定向钻穿越讲解课件

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1、第九小组 组长：谢元强 组员：吴长松 罗大胜 杨帆 贺英挺 庞蕾 刘娇 周军分工情况穿越设计：包括地质前期勘探、测绘、选址、施工工艺、施工时间、设备选用（杨帆 贺英挺）定向钻管道穿越：系统组成（不同地层钻机选用以及相关技术要求），各控制系统设计（包括动力、电力、通信）（吴长松 罗大胜）施工难点解决预案：包括施工设备的优化、卡钻事故、塌方、底层偏移、泥浆泄露、信号传输故障等事故预案（庞蕾 刘娇）施工难点：套管施工中的上移问题，定向钻在钻孔时呈现S形定向钻的精确对接,塌方，卡钻等事故。2023/7/18定向钻敷管穿越定向钻敷管穿越 概述：某公司将在河南建设洛阳至驻马店某公司将在河南建设洛阳至驻马店

2、建设成品油管道，其管道全长为建设成品油管道，其管道全长为425 km。该成品油，管道在洛阳东南穿越黄河，该成品油，管道在洛阳东南穿越黄河，需需要穿越超过要穿越超过30 m 厚的卵石，厚的卵石，越处管道规格越处管道规格为为D 355.6 mm 9.5 mm。在经过定向钻、。在经过定向钻、跨越、盾构、顶管等多方案比选之后，跨越、盾构、顶管等多方案比选之后，选选择了安全性、工期、维护量、经济性较好择了安全性、工期、维护量、经济性较好的定向钻穿越。的定向钻穿越。2023/7/18二、工程分析：穿越卵石层一直是定向钻应用的难题，根据广泛的调研，国内定向钻穿越卵石层最厚为10 m左右，且采用了入土端下套管

3、，出土端大开挖的穿越方式。国内也有对定向钻穿越不超过10 m 厚的卵石采用灌浆固结的方法，实施效果不太好，仍旧有较大规模的塌孔（可能由于灌浆施工单位施工原因或者砂卵石中胶结程度的不均匀，造成高压水泥浆不能到达预期的注浆区域）。2023/7/18工程分析本次穿越在出、入土点的卵石层厚度均超过30 m，埋深超过40 m。卵石层的通过方式是穿越成功的关键，对于30 m 厚卵石层.一、本穿越采用大角度出、入土并加设套管的方案；二、水平段避开了卵石层，在较深的地层中穿越；三、由于两侧卵石层都很厚，需要采用定向钻河底对接的技术。2023/7/18穿越设计三、穿越设计1、地质情况：勘探显示，在勘察场地内地基

4、土（岩）共分6层。层为第四系全新统冲洪积形成的砂性土和碎石土，层为第四系上更新统冲洪积形成的碎石土，层为上第三系洛阳组沉积形成的粉砂岩、粉细砂岩。现自上而下分述如下：粉土（Q4al pl）。浅黄色。局部夹粉细砂薄层，孔隙不甚发育，稍湿饱和，松散。该层层厚1.40 8.50 m，层底标高106.14 112.55 m。中细砂（Q4al pl）。褐黄色、灰黄色。矿物成分以石英、长石、云母为主，含有少量砾石。局部夹粉质黏土薄层，2023/7/18穿越设计 饱和，松散 稍密。该层层厚0.50 8.80 m，层底标高99.45 109.78 m。卵石（Q4al pl）。杂色。物质成分以石英岩、石英砂岩为

5、主，次为安山岩、玄武岩等，磨圆较好，多呈亚圆形。一般粒径30 70 mm，大者90 140 mm，含零星漂石，卵石含量55%60%，个别70%80%。充填物为砂、小砾石及少量黏性土。饱和，中密。局部夹有砾石薄层。钻进中多有塌孔、漏浆现象。该层层厚16.70 32.80 m，层底标高73.30 86.20 m，在勘察区域内普遍分布。卵石（Q3al pl）。杂色。物质成分以石英岩、石英砂岩为主，安山岩、玄武岩次之，磨圆较好，多呈亚圆形。一般粒径20 60mm，大者70 80mm，28第35 卷第4 期含零星漂石，2023/7/18穿越设计卵石一般含量55%65%。充填物为砂、小砾石及少量黏性土。饱

