、沙土、粉土、粉沙、流沙、卵石、岩石等很多种，地质条件的不同，对穿越施工工艺的要求及钻具的选择也不同。
但是，目前在对长距离、大口径的穿越工程中，不管从设备吨位选择、施工人员技术水平、施工技术难度控制、施工措施等方面缺乏经验。因此，开展对长距离、大口径定向钻穿越的研究，保证这些工程的顺利实施及运行的安全已经迫在眉睫。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种长距离定向穿越施工方法，能够实现长距离、大口径定向钻穿越的顺利施工。
技术方案如下：
一种长距离定向穿越施工方法，包括：
按照穿越轨迹导向钻进，钻进过程中保持泥浆压力和排量的均衡稳定；
扩孔；扩孔过程中实时观察泥浆的浓度及泥浆压力，使泥浆对孔内的压力要大于孔壁对孔内的压力；
洗孔；在洗孔过程中，将泥浆的黏度保持在55s以上，在泥浆中添加携沙剂；
调整好管道的入孔角度，与出土角保持一致，进行管线回拖。
进一步：充分搅拌从钻孔内返回的泥浆，经沉淀池或泥浆净化设备处理并调整后方可重复利用；定向钻施工过程中根据地层条件选择钻进液压力和流量，并保持稳定的泥浆流。
进一步，导向钻进过程包括：
确定穿越的出土点位置和入土点位置，确定穿越轨迹，并做标记；
根据设计的入土角确定钻机的摆放位置，并使钻机的中心线与穿越轨迹相重合；
钻进过程中，按穿越轨迹2钻导向孔，钻进过程中保持泥浆压力和排量的均衡稳定。
进一步，导向钻进过程包括：确定穿越轨迹过程中，依据线路平面、断面、设计控制桩、水准标桩进行测量放线，采用全站仪进行测量，根据出土点和入土点的两个坐标点放出穿越施工作业带边界线和管线施工作业带的边界线，确保管道在穿越时按照设计的路由及坐标位置；根据穿越控制桩及线路定位桩坐标点，引出相对坐标点和标高，确定穿越轨迹的位置，穿越轨迹作为钻机的中心线。
进一步，钻进过程中，泥浆压力控制在0.8MPa～1MPa，排量控制在0.8m3/min，钻进速度控制在0.5m/min。
进一步：为了保证出土准确，在入土点至河岸和河对岸至出土点铺设磁场线圈，保证导向孔曲线符合设计要求和出土准确。
进一步：在导向施工过程中，根据导向孔返浆情况，每钻进600～700米设置补浆短节，补浆短设置有水孔，泥浆通过水孔不间断向导向孔内注入，水孔的直径为3.5mm～5.5mm。
进一步：拆下钻头，然后装上扩孔器，试泥浆，确定扩孔器没有堵塞的水眼后开始扩孔；整个扩孔根据回拖管道和地层情况，进行逐级扩孔；根据地质情况，在扩孔时扭矩及拉力大小来确定地质的分布不同，统计扭矩及拉力大小的直线距离得出每一层配置泥浆的粘稠度，泥浆浓度不低于85s。
进一步，管线回拖过程包括：管线组装、焊接、探伤、试压、防腐完成后，在管端上焊接回拖头，确认连接可靠；根据实际情况挖一定长度和宽度的管沟，并将管道进行垫管；把钻杆、扩孔器、回拖万向节、回拖管线依次连接成一体，确保连接可靠；转动钻杆并给泥浆，确定万向节工作良好，扩孔器水孔没有堵塞后开始回拖管道。
进一步，造浆材料包括：膨润土、纯碱、烧磁及泥浆处理剂，泥浆处理剂包括降失水剂、稀释剂、絮凝剂、增粘剂、抑制剂，根据地层需要选择泥浆处理剂，并根据地层条件、钻头技术要求、施工步骤进行调整。
与现有技术相比，本发明技术效果包括：
本发明能够实现长距离、大口径定向钻穿越的顺利施工。
