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定向钻穿越工程施工方案 水 平 定 向 钻 穿 越 施 工 工 作 投 标 书第 三 部 分 ： 技 术 部 分 中国石油天然气管道局2 定向钻穿越工程施工方案 1 穿越施工工艺流程 定向钻穿越施工程序如下图所示： 2 测量放线 根据设计交底（桩）与施工图纸放出钻机场地控制线及设备摆放位置线， 确保钻机中心线与入土点、出土点成一条直线。 3 进场道路及场地的平整 3.1 入土点钻机作业、出土点场地及进场便道 本次大保高速公路天然气管道定向钻穿越中共投入1 台钻机，各钻机施工 场地要求各异。 3.2 地锚坑及排浆池 清管、竣 工 钻导 穿 越 管预 扩 孔 洗 接桩测 量修筑便道、钻 机 进 场 地貌 水 平 定 向 钻 穿 越 施 工 工 作 投 标 书第 三 部 分 ： 技 术 部 分 中国石油天然气管道局3 挖、砌泥浆池（穿越两岸各1 个）及地锚坑，泥浆池尺寸如下图。泥浆池 内铺土工布，池内四周用用挖掘机压实，必要时四周用砖堆砌、钉桩，防止泥 浆池塌方。 地锚坑中心线在穿越管线中心线上，地锚坑尺寸为6m ×4m ×1. 8m 。挖泥浆 池及地锚坑时要留出足够边坡，泥浆池及地锚坑尺寸如图所示： 地锚坑完成后，将地锚放入，用混凝土加固。如下示意图： 3.3 入土点钻机场地和出土点平面布置示意图 参见附图一和附图二钻机场地平面布置图和出土点场地平面布置图。 4 定向钻施工 4.1 1 条河定向钻穿越工程概况及穿越地层 定向钻穿越：穿越长度110 米，管径 PE160 ，主要穿越地层为淤泥质土、粘 土。 地 锚 坑 4m 20 3m 14泥 浆 池 6m 20m 水 平 定 向 钻 穿 越 施 工 工 作 投 标 书第 三 部 分 ： 技 术 部 分 中国石油天然气管道局4 本次穿越工程中拟施工的1 条高速公路根据其穿越的长度，将11条河流穿 越任务共分成三部分，各部分定向钻穿越施工组织描述如下： 第一部分： 1200米以上长距离穿越：包括横门水道穿越（660，1296 米）、洪奇沥 水道穿越（ 762，1272 米）、三宝沥支流穿越（ 660，1200 米）。 1) 钻机及配套设备就位 : 将钻机就位主管穿越中心线位置上，钻机就位完成后， 进行系统连接、试运转，保证设备正常工作。 2) 测量控向参数 : 按操作规程标定控向参数，为保证数据准确，在管中心线的不 同位置测取，且每个位置至少测四次，进行对比，并做好记录。 3) 泥浆配制及重复利用 : 泥浆是定向穿越中的关键因素，穿越主要经过地层为泥 岩，按泥浆工艺要求及地质资料编写泥浆方案，并根据实际需要配制出符合要 求的泥浆，措施如下： a)水源就近取用河水，用水泵输送至水罐内，在水罐中沉淀、过滤，并对 水质进行化验，达到使用要求后配浆。 b)按照指定的配比用一级膨润土加泥浆添加剂，配制性能满足要求的泥 浆。 c) 回流泥浆的处理： 钻机场地和管线场地各有一个返浆收集池，各有一套 回收系统。泥浆通过泥浆池收集，再经过回收系统处理后再利用。 d)剩余泥浆的处理： 与环卫部门协商， 施工剩余泥浆拉运到当地垃圾填埋 场。 3) 钻机试钻 开钻前做好钻机的安装和调试等一切准备工作，确定系统运转正常、钻杆 和钻头清扫完毕，严格按照设计图纸和施工验收规范进行试钻，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。 