在硬地层中非开挖铺设地下管线技术综述万芳

在硬地层中非开挖铺设地下管线技术综述

概述

自从采用定(导)向钻进进行非开挖铺设地下管线伊始，就遇到属于地层的难题主要有两类：一是第四系地层中的非胶结卵砾层和漂砾； 二是常说的岩层，即各类未风化和微至中风化的岩层。此外还包括人工抛石层和原有混凝土或砌石基础等。在上述地层中被视为用常规穿土锤、夯管锤和射流法掌形钻头钻进几乎是不可能的。

大凡国内外从事非开挖铺设管线的制造商和承包商，原本绝大多数与传统地质、水井、油气井、工程钻探与基础施工有密切关系，或者是分支公司。因此在遇到上述难题时，包括钻进碎岩方法、护孔、钻孔方向测控、钻具与设备选配等，很自然地会借鉴和应用上述传统钻探领域中已有的经验，将其移植、改进引用到非开挖铺设管线工程中来。近若干年来不断涌现的技术工艺和新设备、新机具及钻孔测控技术等，在生产实践中解决了众多面临的难题。明显的例子就是成功地采用了牙轮钻头等回转钻进、空气潜孔锤钻进、液动螺杆钻(泥浆马达)钻进、双层管或跟套管钻进等钻进技术工艺，以及与上述技术工艺配套的技术装备和钻孔测控系统，乃至优质泥浆材料和循环系统等。在众多硬地层中顺利实现了非开挖铺设地下管线工程，积累了不少经验。

本文拟就硬地层中如何实现非开挖铺设地下管线技术进行综合简介，旨在希望国内有关制造商、承包商、科研单位和院校，关注这方面的技术并促进其在我国的应用、发展与完善。

一、空气潜孔锤用于定向钻进

空气潜孔锤钻进过程中用压缩空气作为动力推动潜孔锤活塞对钻头和岩石产生动载碎岩(图1)，同时钻具低速回转，实现孔底全面钻进(图2)，空气由孔底向上排出，兼起冷却钻头和清除岩屑作用(图3)。

空气潜孔锤钻进技术在国外称"DTH"(Down The Hole Drill)。结构简单(图4)，广泛用于地质勘探、水井和油气井钻探、矿山爆破孔和锚固工程、基桩工程施工等。近若干年来发展用于非开挖铺设地下管线，主要用于硬地层施工。其主要特点是：

●能在各种岩层、卵砾层、漂砾层和冻结层钻进，大幅度提高钻进速度。

●能在陆地或水域施工全方位钻孔。单体锤孔径范围45—1092mm；集束式潜孔锤孔径范围610—1981mm。钻孔深度在南非金矿达859m；澳大利亚金矿达900—1000m；中国山西水井712m；英国地热井782m；美国水井1913m；油气井配增压机达3000—4000m。

●钻进时钻压、转速、扭矩要求较低，钻杆消耗少，易拧卸。

●在干燥地层常规用空气钻进；遇潮湿地层为防止糊钻可在输入压缩空气中加入泡沫液实行泡沫钻进。和泥浆循环钻进比，耗水少，污染亦少。

●在复杂地层伴随潜孔锤可实现跟套管钻进。

●根据工况和设备条件潜孔锤采用风压和风量有较大可调幅度。

●潜孔锤和球齿钻头寿命长。

●孔底岩屑快速排输到地表，利于及时判别地层情况。

潜孔锤在许多应用领域打垂直孔、斜孔、水平孔技术成熟。用于硬地层非开挖铺设地下管线在国外亦有不少成功事例报导，在国内则尚少应用。但这项工艺会不断完善和发展。兹举若干实例如下：

1、美国Vermeer制造公司，开发了用于软至中硬岩层和复杂地层钻进的AS6钻具、Trihawk钻头和直径4”方向可控的AS4 Kockfire硬岩钻具，实际是潜孔锤，并且在钻具内放置探测器(图5)。钻头上的硬质合金齿可以更换。这种钻具已在沙特公路工程用于水平穿越硬砂岩，并且使用泡沫剂清除岩屑。

2、美国Halco公司，开发了用于硬岩钻进的Storm500型钻具(图6)。其钻头呈阶梯形。可钻直径133mm导向孔，在硬度1400kg／cm2的砂岩中钻速为18m／h，而后再用扩孔钻头扩孔。

3、英国Powermoles／SE公司，采用了干式作业硬岩钻进系统。含装有探测器和潜孔锤的组合结构(专利)，有效配备于PM903、PM250钻机实现连续高效气动冲击破碎钻进。公司还提供配套的扩孔器、气水龙头、“Colli”钻杆、牵引接头和不同规格的潜孔锤。当用PM903B钻机在软岩中扩孔直径达400mm，在硬岩中可达250mm，钻机回拖力26t，扭矩1200Nm。采用高频潜孔锤钻头底面为斜面形，当在某个方位停止回转而冲击钻进时，也可控制钻孔轨迹。