本发明能够降低穿越施工风险，提前竣工时间，在整个定向钻进过程，减少人工投入，提高了施工效率，在保证河道大堤安全的情况下，满足施工需求。节约了成本，经济效益得以最大化。
附图说明
图1是本发明中穿越轨迹与河道的位置关系图；
图2是本发明中水平定向钻穿越河道线路的剖面图；
图3是本发明中导向钻进的施工示意图；
图4是本发明中扩孔的施工示意图；
图5是本发明中管线回拖的施工示意图。
具体实施方式
下面参考示例实施方式对本发明技术方案作详细说明。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
如图1所示，是本发明中穿越轨迹与河道的位置关系图。
穿越轨迹2位于河道1与地面的下方，长距离定向穿越施工方法在穿越轨迹2上进行。
下面以穿越河道1为实施例，对本发明作详细说明。
如图2所示，是本发明中水平定向钻穿越河道线路的剖面图。
A点为入土点，F点为出土点，A-C和D-F为造斜段，C-D为水平段，穿越长度为2600m。A-C段为粉质粘土层，C-D段为粉土层，D-E段为沙层，E-F段为淤泥层。
长距离定向穿越施工方法，包括：导向钻进、扩孔、洗孔、回拖四个工序。稳定的泥浆循环是有效排除钻屑、稳定钻孔压力、维持孔壁稳定的基础，维持施工过程中泥浆循环可以显著地避免钻屑堆积、埋钻等事故。充分搅拌从钻孔内返回的泥浆，经沉淀池或泥浆净化设备处理并调整后方可重复利用。定向钻施工过程中应根据地层条件选择钻进液压力和流量，并保持稳定的泥浆流。若因故需长时间中断钻进时，由于泥浆会不断地向地层渗漏，且钻具长时间静置在孔底容易引发工程事故，应定时向孔内补充新泥浆并活动钻具，避免卡钻。
步骤1：按照穿越轨迹2导向钻进，钻进过程中保持泥浆压力和排量的均衡稳定；
如图3所示，是本发明中导向钻进的施工示意图。
步骤11：确定穿越的出土点位置和入土点位置，确定穿越轨迹2，并做标记；
依据线路平面、断面、设计控制桩、水准标桩进行测量放线，采用全站仪进行测量，根据出土点和入土点的两个坐标点放出穿越施工作业带边界线和管线施工作业带的边界线，确保管道在穿越时按照设计的路由及坐标位置；根据穿越控制桩及线路定位桩坐标点，引出相对坐标点和标高，确定穿越轨迹2的位置，穿越轨迹2作为钻机的中心线。
步骤12：根据设计的入土角确定钻机的摆放位置，并使钻机的中心线与穿越轨迹2相重合；
钻导向孔的过程中使用导向控制系统对钻头准确定位，确保钻头出土位置准确。确定出土点，挖掘泥浆池和基坑，将钻机放在基坑内。
锚固箱安装就位后，用全站仪配合，将钻机就位在穿越轨迹2上，使钻机轴线与穿越轨迹2保持一致。根据设计图纸提供的入土角(9°)调整钻机高度，使钻机的行走轨道与水平面的夹角与设计的入土角相吻合。
钻机就位完成后，测量控向参数、泥浆配制、试运转设备是否正常。
步骤13：钻进过程中，按穿越轨迹2钻导向孔，钻进过程中保持泥浆压力和排量的均衡稳定。
在穿越轨迹上每隔6米(300吨钻机9.6米)左右设数据控制点，以此控制导向孔不偏离穿越轨迹2。
钻进过程中，泥浆压力控制在0.8MPa～1MPa，排量控制在0.8m3/min左右。钻进速度控制在0.5m/min左右，防止Inc井斜角急升或急降造成导向孔出现S弯。Φ711管道单根钻杆折角不能超过0.45°，4根钻杆累加折角不能超过1.8°，Φ406管道单根钻杆折角不能超过0.9°，4根钻杆累加折角不能超过3.6.°。为了保证出土准确，在入土点前50m至河岸和河对岸至出土点铺设磁场线圈，磁场技术可以准确测定探头的准确位置，保证导向孔曲线符合设计要求和出土准确。