4) 钻导向孔 钻孔期间按照“数字管道”的要求，建立穿越曲线数据库，采集控向数据， 如每个测站点的Inc 、Az、Away 、Right 、Elev 值。对钻杆等主要施工器具进行 分级管理和使用，用后及时保养和检修，以防潜在工程事故的发生，确保施工 的安全。 导向孔的钻进是整个定向钻施工的关键，本钻导向孔的钻具组合是： 水 平 定 向 钻 穿 越 施 工 工 作 投 标 书第 三 部 分 ： 技 术 部 分 中国石油天然气管道局5 9-1/2 牙轮钻头 +造斜短节 +7无磁钻铤 +5-1/2 钻杆 控向对穿越精度及工程成功至关重要，并直接关联到主管穿越。 在开钻前仔细分析地质资料，确定控向方案，泥浆与司钻重视每一个环节， 认真分析各项参数，互相配合钻出符合要求的导向孔，钻导向孔时，随时对照 地质资料及仪表参数分析成孔情况，达到出土准确，成孔良好。 导向孔施工示意图 5) 预扩孔 针对660 外径的横门水道穿越和三宝沥支流穿越采用以下三级扩孔，每 次预扩孔都将进行钻杆和钻具的倒运及钻具连接。扩孔级别如下： 第一次扩孔： 24桶式扩孔； 第二次扩孔： 32桶式扩孔； 第三次扩孔： 38桶式扩孔； 洗孔: 36 桶式洗孔。 762 外径的洪奇沥穿越则采用以下四级扩孔，每次预扩孔都将进行钻杆 和钻具的倒运及钻具连接。扩孔级别如下： 第一次扩孔： 24桶式扩孔； 第二次扩孔： 32桶式扩孔； 第三次扩孔： 38桶式扩孔； 第四次扩孔： 44桶式扩孔； 水 平 定 向 钻 穿 越 施 工 工 作 投 标 书第 三 部 分 ： 技 术 部 分 中国石油天然气管道局6 洗孔: 42 桶式洗孔。 扩孔施工示意图 2）管道回拖 针对660 外径的主管回拖，拟采用的钻具组合为： 36桶式扩孔器 +250T回拖万向节 +6-5/8 钻杆+穿越管线。 针对762 外径的主管回拖，拟采用的钻具组合为： 42桶式扩孔器 +300T回拖万向节 +6-5/8 钻杆+穿越管线。 管道回拖优先采用注水发送沟的方式进行发送，在受地形地势条件下，则 采用滚轮架或者草垛支护的方式进行管道发送。 管道回拖施工示意图 在回拖时进行连续作业，避免因停工造成阻力增大，管线回拖前要仔细 检查各连接部位的牢固。 3）清管测径： 回拖完成后，单独对回拖完毕的管道进行清管测径。 4）泥浆处理、地貌恢复： 及时进行钻机场地剩余泥浆的处理和设备转场，并对地貌进行恢复。 第二部分： 水 平 定 向 钻 穿 越 施 工 工 作 投 标 书第 三 部 分 ： 技 术 部 分 中国石油天然气管道局7 500米至 900 米的中距离穿越：包括三宝沥水道（660，900 米）、卢四 顷水道穿越（ 660，760 米）、十二股涌水道穿越（762，690 米）。 1) 钻机及配套设备就位 : 将钻机就位主管穿越中心线位置上，钻机就位完成后， 进行系统连接、试运转，保证设备正常工作。 2) 测量控向参数 : 按操作规程标定控向参数，为保证数据准确，在管中心线的不 同位置测取，且每个位置至少测四次，进行对比，并做好记录。 3) 泥浆配制及重复利用 : 泥浆是定向穿越中的关键因素，穿越主要经过地层为泥 岩，按泥浆工艺要求及地质资料编写泥浆方案，并根据实际需要配制出符合要 求的泥浆，措施如下： a)水源就近取用河水，用水泵输送至水罐内，在水罐中沉淀、过滤，并对 水质进行化验，达到使用要求后配浆。 b)按照指定的配比用一级膨润土加泥浆添加剂，配制性能满足要求的泥 浆。 