4、瑞士Terra公司，在原有射流式Terra--Jet系列定向钻机上均增加了在硬岩钻进的潜孔锤钻进系统，任客户选用。一种能在复杂地层和岩层钻进的ADBS钻具，在风压为6bar时最低耗风量2．8m3／min，可完成直径140mm的导向孔。

5、欧洲Tracto Techik公司新推出的干式作业定向钻进钻机"Groundo Drill"配用频率为1000的潜孔锤，可用于复杂地层和岩层钻进。另一种“Groundohit”钻机则配备常规射流钻进和潜孔锤两种钻进功能。

6、设在美国的Sandvik Rock Tools公司推荐一种Tubex L—190型偏心跟管系统，配以700ft3／min、170PSI空压机和SD-8型潜孔锤及直径240mm钻头，横穿路面以下石灰岩漂石层，解决了一项常规定向钻进无法施工的从山谷引天然矿泉管道工程。该工程由Yorkshire Pipe Services管道安装公司施工完成。

7、美国Mc Laughin公司在生产多种水平定向钻进设备的同时，还生产用于硬地层钻进的风量较小和直径较小的Md系列潜孔锤。其规格性能见表1。

8、中国国土资源部勘探技术研究所聚力岩土工程公司在青岛市风化岩层中多次成功穿越并铺设了长度50-130m、直径108mm的PE管。

9、中国香港地区亦采用相应技术在强度为50000Psi的花岗岩、中粗砂岩中完成长度为70m、直径400mm的管道铺设工程。采用的钻机是VermeerD50x100型。

10、中国湖南长沙中联重工科技发展股份有限公司(梁武，2002．12)报导，深圳通鑫路通非开挖技术公司采用中联KSD25型钻机在广东增城新塘镇路面下成功穿越风化程度不等的强度为150Mpa的石灰岩，铺设4根长100m、直径160mm的PE电缆套管。穿基岩部分孔段长63m。采用了冲击频率为700-1400次／分、最大冲程200mm、锤重4．8kg和长度为980mm的称作"Campair"潜孔锤，并接硬岩偏心钻头和探测器。在岩层中的钻速为2-9m／h，63m长岩石孔段共用8小时。导向孔直径220mm，经采用叶轮形回扩头，四次扩孔依次为直径300mm、直径380mm、直径460mm和直径520mm。扩孔总共36小时。图7为施工用的中联KSD25型钻机。图8为穿越硬岩完成导向孔。

11、美国专利：潜孔锤导向技术(专利号：4867255)。普通底面对称钻头主要用于垂直孔，不易导向。美国曾有专利(专利号：4694913)介绍用于水平穿越的潜孔锤采用了非对称底面结构可以控制钻孔方向。这种方法边回转边推进沿直线前行；只推进不回转可换向前行。但用户发现当钻具不回转导向推进时钻头易楔入地层卡住而无法工作。本发明钻进设备如图9所示。含前端装有钻头16的风动加长潜孔锤14(Halco DA265型)。钻头进行了专门设计。与潜孔锤相连接的是装有特种电子元件的腔体18，其后端连接有属于另一专利(专利号：4674579)带键的钻杆柱。钻头切削面的法线与钢体和潜孔锤的轴线成10°—30°角，所构成的倾角可提供偏斜导向作用力。在钻头切削面上还有一个偏斜面，它与潜孔锤的轴线成15°锐角，此偏斜面起辅助导向和清除切屑作用。当钻头以恒速钻进所钻出的孔底呈凸锥形。本专利潜孔锤导向用下述几种方法实现，很耐人寻味。

A、通过钻机对钻头回转方式进行调整。即钻头保持回转并使钻头在其回转的某一指定扇形区内的转速慢于其他扇形区；或者使钻头在指定扇形区内往复转动数次，从而使钻头沿着该扇形区所处的位置及方向钻进。此时钻机须配备能变速及正、反转的驱动马达。

B、将潜孔锤推进速度调节得与钻头回转状态同步。

C、将潜孔锤的供能调节得与钻头的回转状态同步。

D、综合使用上述三种方法。

12、美国专利：定向钻进潜孔锤(专利号：4852669)。主要特点是为了在定向钻进中充分发挥潜孔锤功能，把风马达直接装在潜孔锤上端，压缩空气通过风马达使潜孔锤回转，而钻杆不回转(图10)。在定向钻进过程中通过弯接头迫使钻孔轨迹弯曲。所用潜孔锤为英格索兰公司中风压DHD-380型，外径136mm，钻头直径152／165mm，使用风压0.56—2.46Mpa，耗风量4.5—26.6m3／min。

