从水平定向钻的设备结构和施工工艺两方面系统地介绍了如何应用水平定向钻铺设燃气管道。

随着城市建设的迅猛发展,加上地下管线的建设缺乏统筹规划,经常出现同一马路多次开挖铺设管线的情形,不仅造成了环境污染而且给周围居民的日常生活以及城市交通带来不便。非开挖技术把施工对环境的影响减少到最小,而且当管线通过重要道路、河流、集市时,非开挖技术就显得更为重要。

水平定向钻作为非开挖技术中最具活力的一项施工技术,具有导向准确、有利环保、效率高等特点。它能在一定曲率半径范围内绕开障碍物,能避免破坏管线经过地区的生态环境,施工速度快,效率高,穿越长度长,深度深。目前在国内已越来越多地应用于石油、天然气、电力、电信等领域。以下将从水平定向钻的基本结构和施工工艺两方面介绍水平定向钻在铺设燃气管道中的应用。

一、水平定向钻的基本结构

无论是大型还是中小型水平定向钻, 其基本结构包括主机、钻具、导向系统、泥浆系统以及智能辅助系统。

(1) 主机

主机的动力系统一般为柴油发动机。柴油机作为动力源,其功率是衡量钻机施工能力的指标之一。但在钻机钻进回拖过程往往需要钻机以恒定的荷载运行,因此发动机的连续功率显得更重要。为了降低劳动强度,提高劳动效率,主机一般装备了钻杆自动装卸装置。钻进时,钻机自动从钻杆箱中移取钻杆,旋转加接到钻杆柱上。回拖时,正好相反。有的还装备了润滑油自动涂抹装置,对钻杆连接头螺纹的润滑有助于延长钻杆的寿命。钻机在工作中应完全固定。如果在钻进拖拉过程中发生移动,一方面有可能造成发动机损坏,另一方面会降低推拉力,造成孔内功率损失。目前最新钻机都有自动液压锚固系统,靠自身功率把锚杆钻入土层,在干燥土层一般用直锚杆,在潮湿土层用螺旋锚杆。

(2) 钻具

钻杆应当有足够的强度,以免扭折、拉断,又要有足够的柔性,才能钻出弯曲的孔道。在长距离穿越中,钻杆的长度直接影响钻进效率,特别是采用有线导向时,长钻杆使钻杆连接次数减少,将明显节约连接时间。钻孔方向的改变是通过控制钻头的方向实现的。

钻头一般为楔形,在前进过程中,若钻头不断旋转,则钻进轨迹为直线。当钻头想绕过障碍物或以一定曲率半径前进时,钻头停止转动,使楔面停留在某一角度再推进。这样,钻头就以与楔面相背的方向前进。钻头斜板通常有喷嘴,高速泥浆从喷嘴喷出,对土层进行冲刷。煤气与热力对不同土层,应选用不同的钻头。如在较软的粘土中,一般选用较大尺寸的钻头,便于在推进过程改变方向。在较硬的钙质层中,选用较小的钻头。而在硬岩钻进则要选用特殊的钻头,如镶焊小尺寸硬质合金钻头。

扩孔器种类繁多,不同的扩孔器适用不同土层。如凹槽状扩孔器适用于沙地和含有岩石的紧密沙地,而在粘性高的粘土中运行容易变成球状;杆状切割器适用于硬土层、粘土层,而无法在岩石地或卵石地有效运行。

(3) 导向系统

导向系统包括无线导向系统和有线导向系统。无线导向系统由手持式地表探测器和装在钻头里的探头组成。探测器通过接收探头发射的电磁波信号判断钻头的深度、楔面倾角等参数,并同步将信号发射到钻机的操作台显示器上,以便司钻及时调整钻进参数以控制钻进。在穿越河流、湖泊时,由于地面行走困难或钻孔深度太深,电磁波信号难以接收,就必须使用有线导向系统。探头通过钻杆后接电缆把信号传给操作台, 由于电缆必须由人工通过钻杆一根根搭接起来,因此有线导向仪的使用将相当耗费时间。

(4) 泥浆系统

泥浆系统是保证扩孔以及管道回拖顺利进行的重要设备。膨润土、水以及添加剂等在泥浆罐里充分搅拌混合后,通过泥浆泵加压,经过钻杆从钻具喷嘴喷出,冲刷土层并把钻屑带走,起到辅助钻进的作用。钻进泥浆可冷却孔底钻具,以免钻具过热而磨损。钻进泥浆的另一重要作用是在回拖管道时降低管壁与孔壁之间的摩擦力。在理想状态时,管道是悬浮在泥浆中被拉出,因此在实际工程中,若钻孔成型好时,管道所需的拉力往往比预料的要小得多。水平定向钻管孔直径一般比较大,孔壁稳定性差,而钻进泥浆凝固后,可以起到稳定孔壁的作用。