c) 回流泥浆的处理： 钻机场地和管线场地各有一个返浆收集池，各有一套 回收系统。泥浆通过泥浆池收集，再经过回收系统处理后再利用。 d)剩余泥浆的处理： 与环卫部门协商， 施工剩余泥浆拉运到当地垃圾填埋 场。 3) 钻机试钻 开钻前做好钻机的安装和调试等一切准备工作，确定系统运转正常、钻杆 和钻头清扫完毕，严格按照设计图纸和施工验收规范进行试钻，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。 4) 钻导向孔 钻孔期间按照“数字管道”的要求，建立穿越曲线数据库，采集控向数据， 如每个测站点的Inc 、Az、Away 、Right 、Elev 值。对钻杆等主要施工器具进行 分级管理和使用，用后及时保养和检修，以防潜在工程事故的发生，确保施工 的安全。 导向孔的钻进是整个定向钻施工的关键，本钻导向孔的钻具组合是： 9-1/2 牙轮钻头 +造斜短节 +7无磁钻铤 +5-1/2 钻杆 控向对穿越精度及工程成功至关重要，并直接关联到主管穿越。 水 平 定 向 钻 穿 越 施 工 工 作 投 标 书第 三 部 分 ： 技 术 部 分 中国石油天然气管道局8 在开钻前仔细分析地质资料，确定控向方案，泥浆与司钻重视每一个环节， 认真分析各项参数，互相配合钻出符合要求的导向孔，钻导向孔时，随时对照 地质资料及仪表参数分析成孔情况，达到出土准确，成孔良好。 导向孔施工示意图 5) 预扩孔 针对660 外径的三宝沥水道穿越和卢四顷水道穿越采用以下三级扩孔， 每次预扩孔都将进行钻杆和钻具的倒运及钻具连接。扩孔级别如下： 第一次扩孔： 24桶式扩孔； 第二次扩孔： 32桶式扩孔； 第三次扩孔： 38桶式扩孔； 洗孔: 36 桶式洗孔。 762 外径的十二股涌穿越则采用以下四级扩孔，每次预扩孔都将进行钻 杆和钻具的倒运及钻具连接。扩孔级别如下： 第一次扩孔： 24桶式扩孔； 第二次扩孔： 32桶式扩孔； 第三次扩孔： 38桶式扩孔； 第四次扩孔： 44桶式扩孔； 洗孔: 42 桶式洗孔。 水 平 定 向 钻 穿 越 施 工 工 作 投 标 书第 三 部 分 ： 技 术 部 分 中国石油天然气管道局9 扩孔施工示意图 5）管道回拖 针对660 外径的主管回拖，拟采用的钻具组合为： 36桶式扩孔器 +250T回拖万向节 +5-1/2 钻杆+穿越管线。 针对762 外径的主管回拖，拟采用的钻具组合为： 42桶式扩孔器 +250T回拖万向节 +5-1/2 钻杆+穿越管线。 管道回拖优先采用注水发送沟的方式进行发送，在受地形地势条件下，则 采用滚轮架或者草垛支护的方式进行管道发送。 管道回拖施工示意图 在回拖时进行连续作业，避免因停工造成阻力增大，管线回拖前要仔细 检查各连接部位的牢固。 6）清管测径： 回拖完成后，单独对回拖完毕的管道进行清管测径。 7）泥浆处理、地貌恢复： 及时进行钻机场地剩余泥浆的处理和设备转场，并对地貌进行恢复。 第三部分： 450米至 460 米的短距离穿越：包括正涌水道穿越（660，452 米）、利 生围水道穿越（ 660，460 米）、陈十顷水道穿越（ 660，450 米）、温五顷 水道穿越（ 762，450 米）以及南阳滘水道穿越（762，450 米）。 1) 钻机及配套设备就位 : 将钻机就位主管穿越中心线位置上，钻机就位完成后， 进行系统连接、试运转，保证设备正常工作。 