6、和，中密 密实。局部夹有砾石薄层。钻进较困难。该层钻孔揭穿部分层厚5.80 19.2 m，层底标高63.15 74.79 m，该层普遍分布。粉砂岩（N）。浅黄色、褐黄色。矿物成分以石英、长石为主，含有灰绿色条带及黑色锰质成分。钙泥质微胶结，胶结较差，岩芯呈短柱状及散砂状，强度低，易风化碎裂。2023/7/18穿越设计局部夹泥岩薄层。该层层厚0.90 7.70 m，层底标高56.71 70.05 m，该层（含亚层）普遍分布。粉细砂岩（N）。浅黄色、棕黄色。矿物成分以石英、长石为主，含有灰绿色条带及黑色锰质成分。钙泥质胶结，胶结一般，强度较低，局部胶结较好，强度较高，岩芯多呈短柱状及散砂状，局部夹

7、有泥岩薄层。该层未揭穿，揭露厚度为2.5 16.8 m，层顶标高为54.70 68.05 m。2023/7/18定向钻系统组成 钻机系统钻机系统控向与造斜系统控向与造斜系统钻具钻具泥浆系统泥浆系统回拖系统回拖系统动力系统动力系统辅助系统辅助系统2023/7/18钻机系统底座底座钻机架钻机架活动卡盘活动卡盘控制室控制室2023/7/18底座 其上有行程齿条轨道、人其上有行程齿条轨道、人行道、扶手栏杆等。行道、扶手栏杆等。底座后底部有支撑腿，其底座后底部有支撑腿，其上端与底座铰链联结，下上端与底座铰链联结，下端与钢垫块相连，垫块座端与钢垫块相连，垫块座落在地面上或固定在专用落在地面上或固定在专用拖

8、车上。拖车上。后后支撑腿高度可调，从而支撑腿高度可调，从而可以改变入土角度可以改变入土角度2023/7/18控制室有各种控制仪表、显示仪表和计算机系统，用以控制钻机有各种控制仪表、显示仪表和计算机系统，用以控制钻机架和转盘的速度与方向，远程控制泥浆泵，远程操作管钳架和转盘的速度与方向，远程控制泥浆泵，远程操作管钳（卡盘）。可对钻机推拉力、转盘扭矩和泥浆泵的压力排（卡盘）。可对钻机推拉力、转盘扭矩和泥浆泵的压力排量进行调节。量进行调节。2023/7/18控向与造斜系统 有线控向和无线控向有线控向和无线控向 无线控向只适用于短距离、浅层穿越，配合中小钻机使用，无线控向只适用于短距离、浅层穿越，配合

9、中小钻机使用，其特点是控向方便，准确，但受穿越深度和地形的限制，其特点是控向方便，准确，但受穿越深度和地形的限制，一般使用较少。一般使用较少。有线控向适用于长距离、深层穿越，配合大型钻机使用。有线控向适用于长距离、深层穿越，配合大型钻机使用。2023/7/18有线控向有线控向系统主要包括三部分：探头、控向软件和联接转有线控向系统主要包括三部分：探头、控向软件和联接转换设备。换设备。探头用于测量磁方位角和井斜角。探头结构主要由一个三探头用于测量磁方位角和井斜角。探头结构主要由一个三轴磁强计、一个三轴重力加速计、数模转换器和计算电路轴磁强计、一个三轴重力加速计、数模转换器和计算电路部分组成。三轴磁

10、强计用于测量磁场矢量，三轴重力加速部分组成。三轴磁强计用于测量磁场矢量，三轴重力加速计用于测量重力场矢量。计用于测量重力场矢量。控向软件用于计算探头所在位置的里程、高程和左右偏差控向软件用于计算探头所在位置的里程、高程和左右偏差值。控向软件依据磁场矢量算出磁方位角，依据磁场矢量值。控向软件依据磁场矢量算出磁方位角，依据磁场矢量和重力场矢量算出井斜角。和重力场矢量算出井斜角。联接转换设备是将探头在井下测量的数据传输到地面，提联接转换设备是将探头在井下测量的数据传输到地面，提供给计算机中的控向软件。供给计算机中的控向软件。2023/7/18动力与辅助系统 柴油机、液压泵和发电机柴油机、液压泵和发电

