HDD水平定向鉆進(jìn)技術(shù)在燃?xì)夤芫€施工中的應(yīng)用

苗青 林發(fā)森 擺凱

摘 要：HDD全稱為Horizontal Directional Drilling，中文為水平定向鉆，其原理是利用導(dǎo)航測位儀的導(dǎo)向定位作用，使HDD鉆孔設(shè)備的鉆頭沿著設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)，完成導(dǎo)向鉆的施工，確保鉆孔的位置、標(biāo)高等符合設(shè)計(jì)要求。該項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于各類管道、管線在穿越道路、橋梁等位置的施工，尤其是穿越高速公路、市內(nèi)關(guān)鍵道路時(shí)，為避免對交通造成影響，往往會(huì)選取HDD施工技術(shù)完成管道和管線敷設(shè)。HDD技術(shù)的應(yīng)用有效的提升了燃?xì)夤艿来┰教厥獾囟问┕さ陌踩院涂煽啃浴?/span>

關(guān)鍵詞：水平定向鉆;原理;鉆孔;穿越道路

中圖分類號(hào)：TU996 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）18-0125-02

0 引言

HDD施工方式屬于非開挖施工中的其中之一，在現(xiàn)代施工中，廣泛應(yīng)用于供水、燃?xì)狻㈦娏?、電信、天然氣、石油等管道敷設(shè)施工項(xiàng)目。水平定向鉆井技術(shù)是石油工業(yè)定向鉆井技術(shù)與傳統(tǒng)管道施工方法相結(jié)合的施工技術(shù)，它具有不破壞路面、不影響交通、不污染環(huán)境、施工速度快、施工精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 HDD設(shè)備的系統(tǒng)構(gòu)成與水平定向鉆進(jìn)施工技術(shù)應(yīng)用

1.1 HDD設(shè)備的系統(tǒng)構(gòu)成

水平定向鉆機(jī)主要由鉆機(jī)系統(tǒng)、定向控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、鉆井工具和輔助工具等組成。其結(jié)構(gòu)和功能描述如下：

（1）鉆機(jī)系統(tǒng)。它是鉆井設(shè)備鉆后牽引的主體。它由鉆機(jī)主機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)等組成。鉆機(jī)的主機(jī)安裝在鉆機(jī)機(jī)架上，完成鉆井和回拖作業(yè)?；剞D(zhuǎn)臺(tái)安裝在鉆床主機(jī)前端，與鉆桿連接，通過改變回轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速和扭矩，達(dá)到不同作業(yè)狀態(tài)。

（2）控向系統(tǒng)。方向控制系統(tǒng)是通過對鉆頭在地面的具體位置和參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和控制，從而指導(dǎo)鉆頭正確鉆進(jìn)的定向工具。

（3）動(dòng)力系統(tǒng)。它由液壓動(dòng)力源和發(fā)電機(jī)組成。動(dòng)力源是高壓液壓石油鉆機(jī)為鉆機(jī)系統(tǒng)提供的動(dòng)力，發(fā)電機(jī)為配套電氣設(shè)備和施工現(xiàn)場照明提供動(dòng)力。

（4）泥漿系統(tǒng)。泥漿攪拌罐、泥漿泵和泥漿管道構(gòu)成泥漿系統(tǒng)，為鉆井系統(tǒng)提供適合鉆井條件的泥漿。

（5）鉆具及輔助機(jī)具。它是用于鉆孔和擴(kuò)眼的各種機(jī)械和工具。該鉆機(jī)具有適合各種地質(zhì)條件的鉆桿、鉆頭、泥漿馬達(dá)、鉸刀、刀具等工具。

1.2 HDD水平定向鉆進(jìn)施工技術(shù)運(yùn)用（圖1）

泥漿配置：可使用定向鉆專用膨潤土和泥漿添加劑，以提高造漿率和成孔質(zhì)量。

（1）膨潤土：Hydraul EZ（易鉆）作用：作為制漿的基本元素;提升泥漿懸浮鉆屑的能力，使得鉆屑能夠在泥漿中，隨泥漿循環(huán)流出鉆孔，保持孔內(nèi)清潔;穩(wěn)定孔壁，防止塌孔。

（2）聚合物：Insta Vis Plus（萬用王）作用：包覆粉砂土顆粒，抑制粉砂土松散坍塌，提高攜帶性和護(hù)壁性能。

1.2.1 現(xiàn)場勘測及地下構(gòu)筑物信息調(diào)查

施工前，HDD技術(shù)人員要到現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地勘測，對HDD施工管線的路徑進(jìn)行現(xiàn)場放線，結(jié)合各部門提供的相關(guān)資料，對路徑范圍內(nèi)的地上、地下已有設(shè)施進(jìn)行實(shí)地勘測，如地上溝渠、圍欄、地下各類管線等已有設(shè)施充分掌握其位置、標(biāo)高等詳細(xì)信息，以便于確定導(dǎo)向軌跡。地下設(shè)施測量采用地下金屬探測儀探測和人工開挖探測相結(jié)合的方式。勘測完成后繪制現(xiàn)有設(shè)施平面布置圖及剖面圖。

1.2.2 導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計(jì)

（1）軌跡設(shè)計(jì)的應(yīng)滿足如下要求。軌道設(shè)計(jì)長度與工程要求的管道長度一致。導(dǎo)軌深度與工程管線埋深一致。除信息管道外，其他工程管道的軌道不得有起伏段。鉆井軌道設(shè)計(jì)，是指各種影響因素：材料性能和尺寸的管道產(chǎn)品在建，和地面和地下障礙物的狀態(tài)的最小彎曲半徑鉆桿使用（或最大傾角的改變單個(gè)鉆桿）;地層特征等。