2) 测量控向参数 : 按操作规程标定控向参数，为保证数据准确，在管中心线的不 水 平 定 向 钻 穿 越 施 工 工 作 投 标 书第 三 部 分 ： 技 术 部 分 中国石油天然气管道局10 同位置测取，且每个位置至少测四次，进行对比，并做好记录。 3) 泥浆配制及重复利用 : 泥浆是定向穿越中的关键因素，穿越主要经过地层为泥 岩，按泥浆工艺要求及地质资料编写泥浆方案，并根据实际需要配制出符合要 求的泥浆，措施如下： a)水源就近取用河水，用水泵输送至水罐内，在水罐中沉淀、过滤，并对 水质进行化验，达到使用要求后配浆。 b)按照指定的配比用一级膨润土加泥浆添加剂，配制性能满足要求的泥 浆。 c) 回流泥浆的处理： 钻机场地和管线场地各有一个返浆收集池，各有一套 回收系统。泥浆通过泥浆池收集，再经过回收系统处理后再利用。 d)剩余泥浆的处理： 与环卫部门协商， 施工剩余泥浆拉运到当地垃圾填埋 场。 3) 钻机试钻 开钻前做好钻机的安装和调试等一切准备工作，确定系统运转正常、钻杆 和钻头清扫完毕，严格按照设计图纸和施工验收规范进行试钻，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。 4) 钻导向孔 钻孔期间按照“数字管道”的要求，建立穿越曲线数据库，采集控向数据， 如每个测站点的Inc 、Az、Away 、Right 、Elev 值。对钻杆等主要施工器具进行 分级管理和使用，用后及时保养和检修，以防潜在工程事故的发生，确保施工 的安全。 导向孔的钻进是整个定向钻施工的关键，本钻导向孔的钻具组合是： 9-1/2 牙轮钻头 +造斜短节 +7无磁钻铤 +5-1/2 钻杆 控向对穿越精度及工程成功至关重要，并直接关联到主管穿越。 在开钻前仔细分析地质资料，确定控向方案，泥浆与司钻重视每一个环节， 认真分析各项参数，互相配合钻出符合要求的导向孔，钻导向孔时，随时对照 地质资料及仪表参数分析成孔情况，达到出土准确，成孔良好。 水 平 定 向 钻 穿 越 施 工 工 作 投 标 书第 三 部 分 ： 技 术 部 分 中国石油天然气管道局11 导向孔施工示意图 5) 预扩孔 针对660 外径的正涌水道穿越、利生围水道穿越以及陈十顷水道穿越采 用以下三级扩孔，每次预扩孔都将进行钻杆和钻具的倒运及钻具连接。扩孔级 别如下： 第一次扩孔： 24桶式扩孔； 第二次扩孔： 32桶式扩孔； 第三次扩孔： 38桶式扩孔； 洗孔: 36 桶式洗孔。 762 外径的温五顷水道穿越和南阳滘水道穿越则采用以下四级扩孔，每 次预扩孔都将进行钻杆和钻具的倒运及钻具连接。扩孔级别如下： 第一次扩孔： 24桶式扩孔； 第二次扩孔： 32桶式扩孔； 第三次扩孔： 38桶式扩孔； 第四次扩孔： 44桶式扩孔； 洗孔: 42 桶式洗孔。 扩孔施工示意图 水 平 定 向 钻 穿 越 施 工 工 作 投 标 书第 三 部 分 ： 技 术 部 分 中国石油天然气管道局12 6）管道回拖 针对660 外径的主管回拖，拟采用的钻具组合为： 36桶式扩孔器 +250T回拖万向节 +5-1/2 钻杆+穿越管线。 针对762 外径的主管回拖，拟采用的钻具组合为： 42桶式扩孔器 +250T回拖万向节 +5-1/2 钻杆+穿越管线。 管道回拖优先采用注水发送沟的方式进行发送，在受地形地势条件下，则 采用滚轮架或者草垛支护的方式进行管道发送。 管道回拖施工示意图 在回拖时进行连续作业，避免因停工造成阻力增大，管线回拖前要仔细 检查各连接部位的牢固。 