定向钻施工方法介绍.ppt

定向定向钻施工方法钻施工方法定向钻设计、施工规范定向钻设计、施工规范定向钻设计、施工规范定向钻设计、施工规范 定向钻铺管技术是定向钻铺管技术是20世纪世纪70年代初，美国人克林顿年代初，美国人克林顿.马马丁将定向钻探技术和传统的铺管施工结合起来，发明了定丁将定向钻探技术和传统的铺管施工结合起来，发明了定向钻铺管施工技术。向钻铺管施工技术。1985年，中国石油天然气管道局第三工程公司引进了年，中国石油天然气管道局第三工程公司引进了RB-5水平定向钻机，开创了国内定向钻施工的先河。水平定向钻机，开创了国内定向钻施工的先河。1996年，中国石油天然气管道局第二工程公司引进了年，中国石油天然气管道局第二工程公司引进了DD-60/R2水平定向钻机，是国内第二台定向钻施工设备。水平定向钻机，是国内第二台定向钻施工设备。1997年，中国石油天然气管道局第二工程公司又引进年，中国石油天然气管道局第二工程公司又引进了了DD-330水平定向钻机，同年中国国航引进了水平定向钻机，同年中国国航引进了DD-120水水平定向钻机。平定向钻机。1998年，地矿部勘探研究所生产了国内第一台年，地矿部勘探研究所生产了国内第一台DD-50水平定向钻机，拉开定向钻设备国产化的序幕。水平定向钻机，拉开定向钻设备国产化的序幕。MH370去哪了？1）应答机2）卫星、雷达3）高度、距离、偏离航线定向钻的钻头去哪了？1）导向信号线2）地面信标、磁靶定位系统3）深度、钻进长度、水平位移一、定向钻简介一、定向钻简介二二、定向钻工艺、定向钻工艺三、定向钻泥浆三、定向钻泥浆一、定向钻简介一、定向钻简介2 2、定向钻布置、定向钻布置1 1、定向钻定义、定向钻定义1.定义2 2、定向钻布置、定向钻布置2.定向钻施工总平示意图定向钻施工总平示意图进场道路进场道路钻机场地出土场地管道预制作业带钻机场地标准布置图钻机场地标准布置图施工实例出土点场地布置图出土点场地布置图“二接一二接一”施工工艺施工工艺回拖第一段管道回拖第一段管道距离入孔点距离入孔点50米米对口焊接对口焊接焊口冷却后焊口冷却后继续回拖继续回拖回拖回拖1根钻杆根钻杆进行焊口检测进行焊口检测检测完成继续检测完成继续回拖回拖1-2根钻杆根钻杆焊口不合格返修焊口不合格返修合格后进行补口合格后进行补口返修或补口完返修或补口完成后继续回拖成后继续回拖返修焊口检测返修焊口检测并继续回拖并继续回拖如果返修检测合格进行检测合格进行补口作业补口作业开始正常回拖开始正常回拖根据本工根据本工艺，回拖艺，回拖最长停滞最长停滞时间不会时间不会超过超过6个个小时（超小时（超规范问题）规范问题）水网地带施工场地和施工便道水网地带施工场地和施工便道水网地带的小型河流和沟渠通过方法水网地带的小型河流和沟渠通过方法二、定向钻工艺二、定向钻工艺定向钻穿越的施工流程清理场地、恢复地貌清理场地、恢复地貌管道与钻具连接管道与钻具连接扩孔回拖管道扩孔回拖管道拆卸钻机拆卸钻机试压、吹扫试压、吹扫泥浆处理泥浆处理安装钻机安装钻机调调 校校泥浆配置泥浆配置穿越管道组对焊接穿越管道组对焊接钻导向孔钻导向孔预预 扩扩 孔孔无损检测无损检测补口、补伤补口、补伤试压、清管、扫线试压、清管、扫线防腐层检测防腐层检测平整场地平整场地测量放线测量放线2 2、导向孔、导向孔1 1、人工磁场、人工磁场3 3、预扩孔、预扩孔4 4、回拖、回拖1 1、人工磁场、人工磁场1.