为了保证导向孔不出现坍塌、位置准确，需要保证泥浆的使用正确和下套管施工。
1、泥浆的使用。
造浆材料包括：膨润土、纯碱、烧磁及各类泥浆处理剂，泥浆处理剂包括降失水剂、稀释剂、絮凝剂、增粘剂、抑制剂等，应根据地层需要选择合适的泥浆处理剂。泥浆的材料、配比和技术性能指标应满足施工要求，并根据地层条件、钻头技术要求、施工步骤进行调整。
钻导向孔阶段要求尽可能将孔内的泥沙携带出孔外，同时维持孔壁的稳定，减少推进阻力。导向钻进过程中，在泥浆中添加适量的氢氧化钠，使泥浆的PH值调节到9，一般采用pH试纸测定泥浆的pH。在导向钻进过程中通过钻机扭矩和拉力的变化来判断土质层的变化，从而调整泥浆的黏度、pH值及流速。
A-C段泥浆(泥浆的成分为水和膨润土，膨润土在泥浆的比例为5％左右，泥浆的黏度使用泥浆粘度计即马氏漏斗测量)的黏度为50s；C-D段泥浆的黏度为45s；D-E段泥浆的黏度为55s；E-F段泥浆的黏度为50s。
在导向孔钻进过程中，因为受到穿越距离的影响，穿越距离越长影响越大，泥浆不能顺着已形成的导向孔返回，会造成钻杆扭矩增大，严重时会造成导向孔失败的严重后果。具体措施为
a、在导向施工过程中，根据导向孔返浆情况，每钻进600米左右增加一个补浆短节，增加补浆短节的距离根据返浆情况与钻机扭矩可适当调整，但最小不易低于500米，最大不易超过700米。
b、补浆短节上有一个直径为4mm的水孔，泥浆可通过水孔不间断的向导向孔内注入，使导向孔内每隔一段都有一个泥浆喷射口，可以保障钻杆在导向孔内的扭矩不会增加。
c、补浆短节上的开孔不易太小或太大，一般情况下以3.5mm～5.5mm为宜，太大会导致导向钻头处的泥浆量减少，太小会因为泥浆里边的杂质而堵塞。
导向钻进阶段要求尽可能将孔内的泥沙等钻屑携带出孔外，并维持孔壁稳定。在钻孔初始阶段要使钻进速度控制在3m/min，增大泥浆的排量，使孔内的钻屑充分被携带出来，保证环空畅通，为后续钻进打下良好的基础。
2、下套管施工。
由于本次定向钻施工长度较长，穿越段地层承载力较差，在导向施工时，钻杆容易产生弯曲变形，产生弯曲变形位置在(0-200米)造斜段，在主钻机导向施工中需要对该位置加设钢套管，具体施工步骤如下：
a、导向施工至300米左右时，卸开虎钳位置的钻杆。
b、所用钢管为直径323mm厚10mm的直缝钢管，长度为10米左右，在打入地下之前两头磨平，打好坡口。
c、钢套管穿过钻杆，采用钻机直推的方式依次将每根套管进入地下，两根套管之间采用焊接的方式进行连接，以此类推，套管总长度根据实际情况确定。完成套管施工后进行后续导向施工。
如图4所示，是本发明中扩孔的施工示意图。
步骤2：扩孔，扩孔过程中实时观察泥浆的浓度及泥浆压力，使泥浆对孔内的压力要大于孔壁对孔内的压力；
拆下钻头，然后装上扩孔器，试泥浆，确定扩孔器没有堵塞的水眼后开始扩孔。为防止扩孔器在扩孔过程刀头磨掉和扩孔器桶体穿孔而造成扩孔器失效，扩孔器采用高硬度耐磨合金作为扩孔器的切削刀头，扩孔器桶体表面堆焊上耐磨合金，提高整个扩孔器的强度和耐磨性，保证扩孔器能够胜任一次完成预扩孔作业。整个扩孔根据回拖管道和地层情况，进行逐级扩孔。
