柳州水平定向钻机
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水平定向钻技术规范(二)

柳州固瑞 作者:技术部 时间:2012-10-10 阅读:
中国非开挖技术协会“水平定向钻进管线铺设工程技术规范”编辑委员会

4 施工技术

4.1工程设计
4.1.1 程序安排
       一项有效的施工设计应有下列条目:
准备
——过去施工情况的调查
——设计计算
——进一步确认设计、图纸及计算
——施工地层情况调查
——施工测量
——办理施工许可证
工程实施
——测量入土点、出土点、钻孔轨迹轴线和切点
——钻机场地准备
——进场道路准备
——管子场地准备
——设备和人员调动
——管子卸车
——管子焊接
——压力试验
——减阻试验(如果需要)
——连接拉管头
——焊缝测试
——处理钻杆的过度弯曲
——实施钻进
——钻进
——调动钻机和人员
——安放钻机
——准备钻进液混合设备
——钻导向孔
——通过钻杆清洗钻孔
——分级扩孔(根据需要)
——拉管
——去掉拉管头
——实施焊缝测试
——实施减阻
——施工配合
——清理施工现场
——撤走钻机和人员或迁移到下一个工地
4.1.2 设计计算
4.1.2.1轨迹测量    一旦选择确定了施工位置,就应该对钻孔轨迹作测量并准备详细的图纸。钻孔轨迹和基准线的最后精度取决于测量资料的精度.
4.1.2.2轨迹设计参数:
覆盖深度   
        完成岩土勘察,确定了穿越的轨迹,就可确定穿越的覆盖深度,需要考虑的因素包括钻孔施工对地面道路、建筑物或河流的影响,以及对该位置已有的管线的影响。推荐穿越的最小覆盖深度大于钻孔最终扩孔直径的6倍以上;在穿越河床时,应在河床断面最低处之下5m米以上。
入、出土角和曲率半径    8-20°的入、出土角适用于大多数的穿越工程。对地面始钻式,入土角和出土角应分别在6°至20°之间(取决于欲铺设管的直径等)。对坑内始钻式,入土角和出土角一般应采用0°或近似水平。进行大曲率的弯曲以前最好钻进一段直线段。曲率半径的确定由欲铺设管的弯曲特性确定,管径越大曲率半径越大。
        铺设钢管的最小允许弯曲半径可用下列公式计算。但是,为了利于铺管,最小弯曲半径应尽可能大。
Rmin=206·D·S / K2 (m)
Rmin —最小弯曲半径 (m)
206—常数           (Nm/mm2)
D——管子的外径       (mm)
S—安全系数,S=1~2
K2—管子的屈服极限    (N/ mm2)
辅助参数   
        入土点或出土点与欲穿越的第一个障碍物之间的距离(例如道路、沟渠等)应至少大于3根钻杆的长度。
        与水体的最小距离应至少为5—6m,以保证不发生泥浆喷涌。
        从钻进技术方面考虑,第一段和最后一段钻杆柱应是直线的,即没有垂直弯曲和水平弯曲,这两段钻杆柱的长度应至少为10m。
        入土点与出土点有高差时,应专门另作讨论。
        钻进测量与精度    孔内测量工具是测量倾角(上/下控制)、方位角(左/右控制)和深度等参数的电子装置。
       钻孔轨迹精度很大程度上取决于孔内测量的精度。当有干扰时,如:无线电发射台、大型钢结构(桥梁、桩及其它管线等)和电力运输线,会影响测量结果。合理的钻孔轨迹精度应是:导向孔出口处左右±1m,上下±1m。
        钻孔轨迹控制    钻进导向孔时,每2~3m应进行一次测量计算。工程承包商在这些测量计算基础上作出钻孔轨迹图。
4.1.2.3管材的选择
        管线壁厚—D/T经验公式    下表给出了根据钢管直径选择壁厚的推荐值,这些推荐值仅供设计时参考。在最后的设计中,应根据计算应力进行选择。

