定向钻穿越施工方案

（一）定向钻系统组成

钻机系统

控向与造斜系统

钻具

泥浆系统

回拖系统

动力系统

辅助系统

（二）钻机系统

底座

钻机架

活动卡盘

控制室

（三）底座

其上有行程齿条轨道、人行道、扶手栏杆等。

底座后底部有支撑腿，其上端与底座铰链联结，下端与钢垫块相连，垫块座落在地面上或固定在专用拖车上。

底座上配有两个液压管钳（卡盘），一个固定在底座前端，另一个可以沿底座两侧滑轨前后移动，从而实现钻杆的螺纹连接与拆卸。

后支撑腿高度可调，从而可以改变入土角度

（四）控制室

有各种控制仪表、显示仪表和计算机系统，用以控制钻机架和转盘的速度与方向，远程控制泥浆泵，远程操作管钳（卡盘）。可对钻机推拉力、转盘扭矩和泥浆泵的压力排量进行调节。 

（五）控向与造斜系统

有线控向和无线控向 

无线控向只适用于短距离、浅层穿越，配合中小钻机使用，其特点是控向方便，准确，但受穿越深度和地形的，一般使用较少。 

有线控向适用于长距离、深层穿越，配合大型钻机使用。 

（六）有线控向

有线控向系统主要包括三部分：探头、控向软件和联接转换设备。 

探头用于测量磁方位角和井斜角。探头结构主要由一个三轴磁强计、一个三轴重力加速计、数模转换器和计算电路部分组成。三轴磁强计用于测量磁场矢量，三轴重力加速计用于测量重力场矢量。 

控向软件用于计算探头所在位置的里程、高程和左右偏差值。控向软件依据磁场矢量算出磁方位角，依据磁场矢量和重力场矢量算出井斜角。 

联接转换设备是将探头在井下测量的数据传输到地面，提供给计算机中的控向软件。

（七）动力与辅助系统

柴油机、液压泵和发电机

主要作用是为钻机、泥浆泵提供高压油，以驱动各部分的液压马达，同时为计算机、照明和空调设备提供电源。

主要辅助设备有：起重机、单斗挖掘机、推土机和管道施工设备等。 

（八）施工占地与施工准备

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）。 

（九）施工准备

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

钻机锚固系统 

（十）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，并在适当位置找一开阔地平整压实，以方便车辆调头进入钻机场地。 

（十一）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，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。 

（十二）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。

（十三）安装钻机

1）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。

2）钻机应安装牢固、平稳，经检验合格后进行试运转。

3）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。 

（十四）操作要点

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80DN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三维坐标，此坐标返回控制盘上，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，防止钻杆内有杂物堵住钻头水嘴造成事故。 

（十五）扩孔工艺

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，可确保孔道成形质量。

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。 

（十六）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

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，但这时的滤饼环空尽管充满泥浆，却依然很脆弱，容易垮塌，最终还是以边界模糊的“孔道”占主导地位。 

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”。 

（十七）管段与钻具连接

1）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；

2）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；

3）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。 

（十八）保证定向钻的精确对接

必须保证定向钻的精确对接在入土段和出土段均需要采取安装套管的方法穿过卵石层， 由于定向钻穿越使用的导向系统是靠地磁来确定穿越方向的， 而套管属于铁磁性物质，对周围地磁场影响非常大。这样， 钻头在接近出土段的套管时， 导向系统将无法正确导向， 致使钻头很难从出土段的套管内钻出。所以， 必须在砂岩层内完成导向孔对接， 使主钻头沿辅助钻头在入土段钻出的导向孔出土。

（十九）防止定向钻在钻孔时呈现S形的措施

防止定向钻在钻孔时呈现S形的措施：为确保钻进曲线圆滑， 防止钻孔出现S 形， 对每根钻杆所改变的角度要进行严格控制， 控向过程中要严格按照设计曲线控向， 如发生偏离原设计曲线， 要及时作出调整。钻孔出现S 形是由于控向过程中没能调整好单根钻杆的角度而造成的， 所以只要控制好单根钻杆调整的角度就能使钻孔圆滑。如果单根钻杆改变的角度过大， 则及时抽回本根钻杆， 重新钻进以达到钻进设计的要求。

（二十）影响与措施

一般在铺管施工时，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时，则对环境的影响较小。

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。

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。