定向钻施工方法介绍综述

定向钻施工方法 定向钻设计、施工规范定向钻设计、施工规范 定向钻铺管技术是20世纪70年代初，美国人克林顿.马 丁将定向钻探技术和传统的铺管施工结合起来，发明了定 向钻铺管施工技术。 1985年，中国石油天然气管道局第三工程公司引进了 RB-5水平定向钻机，开创了国内定向钻施工的先河。 1996年，中国石油天然气管道局第二工程公司引进了 DD-60/R2水平定向钻机，是国内第二台定向钻施工设备。 1997年，中国石油天然气管道局第二工程公司又引进 了DD-330水平定向钻机，同年中国国航引进了DD-120水 平定向钻机。 1998年，地矿部勘探研究所生产了国内第一台DD-50 水平定向钻机，拉开定向钻设备国产化的序幕。 MH370去哪了？ 1）应答机 2）卫星、雷达 3）高度、距离、偏离航线 定向钻的钻头去哪了？ 1）导向信号线 2）地面信标、磁靶定位系统 3）深度、钻进长度、水平位移 1.定义 2.定向钻施工总平示意图 进场道路 进场道路 钻机场地 出土场地 管道预制作业带 钻机场地标准布置图 施工实例 出土点场地布置图 “二接一”施工工艺 回拖第一段管道 距离入孔点50米 对口焊接 焊口冷却后 继续回拖 回拖1根钻杆 进行焊口检测 检测完成继续 回拖1-2根钻杆 焊口不合格返修 合格后进行补口 返修或补口完 成后继续回拖 返修焊口检测 并继续回拖 如果返修 检测合格进行 补口作业 开始正常回拖 根据本工 艺，回拖 最长停滞 时间不会 超过6个 小时（超 规范问题 ） 水网地带施工场地和施工便道 水网地带的小型河流和沟渠通过方法 定向钻穿越的施工流程 清理场地、恢复地貌 管道与钻具连接 扩孔回拖管道 拆卸钻机 试压、吹扫 泥浆处理 安装钻机 调 校 泥浆配置 穿越管道组对焊接 钻导向孔 预 扩 孔 无损检测 补口、补伤 试压、清管、扫线 防腐层检测 平整场地 测量放线 1.人工磁场 v人工磁场法是在穿越中心线两侧布设闭合导线圏，通电后形成外加磁 场，用以对控向参数的复核。人工磁场可不受任何外部磁场的干扰， 准确反映钻头所在的具体位置，左右偏移量和钻头深度情况，人工磁 场测得的数据是探头所在位置的真实反映。人工磁场的实际应用能够 保证实际出土点在设计穿越规范的范围内，为管道的顺利回拖打下了 良好的基础。 v4.3.2人工磁场线圈的角点采用木桩固定，保持四边笔直减少测量误差 。线圈的宽度以3倍的探头深度为宜，也可以取3倍于设计曲线的最深 值，长度不易过长，以免造成电阻过大，电流小而影响测量的真实度 。线圈所使用的的导线截面积在10mm2以上为宜， 4.3.3在钻头进入人工磁场后的下一根钻杆钻进完成时进行测量 偏差。测偏时首先根据控向员的指令接通电源为线圈供电，供电 设备选用现场的直流电焊机（或两块电瓶串联），通直流电的电 流以7080A为宜。测量完成后断开电源，重复测量23次取平 均值做为当时的偏差量。进入磁场后每钻进一根钻杆测量一次， 对比前后测量结果及时发现偏差和偏差趋势，如果不在标准要求 范围内需及时纠偏或将钻进钻杆抽回至满足曲线要求处后重新钻 进调整。 定向钻中的主要数据 v导向孔作业关键要把握住2 个角度、1个工具面和4个 数据（4个数据时依据探头 测定的2个角度和输入的钻 杆长度计算所得）： INC（倾斜角） AZ （方位角） HS （工具面） AWAY（水平长度） MD（实长） ELVE（标高） RIGHT（水平偏差） 定向钻可以调整角度的原理 1-2的角度 当钻机旋转钻进时带动钻头和钻杆一同旋转，则钻头沿直线钻 进；当钻头旋转，而钻杆不旋转，钻机直推钻进时，根据工具 面HS的方向调整角度。 帆板运动 2.