7）清管测径： 回拖完成后，单独对回拖完毕的管道进行清管测径。 8）泥浆处理、地貌恢复： 及时进行钻机场地剩余泥浆的处理和设备转场，并对地貌进行恢复。 5 穿越施工难点以及应对措施 5.1 横门水道施工难点及应对措施： 本次横门水道穿越长度长达1296 米，且穿越地址中有部分粘土层，因此在 穿越过程中会对扩孔和回拖造成较大的难度影响。我公司在进行该工程施工时 将采取如下措施： 泥浆方面：淤泥质粘土和粉质粘土在钻导向孔阶段易缩径，造成钻杆或管 道被粘卡，造成扭矩和拉力的增大，推进困难。对泥浆的要求比较高。因此在 泥浆的使用控制上采取如下措施： 水 平 定 向 钻 穿 越 施 工 工 作 投 标 书第 三 部 分 ： 技 术 部 分 中国石油天然气管道局13 （1）按照实验室确定好的泥浆配比用优级级膨润土加上泥浆添加剂，配出 合乎要求的泥浆。 （2） 泥浆在各阶段的大致配方为： 钻导向孔：4% 高效膨润土 +0.3%insta-vis plus+0.2%纯碱+0.1%钻液宝。泥浆粘度保持在45s 左右，必要时加入适量的重 晶石粉来调节泥浆的比重，泥浆排量约为0.8 立方/ 分钟。 （3）扩孔阶段的泥浆配方大致为：6% 优质膨润土 +0.3%insta-vis plus+0.2%纯碱。淤泥地层中泥浆粘度保持在55s 左右，淤泥质粘土和粉质粘 土地层中泥浆粘度保持在40s 左右， 必要时加入适量的重晶石粉来调节泥浆的 比重，泥浆排量约为1.3 立方/ 分钟。 （4）回拖阶段的泥浆配方大致为6% 优质膨润土 +0.3%insta-vis plus+0.2% 纯碱。泥浆粘度保持在50s 左右，必要时加入适量的重晶石粉来调节泥浆的比 重，泥浆排量约为1.3 立方 / 分钟。 （5）为了确保泥浆的性能，使膨润土有足够的水化时间，增加泥浆储存罐 和泥浆快速水化装置。 （6）由于扩孔距离较长，为保证孔洞内泥浆充足，扩孔器前后方600 米各 安装一个泥浆短节。 （7）泥浆的回收利用：钻机场地和管线组装场地各有一个泥浆收集池，泥 浆通过泥浆池收集，再经过泥浆回收系统回收再使用。 预扩孔和回拖：扩孔期间，根据扩孔器在粘土层内的司钻数据如拉力、扭 矩以及转速等情况，如若遭遇扭矩大进尺慢等难点，则可将扩孔器由桶式扩孔 器调整为飞旋式切割刀和桶式扩孔器组合进行扩孔施工；在扩孔和回拖期间， 卡钻事故的发生将给穿越的成功带来很大的风险，为此我们充分做好应急措施 准备，在现场准备大吨位的250 吨滑轮组，以备扩孔或回拖卡钻时进行抢险。 针对在回拖过程中可能出现卡滞导致回拖力大幅变大，在出土点预先安装滑轮 组，以备在出现卡滞现象时及时将钢管拽出，经洗孔后重新进行回拖作业；粘 土层回拖要一气完成，中间尽量减小停顿时间，否则孔内容易发生切屑沉积， 孔内泥浆循环不通畅，造成粘土抱管现象。 水 平 定 向 钻 穿 越 施 工 工 作 投 标 书第 三 部 分 ： 技 术 部 分 中国石油天然气管道局14 拉力方向 地锚 滑轮组 穿越主管 解卡方向 我公司曾于 2005 年在珠海 - 中山一期天然气管道工程进行横门水道的穿越， 该穿越长度为 990米，管径 660，该工程在施工过程中曾发生泥包钻造成扩孔 扭矩大的现象，后经调整扩孔器形式和调整泥浆配方后，成功完成了该条河流 的穿越施工。 