直径(D)mm
壁厚(T)mm
≤152
6.25
152-305
9.25
305-762
12.70
≥762
D/t<50
        对高密度聚乙烯管(HDPE管),推荐D/t值小于或等于11,并且咨询制造厂家。
        另外,选择管线壁厚应考虑铺管长度。铺管长度越长,管壁应越厚。
4.1.3 校核计算
——开始拉管时的管线应力(摩擦力、重力)
——全部拉入时的管线应力(摩擦力、浮力、弯曲)
——由于过度弯曲造成的管线应力(出土角度)
——拉入过程中的管线应力(内部压力、温度、弯曲、过度弯曲)
——钻机的锚固力(水平和垂直)
——钻进设备的尺寸(土壤、管线尺寸、钻孔剖面)
        在最后的校核设计计算中,必须计算管道在施工和使用时的应力大小,校核是否在材料强度允许的范围内。计算中,每一阶段的应力都必须从单独受力和联合受力分别考虑。如:拉管时,滚柱间跨距造成的应力、作静压试验产生的应力、铺设时的拉力、管入孔时弯曲和钻孔轨迹弯曲产生的应力、钻孔内的附加力和工作应力。
1.铺管前
        a.计算静压试验产生的环向和轴向应力;
        b.根据滚柱间的距离,可计算出管线的最大上拱和下垂,并计算出管线的最大张应力。注:在静压试验期间管线是注满水的,因此计算中必须计入水的重量。
2.铺设中
        a.在1.b中计算张应力的方法可用于铺设阶段;
        b.为了计算出应力,必须先计算理论拉力。考虑管线的安全性和拉管时钻孔弯曲的影响,推荐孔内摩擦系数为1.0。最大预测拉力用于计算轴向应力。
        c.当计算轴向弯曲应力时,允许有10%的实际偏差,即按设计曲率半径的90%计算。
        d.必须考虑孔内液体静压力产生的附加应力。考虑到液体静压力的轴向和周向力的影响,推荐安全系数取值1.5。
3.铺设后
        a.轴向弯曲应力的计算见2c;
        b.附加外力的计算见2.d;
        c.计算最后的静压试验产生的环向和轴向应力。
4.使用中
        a.钻孔曲率的影响见2.c;
        b.附加外力的计算见2.d;
        c.用于计算的管线在使用中的最大工作压力而产生的轴向和周向应力。
许用应力    计算出施工各个阶段的单独受力和联合受力后,必须与许用应力比较,进行强度校核。
一般,许用应力按以下计算:
        轴向最大许用应力:最小屈服强度的80%;
        周向最大许用应力:最小屈服强度的72%;
        组合应力下的许用应力:最小屈服强度的90%。
        当权威机构可能在以上内容之外提出其他限制条件时,业主应认可并允许修改设计。
4.1.4 作图
剖面图
剖面图至少应包含下列信息:
——工地的纵向剖面图
——入土角
——出土角
——钻孔的水平长度
——钻孔的实际长度
——钻孔剖面的绝对高度(或相对)
——覆盖层
——最小(垂直)弯曲度
——钻孔轨迹区域内的建筑物或其它管线
——障碍物
——欲铺设管线的信息
平面图
平面图至少应包括下列信息:
——从委托方提供的施工区地形图了解到场地的特殊情况
——钻孔轴线
——入土点和出土点的坐标
——指北的箭头
——钻孔附近的建筑物和其它管线
——障碍物
——钻孔轴线与障碍物之间的最短距离
——最小(水平)弯曲度
——规划的设备场地和管线场地
现场平面图
现场平面图至少应包含下列信息:
——各种设备的位置(钻机、工作站、泵等)
——钻机的固定方法
——钻井液配制设备的安放位置
——进出场道路
运输线路图
确定的运输线路图至少应包括下列信息:
——运输设备的数量、各自的承载能力
——运输设备的位置
——运输设备在平面图中的摆放位置
——运输设备的细节
管束图
一束管子的示意图至少应包括下列信息:
——一束管线的横截面图
——单根管线的直径
——捆成一束的方法
4.2设备仪器
4.2.1定向钻机
        水平定向钻机无论大小,操作与用途都是相似的。一般,钻机都采用机械或液压驱动钻杆,通过钻杆对孔底钻头施加回转扭矩、给进或回拖力。对水平定向钻进穿越铺管的钻机来说,回转扭矩和回拖力是其主要参数,它们是根据工程大小及要求选择钻机的重要依据。由于水平定向穿越往往钻进弯曲的钻孔,所以与其它钻机相比,对钻机的转速要求不高。
