水平定向钻在施工中出现的问题及解决技术

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。

1、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。

2、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)。

3、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。

4、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。

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5、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。

6、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，需加入适量的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。

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7、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。