人工磁场人工磁场法是在穿越中心线两侧布设闭合导线圏，通电后形成外加磁场，用以对控向参数的复核。人工磁场可不受任何外部磁场的干扰，准确反映钻头所在的具体位置，左右偏移量和钻头深度情况，人工磁场测得的数据是探头所在位置的真实反映。人工磁场的实际应用能够保证实际出土点在设计穿越规范的范围内，为管道的顺利回拖打下了良好的基础。4.3.2人工磁场线圈的角点采用木桩固定，保持四边笔直减少测量误差。线圈的宽度以3倍的探头深度为宜，也可以取3倍于设计曲线的最深值，长度不易过长，以免造成电阻过大，电流小而影响测量的真实度。线圈所使用的的导线截面积在10mm2以上为宜，4.3.3在钻头进入人工磁场后的下一根钻杆钻进完成时进行测量偏差。测偏时首先根据控向员的指令接通电源为线圈供电，供电设备选用现场的直流电焊机（或两块电瓶串联），通直流电的电流以7080A为宜。测量完成后断开电源，重复测量23次取平均值做为当时的偏差量。进入磁场后每钻进一根钻杆测量一次，对比前后测量结果及时发现偏差和偏差趋势，如果不在标准要求范围内需及时纠偏或将钻进钻杆抽回至满足曲线要求处后重新钻进调整。2 2、导向孔、导向孔定向钻中的主要数据定向钻中的主要数据导向孔作业关键要把握住2个角度、1个工具面和4个数据（4个数据时依据探头测定的2个角度和输入的钻杆长度计算所得）：INC（倾斜角）AZ（方位角）HS（工具面）AWAY（水平长度）MD（实长）ELVE（标高）RIGHT（水平偏差）定向钻可以调整角度的原理定向钻可以调整角度的原理1-2的角度当钻机旋转钻进时带动钻头和钻杆一同旋转，则钻头沿直线钻进；当钻头旋转，而钻杆不旋转，钻机直推钻进时，根据工具面HS的方向调整角度。帆板运动帆板运动2.导向孔水平定向钻进穿越的第一道工序是导向孔的施工。导向孔的轨迹控制通过导向钻头完成。导向钻头是一种带有斜掌面的射流辅助切削钻头，直径略大于钻杆，当钻杆带着钻头回转并给进时，将钻出直孔；当钻杆带着钻头只给进不回转时，将钻出弧孔（也称弯孔）。导向钻头内部带有发射器，地表有对应的接收器，能接收发射器采集到的斜掌面方位、导向钻头指向、深度等参数，地面操作人员通过控制参数达到控制施工轨迹的目的导向孔施工的主要设备和仪器导向孔施工的主要设备和仪器导向孔施工主要用到以下设备：导向孔施工主要用到以下设备：探头探头 接口单元接口单元 司钻控制台司钻控制台 计算机计算机 探头可以测出钻头当前位置的探头可以测出钻头当前位置的INC、AZ和和HS（工具面）三个（工具面）三个角度，并将模拟信号传递到接口单元，由接口单位将信号转换为角度，并将模拟信号传递到接口单元，由接口单位将信号转换为数字信息后分送司钻控制台和计算机控制程序系统。钻机司钻根数字信息后分送司钻控制台和计算机控制程序系统。钻机司钻根据司钻控制台上提供的当前数据和下一步计划要达到的数据选择据司钻控制台上提供的当前数据和下一步计划要达到的数据选择进行司钻操作。控向人员根据测定的角度数据，输入钻进的钻杆进行司钻操作。