        地表始钻式钻机有一个倾斜的给进导轨;坑内始钻式钻机一般采用水平的给进导轨。给进导轨长度决定钻杆单根的长度,也直接影响钻进过程的平稳性和纯钻效率。
        当施工条件已知,钻孔设计确定时,定向钻机的选型主要考虑以下因素:
(1)   钻孔设计终孔口径、弯曲曲率半径、铺管长度等,根据它们的大小通过回转扭矩和回拖力来选择确定钻机。考虑钻孔复杂情况到,所选的钻机能力至少应大于计算所需的30%以上。
(2)   现场地形、交通条件、管线埋深等,评价这些因素后,选择采用地表始钻式钻机或坑内始钻式钻机。
(3)   现场能源供应条件,选择采用电驱动还是采用燃油驱动钻机。
(4)   地层情况和现场水源供应条件,选择应用液体循环回转钻机或是气动潜孔锤钻机。
4.2.2定位与导向仪器
        对于水平定向钻进穿越工程来说,定位与导向仪是最为关键的设备,正确地选择和使用这些仪器,对施工的成败和效率,具有决定性的意义。
        最常用的定位和导向仪有无缆式地表定位系统(手持式跟踪仪器)和有缆式定向系统,两种系统的定位和导向性能都能满足常规水平定向钻进穿越工程的需要。
        在钻进导向孔时,钻进工作人员才用导向仪确定钻具位置,利用导向仪获取的数据,与预先批准的基准线和轨迹进行比较,调整钻进轨迹。常用的仪器有以下几种。
4.2.2.1无缆式地表定位与导向系统
        手持式跟踪仪    这种仪器在水平定向钻进中使用最广,它由一个装在钻头后面的电子信号探头(发射器)和一个手持式跟踪接收器组成。探头(发射器)一般安装在钻头后面的钻具内,用于测量孔底钻具位置的信息,并将信息的电磁信号发射给跟踪接受器,探头发射的信号到地表后,由导向人员手持的接收器接受,跟踪接收器显示信号强度,信号越强,接收器越靠近发射器。导向人员通过分析接收器提供的数据来监测钻孔轨迹。许多钻机装配有一个远程接收器,通过它钻机操作者能够分析和记录定位数据。一般,在确定的技术参数范围内,使用手持式跟踪仪是最经济的。
        大多数的探头(发射器)具有方位传感器,它们是倾角、转角以及在某些情况下的左/右偏转计。传感器测得的数据,显示在接收器上,并用于控制方向。接收器也能确定从接收器到发射器的深度。操作人员遵守制造商推荐的标准化程序,有助于提高深度测量的准确性。
        手持式跟踪仪的优点包括:
        费用——除购置费用外,生产开支频繁,但成本较低,平时仅需更换电池。更换探头很昂贵,但一般不会发生。
        操作有效——接受过训练的定位人员能有效地操作手持式跟踪仪,为了确保高精度,读数和解释信号的知识必须与强烈的责任感相结合。钻孔的全面测量可提高手持式跟踪仪的定位精度。
        生产率——与其它方法相比,其数据解释及时,有利于提高生产率。
        绘图——手持式跟踪仪可直接将数据传送给计算机,由计算机做出钻孔轨迹图。
手持式跟踪仪的缺点包括:
        地形——在有障碍物的地方,如繁忙的快车道交叉口或穿过河流。
        干扰——以下情况往往会干扰信号读数的精确度:仪器上方电力线的磁干扰、地下通讯信号的磁干扰、埋在地下的废弃物或地层中的障碍物干扰、无线电发射基站的电波干扰等等。
        深度——手持式跟踪仪受钻孔穿越深度和其它与孔有关的因素的限制,如:手持式跟踪仪器一般用于深度不超过21m的钻孔。
        连续工作时间——定位系统发射器的电池寿命,是选择能否完成一个钻孔所需时间的重要指标。
        远程跟踪能力——道路和小河的穿越通常可用地表定位系统进行。然而,远程跟踪能力通常限于约10m的距离。
        抗冲击磁性定位与导向系统    这种仪器是近年来最新开发的用于干式水平定向钻进的定位与导向系统。在潜孔锤冲击破碎钻进中,为使电子元件不受大动载的影响,一种基于磁性计的导向系统用于有冲击作用的干式水平定向钻进系统上。系统的永久磁铁装在冲击锤体上,当其旋转时产生磁场,磁场的强度及变化由地表磁力计探测,探测数据交由计算机处理,从而得出钻头的位置、深度及面向角。
水平定向钻进施工中,推荐采用下表进行现场记录;

