22水平定向钻穿越施工通用工艺资料.docx

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22水平定向钻穿越施工通用工艺资料

压力管道安装通用工艺文件

水平定向钻穿越施工通用工艺

HNYJPQC22-2010

1适用范围

适用于岩石、砂土、粉土、粘性地质条件的水平定向钻穿越工程。

2引用标准

《油气输送管道穿越施工验收规范》GB50424-2007《油气长输管道工程施工及验收规范》GB50369-2006《石油建设工程质量检验评定标准管道工程穿跨越工程》SY/T4104-1995

3一般要求

3.1穿越作业应向当地河流/公路/铁路管理部门申请并经批准后方准实施。

3.2穿越作业应编制专项HSE措施方案。

3.3穿越施工时应设置施工警告标志，夜间设警示灯。

3.4定向钻穿越应满足以下规定：

3.4.1穿越深度规定：

1）穿越河流等水域时，穿越管段管顶埋深应在河流最在冲刷线2.5m以下，且穿越管段管顶距河床底部的最小距离应大于穿越管径的10～15倍，且不小于6m。

对防洪等级高的河流，应根据不同的地质类别，适当增加穿越深度。

2）穿越公路/铁路时，穿越管段管顶埋深应符合公路/铁路等相关部门的有关规定。

3.4.2与建筑物、地下管线的距离规定：

1）与建筑物基础的水平净距不得小于设计规定；

2）与现有地下管线水平铺设时，Φ200mm以上的管线，净距应为最大扩孔径的2倍以上；Φ200mm以下的管线，净距不得小于0.6m；

3）从现有地下管线上部交叉铺设时，垂直净距应大于0.6m；

4）从现有地下管线下部交叉铺设时，垂直净距应符合下列要求：

粘性土地层应大于扩孔直径的1倍；粉土地层应大于扩孔直径的1.5倍；砂土地层应大于扩孔直径的2倍；

小直径管道（Φ<110mm）垂直净距不得小于0.5m。

3.4.3定向钻出、入土角及穿越曲率半径规定：

1）穿越施工时出、入土角大小应根据地质、地形条件和穿越管段的材质、管径来确

定。

入土角度一般为8°～20°，出土角一般为4°～12°。

2）水平定向钻穿越的曲率半径应符合设计要求。

曲率半径不宜小于1500D，最小不得小于1200D。

3）在管道入土端和出土端外侧各预留保持不少于10m长直管段。

3.4.4地质资料准备规定：

施工前，应向设计或业主索取穿越段的地质报告。

其内容至少包括如下内容：

勘察目的、任务要求和依据的技术标准；

拟建工程概况；勘察方法和勘察工作布置；场地地形、地貌、地层、地质构造、岩土性质及其均匀性；各项岩土性质指标，岩土的强度参数、变形参数、地基承载力的建议值；地下水埋藏情况、类型、水位及其变化；

土和水对建筑材料的腐蚀性；可能影响工程稳定的不良地质作用的描述和对工程危害程度的评价；场地稳定性和适宜性的评价；若有不足部分，施工单位可向建设单位提出补勘申请报告。