控向人员根据测定的角度数据，输入钻进的钻杆长度，由计算机程序自动计算当前钻头的三维坐标，控向员根据长度，由计算机程序自动计算当前钻头的三维坐标，控向员根据当前数据制定下一步钻进计划，并提供给司钻。当前数据制定下一步钻进计划，并提供给司钻。并不是每一个司钻人员可以将钻头位置控制到控向员的指定位置和角度，根据不同的地质有不同的操作方法，因此有一个经验丰富的控向员或司钻员是非常 必要的。数据传输示意图数据传输示意图探头安装位置向接口单元传输模拟信号向接口单元传输模拟信号接口接口单元单元接受模拟信号并转换成数字信号 计算机计算机司司 钻钻控制台控制台控向人员利用计算机进行计算，司钻人员根据数据进行钻进操作。导向孔钻机被安装在入土点一侧，从入土点开始，沿着设计好的线路，钻一条从入土点到出土点的曲线；作为预扩孔和回拖管线的引导曲线。导向孔示意图入土点出土点设计曲线导向孔开始钻进钻机对穿就是两侧都有钻机，在水平段对接。导向孔对接施工示意图导向孔施工一般采用9 1/2（230mm)的镶齿钻头进行施工，特殊情况下可以采用12 的钻头施工，在进行岩石地质穿越时还需要增加泥浆马达。普通地质一般不采用泥浆马达钻孔，而是直接采用钻机本身的推进和旋转功能进行钻进施工。坚硬地质由于钻机本身的旋转速度有限，同时由于钻机旋转钻进只能钻进直线，因此必须加装泥浆马达，利用泥浆马达的高速旋转进行钻孔施工。导向孔3 3、预扩孔、预扩孔3.预扩孔在钻导向孔阶段，钻出的孔往往小于回拖管线的直径，为了使钻出的孔径达到回拖管线直径的1.5倍；需要用扩孔器从出土点开始向入土点将导向孔扩大至要求的直径。预扩孔示意图入土点出土点扩孔形成的空间预扩孔开始钻机预扩孔预扩孔作业的扩孔级别：普通地质扩孔一般以6为一个级别，最后一级扩孔直径达到回拖管道的1.5倍；较好的地质最大可以按12 越级扩孔。岩石地质扩孔也是以6-8为一个级别，经过特别设计，在岩石硬度不是特别高的情况下可以按10 越级扩孔。大口径管道（大于900mm），最大扩孔直径可以扩到管径+12（305mm)。4 4、回拖、回拖4.管线回拖导向孔经过预扩孔，达到了回拖要求之后，将钻杆、扩孔器、回拖活节、被安装管线依次连接好，从出土点开始，一边扩孔一边将管线回拖至入土点为止。回拖示意图入土点出土点扩孔形成的空间回拖开始钻机管线回拖中的管线，滚轮架管道入洞管道入洞管道回拖力的计算简便的计算方法：简便的计算方法：（每米管道重量（每米管道重量-每米管道浮力）每米管道浮力）穿越长度穿越长度摩擦系数摩擦系数（摩擦系数按通常的（摩擦系数按通常的0.3记取）记取）工程实例：工程实例：813 16.0穿越管道，普通地质，长度穿越管道，普通地质，长度1000m。每米管道重量：每米管道重量：2R h 7.8=0.813 3.14 0.016 7.8 =0.319吨吨 每米管道浮力：每米管道浮力：R2=3.14 0.40652=0.519吨吨 管道最大回拖力：（管道最大回拖力：（0.519-0.319）1000 0.3=60（吨）（吨）需要的钻机回拖力：需要的钻机回拖力：2 60=120吨（安全系数一般吨（安全系数一般1.53）定向钻施工所需要的主要岗位定向钻施工所需要的主要岗位定向钻工程师：确保按照既定方案进行施工，解决现场突发定向钻工程师：确保按照既定方案进行施工，解决现场突发 问题；问题；控向员：严格按设计曲线要求进行导向孔施工，确保控向精控向员：严格按设计曲线要求进行导向孔施工，确保控向精 度和曲线平滑；度和曲线平滑；司钻员：按照控向员制定的计划，根据地质情况操作钻机，司钻员：按照控向员制定的计划，根据地质情况操作钻机，完成导向孔施工，并进行扩孔和回拖作业。