导向孔 v水平定向钻进穿越的第一道工序是导向孔的施工。导向孔 的轨迹控制通过导向钻头完成。导向钻头是一种带有斜掌 面的射流辅助切削钻头，直径略大于钻杆，当钻杆带着钻 头回转并给进时，将钻出直孔；当钻杆带着钻头只给进不 回转时，将钻出弧孔（也称弯孔）。导向钻头内部带有发 射器，地表有对应的接收器，能接收发射器采集到的斜掌 面方位、导向钻头指向、深度等参数，地面操作人员通过 控制参数达到控制施工轨迹的目的 导向孔施工的主要设备和仪器 导向孔施工主要用到以下设备： 探头 接口单元 司钻控制台 计算机 探头可以测出钻头当前位置的INC、AZ和HS（工具面）三个 角度，并将模拟信号传递到接口单元，由接口单位将信号转换为 数字信息后分送司钻控制台和计算机控制程序系统。钻机司钻根 据司钻控制台上提供的当前数据和下一步计划要达到的数据选择 进行司钻操作。控向人员根据测定的角度数据，输入钻进的钻杆 长度，由计算机程序自动计算当前钻头的三维坐标，控向员根据 当前数据制定下一步钻进计划，并提供给司钻。 并不是每一个司钻 人员可以将钻头位 置控制到控向员的 指定位置和角度， 根据不同的地质有 不同的操作方法， 因此有一个经验丰 富的控向员或司钻 员是非常 必要的。 数据传输示意图 探头安装位置 向接口单元传输模拟信号 接口 单元 接受模拟信号并转 换成数字信号 计算机 司 钻 控制台 控向人员利用计算机进 行计算，司钻人员根据 数据进行钻进操作。 导向孔 v钻机被安装在入土点一侧，从入土点开始，沿着设计好的 线路，钻一条从入土点到出土点的曲线；作为预扩孔和回 拖管线的引导曲线。 导向孔示意图 入土点 出土点 设计曲 线 导向孔开始钻 进 钻机 对穿就是两侧都 有钻机，在水平 段对接。 导向孔对接施工示意图 v导向孔施工一般采用9 1/2 （230mm)的镶齿钻头进行施 工，特殊情况下可以采用12 的钻头施工，在进行岩石 地质穿越时还需要增加泥浆马达。 v普通地质一般不采用泥浆马达钻孔，而是直接采用钻机 本身的推进和旋转功能进行钻进施工。坚硬地质由于钻 机本身的旋转速度有限，同时由于钻机旋转钻进只能钻 进直线，因此必须加装泥浆马达，利用泥浆马达的高速 旋转进行钻孔施工。 导向孔 3.预扩孔 v在钻导向孔阶段，钻出的孔往往小于回拖管线的直径，为了使钻出的 孔径达到回拖管线直径的1.5倍；需要用扩孔器从出土点开始向入土 点将导向孔扩大至要求的直径。 预扩孔示意图 入土点 出土点 扩孔形成的空 间 预扩孔开始 钻机 预扩孔 v预扩孔作业的扩孔级别： v普通地质扩孔一般以6为一个级别，最后一级扩孔直径达 到回拖管道的1.5倍；较好的地质最大可以按12 越级扩孔 。 v岩石地质扩孔也是以6- 8为一个级别，经过特别设计， 在岩石硬度不是特别高的情况下可以按10 越级扩孔。 v大口径管道（大于900mm），最大扩孔直径可以扩到管 径+12 （305mm)。 4.管线回拖 v导向孔经过预扩孔，达到了回拖要求之后，将钻杆、扩孔 器、回拖活节、被安装管线依次连接好，从出土点开始， 一边扩孔一边将管线回拖至入土点为止。 回拖示意图 入土点 出土点 扩孔形成的空 间 回拖开始 钻机 管线 回拖中的管线，滚轮架 管道入洞 管道回拖力的计算 简便的计算方法： （每米管道重量-每米管道浮力）穿越长度摩擦系数 （摩擦系数按通常的0.3记取） 工程实例：813 16.0穿越管道，普通地质，长度1000m。 