勘探点平面布置图；

工程地质柱状图；

工程地质剖面图；

原位测试成果图表；室内度验成果图表。

4理论计算

4.1导向孔轨迹计算

4.1.1定向钻导向孔轨迹应包括下列内容：

钻孔类型和轨迹形式；选择造斜点；

确定曲线段的曲率半径；计算各孔段钻孔轨迹参数。

4.1.2定向钻导向孔轨迹宜由斜直线段、曲线段、水平直线段等组成。

其设计应根据生产管线技术要求、施工现场条件、施工机械等进行轨迹综合组合。

4.1.3定向钻导向孔轨迹设计可采用作图法或计算法确定。

作图法：

入、出土角和曲线段的确定可进行。

第二曲线段

直线段

L2

第一曲线段

L1

L3

ɑ2

R2

R1

ɑ1

一般形式的导向孔轨迹设计图

图中：

α1——入土角

α2——出土角

A——入土点

D——出土点

B——第一曲线段和直线段轨迹变化点

C——直线段和第二曲线段轨迹变化点h——轨迹（铺管）深度L1+L2+L3——定向钻铺管水平长度计算法：

入、出口角和曲线段的计算可按上图及下列公式计算

式中：

F拉——计算的拉力（t）；

L2——穿越管段的长度（m）；

摩擦系数，0.1～0.3；

D——管子的直径（m）；

4.3

4.4

4.5

5

5.1

5.2

泥——泥浆的密度（t/m3）；

1——管子的壁厚（m）；

k粘——粘滞系数，0.01～0.03。

泥浆喷射孔个数计算：

应根据泥浆泵排量确定切割刀、扩孔器的泥浆喷射孔的个

数，泥浆喷射孔的个数应按下式计算：

Q

r2V

式中：

N——泥浆喷射孔的个数（个）；V——要求泥浆的喷射速度（m/min）；Q——泥浆泵的正常排量（m3/min）；r——喷射孔的半径（m）。

钢管最小允许曲率半径的计算：

定向钻铺设钢管最小允许曲率半径应采用下式计

算，也可用不小于1500D估算

Rmin206DKS

K2

（3.5.4）

式中：

Rmin——最小曲率半径（m）

206——常数（MPa·m）

D——钢管外径（mm）

S——安全系数，一般取1～2

K2——钢管屈服极限（MPa）

PE管最小允许曲率半径的计算：

定向钻铺设PE管的最小允许曲率半径可采用下式进行计算：

＝EDH

＝2

（3.5.5）

式中：

——曲率半径（cm）

E——弹性模数（MPa）

DH——管外径（cm）δｐ——弯曲应力（MPa）铺设PE管时，钻孔轨迹的曲率半径应同时满足钻杆的曲率半径

水平定向钻机具选取

水平定向钻机的选取：

宜根据回拖力计算值的1.5～3倍来选择控向系统的选取：

5.2.1手持式跟踪系统：

经济、使用方便，但要操作人员直接到达钻头上方的地面，易

受地形、电磁干扰及探测深度的限制，多在中小型钻机上使用；

5.2.2有缆式导向系统：

可跨越任意地形，不受电磁干扰，但复杂，使用麻烦，效率低，价格高。

5.2.3导向系统配置应根据机型、穿越障碍物类型、探测深度及现场测量条件等选用。

5.2.4导向系统使用前应满足如下要求：

1）操作人员应熟悉仪器性能、适用范围、操作方法；

2）导向仪应经过校验并在有效期内，并在施工前进行现场调校。

5.3钻具的选取

5.3.1孔底钻具组合应依据所采用的导向系统、土层条件、穿越深度等要求确定；孔底钻具组合形式，可参照表5.3选用。

表5.3.1孔底钻具组合形式

导向系统

土层条件

钻具组合

手提步履式

导向仪

软土层

提供倾角、方位角、深度的泥浆喷射铲式钻头、探头

（棒）室及钻杆组合

中、硬土层

铣齿牙轮钻头、提供倾角、方位角、深度的方向控制

的弯接头，探头（棒）室及钻杆组合

硬土或岩土层

铣齿牙轮钻头、预先安置的泥浆马达无磁钻铤和钻杆组合

有缆式导向仪

软土层

钻头、弯接头、浮动接动、装有探头（棒）的定向钻

头、泥浆马达、无磁钻铤和钻杆组合

硬土或岩土层

钻头、泥浆马达、浮动接头、定向接头、无磁钻铤和钻杆组合

