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定向钻工法

在非开挖技术行业中，定向钻进一直是主要的增长领域。目前，在天然气、自来水、电力和电信部门定向钻进已是一种普通的施工工艺，最近由于在施工精度上的改善，定向钻进也被用于污水管和其它重力管线的铺设。尽管这样，世界上有许多地方、许多行业仍然还在认识普通非开挖和定向钻进非开挖的益处。

钻孔轨迹可以是直的，也可以是逐渐弯曲的。在导向绕过障碍物，或穿越高速公路、河流和铁路时，钻头的方向可以调整。钻孔过程可在预先挖好的发射坑和接受坑之间进行，也可在安装钻机的场地，以小角度直接从地表钻进。
工作管或导管的铺设通常分两步进行。首先是沿所需的轨迹钻导向孔，然后回扩钻孔以加大孔径适应工作管的要求。在第二步即回拖过程中，工作管通过旋转接头与扩孔器连接，并随着钻杆的回拖拉入扩大了的钻孔中。在复杂地层条件下、或孔径需增加很大时，可采用多级扩孔的方法将孔径逐步扩大。
近年来，设备能力有了的改善，非开挖技术的优越性也得到了更多的赞赏。一些公用管线公司已经设想，在有非开挖可作替代时，要反对采用明挖施工方法(特别是在道路上)。非开挖施工除了有显著的环境效益外，在许多工程应用中，导向孔钻进的相对成本已经降低到明挖法施工之下，即使忽略干扰与延缓交通等的社会成本时也是如此。

    大多数定向钻机采用钻进液辅助碎岩钻头钻压从钻杆尾部施加。钻头通常都带有一个斜面，所以钻头连续回转时则钻出一个直孔，而保持钻头朝某个方向不回转加压时，则使钻孔发生偏斜。探测器或探头可以安装在钻头内，也可安装在紧靠钻头的地方，探头发出信号，被地面接收器接收或跟踪，从而可以监测钻孔的方位、深度和其它参数。在那些从地表不能稳定跟踪钻孔轨迹的地方，或因钻孔深度太大，用无线电频率方法难以保证定位精度的地方，也可采用有缆式导向系统，其缆线通过钻杆连接。
    膨润土／水的混合物是常用的钻进液或“泥浆”，它能使携带的岩屑处于悬浮状态，并能通过循环系统过滤。导向孔施工完成后，触变泥浆可保持孔壁的稳定，以便于回扩。工作管或导管一般为聚乙烯管或钢管，在扩孔的同时跟在扩孔器后一起捡入。
    在大型设备中，多数工作是通过钻杆回转完成的，设备的扭矩与轴向给进力和回拖力一样重要。对小型设备，通常是先钻一个导向孔，然后再将孔径扩大至所需的尺寸，同时将管道随扩孔器拉入，此时使用钻进液有助于破岩、润滑和冷却钻头。在钻进岩石或其它硬地层时，也可用钻进液驱动孔底“泥浆马达”，在这种情况下，需要很高的钻进液流速。
    一些钻进系统被设计用于无水或钻进液的干式钻进工艺，其操作更简单，废弃物少，不需要太多的现场设备；但要受到铺管尺寸和地层条件的限制。
    冲击作用可以加强轴向推力和回转扭矩的效果。冲击力可由钻头上的冲击锤产生，也可由地面设备产生并沿钻杆柱传送，无论哪种方法，都能提高导向钻机在复杂地层中的性能。
    钻机可大致分为两类：地表发射的和坑内发射的。地表发射钻机通常为履带式，可依靠自己的动力自行走进入工地。铺设新管时它们不需要发射坑和接受坑，但管线连接时仍需要开挖。如果要求在地下相同深度连接其它管线，则可能会造成新管的开头几米废弃。
    坑内发射钻机在钻孔的两端都需要挖坑，但可在空间受限的地方操作。一些设计更紧凑的钻机的发射坑，可只比接管所需的坑稍大一点就行。钻杆单根的长度受坑的尺寸限制，这可能对铺设速度和钻杆成本造成影响。