轨迹记录
测点序号
钻杆长度
水平距离
侧向偏移
垂深
倾角
转角(左/右)
1
 
 
 
 
 
 
2
 
 
 
 
 
 
3
 
 
 
 
 
 
4
 
 
 
 
 
 
5
 
 
 
 
 
 
6
 
 
 
 
 
 
7
 
 
 
 
 
 
8
 
 
 
 
 
 
9
 
 
 
 
 
 
10
 
 
 
 
 
 
...
 
 
 
 
 
 
...
 
 
 
 
 
 
出口
 
 
 
 
 
 

一些地表定位系统带有钻孔轨迹设计和绘图系统,它们以特定的间隔,记录孔内钻具的深度,可做出导向孔的测量或施工过程图。
4.2.2.2有缆式定位与导向系统
        有缆式定向与导向系统    有缆式定向系统又称为有缆式随钻测斜仪。有缆式定向仪是与位于孔底非磁性钻具内的磁性探头或位于普通钻具内的陀螺仪相连的,连续的缆线穿过钻杆内部,再与地面的计算机相连。
有缆式定向系统的优点包括:
        深度——由于电源和信号由缆线传输,因此对导向钻孔的深度或长度没有限制。
        精度——有缆式系统可与地面坐标测量辅助系统一起使用,可提高测量精度。探头产生的信息传送到地表计算机,可用于评价施工轨迹。
        记录处理——计算机处理测到数据,得出精确的“随钻”施工数据。
        有效性——在费时的坚硬岩石钻进中,不用为更换电池而频繁地起下钻具。
有缆式定向系统的缺点包括:
        费用——在低价的地下管线铺设施工市场,设备购置费或人员设备的租金高,然而该缺点经常被高成功率和复杂孔的准确度所消除。
        数据的解释——仪器的操作需要经过培训的专家,这对于许多钻进承包商来说,难以稳定地发挥作用并且成本较高。
        缆线的连接——连接缆线需要时间,一节一节的缆线连成电缆,可能造成读数不准,并且增加了非生产性的辅助时间。
常用的有缆式定位与导向系统有以下两种:
        磁性定向仪    磁性定向仪是用于长、深孔穿越的行业标准仪器。使用磁性定向仪,钻进操作人员可在钻进的任何时候计算钻孔位置,进行钻孔纠偏,因此能使钻孔轨迹与设计穿越轨迹一致。
        磁性定向仪用坚固的三轴磁力计测定钻具位置与当地地磁场的关系,它是一个电子罗盘,用一个三轴加速度计测定钻具位置与地轴的关系,它是一个电子水平仪。由数字传送仪输出数据,给出钻具的状态信息,状态信息包括:导向钻具的倾角、方位角和工具面向角。
        连续取得的每一组测量数据都用于计算钻孔的实际位置与设计轨迹的偏差。
        计算每一测点增加的位置偏差,能绘出实际的钻孔轨迹。这类仪器的精度为:倾角度数+/- 0.1,方位角度数+/- 0.3。
        磁性定向仪还可以与实时跟踪系统(Tru-Tracker)结合使用。实时跟踪系统由放置于钻孔上方地表的电缆组成。测量电缆的位置,给其选择性地施加电压,产生已知强度和位置的局部磁场。磁性定向仪对感应磁场很敏感,钻进期间,采用专用软件可提高磁性定向仪的定位精度。
陀螺仪    陀螺仪测量系统用得不多。陀螺仪可保持固定的方向,且不受磁干扰的影响。然而,陀螺仪的大小受钻杆内径尺寸限制。小尺寸的陀螺仪精度低,且漂移增加,还要求专业人员操作。
4.2.2.3注意事项
        选择应用上述仪器,应以现场技术要求和费用考虑为基础。一般,地表定位系统最便宜,但仅能用于距离较小的穿越。磁性定向仪用于较大的管线铺设工程,这些工程为避开已有地下管线钻进较深,且磁干扰小,能识别和量化。
        工程选择的磁性定向仪和备用仪器,应有最近期的工厂标准校验,以确保其误差在生产商的额定范围之内。在现场对转角的标准误差检查,应在工程施工前进行。转角的标准误差检查也可在探头安装进钻具后,与确定的方向对照进行检查。