11、机主要作用是为钻机、泥浆泵提供高压油，以驱动各部分的主要作用是为钻机、泥浆泵提供高压油，以驱动各部分的液压马达，同时为计算机、照明和空调设备提供电源。液压马达，同时为计算机、照明和空调设备提供电源。主要辅助设备有：起重机、单斗挖掘机、推土机和管道施主要辅助设备有：起重机、单斗挖掘机、推土机和管道施工设备等。工设备等。2023/7/18施工占地与施工准备1）施工占地）施工占地 定向钻施工占地包括钻机场地、管线场地、蓄水池及定向钻施工占地包括钻机场地、管线场地、蓄水池及泥浆池占地、管线焊接占地。泥浆池占地、管线焊接占地。钻机安装场地的大小根据钻机型号而定。泥浆池和蓄钻机安装场地的大小根据钻机型号而

12、定。泥浆池和蓄水池占地根据管径的大小、场地及地质情况而定，尽量节水池占地根据管径的大小、场地及地质情况而定，尽量节约用地。约用地。在出土点一端，应根据管道中心轴线、占地宽度和长在出土点一端，应根据管道中心轴线、占地宽度和长度（为穿越设计曲线管道长度加度（为穿越设计曲线管道长度加50m），本着节约用地的），本着节约用地的原则，放出管道场地、泥浆池占地及管道焊接占地边界线，原则，放出管道场地、泥浆池占地及管道焊接占地边界线，并标出拖管车出入场地路线和地点。并标出拖管车出入场地路线和地点。管道预制应在穿越中心线上，如地形不允许，从出土管道预制应在穿越中心线上，如地形不允许，从出土点起点起200m后方

13、可弯曲，弯曲半径应不小于后方可弯曲，弯曲半径应不小于1500D（D为管为管子结构外径尺寸）。子结构外径尺寸）。2023/7/18示意图2023/7/18示意图2023/7/18施工准备修筑施工便道修筑施工便道平整场地平整场地仪器设备的检查维护仪器设备的检查维护施工辅助用料的准备施工辅助用料的准备钻机锚固系统钻机锚固系统 2023/7/18修筑施工便道根据穿越地点的地理环境，在施工场地（入土点根据穿越地点的地理环境，在施工场地（入土点与出土点）与公路主干线之间修筑施工便道，施与出土点）与公路主干线之间修筑施工便道，施工便道的承载能力应不低于最重车辆或设备的重工便道的承载能力应不低于最重车辆或设备

14、的重量，并在适当位置找一开阔地平整压实，以方便量，并在适当位置找一开阔地平整压实，以方便车辆调头进入钻机场地。车辆调头进入钻机场地。2023/7/18平整场地在入土点，以穿越中心线为中线，平整场地，安在入土点，以穿越中心线为中线，平整场地，安放钻机、泥浆系统、钻杆和泥浆池等；放钻机、泥浆系统、钻杆和泥浆池等；在出土点平整作业场地，安放钻杆、钻具、挖掘在出土点平整作业场地，安放钻杆、钻具、挖掘机和泥浆池，设置合适大小的管线预制作业带。机和泥浆池，设置合适大小的管线预制作业带。在合适位置开挖泥浆池、废浆池等收集废弃泥浆。在合适位置开挖泥浆池、废浆池等收集废弃泥浆。根据穿越地段的地质情况及管径长度，

15、配备一定根据穿越地段的地质情况及管径长度，配备一定数量的泥浆罐，准备好泥浆用料，并妥善保管好数量的泥浆罐，准备好泥浆用料，并妥善保管好各类泥浆用料和油品，防止污染施工工地及水源。各类泥浆用料和油品，防止污染施工工地及水源。2023/7/18测量放线按照设计确定出的管道穿越中心线、入土点、出按照设计确定出的管道穿越中心线、入土点、出土点，在入土点侧测出钻机安放位置、地锚箱、土点，在入土点侧测出钻机安放位置、地锚箱、泥浆池、占地边界等；泥浆池、占地边界等；在出土点侧测出焊接管道中心线及泥浆池位置、在出土点侧测出焊接管道中心线及泥浆池位置、占地边界等；占地边界等；现场测量完成后，技术人员要及时编写施