（2）管道最小彎曲半徑R及鉆桿曲率a1的計(jì)算。軌跡是管線曲率的重要依據(jù)，管材曲率的重要指標(biāo)是管材成品的最小彎曲半徑R，在軌跡設(shè)計(jì)過程中的每個(gè)護(hù)短的彎曲半徑為R1應(yīng)變管材的最下彎曲半徑大（R1>R），但是R1的彎曲率應(yīng)比鉆桿最小彎曲半徑R2的彎曲率小（R1>R2）這是導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計(jì)的兩個(gè)必要條件。

通常在出廠時(shí)，廠家就對R2的數(shù)值進(jìn)行過標(biāo)定，并根據(jù)這一數(shù)值對每根鉆桿的極限曲率a進(jìn)行過計(jì)算。因此在軌跡設(shè)計(jì)前就應(yīng)對管材彎曲半徑和施工中每個(gè)鉆桿的變換率進(jìn)行確定。

（3）入土角A與出圖角B的選取。鉆入土壤的角度與鉆頭本身的角度范圍成正比，與管道的曲率半徑成反比，與與后方的距離成反比。在選擇進(jìn)入角時(shí)，首先要考慮管道的曲率半徑和后向距離，然后再考慮鉆井現(xiàn)場和鉆機(jī)本身的角度范圍。拉拔角度應(yīng)根據(jù)傾斜段長度、管道曲率半徑、工作場地大小和原地下管道埋深確定。出土角的大小同上述因素成反比，但造斜段的長度和管線的曲率半徑是首選考慮的因素。

根據(jù)繪制的現(xiàn)有設(shè)施布置圖和剖面圖，HDD技術(shù)人員合理確定施工管道的設(shè)計(jì)深度及軌跡，形成導(dǎo)向軌跡圖。

（4）導(dǎo)向孔軌跡計(jì)算。導(dǎo)向孔軌跡由第一造斜段、水平段、第二造斜段組成。水平段是管線埋設(shè)的主要孔段，兩個(gè)造斜段則分別為管線進(jìn)入水平段與露出地面順利與否的關(guān)鍵孔段，鉆孔軌跡設(shè)計(jì)計(jì)算的主要內(nèi)容也是指造斜段。

2 技術(shù)方案編制及審批及各類許可辦理

鉆孔軌跡設(shè)計(jì)完成后，還需編制HDD施工作業(yè)技術(shù)方案，一并提交審批部門報(bào)批，方案批準(zhǔn)后，在甲方的支持下，聯(lián)系相關(guān)部門辦理施工許可。釋放許可后方可動(dòng)員設(shè)備人員進(jìn)入現(xiàn)場準(zhǔn)備施工，如圖2所示。

操作坑開挖：在HDD預(yù)鋪設(shè)管道的兩端，需設(shè)操作坑，工作坑的主要作用是囤積泥石鉆屑，方便拆裝鉆具及熔接管等。操作坑深度一般低于HDD管道標(biāo)高1m左右為宜，寬度和長度不小于3m，具體根據(jù)實(shí)際操作需求和設(shè)備工況確定。

導(dǎo)向孔施工：根據(jù)設(shè)計(jì)鉆進(jìn)路徑圖，調(diào)整好鉆桿入土角度，逐根鉆進(jìn)。鉆孔時(shí)一邊鉆孔一邊加入泥漿（泥漿采用膨潤土和添加劑根據(jù)設(shè)計(jì)配置而成），同時(shí)用探測儀實(shí)時(shí)測量鉆頭的深度及方向是否與該位置的設(shè)計(jì)深度和方向一致，如有偏差則及時(shí)調(diào)整，如圖3。

擴(kuò)孔：導(dǎo)向孔施工完畢后，逐級(jí)更換大鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，實(shí)際鉆孔施工時(shí)，為方便預(yù)鋪設(shè)管道回拖，減小管道與孔壁的摩擦和碰撞，實(shí)際鉆孔尺寸需大于預(yù)鋪設(shè)管道的尺寸，保證管道與孔壁之間有10～15cm的間隙。例如如果計(jì)劃鋪設(shè)20寸的管道，實(shí)際鉆孔尺寸則需達(dá)到30寸，鉆孔過程一般為：6寸→10寸→14寸→18寸→24寸→30寸逐級(jí)擴(kuò)孔，最終完成需求直徑的鉆孔。擴(kuò)孔時(shí)用根據(jù)地層實(shí)際情況的配置的泥漿，一邊拖管一邊向孔內(nèi)加注泥漿以充實(shí)孔隙和潤滑孔壁，確?？妆诜€(wěn)定，泥漿流動(dòng)順暢。當(dāng)?shù)谝患?jí)擴(kuò)孔時(shí)，減慢擴(kuò)孔速度，同時(shí)減小泵壓，以排出孔內(nèi)多余渣土，對成孔內(nèi)壁做進(jìn)一步穩(wěn)固。

回拖管道：擴(kuò)孔完成后，進(jìn)行管道回拉。拖管前，需在管道入口端焊接“拖管頭-pulling head”，拖管頭所用管道的材質(zhì)規(guī)格等需與管道相同如圖4，圖5，圖6，圖7所示。