HDD水平定向钻进技术在燃气管线施工中的应用

苗青 林发森 摆凯

摘 要：HDD全称为Horizontal Directional Drilling，中文为水平定向钻，其原理是利用导航测位仪的导向定位作用，使HDD钻孔设备的钻头沿着设计轨迹钻进，完成导向钻的施工，确保钻孔的位置、标高等符合设计要求。该项技术主要应用于各类管道、管线在穿越道路、桥梁等位置的施工，尤其是穿越高速公路、市内关键道路时，为避免对交通造成影响，往往会选取HDD施工技术完成管道和管线敷设。HDD技术的应用有效的提升了燃气管道穿越特殊地段施工的安全性和可靠性。

关键词：水平定向钻;原理;钻孔;穿越道路

中图分类号：TU996 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）18-0125-02

0 引言

HDD施工方式属于非开挖施工中的其中之一，在现代施工中，广泛应用于供水、燃气、电力、电信、天然气、石油等管道敷设施工项目。水平定向钻井技术是石油工业定向钻井技术与传统管道施工方法相结合的施工技术，它具有不破坏路面、不影响交通、不污染环境、施工速度快、施工精度高、成本低等优点。

1 HDD设备的系统构成与水平定向钻进施工技术应用

1.1 HDD设备的系统构成

水平定向钻机主要由钻机系统、定向控制系统、动力系统、泥浆系统、钻井工具和辅助工具等组成。其结构和功能描述如下：

（1）钻机系统。它是钻井设备钻后牵引的主体。它由钻机主机、转台等组成。钻机的主机安装在钻机机架上，完成钻井和回拖作业。回转台安装在钻床主机前端，与钻杆连接，通过改变回转台的转速和扭矩，达到不同作业状态。

（2）控向系统。方向控制系统是通过对钻头在地面的具体位置和参数进行监测和控制，从而指导钻头正确钻进的定向工具。

（3）动力系统。它由液压动力源和发电机组成。动力源是高压液压石油钻机为钻机系统提供的动力，发电机为配套电气设备和施工现场照明提供动力。

（4）泥浆系统。泥浆搅拌罐、泥浆泵和泥浆管道构成泥浆系统，为钻井系统提供适合钻井条件的泥浆。

（5）钻具及辅助机具。它是用于钻孔和扩眼的各种机械和工具。该钻机具有适合各种地质条件的钻杆、钻头、泥浆马达、铰刀、刀具等工具。

1.2 HDD水平定向钻进施工技术运用（图1）

泥浆配置：可使用定向钻专用膨润土和泥浆添加剂，以提高造浆率和成孔质量。

（1）膨润土：Hydraul EZ（易钻）作用：作为制浆的基本元素;提升泥浆悬浮钻屑的能力，使得钻屑能够在泥浆中，随泥浆循环流出钻孔，保持孔内清洁;稳定孔壁，防止塌孔。

（2）聚合物：Insta Vis Plus（万用王）作用：包覆粉砂土颗粒，抑制粉砂土松散坍塌，提高携带性和护壁性能。

1.2.1 现场勘测及地下构筑物信息调查

施工前，HDD技术人员要到现场进行实地勘测，对HDD施工管线的路径进行现场放线，结合各部门提供的相关资料，对路径范围内的地上、地下已有设施进行实地勘测，如地上沟渠、围栏、地下各类管线等已有设施充分掌握其位置、标高等详细信息，以便于确定导向轨迹。地下设施测量采用地下金属探测仪探测和人工开挖探测相结合的方式。勘测完成后绘制现有设施平面布置图及剖面图。

1.2.2 导向孔轨迹设计

（1）轨迹设计的应满足如下要求。轨道设计长度与工程要求的管道长度一致。导轨深度与工程管线埋深一致。除信息管道外，其他工程管道的轨道不得有起伏段。钻井轨道设计，是指各种影响因素：材料性能和尺寸的管道产品在建，和地面和地下障碍物的状态的最小弯曲半径钻杆使用（或最大倾角的改变单个钻杆）;地层特征等。

（2）管道最小弯曲半径R及钻杆曲率a1的计算。轨迹是管线曲率的重要依据，管材曲率的重要指标是管材成品的最小弯曲半径R，在轨迹设计过程中的每个护短的弯曲半径为R1应变管材的最下弯曲半径大（R1>R），但是R1的弯曲率应比钻杆最小弯曲半径R2的弯曲率小（R1>R2）这是导向孔轨迹设计的两个必要条件。

通常在出厂时，厂家就对R2的数值进行过标定，并根据这一数值对每根钻杆的极限曲率a进行过计算。因此在轨迹设计前就应对管材弯曲半径和施工中每个钻杆的变换率进行确定。

（3）入土角A与出图角B的选取。钻入土壤的角度与钻头本身的角度范围成正比，与管道的曲率半径成反比，与与后方的距离成反比。在选择进入角时，首先要考虑管道的曲率半径和后向距离，然后再考虑钻井现场和钻机本身的角度范围。拉拔角度应根据倾斜段长度、管道曲率半径、工作场地大小和原地下管道埋深确定。出土角的大小同上述因素成反比，但造斜段的长度和管线的曲率半径是首选考虑的因素。

根据绘制的现有设施布置图和剖面图，HDD技术人员合理确定施工管道的设计深度及轨迹，形成导向轨迹图。

（4）导向孔轨迹计算。导向孔轨迹由第一造斜段、水平段、第二造斜段组成。水平段是管线埋设的主要孔段，两个造斜段则分别为管线进入水平段与露出地面顺利与否的关键孔段，钻孔轨迹设计计算的主要内容也是指造斜段。

2 技術方案编制及审批及各类许可办理

钻孔轨迹设计完成后，还需编制HDD施工作业技术方案，一并提交审批部门报批，方案批准后，在甲方的支持下，联系相关部门办理施工许可。释放许可后方可动员设备人员进入现场准备施工，如图2所示。

操作坑开挖：在HDD预铺设管道的两端，需设操作坑，工作坑的主要作用是囤积泥石钻屑，方便拆装钻具及熔接管等。操作坑深度一般低于HDD管道标高1m左右为宜，宽度和长度不小于3m，具体根据实际操作需求和设备工况确定。

导向孔施工：根据设计钻进路径图，调整好钻杆入土角度，逐根钻进。钻孔时一边钻孔一边加入泥浆（泥浆采用膨润土和添加剂根据设计配置而成），同时用探测仪实时测量钻头的深度及方向是否与该位置的设计深度和方向一致，如有偏差则及时调整，如图3。

扩孔：导向孔施工完毕后，逐级更换大钻头进行扩孔，实际钻孔施工时，为方便预铺设管道回拖，减小管道与孔壁的摩擦和碰撞，实际钻孔尺寸需大于预铺设管道的尺寸，保证管道与孔壁之间有10～15cm的间隙。例如如果计划铺设20寸的管道，实际钻孔尺寸则需达到30寸，钻孔过程一般为：6寸→10寸→14寸→18寸→24寸→30寸逐级扩孔，最终完成需求直径的钻孔。扩孔时用根据地层实际情况的配置的泥浆，一边拖管一边向孔内加注泥浆以充实孔隙和润滑孔壁，确保孔壁稳定，泥浆流动顺畅。当第一级扩孔时，减慢扩孔速度，同时减小泵压，以排出孔内多余渣土，对成孔内壁做进一步稳固。

回拖管道：扩孔完成后，进行管道回拉。拖管前，需在管道入口端焊接“拖管头-pulling head”，拖管头所用管道的材质规格等需与管道相同如图4，图5，图6，图7所示。