(5) 智能辅助系统

钻机的智能辅助系统近几年发展很快。在预先输入地下管线及障碍物位置、钻杆类型、钻进深度、进出口位置、管道允许弯曲半径等参数后,钻进规划软件可以自动设计出一条最理想的路径,包括入土角、出土角、每根钻杆的具体位置等,在实际工程中可以根据实际情况的调整。

2、水平定向钻的施工工艺

(1) 管材的选择

目前, 应用于燃气输配的管道有钢管、PE管和铸铁管。铸铁管由于采用承插式和机械接口,加上本身柔性差,不适合用水平定向钻铺设。钢管、PE管既可拉又可弯,适合用于水平定向钻, 其中盘卷PE管最为理想。

(2) 现场勘察

在钻进轨迹设计和施工前,应对工作区及管线经过区域进行地面和地下的勘察。地面勘察包括对地形地貌的测量,确定施工区域是否有足够的场地保证设备的安放和正常施工。地下勘察包括地质条件的勘探和地下管线及设施的探测。地质条件从根本上决定施工难易程度。岩层、碎石层、砂层、粉土层不适合用水平定向钻施工。粘性土既容易钻进,孔道成型又好, 适合用水平定向钻钻进。当然这些都不是绝对的, 例如目前已实现了在岩土层钻进。土质分析判断可以通过沿设计轨迹钻勘探孔取样,具体方法可以参照有关规范。在穿越城市道路时,地下管线的情况往往是错综复杂的,既有污水管、给水管、煤气管,还有高压电缆、通信电缆。在实际情况中,往往档案资料不全,原参照标志不清。在这种情况下,地下管线的探测任务尤为重要。对于金属管道和电缆,通常用电磁感应法探测,如地下管线探测仪,它是通过接收地下管线的电磁信号判断管线位置。对于非金属管线只能采用电磁波法,如IDS探地雷达,它是通过分析管线反射回来的电磁波判断管位。

(3) 钻机选择

钻机型号应根据回拖管道所需拉力选择。

回拖力估算公式为:

Fh=(Ff-W)Lf

Ff=π4D2ρng

W=πDδρgg

式中:Fh回拖力,N;

Ff单位长度管道悬浮在泥浆中产生的浮力,N/m;

W单位长度管道的重量,N/m;

L管道长度,m;

f管线与孔壁之间的摩擦系数,可取1.0;

D管道外径,m;

ρn泥浆密度,kg/m3;

δ管道壁厚,m;

ρg钢管材的密度,kg/m3。

(4) 钻进轨迹设计

地下情况探明,出土、入土点确定后,根据管道埋深,就可以设计规划钻进轨迹。钻进轨迹通常由入土点斜直线段、曲线段、水平直线段、过渡段、直线段、出土点组成。曲线段的曲率半径应大于钻杆和管道的最小弯曲半径,例如材料S135,长度5 m的钻杆最小弯曲半径为70 m左右。钢管的最小弯曲半径根据经验一般取大于管道外径的1 200倍。PE管有较强的柔性,能适应钻杆钻出的任何孔道。钻具的入土角较大,而曲率半径一定时,将使钻孔深度加深。入土角较小,有利于钻杆受力和管道回拖。

(5) 钻进操作

导向孔钻进: 司钻根据导向仪传递的有关钻头参数,调整实际钻进轨迹与设计轨迹的偏差,确保正确钻进。

扩孔: 导向孔完成后,在出土点换上旋转接头和扩孔器进行回扩。经回扩的最终孔道直径应是管道直径的1.5～2.0倍。若一次回扩不能满足要求,可进行多次回扩,扩孔器后面应接入钻杆,以保证下一次回扩的顺利进行。拖管:拖管可与最后一次扩孔同时进行。对于PE管, 作用在管道上拉力不能太大,以免拉伤PE管。

(6) 管道外防腐

采用水平定向钻铺设的钢管一般深度较深,铺设后外防腐很难检测。即使发生泄漏,也不可能进行开挖抢修,因此对钢管的防腐涂层提出了很高要求。除了要有良好的电绝缘性,能耐腐蚀、抗菌外,还要有足够的机械强度;有较好的耐磨性,以防止与土壤摩擦而损伤;有良好的抗弯曲性,以确保防腐层在一定曲率半径下不致损坏。另外,若钢管采用阴极保护,就要求防腐蚀层应具有一定耐阴极剥离强度的能力。环氧粉末由于具有优良附着力、柔韧性、耐化学腐蚀性强、电绝缘性好等的优点,在穿越钢管上有广泛应用。为了提高单层环氧粉末的耐机械撞击力,防水性,现在已经有了双层环氧粉末的涂层结构和环氧粉末外加挤压聚乙烯(PE夹克)的防腐技术,保证了重要燃气输气管道的万无一失。

(7) 压力试验

管道回拖前应进行强度试验和严密性试验,管道回拖结束应当再进行严密性试验。

3、结语

随着能源结构的调整,天然气作为一种洁净能源将逐步代替人工煤气。在天然气管网建设中,水平定向钻作为一项高精度、高效率、环保好、安全的施工技术,将得到越来越广泛的应用。