        磁性定向仪应置于沿钻孔基准线的地面上——即相同磁干扰区——使仪器在一个圆周内以不变的方向转动时,记录下数据。转动检查至少应检查8个点。按钻进时的倾角状态检查,4个点足够。应沿钻孔轨迹的不同位置,选择地按钻进时的倾角状态检查磁场变化,确定仪器经过该处的方位。如果可能,倾角状态检查应使用装在无磁钻具内的磁性定向仪。检查时得到的所有数据都应记录,供与钻进施工期间比较。
        在开始钻进导向孔时,使用Tru-Tracker的位置,应验证方位角并按需要调节。必须记录Tru-Tracker测量的资料和方位角的变化。
        因为磁干扰、错误的方位定位、仪器失灵或操作员的失误,可产生错误的导向。然而偏斜的孔可用于建立正确的钻孔方位定位。将实际的钻孔位置和方向与计算的数据作比较,可用于进行重新钻进的设计。重新钻进时,钻杆退回到技术要求确定的点,然后重新钻进那段导向孔。
        测量数据代表导向孔的位置,随后的扩孔操作可能改变钻孔的位置。例如,在软土层,由于扩孔器被拉时受张力,扩孔倾向于使孔变直。为了减少合格的导向孔偏离或“跑离”,实践证明:扩孔中使用套洗钻管是一种很好的施工方法。
4.2.3辅助设备
        除钻机和定位与导向仪器外,还需要其他一些的辅助设备。如:使用钻进液或泥浆的钻进,需要泥浆泵、搅拌机、泥浆净化器等设备;使用“干钻岩石系统”的钻进,需要较高风压和较大风量的空气压缩机。钻孔进、出口工作坑和泥浆循环坑的开挖,可能需要使用挖掘机。现场搬运大直径管道或其他重物,可能需要吊车。钢质管道的连接和拉头的焊接,需要电焊机;聚乙烯管道(PE管)的连接需要熔融焊机,等等。
4.3工作人员
        水平定向钻进需要的工作人员数量,取决于穿越工程和使用设备的大小。一般,中型钻机的施工班组应由5—7人组成。标准的工作岗位及其职责是:定位及导向岗位——1人。主要职责:勘察工地,确定适当的钻机布置、入射角度和高程,确定孔径及分级扩孔方案,操作定位及导向仪器,发出调整钻孔轨迹的指令,并与钻机机长交流这些决定,记录导向数据。这一岗位应由工程师以上的专业技术人员担任。
        钻机机长(或班长)——1人。主要职责:准备和调节钻具,操纵钻机,与导向人员交流钻进情况,设定机组的进度计划和工作状态,管理机组人员。这一岗位应由具有专业技师资格的人员担任。
        钻进泥浆人员或泥浆工——1人。主要职责:掌握整个钻进液的搅拌、净化和循环系统,监视需要的水量,保持良好的水质、调节PH值,按特殊的施工要求调整合适的钻进液成分,使粘度、固相含量、比重等技术指标达到要求。
        机械工、电工——1~2人。主要职责:监视与维护机械及电气设备的正常运转,出现故障时进行维修,帮助钻进中的所有其它操作。
        杂工——1~2人。主要职责:帮助进行所有的钻进操作,包括操作钻杆、监测泥浆池、搅拌泥浆、供应水、操作重型设备以及缆线的连接。
        钻进机组的目的是安全地达到最高生产率。
4.4钻具与钻杆
        钻具与钻杆是由钻机的大小和类型、以及设计孔的环境和地层决定的。
4.4.1钻具   
        一般指孔内钻头至钻杆之间的所有钻进装置,又称孔底钻具组合(BHA),BHA应根据使用的定位系统、土层条件和穿越深度的变化而改变。典型的BHA装配如下:
        软土层/手持式跟踪——BHA由可改变角度和方向的喷射或铲形钻头、探头室和钻杆组成。
        中—硬土层/手持式跟踪——BHA由铣齿牙轮钻头、改变角度和方向控制的弯接头、探头室和钻杆组成。
        硬土或岩石层/手持式跟踪——BHA由镶齿牙轮钻头、预先安置好弯头的泥浆马达、探头室和钻杆组成。(图4.4.1a)