16、工计划、现场测量完成后，技术人员要及时编写施工计划、方案及措施，并向施工人员进行技术交底。方案及措施，并向施工人员进行技术交底。2023/7/18安装钻机 1）钻机一般应安装在入钻机一般应安装在入土点和出土点的连线上。土点和出土点的连线上。钻机导轨与水平面的夹角钻机导轨与水平面的夹角与设计的入土角相等。与设计的入土角相等。2）钻机应安装牢固、平钻机应安装牢固、平稳，经检验合格后进行试稳，经检验合格后进行试运转。运转。3）应对控向系统进行准应对控向系统进行准确调校，调校的基准参数确调校，调校的基准参数应存入计算机内。应存入计算机内。2023/7/18操作要点 1）液压起重机将钻杆吊上钻台，固定在

17、能在钻台上）液压起重机将钻杆吊上钻台，固定在能在钻台上移动的活动卡盘上，钻杆的前端连接钻头，后端移动的活动卡盘上，钻杆的前端连接钻头，后端与泥浆管路连通。开动泥浆泵后，泥浆推动钻头与泥浆管路连通。开动泥浆泵后，泥浆推动钻头向前钻进，活动卡盘和钻头同步向前移动。向前钻进，活动卡盘和钻头同步向前移动。2）当活动卡盘移动到钻台前部的固定卡具时，卸开）当活动卡盘移动到钻台前部的固定卡具时，卸开钻杆接头向后移动活动卡盘，能放上一根钻杆钻杆接头向后移动活动卡盘，能放上一根钻杆（9.5m）时，吊上另一根钻杆，进行接加钻杆，）时，吊上另一根钻杆，进行接加钻杆，接头安装卸开均靠前端卡具固定钻杆，活动卡盘接头安装

18、卸开均靠前端卡具固定钻杆，活动卡盘的正反转动来完成，然后继续钻进的正反转动来完成，然后继续钻进2023/7/18操作要点3）钻头的入土角为）钻头的入土角为713，出土角为，出土角为49。特殊情况下，沿管线出、入土点的地面管道中心特殊情况下，沿管线出、入土点的地面管道中心线，增设支撑管线曲率变化的滚动发送架，管线线，增设支撑管线曲率变化的滚动发送架，管线的最大入土角可以达到的最大入土角可以达到25；管线穿越的水平长度；管线穿越的水平长度不变，增大钻头的出、入土角和减小管线穿越的不变，增大钻头的出、入土角和减小管线穿越的曲率半径（国外的管线穿越曲率半径最小达到曲率半径（国外的管线穿越曲率半径最小达

19、到80DN管径），可以有效地增加管线的穿越深度；管径），可以有效地增加管线的穿越深度；增加管线的穿越深度，有利于防止跑浆造成地面增加管线的穿越深度，有利于防止跑浆造成地面塌陷，并增加了管线穿越优良地层的机会。入土塌陷，并增加了管线穿越优良地层的机会。入土角和出土角确定后，在曲线上确定若干点角和出土角确定后，在曲线上确定若干点X、Y、Z三维坐标，此坐标返回控制盘上，控制各点坐标三维坐标，此坐标返回控制盘上，控制各点坐标沿设计曲线向前推进。沿设计曲线向前推进。2023/7/18操作要点4）导向孔实际穿越曲线）导向孔实际穿越曲线与设计穿越曲线的偏移量与设计穿越曲线的偏移量不应大于不应大于2m。出土点