完成导向孔施工，并进行扩孔和回拖作业。接线员：进行探头信号线的连接工作和地面磁场线的布线作接线员：进行探头信号线的连接工作和地面磁场线的布线作 业；业；泥浆工程师：制定泥浆配比方案，确保泥浆供应。泥浆工程师：制定泥浆配比方案，确保泥浆供应。泥浆回收系统泥浆回收系统泥浆回收系统泥浆回收系统三、定向钻泥浆三、定向钻泥浆5.泥浆配制工艺泥浆配制工艺 泥浆被视为定向钻的“血液”，是定向穿越中的关键控制因素，其主要作用是悬浮和携带钻屑净化钻孔、稳定孔壁和降低扭矩和推拉力、冷却钻具。一.常用泥浆处理剂简介1、常用处理剂主要有工业纯碱、正电胶干粉、CMC、CMS、封堵剂、油基润滑剂等，其主要性能特点如下：泥浆配制2、处理剂的添加量一般控制在0.1%1%。二.泥浆性能参数1、密度 由于泥浆的特性密度，钻进中所需要的（超）静态流体压力（稍超压的地下水）可以作用于地下，支撑孔壁。由于切进的缘故，液体密度不断在增加。因此，有必要不断地用气体比重计或泥浆天秤测量进入地下和回流的泥浆。清洁的水/膨润土基液的密度是在1.05和.20g/cm3 之间。2、粘度 粘度（单位：mpa*s）可以理解为液体对流动的阻力。粘度存在着两种值，表观粘度和塑性粘度。满足被钻土质要求的粘度可保证泥浆的液压特性，尤其是被钻固态物质的运送和泵送能力。液体参数可以用构成粘度的添加剂予以变更。粘度的测量单位，多数情况下使用一升泥浆通过“马氏漏斗”（马氏粘度）的时间来表示。如有必要，可用旋转的“叶片粘度计”提供屈服点或塑性粘度（宾汉模型）的精确数值。从这些数值可推导出泥浆的液压的和载荷承载能力。3、PH值 PH值控制膨润土的物理化学结构并确定它们的电化学载荷，这就决定了钻屑液体的有效性以及添加剂的有效性。PH值是评定泥浆化学反应的重要参考值。膨润土液体的PH值应在8.0和10.0之间。4、固相成份 泥浆中所有不可溶解的组分都叫做固体。依据颗粒大小，可以分为胶质、淤泥和沙。测定是以AP1筛子并用沙量杯进行的。固体成份（单位：容积%）用以鉴定泥浆的携带能力，泵送能力，磨蚀能力，以及输送容积，钻孔的清洁度验证和泥浆再循环中使用的分离设备（筛，旋风分离器，离心机）的有效性。5、循环容积 循环容积（单位L/min）必须经常监测并记录，尤其在早期探测钻屑液体流失或稀释时必须如此。根据它的差别可以探测到钻孔塌方或土地变动的危险，从而可采取必要的措施。需要的流量决定于钻屑的地质条件和钻孔液体的携带能力。总流体流量是根据钻孔体积和流入土地的流体损失系数计算出来的。该系数一般依据土地资料在1.05到2.20之间。VB=dA2/4LBfk 式中：VB=钻孔体积,m3;dA=钻孔最后直径,m;LB=钻屑长度,m;fk=液体损失系数;6、滤失量 动滤失：在泥浆循环的情况下，泥浆建立、增厚、直至平衡而滤失速度也由开始较大逐渐减少至恒定形成泥饼；静滤失：停止循环时，不存在泥浆液对泥饼的冲刷力，随着滤失的进行，泥饼逐渐加厚，滤失也逐渐减少。