5.3.2导向钻头类型和尺寸应按岩土类型、岩土层造斜能力、造斜配套工具等要求确定钻头类型和尺寸，可参照表5.3.2选用。

表5.3.2钻头类型和尺寸

岩土类型

钻头类型和尺寸

淤泥

较大掌面的铲形钻头

淤泥质粘土

中等掌面的铲形钻头

粘土

较小掌面的铲形钻头，掌面宽度应比探头室直径大12mm

以上，铣齿钻头或马掌面冲击钻头

砂层

小锥形掌面铲形钻头

砂、卵、砾石层

镶焊硬质合金、中等尺寸弯接头钻头

岩层

孔底动力钻具

5.3.3扩孔钻头类型选择，可参照表5.3.3选用

表5.3.3扩孔钻头适用的地层

钻头类型

适用地层

挤压型扩孔钻头

松软地层

切削型扩孔钻头

软土层

组合型扩孔钻头

地层适用范围较广，属普通型扩孔钻头

牙轮型扩孔钻头

硬土和岩石

5.4钻杆的选取

5.4.1钻杆机械性能主要是强度和扭矩，其规格、型号应符合孔底钻具的工作扭矩、钻机顶力及回拉管道时总拉力要求。

5.4.2钻杆曲率半径应不小于钻杆外径1200倍。

5.4.3钻杆丝扣应保持洁净，旋扣前应涂上丝扣油。

5.4.4弯曲和损伤钻杆不能使用，钻杆内应避免杂物进入。

5.5泥浆配方：

应依据钻进的土壤、地层情况确定。

6工艺流程，见图6。

图6定向钻施工工艺流程图

7工艺控制

7.1测量放线

7.1.1测量放线准备工作

1）备齐放线区段完整的施工图（平面图、断面图、测量成果表）、交接桩记录、标准规范以及测量放线记录用表。

2）准备完好、精度符合要求并经检定合格且在有效期内的GPS或全站仪、盘尺等。

3）准备足够的木桩或钢筋桩等测量放线的工器具。

7.1.2管道测量定桩

1）现场成立测量放线工作组，由测量队长或测量工程师主持具体施工工作。

2）测量人员依据线路平面、断面图、设计控制桩、水准标桩进行测量放线。

测量放线中应对测量控制桩进行保护。

3）在放线过程中，应与业主委托的其他承包商联系，核实管线征地与穿越公路、河流、光缆、地面及地下障碍物、林区、经济作物区等的通过权。

4）放线桩应标明管道中心线、出入土点位置、出入土点场地、钻机位置、回拖场地和泥浆池占地的位置和几何尺寸等。

5）划线：

预制管线轴线和施工作业带边界线定桩后，测量人员沿测量点拉放线绳，沿绳撒石灰线进行划线，放出管线轴线及边界线。

6）测量精度要求：

轴线测量的导线距离允许误差小于0.1‰；高程测量的闭合差小于50mm。

7.1.3测量放线完毕及时与监理联系和报验，填写相关记录。

7.2施工场地平整

7.2.1施工场地清理准备工作施工前，必须同业主或监理及地方政府一起，对施工场地内植（作）物林等进行清点，对重要地形、地貌、重要构筑物进行录像作为将来恢复依据。

7.2.2施工场地清理

1）不允许堵截的沟渠、河流，应铺设水泥涵管过水并搭设便桥通过；

2）应采取相应保护农田、果林、植被及配套设施，减少或防止水土流失，同时保护保护线路控制桩，如有损坏，测量工立即进行补桩恢复。

3）出、入土点场地清理采用挖沟机、推土机扫线，人工配合清理，将征地范围内的树木、石块、构筑物等予以清除、平整并进行夯实处理，保证施工顺利进行。

7.2.3钻机场地要求

1）水型水平定向钻机的安装场地可为40m×40m，大型水平定向钻机的安装场地一般约为60m×60m。

安装场地应根据钻机及附属设备的要求，结合现场条件进行布置。

2）钻机场地内应设泥浆池，其大小应根据泥浆用量确定。

泥浆池不宜放在穿越中心

线上。

7.2.4管段预制场地要求

1）穿越管段预制场地宜设在出土点附近，在出土点设一个30m×30m的钻具操作场地。

2）管段预制场地宜与入土点、出土点在一直线。

穿越管段的预制场地的长度宜为设计水平长度加20m，宽度应符合有关规定。

3）若因场地限制预制管段不能直线布置，应在出土点保持不少于100m的直管段，方可采取弹性敷设。

7.3主管道组焊、防腐补口等施工满足设计图纸或相关标准的要求。

7.4强度及严密性试压