固瑞机械水平定向钻
                           图4.4.1a 硬土或岩石层/手持式跟踪
软土层/有缆式——BHA由钻头、弯接头、浮动接头、装有探头的定向接头、泥浆马达、无磁钻铤和钻杆组成。除钻头外,整个BHA由无磁性钢材组成。
         硬土或岩石层 /有缆式——BHA由钻头、泥浆马达、浮动接头、定向接头、无磁钻铤和钻杆组成。(图4.4.1b)


水平定向钻技术规范
                       图4.4.1b 硬土或岩石层 /有缆式
4.4.2钻杆   
        选择合适的钻杆非常重要,钻杆的外径和壁厚对钻孔弯曲半径有影响。大直径钻杆不能安全地进行小曲率半径的弯曲,因而不能用于短距离弯曲孔。钻杆直径越小,越易弯曲,在适当的地层条件下更适合短距离孔。设计的钻孔弯曲半径应大于欲铺设的钢管和钻杆的允许弯曲半径,或至少是其直径的1200倍。用其它非刚性材料的管道,如高密度聚乙烯管HDPE,弯曲半径可以更小。钻孔弯曲半径越大,回拉时铺设管线越安全。相反,如果钻孔轨迹设计按管材计算的最小弯曲半径,则没有误差的余地。
        如要使用孔底泥浆马达,需要最大的钻杆内径或水眼,以提供合适的钻进液流量,将地表压力损失和钻杆压力损失降到最低,这样可给钻头提供最大水马力。钻杆、胶管、单动接头及其它接头的内径(水眼)是保证足够流量的重要因素。
4.5施工场地及布置
4.5.1施工场地
        水平定向钻进穿越工程需要两个分离的工作场地:设备场地(钻机的工作区)和管线场地(与设备场地相对的钻孔出土点工作区)。场地大小取决于设备类型、铺管直径和钻进穿越长度。
设备场地(图4.5.1.a)    安放设备、施工操作需要充足的工作面积。一般应保证钻进设备周围具有至少大于钻杆单根长度的操作空间,设备上方应无障碍以保证吊放和防止落物。如果设备是可分离的,摆放设备位置可由一些较小的、不规则的面积组成。
管线场地(图4.5.1.b)    应提供足够长的工作空间便于欲铺设管子的连接。穿越工程的设计,应尽量设法将欲铺设的管线做到全长度一次性拉入,并尽可能避免水平方向的弯曲。多次回拉连接管线会增加施工风险。
        在城市市区施工时,由于受街道围墙的限制或必须在拥挤的小胡同、人行道、风景区或特殊的公共通道的地方工作,设备须线性排列,占据空间不超过单行道宽度。
        施工场地还应考虑可能干扰钻架或起重机操作的空中设施,以及可能影响设计轨迹线和钻机布置的地下设施。交通高峰期对工作时间的限制也影响施工场地的充分利用。
        施工场地还须考虑开挖进、出口坑和泥浆循环池。尽管水平定向穿越对公共设施的破坏最小,但必须告知财产所有者或管理机关,这些坑是定向穿越施工的必要组成部分。


水平定向钻机
1.水平定向钻机2.电力供应设备3.钻杆4.水泵5.泥浆搅拌池6.泥浆净化设备
7.泥浆泵8.泥浆材料仓库9.发电机10.仓库11.12.现场办公室13.入口坑14.钻屑处理池
                               图4.5.1a 设备场地