静滤失的滤失量比动滤失小。滤失量适中，形成泥饼薄、致密、韧性好、摩阻小。可通过滤失量测定仪测定，通常不超过15ml/30min。7、按工程特性（如坚硬岩石钻屑或丘陵松散岩石钻屑），也需测定钻屑液体的流动曲线（剪切应变/剪切梯度），胶凝强度或动态流体压力。需用粘度计测量。三.配浆用水 水是最重要的配浆材料之一，配浆用水PH值应控制在8-10，含盐量不超过10g/L，无固体杂质，通常用纯碱来净化水质，降低水的硬度和调节PH值，处理后更适合膨润土水化分散。配浆用水尽量选用淡水，可取施工场地附近河流水，也可在施工场地内打井抽水。四.泥浆配方1、在穿越施工中，不同地质条件下要求泥浆的性能指标不同，通常通过改良泥浆配方来改善泥浆的性能。可穿越地质主要分为：粘土、亚粘土、粉砂细砂、中砂、粗砂砾砂、岩石。2、不同管径的导向孔、扩孔回拖过程中所需泥浆性能也稍有不同。导向孔阶段泥浆粘度相对要低，随着扩孔级别增加粘度应依次增加5-10s，增加携屑能力，降低失水，回拖时粘度不应太高需比最终扩孔级别时粘度低5-10s为宜。3、各种地层特点、穿越特点及对泥浆性能要求，如下表：4不同地层泥浆性能指标参数，如下表：1、穿越工程由于泥浆用量大，要求保证泥浆中钻屑含量（一般保持在10%左右，保证施工安全），在钻机一侧采用泥浆回收的方法重复利用泥浆来满足大量泥浆的需要和减少废弃泥浆的污染。2、从钻导向孔、扩孔到回拖，有多个工序需耗用较多泥浆，如不回收将增加工程成本，造成环境污染，所以安装回收、处理泥浆系统减少泥浆总量是必要的，出土点的泥浆通过钻杆倒运到入土点进行处理再利用，同时要及时清收和控制跑冒的泥浆。3、施工中要根据泥浆回返，冒顶情况和泵压变化等分析，判断并采取对应措施。如严重冒顶可进行封堵处理，当钻屑过多导致扭矩增大，应停止钻进，先进行循环，排砂或采取其它措施，待正常后再恢复钻进。4、当需较长时间停钻，应及时替入新泥浆提高护孔能力，防止塌孔卡钻；当出现钻屑床时，在泥浆中加入0.050.1%的泥浆结构剂。坚持循环泥浆清扫孔眼。定向钻技术的适用性随着定向钻技术的发展，目前为止，国际上距离最长的一次穿越长度已经超过4000米，国内的穿越长度记录是3316米。2013年1月-9月，管道局在江苏江阴和靖江之间完成了中石油西气东输公司的两条711管道长江穿越工程，穿越长度3300m。最大穿越管径48英寸的管线已经安装成功（西气东输二线）。适合定向钻穿越的地质：a、较好的地质：粉质粘土、粉砂、细砂、软塑粘土、淤泥。b、适宜地质：中砂、软岩石、可塑粘土、中等硬度岩石。c、风险地质：硬塑粘土、粗砂、坚硬岩石。d、高风险地质：卵砾石、流砂。地质的分类不是一成不变的，在一定的情况下会发生转化。单穿技术是常规的定向钻施工方法，钻机就位在一侧，自入孔点钻进，出孔点钻出，形成导向孔，早期的定向钻穿越都是单穿施工，单穿技术适用于短距离的穿越工程。对穿技术两侧均有钻机，同时向中间钻进，在穿越水平段上对接，形成导向孔，对穿技术适用于单穿无法完成的长距离穿越工程或穿越两侧地质不适宜定向钻施工需要进行套管隔离的情况。2000m距离以内的穿越工程采用单穿施工，2600m距离以上的穿越工程一般需要进行对穿作业，2000m-2600m之间的穿越工程依据穿越地质情况和施工队伍的技术能力综合确定。