   坑内发射钻机固定在发射坑中，利用坑的前、后壁承受给进力和回拉力。地表发射钻机有几种桩定方式将钻机锚固在地上，性能完善的钻机桩定系统可以是液压驱动的。
一些地表发射钻机是整装式的，载有钻进液用搅拌池和泵，以及动力辅助装置、阀和控制系统；也有采用搅拌池和泵等设备分离配置的。钻进液通过钻杆柱内孔泵送到钻头，再从钻杆与孔壁的环空内返回，并把破碎下来的钻屑携带至过滤系统进行分离和再循环。
钻机，尤其是地表发射钻机，配置有一个钻杆自动装卸系统，定长的钻杆装在一个“传送盘”上，随钻进或回扩的过程而自动从钻杆柱上加、减钻杆，这种操作与一个自动的螺纹拧紧和卸开装置配合进行。由于钻杆自动装卸系统加快施工速度、提高施工安全和减小劳动强度，因而应用日益普遍，即使在小型钻机上也是如此。
根据钻进地层的类型，选择定向钻机的能力可有很大不同。通常，均质粘土地层最容易钻进；砂土层要难一些，尤其是其位于地下水位之下或没有自稳能力时；砾石层中钻进会加速钻头的磨损。不带冲击作用或泥浆马达的标准型钻机，一般不适用钻进岩石或坚硬夹层，因为一旦遇到此类障碍物，钻头会无法进尺或偏离设计轨迹。
以钻进液作动力的泥浆马达，可驱动岩石钻头，采用这种技术需要一些动力更大的钻机。提高硬地层钻进效果的另一种方法，是配合推力与回转采用冲击作用。冲击力可由通过钻杆柱传动的钻机冲击锤产生，也可由钻头上的气动锤产生。冲击能提高在夹石土层和软弱岩层中的钻进效率与方向控制能力，但并不适用于钻进坚硬岩石、大量块石或者如混凝土类非常坚硬的东西。
回扩钻具和辅助设备的选择范围非常广泛，许多都具有特殊设计的提高性能特点。扩孔器大多为子弹头形状，上面安装有碳化钨合金齿和喷嘴。扩孔器的后部有一个旋转接头与工作管的拉头相连。对复杂地层条件进行了有利的特殊设计，其包括用于岩石中扩孔的扩孔头。
在多数定向钻机采用钻进液润滑钻头、输送钻屑回工作坑和稳定孔壁的同时，也有些钻机设计用作干式钻进工艺。这些钻机也有地表发射和坑内发射两种类型，而且干式钻机比泥浆辅助钻机更趋于紧凑和简单。与完全依赖推进力和回转扭矩不同，干式钻机施工导向孔时采用钻头上的高频气动锤钻进。在概念上，这与置于钻杆柱尾部也作气动冲击作用的冲击矛不同。与采用钻进液辅助钻进的设备一样，冲击锤前的钻头也有一个斜面，当在某个方位停止回转而冲击钻进时，也可控制钻孔轨迹。
铺设小直径的管道、导管或电缆线，可使用直接连接在钻杆上的镶有碳化钨合金齿的锥形扩孔器，这种扩孔器安装有空气喷嘴，气流通过钻杆柱进入，在回扩时高速气流有助于清除钻屑。回转及回拉扩孔器以扩大孔径，同时将用旋转接头或其它接头连接在扩孔器后的管道拉入。
对于大直径管道铺设，采用气动锤扩孔器，同样在其后部用旋转接头连接管道。此时对扩孔起主要作用的是气动锤扩孔器的冲击作用，而不是钻机的回拉力，而且回扩过程中也无须回转。

    钻杆要求很高的物理机械性能，必须有足够的轴向强度承受钻机给进力和回拖力，足够的抗扭强度承受钻机施加的扭矩；要有足够的柔韧性以适应钻进时的方向改变；还要尽可能地轻，以方便运输和使用；同时，还要能耐磨损与擦痕。

    钻进液性能取决于其成分配方，它可以润滑钻头，减少磨损；可以软化地层，易于钻进；可以携带碎屑返回工作坑；可以在回扩过程中稳定孔壁；可以在回扩和拖管时润滑管道；还可以在钻进硬地层时为泥浆马达提供动力。

    与短距离施工的坑内发射应用不同，多数定向钻进技术要依靠准确的钻孔定位和导向系统。随着电子技术的进步，导向仪器的性能已有明显改善，能获得相当高的精度。
    导向系统有几种类型，最常用的如“手持式(walk-over)”系统，它以一个装在钻头后部空腔内的探测器或探头为基础。探头发出的无线电信号由地面接收器接收，除了得到地下钻头的位置和深度外，传输的信号还往往包括钻头倾角、斜面面向角、电池电量和探头温度。这些信息通常也转送到钻机附属接受器上，以使钻机操作者可直接掌握孔内信息，从而据此作出任何有必要的轨迹调整。走过式系统的主要限制，是必须要到达直接位于钻头上部的地面。这一缺陷可采用有缆式导向系统或装有电子罗盘的探头来克服。有缆式导向系统用通过钻杆柱的电缆从发射器向控制台传送信号。虽然缆线增加了复杂性，但由于不依靠无线电传送信号，对钻孔的导向就可以跨越任何地形，并且可以用于受电磁干扰的地方。
    为使电子元件免受严重动载，一种基于磁性计的导向系统被用于有冲击作用的干式定向钻进上。系统的永久磁铁装在冲击锤体上，当其旋转时即产生磁场，磁场的强度及变化由地表磁力计探测，数据交由计算机处理，从而得到钻头的位置，深度及面向角。

    虽然许多注意力都集中在设备的主要内容上，但大量的附属和辅助设备在定向钻进施工的成功中仍起着重要的作用。
    用于聚乙烯管的拉头类型很多，包括压力密封式拉头和专用于定向钻进的改进型拉头。定向钻进拉头的一个作用是防止钻进液或碎屑进入工作管道，这对必须无毒的饮用水管特别重要。
   旋转接头是扩孔和拉管操作中的基本构件，应设计成防止泥浆和碎屑进入轴承。已有的旋转接头的能力从低于5t至200t以上。
   一些承包商使用“断路式接头”保护工作管，该接头上有一系列在预定载荷下断开的销钉，可根据工作管的允许拉伸载荷断开接头。这种断开式接头不仅减少了疏忽造成损失的风险，而且对那些知道不能超过允许载荷的操作者，也有一种心理作用，不会去试图增大载荷而追求高效率。
    其它重要的附助设备包括：聚乙烯管焊接机、管道支护滚筒和电缆牵引器。