固瑞水平定向钻
1.钻屑处理池2.出口坑3.施工设备4.管线导轮5.生产管线6.钻杆7.仓库
                                  图4.5.1b 管线场地
4.5.2工作坑
        进、出口工作坑是非常重要的,进、出口工作坑可有以下功用:
(1)   兼作地层情况和地下管线及构筑物的探坑;
(2)   用作泥浆循环池的组成部分;
(3)   作为连接与拆卸钻具、钻杆、管线的工作坑;
(4)   坑内始钻式钻机的设备安放位置。
        进、出口工作坑的大小,取决于其功能和深度,一般至少应为1×1m,当深度较深时,还必须考虑挖掘工作中稳定坑壁,形成坡度,坑口尺寸更大。在考虑坑的功用时,如欲用于接管工作的出口坑,需考虑焊接工作的操作空间;如果欲铺设的管线直径大,则出口坑必须延长成适合管道平直回拖的长槽;等等。坑内始钻式钻机的工作坑,因需要利用坑的前、后壁承受钻进中的给进力和回拉力,则必须对坑壁进行加强和支护。
4.5.3泥浆循环池
        泥浆循环池一般由返回池、沉淀池、供浆池三个以上的池组成。池之间由沟槽连接,其间还可有泥浆净化设备或装置。泥浆循环池的大小根据泥浆返回量的多少确定,一般至少应为1×1×1m,为保证泥浆自由沉淀的效果,沉淀池可大一些或多1~2个。
4.6钻进液
        钻进液通常是钻进泥浆。钻进泥浆有许多功能,最基本的是维持钻孔的稳定性。另外,泥浆还有携带钻屑、冷却钻头、喷射钻进等功能。钻进液的成分根据底层条件、使用要求作调整。管道与孔壁环状空间里的钻进液还有悬浮和润滑作用,有利于管道的回拖。
        钻进泥浆经泥浆泵泵入钻杆,从钻头喷射出来,在经钻杆与孔壁的环状间隙还回地面。钻进液是一种由清水+优质粘土(膨润土)+处理剂(若需要)或清水+少量的聚合物+处理剂(若需要)的混合物。膨润土是常用的泥浆材料,它是一种无害的泥浆材料。
        钻进过程中,监控和维持粘度、比重、固相含量等技术参数是极为重要的。当孔内情况有所改变时,可以按需要调整这些参数。
        钻进液应在专用的搅拌池中配制。从钻孔中返回的泥浆需经泥浆沉淀池或泥浆净化设备处理后,再送回供浆池,或与新泥浆混合后再使用。常用的泥浆净化方法是分级滤出不同粒径的土屑,如:从孔口返回的泥浆依次通过振动筛、除砂器、沉淀池处理。钻屑增加钻进液的固相含量,固相含量必须始终控制在30%以下,这样才能保证堵塞钻孔。
        作为环保施工技术,对非开挖水平定向钻进的钻进液进行适当处理可避免在地表不能存放钻进液的问题。使用后的膨润土泥浆(不含有害处理剂)最常用的处理方法是散布在田野里,用后的膨润土泥浆散布在田地、牧场或管线周围,对工程承包商和土地主人都是有利的。预先设计好泥浆处理技术可降低实际处理成本。
4.7 管线制作
4.7.1原则
        根据适用的规则和规范制作、装配管线。
4.7.2焊缝
        拉管前需用焊缝检测仪对管线进行连续检测,发现问题及时进行修理。
4.7.3过度弯曲
        控制最小允许弯曲半径和最大允许拉伸间距范围,可保证管线受力始终低于规定的最小屈服强度。
4.7.4减阻
        对于大直径管线,为了控制拉力在所用钻机的允许范围之内,需进行减阻。减阻还有减少对涂覆层的磨损作用。
4.7.5回拖
        回拖期间,钻机操作者必须监测和记录相关数据,如拉力、扭矩、拉管速度和钻井液流量等。应注意不超过管线的最大允许拉力。
4.7.6管线涂层
        保护层有抗腐蚀和抗磨蚀的作用。定向穿越往往会遇到不同的地层情况,管道回拉时经常受磨蚀,所以需要在管线外层涂保护层。涂层与管线应有很好的粘结力以抵抗地层的破坏,并且表面应光滑结实减少摩擦力。在管线施工中,推荐的保护层应与现场的接头保护层或内保护层一致。
        接头保护层    焊接部位也应涂敷保护层,这是防磨蚀管道的一个关键野外工序。为防止回托时接头保护层脱落,不应使用缠绕式保护层。