单穿技术造价低，对穿技术不仅占用设备资源，而且工程造价较高。目前，对穿技术已经得到了长足的发展，已经从见面聊天发展到拉手亲吻。对穿技术的发展会进一步拓展定向钻技术的发展空间，攻占新的禁区。定向钻的单穿和对穿技术对比分析定向钻技术和其他施工方法相比而言，对环境的影响较小，此项技术能达到障碍物下的最大埋深，最大限度保护管道，减少维修费用，基本上是免维护的，交通、航运不中断，大部分工作只在两岸地面进行，安全、高效，工期较短并且可以预测，尤其值得注意的是：在众多的施工方法中，定向钻穿越的造价是比较低的。定向钻施工技术无需扰动任何现有地面设施和现有地貌，对地面设施包括码头、航道、港池、道路等均没有任何影响。定向钻技术对穿越的区域内各相关利益和管理方无影响或影响甚微，因此定向钻方案容易取得各相关方的理解和支持，办理各种（路、管道、港池、码头、航道）通过权相对有利，减轻协调难度和工作量。随着定向钻技术的日益成熟，施工造逐年降低，相比较其他施工技术和方法的造价优势越来越明显。定向钻优劣点分析定向钻技术基本上是一次性的，免维护的同时免维修，在穿越区间内出现质量或其他缺陷时，只能从地面上增加辅助设施解决，比如出现大的漏点时就需要增加阴保站确保管道安全。虽然定向钻施工技术越来越成熟，但一些难度较大的穿越工程还是具有较高的风险系数，尤其随着定向钻技术向更粗、更硬、更长、更复杂领域的拓展，一些辅助技术如隔离套管的应用等在突破一些穿越禁区的同时，逐渐增加了潜意识里定向钻技术的风险认识。随着定向钻技术的普及和应用领域的拓展，定向钻穿越工程事故的绝对数逐年增加，也加大了风险意识。采用定向钻技术完成的工程项目无法维修和维护，如何保证工程施工质量就成为穿越施工过程中的重中之重，馈电检测和穿越完成后的管道测径、试压工作就成为检验穿越施工质量的最后关卡。目前地面检测仪器很难准确测定穿越管道位置，穿越管道的位置坐标主要依据施工承包商提供，这也就为技术能力较弱的承包商提供了编制虚假信息的机会。规范要求定向钻导向孔的偏差必须在2m的环空内，当钻头超出这个距离时，为了节约调整成本，有的承包商就会人为地进行修正，以满足规范要求，也就留下了安全隐患。定向钻优劣点分析岩石扩孔器 定向钻工艺由于其先进性和神秘性，已越来越多地受到定向钻工艺由于其先进性和神秘性，已越来越多地受到各方关注，定向钻施工不仅要有严谨的科学性，还要随时积累各方关注，定向钻施工不仅要有严谨的科学性，还要随时积累丰富的施工经验，在穿越施工过程中遇到突发问题时，依据经丰富的施工经验，在穿越施工过程中遇到突发问题时，依据经验和相应的理论支持，准确判断问题的症状和原因非常重要，验和相应的理论支持，准确判断问题的症状和原因非常重要，好的施工设备和经验丰富的施工人员是定向钻穿越一次成功的好的施工设备和经验丰富的施工人员是定向钻穿越一次成功的两大保障，缺一不可。定向钻技术还在不断的发展完善中，几两大保障，缺一不可。定向钻技术还在不断的发展完善中，几年前还不敢想象的穿越长度和不敢涉猎的施工地质已经得到了年前还不敢想象的穿越长度和不敢涉猎的施工地质已经得到了重大突破，而且还将有更大的发展，需要不断的学习和创新。重大突破，而且还将有更大的发展，需要不断的学习和创新。