20、沿设。出土点沿设计轴线的纵向偏差应不大计轴线的纵向偏差应不大于穿越长度的于穿越长度的1%，且不大且不大于于12m；横向偏差应不大；横向偏差应不大于穿越长度的于穿越长度的0.5%，且不，且不大于大于6m；5）钻杆和钻头在施工前）钻杆和钻头在施工前应进行清扫，严禁有杂物，应进行清扫，严禁有杂物，防止钻杆内有杂物堵住钻防止钻杆内有杂物堵住钻头水嘴造成事故。头水嘴造成事故。2023/7/18扩孔工艺 1）扩孔器及扩孔次数的）扩孔器及扩孔次数的选择选择合理组合扩孔器系列，采合理组合扩孔器系列，采用板式扩孔器和桶式扩孔用板式扩孔器和桶式扩孔器搭配使用，可确保孔道器搭配使用，可确保孔道成形质量。成形质量。预

21、扩孔时，如发现某次扩预扩孔时，如发现某次扩孔的扭矩过大或摆动幅度孔的扭矩过大或摆动幅度过大，可适当增加扩孔次过大，可适当增加扩孔次数，用相同尺寸的扩孔器数，用相同尺寸的扩孔器重新扩孔重新扩孔12次。次。2023/7/18易塌方的地层 流沙、淤泥以及疏松的粘质粉土和粉质粘土等地层，流沙、淤泥以及疏松的粘质粉土和粉质粘土等地层，“孔孔道道”与周围地层没有严格的界限，由与周围地层没有严格的界限，由“孔道孔道”的中心线向的中心线向四周分布为泥浆与钻屑混合的流塑状态物，在垂直于轴线四周分布为泥浆与钻屑混合的流塑状态物，在垂直于轴线方向上分布范围的大小取决于泥浆压力与地层压力差以及方向上分布范围的大小取决

22、于泥浆压力与地层压力差以及地层的含水情况等，泥浆的悬浮能力保证了地层的含水情况等，泥浆的悬浮能力保证了“孔道孔道”的稳的稳定定这种情形下，并不排除在采用桶式扩孔器时，局部地段会这种情形下，并不排除在采用桶式扩孔器时，局部地段会出现由于泥浆滤饼而形成孔道，但这时的滤饼环空尽管充出现由于泥浆滤饼而形成孔道，但这时的滤饼环空尽管充满泥浆，却依然很脆弱，容易垮塌，最终还是以边界模糊满泥浆，却依然很脆弱，容易垮塌，最终还是以边界模糊的的“孔道孔道”占主导地位。占主导地位。这种这种“稳定稳定”的受泥浆保护的的受泥浆保护的“孔道孔道”也是定向钻孔道的也是定向钻孔道的一种；在这样的地层中，要想满足管道顺利回拖

23、的条件，一种；在这样的地层中，要想满足管道顺利回拖的条件，十分关键的一点就是在扩孔时要提高泥浆排量、增加扩孔十分关键的一点就是在扩孔时要提高泥浆排量、增加扩孔次数、加大扩孔直径从而在尽量大的范围内构建次数、加大扩孔直径从而在尽量大的范围内构建“孔道孔道”。2023/7/18防洪措施2、防洪要求按照洛阳防洪要求按照洛阳驻马店成品油管道穿黄工驻马店成品油管道穿黄工程防洪影响评价报告提供的数据，程防洪影响评价报告提供的数据，穿越断面处属穿越断面处属于黄河游荡性河道河势及河床断面冲淤变化的复于黄河游荡性河道河势及河床断面冲淤变化的复杂区域，杂区域，1985年以来穿越断面处历年主流摆动达年以来穿越断面处

24、历年主流摆动达550 m，预计今后一定时期内各种洪水条件下黄预计今后一定时期内各种洪水条件下黄河主槽摆动范围可达河主槽摆动范围可达1 500 m，主槽摆动范围内主槽摆动范围内最大冲刷深度均为最大冲刷深度均为18 m。主河槽管道必须位于冲。主河槽管道必须位于冲刷线以下。刷线以下。2023/7/18管段与钻具连接 1）检查切割刀和扩孔器内各通道及各泥浆喷嘴是）检查切割刀和扩孔器内各通道及各泥浆喷嘴是否畅通，确认合格后方可连接；否畅通，确认合格后方可连接；2）连接顺序宜为钻杆、麻花钻杆、切割刀、扩孔）连接顺序宜为钻杆、麻花钻杆、切割刀、扩孔器、旋转接头、器、旋转接头、“U”型环、管道；型环、管道；3