保护层的修复    回拖施工可能造成小面积的保护层损坏,对此应进行手工修补,如采用油漆刷或滚筒进行涂敷修复。胶带缠绕式修补不能用于回拉损坏保护层的修复。
        抗磨外层    穿越中管线遇石头、卵砾石或坚硬岩石时,推荐在防腐层之外再涂敷高强度耐磨层。
4.8钻进过程
        钻进过程分三步:导向孔、扩孔、回托铺管。
4.8.1导向孔   
        钻进导向孔是水平定向穿越施工的最重要阶段,它决定铺设的管线的最终位置。钻杆按设计的进入点以预先确定的8—12°角度钻入地层,在钻进液喷射钻进的辅助作用下,钻孔向前延伸。在坚硬的岩层中,需要泥浆马达钻进,钻杆的末端有一个弯接头控制轨迹的方向。在每一根钻杆钻入后,应利用手持式跟踪或有缆式定位仪测量钻头位置,推荐至少钻进每根钻杆应测量一次。对有地下管线、关键的出口点或调整钻孔轨迹时,应增加测量点。将测量数据与设计轨迹进行比较,确定下一段要钻进的方向。钻头在出口处露出地面,测量实际出口是否在误差范围之内。如果钻孔的一部分超出误差范围,可能要拉回钻杆,重新钻进钻孔的偏斜部分。当出口位置满足要求时,取下钻头和相关钻具,开始扩孔和回拉。
4.8.2扩孔    
        同径铺设时,导向孔完成之后,可直接回拖铺管。但是,大多数导向孔需要扩孔,将孔径扩至能铺设管道。终孔孔径一般应为管线外径的1.2~1.5倍。地层情况复杂时,扩孔直径越大越好;但是,孔径越大,维持孔壁稳定越困难。应考虑钻进液和钻屑返回的环空间隙和铺设管线的弯曲半径。根据要求的终孔直径和土层条件,扩孔可一次或多次完成。
        不同地层应采用不同的扩孔器。刮刀扩孔器用于软土层;筒形扩孔器用于混合土;镶嵌硬质合金块的牙轮扩孔器用于岩石层。扩孔器的类型和地层条件直接影响扩孔速度。采用与地层相匹配的扩孔器和适当的钻进液流量是扩孔施工的关键,可节约资金和时间。
4.8.3回拖铺管   
        钻孔扩大后,管线可回拉进入充满泥浆的孔中。准备回拉的管线应在出口一侧连接并进行检测。如果铺设的是钢管,推荐将钢管放在滚筒上以减少摩擦力,保护管线的涂层。对于高强度聚乙烯管(HDPE管)通常不需要这个工序。钻杆使用一个拉头或拉钩和一个单动接头与铺设管连接,单动接头用于防止管线回转,并拧坏管线。也可将扩孔器安装于拉头与钻杆之间,以确保钻孔畅通,回拉时,可向孔内泵入润滑液。
4.9 清理现场
        拉管和其后的测试试验(静水压测试、定径清管器、密封测试)等工作完成后,应清理管线现场和设备现场。这项工作包括排除入口坑和出口坑中的钻进液,并回填这些工作坑。
4.10文件资料
4.10.1 值班记录
        值班记录和现场报告必须符合实施所在行业的语言习惯,应每天向委托方代表递交这些报告。对于每一道工序都应作现场记录,也包括对管道减阻或回填废弃钻孔的情况。
每日进度报告应包括下列内容:
——地点
——日期
——工程名称
——实施者
——分包商
——使用人员
——使用设备
——使用材料
——意外事件
值班记录至少应包括:
——地点
——时间
——拉力
——扭矩
——泵送流量
——泵压
——意外事件
报告由工程承包商保留,以保持更详细的记录。
4.10.2 原始资料
        委托方需要的所有原始资料和记录应在全部工作结束后4周内提供,应提交一份原件和一份复印件。
原始资料应至少包含下列内容:
图纸
——平面图
——横向剖面图、平面图、断面图
记录
——如4.10.1所述
——场地清理
——竣工
照片资料(9×13)
——开工前的场地情况
——重大活动
——清理后的场地情况

实践证明:提交记录和资料时,由委托方和承包商对工程正反两方面的经验进行一次总结讨论是非常有益的,它有助于改善并提高施工质量。
 

 

 

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