7.4.1水平定向钻穿越回拖前，应对主管道进行清管、测径、试压，回拖后还应再进行测径。

7.4.2管道清管、测径、试压前应编制施工方案，制订安全措施，并充分考虑施工人员及附近公众与设施安全。

清管、测径、试压作业应统一指挥，并配备必要的交通工具、通信及医疗救护设备。

7.4.3穿越管道宜采用水作为试压介质。

7.4.4试压前，用清管球（器）进行清管，清管次数不少于两次，以开口端不再排出杂物为合格。

7.4.5清管球充水后直径过盈量为管内径的5%~8%。

7.4.6如果清管合格后需进行测径，测径宜采用铝质测径板，直径为试压段中最小内径

的90%，当测径板通过管段后，无变形、褶皱为合格。

7.4.7油气穿越管道水压试验时的压力值、稳压时间及合格标准应符合表7.4.7的规定。

表7.4.7水压试验压力值、稳压时间及合格标准

分类

强度试验

严密性试验

油气穿越

压力值

1.5倍设计压力

设计压力

管段

稳压时间

4h

24h

合格标准

无泄漏

压降不大于1%试验压力值，且不大于0.1MPa

7.4.8试压宜在环境温度5℃以上进行，否则采取防冻措施。

7.4.9试压合格后，将管段内积水清扫干净。

清扫以不再排出游离水为合格。

7.4.10试压用的压力表经过校验并在有效期内。

压力表精度就不低于1.5级，量程为被测最大压力的1.5～2倍，表盘直径不应小于150mm，最小刻度能显示0.05MPa。

试压时的压力表不少于2块，分别安装在试压管段的两端，稳压时间应在管段两段压力平衡后开始计算。

试压管段两端各安装一支温度计，且避免阳光直射，温度计的最小刻度小于或等于1℃。

7.4.11试压装置，应经过试压检验合格后方可使用

7.4.12试压时的升压速度不应过快，每小时升压不应超过1MPa。

当压力升至0.3倍和0.6倍强度试验压力时，分别停止升压，稳压30min，检查系统，如无异常情况继续升压。

7.4.13试压中如有泄漏，应泄压后修补，修补合格后重新进行试压。

7.5钻机设备安装、调试

7.5.1钻机设备安装

1）挖、砌排浆池及地锚坑1个，大小按实际需要，一般排浆池尺寸为15m×10m×3m，排浆池内铺塑料彩条布，并在池内四周用砖砌加固墙，墙高1m，用水泥将排浆池四周与加固墙连接，防止排浆池塌方。

地锚坑中心线在穿越主管和光缆套管的中心线上，地锚坑尺寸为8m×6m×4m，挖排浆池及地锚坑时要留出足够边坡，出土

点处排浆池及地锚坑尺寸见图7.5.1所示

图7.5.1-1地锚坑及泥浆池示意图（坡比1:

0.67）

2）地锚坑开挖完成后，先用砖在四周砌三七墙，将地锚放入后，地锚与墙的余空填混凝土加固。

然后开始安装挡板，在挡板前打6米长，壁厚为δ6mm、间距0.5m的Ф108mm管桩进行加固，同时将地锚、挡板、管桩和钻机下所垫钢板用20#槽

钢进行连接，保证在回拖管线过程中地锚的稳固。

地锚形式见图7.5.1-2。

图7.5.1-2地锚形式示意图

3）设备应安装在生产管中心线延伸的起始位置；

4）调整机架方位应符合设计钻孔轴线；

5）按设计入土角调整机架倾斜角度；

7.5.2钻机设备调试

用探测器测量控向参数，探测器应摆放在管道穿越中心线上，在中心线上选择远离干扰源的地方，在入、出土点的不同位置测取10个以上的数据，差别不大时取平均值，差别大时，分析原因后重新测量。

并满足下列要求:

1）实际测量获得最佳控向参数后，做好原始记录。

2）调试泥浆搅拌系统，检查泥浆搅拌系统各搅拌枪是否工作正常，检查各连接管路是否有泥浆泄漏情况，发现问题及解决。

3）检查调试泥浆泵工作是否正常，泥浆泵压力表是否正常工作。

4）检查定向钻机各连接管路、接头是否连接稳当。

所有设备检查完后进行设备试运转。

5）磁方位角测量、泥浆配制

6）根据设计入土点、出土点，严格按控向系统调校程序进行调校。

7.6试钻及泥浆配制

7.6.1钻机及配套设备就位:

钻机就位后应进行系统连接、试运转，确保设备正常工作。

7.6.2钻机试钻：

各系统运转正常、钻杆和钻头清扫完毕后试钻，钻进1-2根钻杆后检查各部位运行情况，各种参数正常后按次序钻进。

7.6.3泥浆配制、施工过程中的控制及处理

1）泥浆用料准备：

施工取淡水放入水罐，经沉淀后利用；膨润土及必要的添加剂及时运到。

2）依据穿越地质、穿越长度及穿越管径进行泥浆配制，并在钻导向孔、预扩孔及回拖各阶段采取相应措施，泥浆配比，参见表7.6.3（用马氏漏斗计每两小时测量一次泥浆粘度）。

表7.6.3泥浆粘度值表

项目

管径（mm）

地质

粘土

亚粘土

粉砂

细砂

中砂

粗砂

砾砂

岩石

导向孔

35～40

35～40

40～45

45～50

50～55

40～50

扩孔及

回拖

Φ426以下

35～40

35～40

40～45

45～50

50～55

40～50

Φ426～Φ711

40～45

40～45

45～50

50～55

55～60

45～55

Φ711～Φ1016

45～50

45～50

50～55

55～60

60～80

50～55

Φ1016以上

45～50

50～55

55～60

60～70

65～85

55～65

3）水平定向钻斜孔段：

泥浆的流动性能要好，结构性要强，保证钻屑携带和孔眼清洁；控制泥浆的失水，防止塌孔。

需增大固壁剂、降失水剂含量。

4）水平定向钻水平孔段：

要及时提高润滑剂剂量，适当降低粘度和切力，保证泥浆的流变性能良好，使钻屑顺利返出地面；增强泥浆的润滑性，减小钻机旋转及推进阻力。

5）水平定向钻扩孔段：

增强泥浆的造壁性能，防止孔壁塌陷；需增大固壁剂、降失水剂剂量。

6）水平定向钻回拖段：

提高泥浆的润滑性，降低摩擦阻力，增强携屑效果；需提高润滑剂剂量。

7.7钻导向孔

7.7.1导向孔曲线要求：

定向钻穿越施工应严格按《油气输送管道穿越工程施工规范》GB50424执行，定向钻钻进曲线应严格按照穿越施工规范和设计图纸曲线要求，其中穿越实际曲线与设计曲线的偏差不大于1%，且纵向偏差±3M，上下偏差+1M～－2M，出土点横向偏差±3M，纵向偏差孔+9M～－3M。