扩孔阶段要求泥浆有很好的护壁效果，防止地层坍塌，提高泥浆携带能力。为了保证不塌孔及扩孔成孔率，在扩孔过程中，实时观察泥浆的浓度及泥浆压力，使泥浆对孔内的压力要大于孔壁对孔内的压力。根据地质情况，在扩孔时扭矩及拉力大小来确定地质的分布不同，统计扭矩及拉力大小的直线距离从而得出每一层配置泥浆的粘稠度，现场泥浆采用马氏漏斗进行检测。严格控制泥浆浓度，保证浓度不低于85s。
在扩孔过程中，首先将泥浆的黏度保持在50s左右，然后将F-E段泥浆的pH值调至10，再向泥浆中添加3％～5％的正电剂和降凝剂；当扩孔器将要到达E-D段时，将泥浆的pH值调至9，提前在泥浆中添加2％～4％的携沙剂；当扩孔器将要到达D-C段时，提前在泥浆中加入1％的纤维素；当扩孔器将要到达C-A段时，只需保证泥浆黏度为50左右即可(E-A段的pH值一直保持在9左右)。
步骤3：洗孔；
在洗孔过程中，将泥浆的黏度保持在55s以上，在泥浆中添加2％的携沙剂即可(整个洗孔过程中pH值一直保持在9左右)。
如图5所示，是本发明中管线回拖的施工示意图。
步骤4：调整好管道的入孔角度，与出土角保持一致，进行管线回拖。
确认在预扩孔过程完成后，孔内干净，开始回拖管道。管线回拖过程中，泥浆的黏度保持在50s左右即可，pH值保持在9左右。
步骤41：管线组装、焊接、探伤、试压、防腐完成后，在管端上焊接回拖头，确认连接可靠；
步骤42：根据实际情况挖一定长度和宽度的管沟，并将管道进行垫管；
步骤43：把钻杆、扩孔器、回拖万向节、回拖管线依次连接成一体，确保连接可靠；
步骤44：慢慢转动钻杆，并给泥浆，确定万向节工作良好，扩孔器水孔没有堵塞后开始回拖管道。
通过调整泥浆性能，提高泥浆悬浮、携带、润滑、固孔、堵漏等功效。适当增加聚合物含量，提高泥浆的悬浮和固孔能力；加入泥浆流变剂，使泥浆在较高的粘度下保持良好的流动性，提高携带能力，降低粘滞力；加入润滑剂减小摩阻，对上部砂层起到良好的封闭作用。
在回拖过程中，专门安排人员巡线，防止管道在回拖过程中防腐层破损。
如果管道外壁设置有保温层，管道入洞后采用降浮处理。
φ711管道外壁上设置有40mm双层泡沫夹充保温层，由于保温层自重轻，入洞浮力非常大，极大的增加了回拖的难度。入洞前1000米时各项数据均在正常范围，之后管道受浮力影响越来越大，拉力与扭矩均超过正常范围，采取辅助设备夯管锤进行辅助回拖，钻机拉力控制在13Mpa左右，回拖一颗钻杆大约需9～11分钟，但是随着工程的进展，回拖一颗钻杆的时间逐渐延长至40分钟，当回拖至70小时，1300米左右时，钻机回拖拉力达18Mpa，扭矩12Mpa，如果一味的靠继续增加拉力施工，可能造成钻杆断裂、钻杆脱节、设备故障、回拖孔坍塌等危险，现场开展注水降浮施工：
将300吨钻机与其配套设备按预定位置就位，使用钻机将钻杆连接，沟机牵引钻杆的方式，将钻杆推送1.1公里，经过φ711管道内部，进而通过黄河北岸大堤；利用钻机水泵进行注水400m3(此时已经回拖至90小时左右，抱管、回拖孔塌陷的风险非常大)，并尝试启动钻机与夯管锤进行回拖，钻机启动拉力12Mpa，注水降浮的效果非常明显，经过两颗钻杆之后，钻机拉力9.5Mpa，各项数据均在正常范围，停掉夯管锤的辅助后拉力稍有增加，但均在正常范围内，回拖一颗钻杆的时间也基本稳定在6～8分钟，回拖历时118个小时。
