水平定向鉆技術(shù)發(fā)展歷史

1、水平定向鉆技術(shù)發(fā)展歷史1、發(fā)展歷史與背景水平定向鉆進(jìn)(Horizontal Directional Drilling)是采用安裝于地表的鉆孔 設(shè)備，以相對(duì)于地面的較小的入射角鉆入地層形成先導(dǎo)孔，然后將先導(dǎo)孔擴(kuò)徑至所 需大小并鋪設(shè)管道(線)的一項(xiàng)技術(shù)，在施工中具有跟蹤和導(dǎo)向功能。該技術(shù)起源于 石油鉆井工業(yè)，20世紀(jì)70年代，結(jié)合水井工業(yè)和公用設(shè)施建設(shè)方面的技術(shù)，經(jīng)演 變之后目前廣泛用于市政管道、油氣管道的建設(shè)行業(yè)。在20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)主 要使用開(kāi)槽或大面積開(kāi)挖法鋪設(shè)各種地下公用設(shè)施管線。后來(lái)，由鉆井技術(shù)演變而 來(lái)的現(xiàn)代水平定向鉆進(jìn)技術(shù)用于在城區(qū)內(nèi)鋪設(shè)底下線纜和管道。1964年， Cherri

2、ngton制造了他的第一臺(tái)水平定向鉆機(jī)；1978年，Cherrington開(kāi)發(fā)了在一 個(gè)孔內(nèi)回拉同時(shí)鋪設(shè)多條管線的技術(shù)。形成了新的水平定向鉆進(jìn)技術(shù)，即產(chǎn)生了現(xiàn) 代水平定向鉆進(jìn)技術(shù)，也就是先鉆一個(gè)導(dǎo)向孔，經(jīng)擴(kuò)孔后鋪設(shè)較大直徑的管道。水 平定向鉆進(jìn)根據(jù)其典型的應(yīng)用領(lǐng)域，可分為三大類:大直徑水平定向鉆進(jìn)(Maxi- HDD)、中型直徑水平定向鉆進(jìn)(Midi-HDD)和小直徑水平定向鉆進(jìn)(Mini-HDD)。盡管 這些系統(tǒng)之間在操作原理方面并無(wú)明顯的差別，但不同的應(yīng)用范圍通常需要相應(yīng)的 配套設(shè)備和技術(shù)、碎屑清除方式和導(dǎo)向方法等，才能獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。雖然 說(shuō)我國(guó)早在1986年石油管道穿越黃河工程中，

3、引進(jìn)了一臺(tái)美國(guó)RB5定向穿越鋪管 鉆機(jī)。但是HDD技術(shù)真正在中國(guó)的應(yīng)用卻是在1993年由中國(guó)電信工程建設(shè)項(xiàng)目中 引進(jìn)國(guó)外設(shè)備而開(kāi)始的。中國(guó)HDD技術(shù)借助于中國(guó)基本建設(shè)大發(fā)展的良好時(shí)機(jī)，于 1994年拉開(kāi)了這一新興產(chǎn)業(yè)鏈的序幕。當(dāng)時(shí)中國(guó)HDD市場(chǎng)培育是一個(gè)艱難的歷 程。這主要是為讓各級(jí)政府在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、成本核算等方面，與傳統(tǒng)的開(kāi)挖 施工法在社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益上做全面的綜合比較，從而認(rèn)識(shí)、接受和推廣使用 HDD技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)從事HDD產(chǎn)品并具有一定研發(fā)能力的企業(yè)大約有十多家。鉆 機(jī)性能上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，打破了以往的恒功率，定排量，機(jī)械控制閥，單一轉(zhuǎn)速的設(shè) 計(jì)思想;裝備配套上更多的考慮施工工藝性;

4、結(jié)構(gòu)的可靠性，系統(tǒng)的安全實(shí)用性等。2、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀（1）國(guó)外水平定向技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀目前國(guó)外大約有30多家HDD裝備制造商，典 型生產(chǎn)廠家有DITCH WITCH公司、VERMEER公司、CASE公司等。DITCH WITCH公司生產(chǎn)的非開(kāi)挖定向鉆機(jī)具有先進(jìn)的控制技術(shù)和良好的通訊設(shè)備，技術(shù)性能 先進(jìn)、操作性能良好，。另外還有美國(guó)的AUGERS公司、INGERSOLL-RAND公司、德 國(guó)的 FLOWTEX、HUTTE 公司、英國(guó)的 POWERMOLE、STEVE VICK 公司、瑞士的 TERRA 公司、加拿大的UTILX公司和意大利的TECNIWELL公司等。目前國(guó)外HDD的產(chǎn)品 大都具有以下幾個(gè)

5、技術(shù)特點(diǎn):主軸驅(qū)動(dòng)齒輪箱采用高強(qiáng)度鋼體結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)扭矩大， 性能可靠;全自動(dòng)的鉆桿裝卸存取裝置;大流量的泥漿供應(yīng)系統(tǒng)和流量自動(dòng)控制裝置; 先進(jìn)的液壓負(fù)載反饋，多種電氣邏輯控制系統(tǒng)，高質(zhì)量的PLC電子電路系統(tǒng)確保 長(zhǎng)時(shí)間的可靠工作；高強(qiáng)度整體式鉆桿以及鉆進(jìn)和回拖鉆具;快速錨固定位裝置;先 進(jìn)的電子導(dǎo)向發(fā)射和接收系統(tǒng)。總之，國(guó)外HDD產(chǎn)品規(guī)格齊全，自動(dòng)化程度高， 結(jié)構(gòu)緊湊，地層適應(yīng)性強(qiáng)，均為履帶底盤驅(qū)動(dòng)，機(jī)動(dòng)性能好，體現(xiàn)以人為本的設(shè)計(jì) 理念，功能齊全?；赝狭?00, 7000k,扭矩1200, 40000Nm ,性能指標(biāo)覆蓋范圍 大，功率匹配合理、可靠，技術(shù)水平含量高，尤其是在PLC控制、自動(dòng)更換鉆