二、液动螺杆钻一泥浆马达用于定向钻进

螺杆钻又称泥浆马达。美国20世纪60年代戴纳公司开始生产称"Dynadri]l"。这种用液体压力推动回转的钻具与滑轮钻和电钻称为三类井底发动机。其共同点是钻进时由井底发动机产生扭矩，钻杆柱只起输送泥浆通道和提供轴向压力而不回转，并利于定向钻进。螺杆钻具工作原理并不复杂，主要由定子和转子构成。

如图11所示为单螺旋发动机，定子螺旋线比转子多一个，而定子螺旋的导程与转子螺距相等。运转过程中依靠两者经常连续共轭接触产生了多级(按泥浆马达级数定)密封的工作容积空腔。由于部分空腔经常与低压腔相通，沿转子螺距上工作液体压力所作用的不平衡力的径向分力就迫使转子在定子中作偏心回转运动，继而产生扭矩，通过万向联轴节及输出轴接连钻头回转。图12为勘探技术研究所研究开发的并在地质钻探广为应用的YL系列螺杆钻具。其规格和参数见表2。这种国内20世纪80年代率先开发的YL系列螺杆钻具已成功用于地质钻探钻成众多定向孔和采卤对接井。图13则为美国一种称作Sperry泥浆马达，与随钻测量(MWD)联合使用在油气田打定向井和已有钻孔进行侧钻井。国内外记录在油气井用泥浆马达钻大位移定向井水平位移已接近万米。在一个钻井平台可施工几十眼全方位定向井。在岩层中钻水平定向孔时根据岩层情况可以采用不同类型钻头，如硬质合金钻头、金刚石钻头、金刚石／硬质合金复合片钻头、铣齿和镶齿牙轮钻头等。

螺杆钻具钻进最主要优点是孔底发动机直接驱动钻头或取心钻具钻进，钻杆不回转。如今其用途日广。如用于：

●地质矿产岩心钻探打定向孔。

●水文水井、地热井打定向孔。

●岩盐用水溶法开采打对接孔。

●地下煤层气化开采打定向孔。

●矿山开采在井巷打全方位勘探孔，煤田坑内排水与瓦斯释放孔等。

●石油与天然气勘采打定向孔和修井作业。图14(图14石油天然气勘采用泥浆马达钻进井下系统①信号缆线传至地表读数计②无磁钻链③定位靴键④定位靴套⑤弯接头⑥定向测量仪⑦定位靴调整器⑧定位靴定向接头⑨泥浆马达⑩钻头)所示，为石油天然气勘采打定向井所用的泥浆马达井下系统。在地表则有专用水龙头、缆线卷筒和读数计与记录显示系统(NJJanicek：Controlled Directional Drilling 1984)。

泥浆马达钻进用于地下管线施工，特别是用于硬地层钻进近若干年来已有成功经验报导。兹例举如下：

1、 美国犹他州的Layne Christensen公司所属DDS公司(Directional Drilling Services)推出一系列直径111／l6"—直径43／4"、钻头直径17／8"—直径73／4"的“ACCU—DRILL”泥浆马达。最大扭矩在85—1075ft.ib之间。泥浆马达带扶正器和无磁钻杆，造斜强度可达到5°—6°／100′。

2、美国GBS公司(Guidid Boring Systems)制造了可与泥浆马达一起使用的Accu Nav型无缆式导向装置，适用于包括岩层的各种地层。该装置有75mm和89mm两种规格，导向数据包括倾角与方位角可每3秒钟用图形显示一次，并在计算机储存。对长度较大钻孔可选用有缆方式。其硬件或电子元件无需改动。该公司提供用于岩层钻进的泥浆马达、钻头、扩孔器和回转接头等。

3、美国Vermeer公司的D50X1000 Navigator型钻机配有在复杂条件下较容易钻进计算机辅助方向控制系统"Navtec”。在某些类型岩石(含致密粘土、密实砂层和砾石层)中钻进可以简化方向控制参数。该系统的目的在于接通泥浆马达钻进与常规钻进之间的变换。泥浆马达用于硬地层钻进。

4、Ditch Witch公司的RS 8／60水平定向钻进系统能经济有效地钻进各种岩层，并首次可以更换泥浆马达钻进，钻机推拉力225001b。用牙轮钻头可钻进强度为350001b／in2的岩层。钻孔深度达600′—1000′。根据采用泥浆马达尺寸，需配备泥浆泵能力为300gPm。

5、Tracto—Technik公司推出的Grundodrill 1OS和2OS水平定向钻机除可采用空气潜孔锤钻进硬岩外，亦可配备低扭矩—低泵量的泥浆马达。该马达由Sharewell公司制造。为了保证泥浆马达用泥浆，Tracto—Technik公司提供了300型膨润土泥浆制备与回收系统。

