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1、大型水平定向钻穿越项目工程施工方案大型水平定向钻穿越项目工程施工方案 1 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
2、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
3、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
4、应符合以下公式 F 拉 Lf D 7 85 k DL 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 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 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
5、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 管道回拖 入土端导向 孔钻进至稳 定层 入土端导向孔套管 钻进安装 入土端导向孔钻进 跟踪测量 导向孔完成 六级扩孔 洗孔 测孔 修孔 主管预制 试压 管道下沟 发送 推管机
6、安装 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 钻机 65 8 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 出土侧钻具的连接方式如下 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
7、 压 功 率 导向孔钻进示意图导向孔钻进示意图 L min MPa N m N m kN kW 5LZ172 C 94 1894 4 052007345100126 控向对穿越精度及工程成功至关重要 并直接关联到 主管穿越 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
8、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
9、精度 2m GPS 钻头跟踪测量仪工作原理 出土点入土点 穿越中心线 钻头位置 GPS钻头跟踪 测量仪 穿越轨迹 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 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 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 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
10、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 273 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 序号名称 规格型 号 数量 1 半自动焊机NPS 500 2 2
11、 外对口器DK 273 1 3 套管钻头3001 4 自锁式套管卡 头 1套 5 焊接施工平台 1组 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 口 口 口 口 口 口 口 口 口口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口
12、 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 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
13、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 钻杆 加重钻杆 板式扩孔器 2 1 5 加重钻杆
14、钻杆 2000 型钻机 2 1 5 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 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 扩孔级 数 扩孔直径 mm 级差 mm 扩孔器型式 1400200 板式扩孔器 2600200 板式扩孔器 3750150 板式扩孔器 4900150 板式扩孔器 51050150 板式扩孔器 6112070 板式扩孔器 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
15、 8 5测孔 俢孔 双钻机扩孔示意图双钻机扩孔示意图 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
16、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 管线在孔内完全静止的时间 回拖时钻具连接方式 型钻机 钻杆 加重钻杆 950回拖扩孔器 2 1 5 旋转接头 U 形环 工作管线 型推管机 夯管 锤 备用 由于管径大 穿越距离长 回拖时 又可能发生塌孔 或缩径等情况 作为施工方案的一部分 回拖前 在出土 点场地安装 型推管机 如果回拖顺利 则不使用推管 机 但推管机处于完全准备好的状态 一旦发生回拖阻力 异常增大的情况 推管机马上可投入使用 进行助力回拖 确保回拖安全 1 8 6 2 回拖管的支撑和发送 管线回拖前 根据管线挠度和转角计算公式并结合具 体施工经验确定入洞前管线支撑的高度和位置 使管头的 位置和角度与出土点和出土角度致 将推管机安装在管道 入洞前的支撑点上 助