6、桿等 方面有其獨(dú)特的先進(jìn)性和優(yōu)越性。目前國(guó)外HDD的發(fā)展朝著大型化、微型化、硬巖 作業(yè)、機(jī)械自動(dòng)化（含自備式錨固系統(tǒng)、鉆桿自動(dòng)堆放與提取、鉆桿連接自動(dòng)潤(rùn) 滑、防觸電系統(tǒng)等自動(dòng)化作業(yè)功能）、超深度導(dǎo)向監(jiān)控等趨勢(shì)發(fā)展。（2）國(guó)內(nèi)水平 定向技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀目前我國(guó)HDD產(chǎn)品整體的水平較之九十年代初期有了很大的提 高，HDD的技術(shù)發(fā)展歷程主要?jiǎng)澐譃橐韵聨讉€(gè)階段。第一階段為技術(shù)引進(jìn)期。第 二階段為研發(fā)期也可以稱為技術(shù)和市場(chǎng)的培育期。笫三階段為發(fā)展期與進(jìn)口期。 近年來(lái)隨著市政管道、電信通訊等基礎(chǔ)設(shè)施的新建、擴(kuò)建及改造，西氣東輸，川氣 東輸?shù)却笮凸艿赖拇┰焦こ塘康脑黾?，?guó)產(chǎn)高科技的HDD配套裝備發(fā)展很快。如北

7、京士行孫公司研發(fā)的DDW產(chǎn)品系列，設(shè)備從回拉力5T-600T十多個(gè)型號(hào)品種，是目 前中國(guó)最主要的HDD設(shè)備制造商之一，圖12-1是該公司研制的目前國(guó)內(nèi)回拖力最 大的DDW-6000鉆機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)。另外，HDD的輔助配套機(jī)具等也有了多家產(chǎn)品，技 術(shù)和質(zhì)量也有很大的進(jìn)步和提高，且有一些國(guó)外鉆機(jī)商家選擇配套。中國(guó)自主知 識(shí)產(chǎn)權(quán)的HDD產(chǎn)品在滿足本國(guó)管道工程施工需求的同時(shí)，還出口到歐洲、澳洲、東 南亞等很多亞洲國(guó)家。3、HDD鉆機(jī)工藝地層條件是影響HDD鉆進(jìn)工藝、工程成本和適應(yīng)性的一個(gè)關(guān)鍵因素。HDD鉆孔 軌跡的設(shè)計(jì)與施工是HDD技術(shù)的核心內(nèi)容，直接關(guān)系到鋪管的成敗。其施工過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即先導(dǎo)孔

8、（Pilot hole）鉆進(jìn)、回拉擴(kuò)孔和管道鋪設(shè)，但 有時(shí)第二和第三階段可以合并，同步進(jìn)行（如圖12-22）。先導(dǎo)孔是指利用帶導(dǎo)斜面 的、直徑相對(duì)較小的鉆頭按照預(yù)定路由設(shè)計(jì)軌跡首先形成小直徑的導(dǎo)引孔，為后續(xù) 擴(kuò)孔和鋪管提供導(dǎo)引功能。鉆進(jìn)設(shè)備按照軌跡設(shè)計(jì)要求安放并調(diào)整好鉆具（機(jī)架）在 入口處的初始角度，開(kāi)始導(dǎo)向/定向鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)監(jiān)測(cè)和控制手段使鉆孔 按設(shè)計(jì)軌跡延伸，并從另一端鉆出地表，完成導(dǎo)向孔的施工。導(dǎo)向孔施工過(guò)程中 的一系列信息相當(dāng)重要，對(duì)后續(xù)的施工有重要的指導(dǎo)作用。例如，當(dāng)鉆遇地下孤 石、巖石或者其他障礙物時(shí)，可能引起鉆頭振動(dòng)并傳遞到鉆桿、鉆機(jī)或地表，擴(kuò)孔 回拖時(shí)就可能需要采用分散型的回?cái)U(kuò)頭，如凹槽型回?cái)U(kuò)頭;通過(guò)頂進(jìn)和回轉(zhuǎn)阻力， 可以掌握了鉆遇的地層信息，如軟硬程度，有助于改進(jìn)擴(kuò)孔或鋪管工藝。土質(zhì)堅(jiān) 硬，說(shuō)明需要預(yù)擴(kuò)，或逐級(jí)增大回?cái)U(kuò)鉆頭的尺寸;土質(zhì)較軟，鉆進(jìn)規(guī)程和鉆頭類別 就需要及時(shí)調(diào)整;在鉆遇砂層時(shí)，就必須采用優(yōu)質(zhì)泥漿或高分子聚合物泥漿，以增 強(qiáng)泥漿的膠結(jié)強(qiáng)度或泥漿流動(dòng)的能力;在出口坑沒(méi)有泥漿流出可能意味著由于缺乏鉆進(jìn)經(jīng)驗(yàn)或者使用了不適當(dāng)?shù)哪酀{而導(dǎo)致了鉆孔中環(huán) 形空間的堵塞或泥漿漏失;若鉆進(jìn)沒(méi)有朝前鉆進(jìn)，旋轉(zhuǎn)壓力卻不斷增大，可能是土 層吸水膨脹，粘附鉆桿或泥漿不通，應(yīng)重新考慮泥漿粘度、添加劑或泥漿量。鉆孔 軌跡的監(jiān)測(cè)，如