6、Inrock Drilling Systems公司是闻名的硬岩钻进专家。有一系列泥浆马达(直径21/8"—直径73／4"．)、钻头和扩孔器。可用于各种岩层(软岩：强度 5000ib／in2、中硬岩：5000—100001b／in2、硬岩： 100001b／in2)。软岩用刮刀钻头和三牙轮钻头(直径2'／2"—直径77/8")，中硬岩用密封轴承牙轮钻头(直径4'／2"—直径77/8")，硬岩用硬质合金镶齿牙轮钻头(直径57／8"—直径77/8")，导向扩孔钻头(直径83／4"—15")和大直径扩孔牙轮钻头(直径15"—60")。

7、英国International Drilling Services(1DS)公司推出可与泥浆马达配套使用并在岩层中钻进的牙轮钻头、用于有缆控向测量的无磁钻杆、装有探测器的钻头，和一系列探测数字显示测控系统以及雷达探测器等。

8、Sharewell Directional Drilling Systems公司推出一整套产品包括直径2 7/8"-直径8"高流量和低流量的泥浆马达，扩孔器、钻链、钻头、稳定器和导向设备等。该公司提供的低扭矩扩孔器(LO-Torque Hole Opener)在英国已公开展览。实际是六轮滚刀式的，其规格从直径6"至直径62"，同一钻头体更换其滚刀可以扩孔4种不同孔径。提供的钻头品种有铣齿牙轮钻头、镶硬质合金齿牙轮钻头、天然金刚石表镶钻头和热稳定性聚晶金刚石钻头，上述钻头可以钻进软岩( 6000ib／in2)至很硬岩层( 45000ib／in2)。导向设备则有能在软、硬地层兼用的MGS型导向钻具和小形导向钻具(MST)以及"TuTracker"信号系统等。

9、德国Christensen公司在原来泥浆马达基础上新开发了双弯泥浆马达(DoubleTilted U—Joint)，简称"DTU"钻具，并用于导向钻进。其优点与以往单弯钻具相比(图15)，双弯钻具偏距减小，起下钻具较为方便。当钻弯曲井段时，上部钻具不转动，孔内泥浆马达旋转，则可按弯接头指向进行造斜钻进。当弯曲达到要求后，则转动上部钻具，孔底泥浆马达也同时转动，不再造斜，钻孔呈直线钻进。该公司还研发一种外壳转动而螺杆(为贯通式)不旋转的多波齿新型取心螺杆马达，使用这种钻具可用于取心场合并实现绳索取心钻进(如地质矿产勘察和油气钻探)。

10、英国地质调查局海外发展部在非洲一些间歇性小河或河流底部常用称作"Ranney"法建造水平井。采用包括泥浆马达在内的在垂深(距河底)小于10m时打定向井取水。这在国内有称傍河打水平井(幅射井)作用雷同。但在国内未见用泥浆马达钻进。看来泥浆马达既用于水平定向铺设地下管线，亦可因地制宜扩展其用途，如取水井、污染监测井、降水井等。

11、制造泥浆马达的厂商较多，在文中已提到若干家。较知名的如美国史密斯戴纳公司的“DYNA DRILL”。其泥浆马达规格系列按外径算从44．45mm至235．3mm，钻孔直径从47．8mm至444．5mm共十多个规格品种。按用途分有：①小直径钻具；②定向钻进钻具；③直孔钻进钻具；④高速钻进钻具。

图16为采用弯接头和弯外管两种方式导斜的钻具组合。美国另一家Baker HuShes Inteq公司生产的“Drilex”泥浆马达，按外径算从43mm至240mm有11个规格20多个品种，用于不同用途。该公司新设计的称作"Navi-Drill"超级系列泥浆马达，其特点是：①增加可靠性；②增长寿命；③给出较大功率和扭矩；④提高钻进速度。钻头与泥浆马达之间用挠性轴传动(图17)。

12、中国北京石油机械厂生产具国际先进水平的LZ系列泥浆马达，按压力降分为3．5Mpa、7．0Mpa和14．0Mpa三个系列。三个系列马达波齿比(转子头数与定子头数之比)不尽相同：3．5Mpa系列为1：2；7．0Mpa系列为1：2和N：(N+1)；14．0Mpa系列为N：N+1。LZ系列泥浆马达按外径计从89mm、95mm、lOOmm、120mm、165mm、197mm至244mm共25个规格品种，钻孔直径从92mm至444．5mm。LZ系列泥浆马达在石油天然气井、地热井、煤层气钻采等广为应用。中国大陆科学钻探先导孔(深2000m)亦成功应用。图18系LZ系列泥浆马达转子、定子截面图。

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