25、）切割刀直径宜比扩孔器直径大）切割刀直径宜比扩孔器直径大150mm，扩孔，扩孔器直径宜比穿越管道直径大器直径宜比穿越管道直径大150mm，目的是减小，目的是减小拖拉力，保护防腐层；全部连接完后应泵送泥浆拖拉力，保护防腐层；全部连接完后应泵送泥浆冲洗，检查各泥浆喷嘴是否正常，合格后方可进冲洗，检查各泥浆喷嘴是否正常，合格后方可进行回拖施工。行回拖施工。管道回拖施工应连续进行，除发生不可抗拒的原管道回拖施工应连续进行，除发生不可抗拒的原因外，严禁在施工中无故停拖。因外，严禁在施工中无故停拖。2023/7/18保证定向钻的精确对接必须保证定向钻的精确对接在入土段和出土段均必须保证定向钻的精确对接在入

26、土段和出土段均需要采取安装套管的方法穿过卵石层，需要采取安装套管的方法穿过卵石层，由于定向由于定向钻穿越使用的导向系统是靠地磁来确定穿越方向钻穿越使用的导向系统是靠地磁来确定穿越方向的，的，而套管属于铁磁性物质，对周围地磁场影响而套管属于铁磁性物质，对周围地磁场影响非常大。这样，非常大。这样，钻头在接近出土段的套管时，钻头在接近出土段的套管时，导导向系统将无法正确导向，向系统将无法正确导向，致使钻头很难从出土段致使钻头很难从出土段的套管内钻出。所以，的套管内钻出。所以，必须在砂岩层内完成导向必须在砂岩层内完成导向孔对接，孔对接，使主钻头沿辅助钻头在入土段钻出的导使主钻头沿辅助钻头在入土段钻出的

27、导向孔出土。向孔出土。2023/7/18防止定向钻在钻孔时呈现防止定向钻在钻孔时呈现S形的措施形的措施防止定向钻在钻孔时呈现防止定向钻在钻孔时呈现S形的措施形的措施：为确保钻进为确保钻进曲线圆滑，曲线圆滑，防止钻孔出现防止钻孔出现S 形，形，对每根钻杆所改对每根钻杆所改变的角度要进行严格控制，变的角度要进行严格控制，控向过程中要严格按控向过程中要严格按照设计曲线控向，照设计曲线控向，如发生偏离原设计曲线，如发生偏离原设计曲线，要及要及时作出调整。钻孔出现时作出调整。钻孔出现S 形是由于控向过程中没形是由于控向过程中没能调整好单根钻杆的角度而造成的，能调整好单根钻杆的角度而造成的，所以只要控所以

28、只要控制好单根钻杆调整的角度就能使钻孔圆滑。如果制好单根钻杆调整的角度就能使钻孔圆滑。如果单根钻杆改变的角度过大，单根钻杆改变的角度过大，则及时抽回本根钻杆，则及时抽回本根钻杆，重新钻进以达到钻进设计的要求。重新钻进以达到钻进设计的要求。2023/7/18影响与措施一般在铺管施工时，泥浆非正常返回不是一个严一般在铺管施工时，泥浆非正常返回不是一个严重的问题。重的问题。如果泥浆向河底流出时，则对环境的影响较小。如果泥浆向河底流出时，则对环境的影响较小。如果在市区或是在风景优美的游览胜地施工，泥如果在市区或是在风景优美的游览胜地施工，泥浆非正常返回就会给公众带来不便，有时泥浆的浆非正常返回就会给公众带来不便，有时泥浆的流动还能冲坏街道、冲垮堤坝和公路铁路。流动还能冲坏街道、冲垮堤坝和公路铁路。在施工中，应不断地调整施工方法，尽量减少泥在施工中，应不断地调整施工方法，尽量减少泥浆非正常返回的发生。所以施工前，应制定应急浆非正常返回的发生。所以施工前，应制定应急计划并准备好可能的补救措施，同时还应通知有计划并准备好可能的补救措施，同时还应通知有关施工管理部门。关施工管理部门。2023/7/18第九组倾情奉献 谢谢大家2023/7/18