5.2 洪奇沥水道穿越施工难点及应对措施： 本次洪奇沥水道穿越施工管径为762，长度达 1272 米，且穿越部分地层 为粉细砂，因此在穿越施工中容易产生回拖时砂层抱管现象，针对该施工难点， 我公司将采取如下应对措施： 泥浆配制：使用高效膨润土进行配浆， 在泥浆中通过添加PAC等性能添加剂， 提高泥浆的携带性和流动性，泥浆的粘度要求为，在导向孔施工阶段为70 秒至 90 秒，扩孔和回拖阶段的粘度为80 秒至 100 秒。最后在回拖过程中，添加减阻 润滑剂，降低管道在回拖过程中产生的阻力。 管道回拖： 管道定向钻施工的最后一环，回拖作业的成败直接决定着整个定 向钻工程的成败。因此在回拖前作业如导向孔作业及扩孔、洗孔作业仅要求其 质量和时间的连续性。 在管道回拖时如遇到回拖力增加至超出预计的最大安全拉力时，可判断为管 道在孔洞中遭遇孔壁坍塌导致抱管现象产生。出现此种情况时，可立即在管尾 安装夯管锤进行锤击，使管道受到夯管锤的振击后，摆脱穿越孔洞对其的束缚， 从而回拖作业得以继续进行。在国内外多次的定向钻穿越中，使用夯管锤辅助 回拖的措施屡屡得以成功。因此该工法是确实有效的解卡方法。夯管锤的使用 安装如下图所示。 滑轮组安装使用示 水 平 定 向 钻 穿 越 施 工 工 作 投 标 书第 三 部 分 ： 技 术 部 分 中国石油天然气管道局15 锤击方向 夯管锤 穿越主管 解卡方向 5.3 回拖时管道入洞 在管道回拖时，由于管道管径和壁厚均比较大，使管道的刚性很高，在回 拖时管道入洞阶段容易出现管头部分接触孔洞上部，导致回拖力大，且容易造 成钻杆断裂事故。因此在回拖施工时，我公司将在现场采取垫猫背的措施，调 整管道入洞的合理角度，避面由于回拖力大而导致钻杆断裂事故的发生。 5.4 穿越过程中泥浆防冒浆措施 鉴于本次 11 条河穿越地质大多为淤泥层、 粘土以及部分粉细砂， 在穿越施工 过程中容易产生泥浆的冒浆事件，因此在施工中要严密监控泥浆的使用。 在施工时，我方将在安装控向探头短节同时安装一个泥浆压力传感器，通过 传感器来监测钻杆内和环空的压力，在发现环空压力异常增大时即可判断环空 的泥浆回流不通畅，及时进行洗孔，避免跑冒浆现象的发生。 2007 年我公司已经联合中国地质大学（武汉）完成了管道局局级可研项目 以防治冒浆为主要目的的水平定向钻进泥浆设计计算软件。该软件主要功 能：1、根据地质资料，查询各穿越的岩土性质；2、根据施工地质图获得各穿 越点处的临界破坏压力；3、施工之前可做出沿程阻力损失及压力分布曲线；4、 在施工前，根据各穿越点处地层的临界破坏压力、泥浆沿程阻力损失及压力分 布曲线，做出施工过程中是否冒浆的判断；5、在施工过程中，指导进行泥浆配 制设计，达到泥浆泵量与钻速合理匹配操作，达到避免冒浆的目的。 夯管锤安装使用示 水 平 定 向 钻 穿 越 施 工 工 作 投 标 书第 三 部 分 ： 技 术 部 分 中国石油天然气管道局16 使用该软件可根据不同地质条件、穿越管径，提供泥浆配置方案使之符合 现场需求；可为设计和施工提供重要参考。本防冒浆软件已经在采育通州 项目穿越中得到应用，效果理想。 以防治冒浆为主要目的的水平定向钻进泥 浆设计计算软件图 软件通过计算，生成钻孔、扩孔、回拖三个阶段环空压力曲线。见下图： 极限抗压曲线及环空压力曲线图（示例图） 通过改进泥浆配方，软件计算出的环空压力曲线如下图，可以看出泥浆配 方改进后，冒浆现象得到了有效的控制。 水 平 定 向 钻 穿 越 施 工 工 作 投 标 书第 三 部 分 ： 技 术 部 分 中国石油天然气管道局17 极限抗压曲线及环空压力曲线图（示例图） 在施工过程中我公司可根据该三个环空压力曲线调整司钻操作和泥浆的合理配 制。