每米管道重量：2R h 7.8=0.813 3.14 0.016 7.8 =0.319吨 每米管道浮力：R2=3.14 0.40652=0.519吨 管道最大回拖力：（0.519-0.319） 1000 0.3=60（吨） 需要的钻机回拖力：2 60=120吨（安全系数一般1.53） 定向钻施工所需要的主要岗位 定向钻工程师：确保按照既定方案进行施工，解决现场突发 问题； 控向员：严格按设计曲线要求进行导向孔施工，确保控向精 度和曲线平滑； 司钻员：按照控向员制定的计划，根据地质情况操作钻机， 完成导向孔施工，并进行扩孔和回拖作业。 接线员：进行探头信号线的连接工作和地面磁场线的布线作 业； 泥浆工程师：制定泥浆配比方案，确保泥浆供应。 泥浆回收系统泥浆回收系统 5.泥浆配制工艺 泥浆被视为定向钻的“血液”，是定向穿越中的关键控制 因素，其主要作用是悬浮和携带钻屑净化钻孔、稳定孔壁 和降低扭矩和推拉力、冷却钻具。 一.常用泥浆处理剂简介 1、常用处理剂主要有工业纯碱、正电胶干粉、CMC、 CMS、封堵剂、油基润滑剂等，其主要性能特点如下： v泥浆配制 2、处理剂的添加量一般控制在0.1%1%。 二.泥浆性能参数 1、 密度 由于泥浆的特性密度，钻进中所需要的（超）静态流体压力（稍 超压的地下水）可以作用于地下，支撑孔壁。由于切进的缘故，液体 密度不断在增加。因此，有必要不断地用气体比重计或泥浆天秤测量 进入地下和回流的泥浆。清洁的水/膨润土基液的密度是在1.05和.20g /cm3 之间。 v2、 粘度 v 粘度（单位：mpa*s）可以理解为液体对流动的阻力。粘 度存在着两种值，表观粘度和塑性粘度。满足被钻土质要求的 粘度可保证泥浆的液压特性，尤其是被钻固态物质的运送和泵 送能力。液体参数可以用构成粘度的添加剂予以变更。 v粘度的测量单位，多数情况下使用一升泥浆通过“马氏漏斗”（ 马氏粘度）的时间来表示。如有必要，可用旋转的“叶片粘度计 ”提供屈服点或塑性粘度（宾汉模型）的精确数值。从这些数值 可推导出泥浆的液压的和载荷承载能力。 v3、 PH值 v PH值控制膨润土的物理化学结构并确定它们的电化学载 荷，这就决定了钻屑液体的有效性以及添加剂的有效性。PH值 是评定泥浆化学反应的重要参考值。膨润土液体的PH值应在 8.0和10.0之间。 v4、 固相成份 v 泥浆中所有不可溶解的组分都叫做固体。依据颗粒大小， 可以分为胶质、淤泥和沙。测定是以AP1筛子并用沙量杯进行 的。固体成份（单位：容积%）用以鉴定泥浆的携带能力，泵 送能力，磨蚀能力，以及输送容积，钻孔的清洁度验证和泥浆 再循环中使用的分离设备（筛，旋风分离器，离心机）的有效 性。 v5、 循环容积 v 循环容积（单位L/min）必须经常监测并记录，尤其在早期探测钻屑液 体流失或稀释时必须如此。根据它的差别可以探测到钻孔塌方或土地变动 的危险，从而可采取必要的措施。需要的流量决定于钻屑的地质条件和钻 孔液体的携带能力。总流体流量是根据钻孔体积和流入土地的流体损失系 数计算出来的。该系数一般依据土地资料在1.05到2.20之间。 vVB=dA2/4LBfk v v式中：VB=钻孔体积,m3; v dA=钻孔最后直径,m; v LB=钻屑长度, m; v fk=液体损失系数; v6、 滤失量 v 动滤失：在泥浆循环的情况下，泥浆建立、增厚、直至平衡而滤失 速度也由开始较大逐渐减少至恒定形成泥饼； v 静滤失：停止循环时，不存在泥浆液对泥饼的冲刷力，随着滤失的 进行，泥饼逐渐加厚，滤失也逐渐减少。静滤失的滤失量比动滤失小。 v 滤失量适中，形成泥饼薄、致密、韧性好、摩阻小。可通过滤失量 测定仪测定，通常不超过15ml/30min。 v7、 按工程特性（如坚硬岩石钻屑或丘陵松散岩石钻屑），也需测定钻屑 液体的流动曲线（剪切应变/剪切梯度），胶凝强度或动态流体压力。需用 粘度计测量。 v三.配浆用