钻孔阶段尽量将岩屑携带出孔，同时维持孔壁稳定，减少推进阻力。

7.7.2导向孔钻进施工应满足如下要求：

1）导向操作应由经过培训合格的人员操作，控向系统的功能应满足工程的需要；

2）钻机开启后应进行试运转，确定机具各部分都运作正常后方可钻进；

3）导向孔应根据设计曲线钻进；

4）第一根钻杆入土钻进时，应轻压慢转稳定入土位置，符合设计入土角后方可实施钻进；

5）导向孔钻进时，造斜段测量计算频率一般情况每0.5～1.0m/次，直线段测量计算频率一般每根钻杆一次；测量参数应符合设计轨迹要求，且应按下列要求进行数据记录：

采用手提步履式导向仪钻孔轨迹测量方法的现场记录内容，并按记录绘制钻孔轨迹剖面图。

采用有缆式导向系统钻孔轨迹测量，钻孔轨迹监视和调控应随时观察计算机处理的随钻数据，且应进行采集。

7.7.3根据采集的控向数据，及时调整偏差，使穿越曲线符合设计要求并满足下列要求：

1）曲线段钻进时，应按地层条件调整推进力，避免钻杆发生过度弯曲；

2）造斜段顶进时，一次顶进长度宜小于0.5～1.0m，同时应观察延伸长度顶角变量，顶角变量应符合钻杆极限弯曲强度要求，采取分段施钻，使延伸长度顶角应变化均匀；

3）导向孔相邻两测量点之间轨迹偏离误差不得大于最终扩孔的孔径，发现偏离误差应及时纠偏。

7.7.4钻杆折角要求：

导向孔的钻进是整个定向钻施工的关键，在导向孔钻进过程中，应严格按设计给出的穿越曲率半径进行。

在钻进过程中折角不宜过大，见表7.7.4。

表7.7.4钻杆折角

管径Φ（mm）

每根钻杆最大折角（°）

4根钻杆累加折角（°）

325以下

2.1

6.0

377

1.7

5.7

406

1.6

5.4

508

1.4

4.3

610

1.2

3.6

711

1.1

3.0

813

1.0

2.6

914

0.9

2.4

1016以上

0.8

2.2

7.8扩孔

7.8.1

7.8.1

扩孔孔径的确定最终扩孔直径应根据管径、穿越长度、地质条件和钻机的能力确定。

终孔孔径一般应为所敷设管径的1.2～1.5倍，最小扩孔直径与穿越管径的关系应符合表的规定：

表7.8.1最小扩孔直径与穿越管径关系（mm）

穿越管段直径

最小扩孔直径

<219

管径+100

219～610

1.5倍管径

>610

管径+300

注：

管径小于400mm的管线，在钻机能力许可的情况下，可直接扩孔回拖。

7.8.2扩孔应满足如下要求：

1）扩孔宜连续进行，当意外停止扩孔时应注意：

停止扩孔器回拉并前推，消除扩孔器的扩孔工作钻压；

2）扩孔钻头（扩孔器）小眼孔正常喷浆时，方能开始扩孔，严禁干扩；

3）按配套扩孔钻头由小到大逐级扩孔。

中、大型钻机在松软土层中扩孔，可跨越一级钻头直径扩孔；

4）扩孔中出现钻机扭矩、拉力较大时，应先进行洗孔，洗孔结束后，再继续进行扩孔，扩孔结束后，如发现扭矩、拉力仍较大时，可再进行洗孔作业。

5）转速和工作钻压应符合钻具使用技术参数的要求；

6）启动时旋转、回拉钻杆的速度应缓慢；

7）旋转和行进速度应均匀；

8）控制泥浆流量和扩孔扭矩。

7.9发送沟开挖、发射座安装

7.9.1穿越管段预制完毕后，应根据地形地貌及铺管长度、材质、管径等因素，确定采用发送沟、发射座或者两者结合的方式发送管道。

7.9.2发送沟开挖要求

1）沿穿越中心线开挖发送沟。

发送沟应根据地形、出土角确定开挖深度和宽度，一般情况下，发送沟的下底宽宜比穿越管径大500mm；

2）清理发送沟内的无石块、树根等硬物，然后将管道吊入沟内，再向沟里注水，直至管道完全处于漂浮状态。

一般情况下，管沟内最小注水深度宜超过穿越管径的1/3。

3）采取措施，保证管道的入土角度与实际钻杆出土角度一致。

7.9.3发射座安装要求

1）根据穿越管段的长度和重量确定发射座（托管架）的跨度和数目；

2）发射座（托管架）的高度设计须满足预制管段弯曲曲率的要求；

3）发射座（托管架）的强度、刚度和稳定性应满足设计要求。

7.10管道回拖

7.10.1管线回拖前应完成以下事项：

1）回拖钻具连接前应用泥浆冲洗钻杆，以确保钻杆内无异物；

2）连接后要进行试喷，确保水嘴畅通无阻；

3）施转接头内应注满油，施转应良好；

4）回拖前应对钻机，泥浆泵设备进行保养和检修，确保设备运行良好。

5）预制管线应完成组焊、无损检测、强度及严密性试压、防腐补口补伤等工作。

7.10.2管径大于1m时，宜进行回拉时浮力控制。

管材环刚度不足，可采用加大管内气压以增加环刚度，并匀速拉管，避免出现孔内瞬间真空现象，造成孔内坍塌。

7.10.3回拖时宜连续作业。

特殊情况下，停止回拖时间不宜超过4h。

7.10.4拖拉头的焊接应保证牢固。

7.10.5回拖钻具连接的顺序宜为：

钻机→钻杆→扩孔器→旋转接头→拖拉头→穿越管段

7.10.6回拖过程中要认真观察泥浆运行情况及旋转接头、U型环、回拖头的连接情况，确保各部连接紧固。

7.11地貌恢复

7.11.1施工前，应将穿越场地内的表层耕植土剥离，堆放在工地边沿。

然后用土工布将可能跑、冒、流淌泥浆的地方覆盖铺垫。

并开挖导流沟，将可能跑、冒、流淌的泥浆引向泥浆回收池，泥浆部分循环利用。