本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种长距离定向穿越施工方法，包括：
按照穿越轨迹导向钻进，钻进过程中保持泥浆压力和排量的均衡稳定；
扩孔；扩孔过程中实时观察泥浆的浓度及泥浆压力，使泥浆对孔内的压力要大于孔壁对孔内的压力；
洗孔；在洗孔过程中，将泥浆的黏度保持在55s以上，在泥浆中添加携沙剂；
调整好管道的入孔角度，与出土角保持一致，进行管线回拖。
2.如权利要求1所述长距离定向穿越施工方法，其特征在于：充分搅拌从钻孔内返回的泥浆，经沉淀池或泥浆净化设备处理并调整后方可重复利用；定向钻施工过程中根据地层条件选择钻进液压力和流量，并保持稳定的泥浆流。
3.如权利要求1所述长距离定向穿越施工方法，其特征在于，导向钻进过程包括：
确定穿越的出土点位置和入土点位置，确定穿越轨迹，并做标记；
根据设计的入土角确定钻机的摆放位置，并使钻机的中心线与穿越轨迹相重合；
钻进过程中，按穿越轨迹2钻导向孔，钻进过程中保持泥浆压力和排量的均衡稳定。
4.如权利要求3所述长距离定向穿越施工方法，其特征在于，导向钻进过程包括：确定穿越轨迹过程中，依据线路平面、断面、设计控制桩、水准标桩进行测量放线，采用全站仪进行测量，根据出土点和入土点的两个坐标点放出穿越施工作业带边界线和管线施工作业带的边界线，确保管道在穿越时按照设计的路由及坐标位置；根据穿越控制桩及线路定位桩坐标点，引出相对坐标点和标高，确定穿越轨迹的位置，穿越轨迹作为钻机的中心线。
5.如权利要求3所述长距离定向穿越施工方法，其特征在于，钻进过程中，泥浆压力控制在0.8MPa～1MPa，排量控制在0.8m3/min，钻进速度控制在0.5m/min。
6.如权利要求3所述长距离定向穿越施工方法，其特征在于，为了保证出土准确，在入土点至河岸和河对岸至出土点铺设磁场线圈，保证导向孔曲线符合设计要求和出土准确。
7.如权利要求3所述长距离定向穿越施工方法，其特征在于：在导向施工过程中，根据导向孔返浆情况，每钻进600～700米设置补浆短节，补浆短设置有水孔，泥浆通过水孔不间断向导向孔内注入，水孔的直径为3.5mm～5.5mm。
8.如权利要求1所述长距离定向穿越施工方法，其特征在于：拆下钻头，然后装上扩孔器，试泥浆，确定扩孔器没有堵塞的水眼后开始扩孔；整个扩孔根据回拖管道和地层情况，进行逐级扩孔；根据地质情况，在扩孔时扭矩及拉力大小来确定地质的分布不同，统计扭矩及拉力大小的直线距离得出每一层配置泥浆的粘稠度，泥浆浓度不低于85s。
9.如权利要求1所述长距离定向穿越施工方法，其特征在于，管线回拖过程包括：管线组装、焊接、探伤、试压、防腐完成后，在管端上焊接回拖头，确认连接可靠；根据实际情况挖一定长度和宽度的管沟，并将管道进行垫管；把钻杆、扩孔器、回拖万向节、回拖管线依次连接成一体，确保连接可靠；转动钻杆并给泥浆，确定万向节工作良好，扩孔器水孔没有堵塞后开始回拖管道。
10.如权利要求1至9任一项所述长距离定向穿越施工方法，其特征在于：造浆材料包括膨润土、纯碱、烧磁及泥浆处理剂，泥浆处理剂包括降失水剂、稀释剂、絮凝剂、增粘剂、抑制剂，根据地层需要选择泥浆处理剂，并根据地层条件、钻头技术要求、施工步骤进行调整。
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