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不挖开地面如何铺设地下管道?水平定向钻机大显神通

发布时间:2020年04月03日
来源:制造原理公众号(2020-04-02) 作者:老郑

我们经常会发现在居住的城市里马路经常被挖开,不管是新修的还是使用一段时间的马路,总觉得居住地周边的马路就没有完整过,天天都在开挖维修,让出行一点都不方便,还会造成环境的污染,这种将完整的马路挖掉一部分的现象还被人们称为“拉链路”。


造成这种拉链路的主要原因除了马路破损外,还有就是修建马路时没有规划好,而随着城市的快速发展,已有的地下管线跟不上城市的需求,另外就是一些新的管线也需要经过马路。

 

图片来源:pixabay


前几天就看到一个新闻,某地就规定新修的城市马路交付使用后5年内禁挖,这将有效杜绝城市马路经常被挖的现象,还能避免反复出现“拉链路”造成的经济损失。


但同时也对城市马路地下管网建设提出了更高的要求,不能对马路“开膛破肚”就需要更先进的地下管网铺设机械设备来完成。


你是否经常在城市的绿化带,或者人行道上看到一种机械在作业,它将旋转的铁管插入到地下打孔,而在不远处正在往机器打好的孔内塞入电缆和管道,这种机械就是水平定向钻机。



水平定向钻机就是在不需要开挖地面的情况下,铺设地下管线的机械设备,它能在地下一定半径内成功避开障碍物,能在地下为粘土,沙土等地层中作业,广泛使用于电力,通讯,石油以及天然气等领域的柔性管线铺设。


水平定向钻施工的特点


与对整条马路进行封路大挖大修不同,就像我们经常看到的那样,水平定向钻机只需要在马路边上就可以完成施工,并不会影响交通和人们的正常出行。


通过先进的设备计算和定位,能让整个钻头的穿越过程绕开障碍物到达预定的位置,保证施工精度。



与传统的施工方法比较,水平定向钻这种新型施工方法还有着施工效率高,成本低,不影响环境等诸多的优点。


但同时水平定向钻施工,在地下所开的孔在铺设好管线后,并不能像在地面直接开挖那样回填夯实,会留下一定的间隙,所以有时地面也会造成部分区域的塌陷。


水平定向钻机发展


水平定向钻这种技术,是将普通的管线铺设技术,与石油开采过程中使用到的钻井技术结合在一起的新型施工方法。


在还没有发明水平定向钻机的时候,要铺设管线穿过河道或者障碍物时,就需要采用挖坑,沉管等方式来完成,不但效率低而且成本还很高。


水平定向钻最早出现在美国,在20世纪60年代美国一位工程师将油田所使用的定向钻井技术用于管道铺设中。



后来又发明了再扩孔技术,这也让大直径的管道铺设成为可能,从此也形成了一种新的水平定向钻技术。


中国在上世纪80年代首次引进了这项水平定向钻技术,近几十年来随着原油管道和城市管线的快速建设,水平定向钻在我国得到了快速的发展,不管是穿越长度还是管线直径都创造了很多纪录。


水平定向钻机是怎么工作的


水平定向钻机在施工前首先就是要根据施工图纸,确认好水平定向钻机开钻的位置以及出钻口的位置,通常这两个点都是在一条直线上,并记录好相关的坐标数据。


还要将泥土,水以及添加剂等原料制成泥浆,通过机械中的泥浆泵送入到钻头喷嘴中,泥浆的功能主要是冷却钻头和降低钻头的摩擦力,避免钻头卡阻现象的发生,泥浆是可以通过回收过滤后重复使用的。



将水平定向钻机固定在钻口位置后,选择合适的钻头,按照预定的位置和角度,让发动机为钻机提供动力,并驱动旋转的钻杆带动钻头前进,钻头工作时泥浆马达也会持续喷射泥浆,钻头穿过地面障碍物,最终穿出地面形成导向孔。

  


其实水平定向钻也需要在地下按一定的弧度转弯,所以水平定向钻的钻杆实际上是弯曲的,这样的设计不仅是让钻头能在地下轻松活动,更主要的就是为了让钻头在地下好控制转弯。


之所以水平定向钻能在地下按设计要求精准的开孔,首先在钻头上安装了导向系统,其次在每节钻杆末端也安装有转向检测系统,这些导向和检测系统,能够实时将数据传递给地面操作人员,如果发现数据异常就需要操作人员控制钻头及时修正方向。



当钻头带着的钻杆穿出地面后,就会卸掉钻头,将扩孔工具与钻杆安装固定,扩孔工具直径要根据所铺设的管线尺寸决定,开始回拖扩孔作业,在回拖的过程中钻杆反方向旋转,钻机带动钻杆和扩孔头后退,进行回拖扩孔,最终扩大地下管道的直径尺寸。


在扩孔回拖的同时,还要将需要铺设的管线固定在扩孔工具后面,钻机拖动钻杆,就会带着扩孔工具和管线同时进行回拖,最后就将管线绕开地面障碍物拖出地面,完成整个管线的铺设施工。

 

 


扩孔过程中还要根据不同的土层选用扩孔工具,松软土层只需要选用挤扩式扩孔器,如软岩或者硬土层就需要带牙轮或者滚刀的扩孔器,如有岩石层就需要使用具有切削和排屑功能的扩孔器。


横向钻机技术


我们都知道开采石油需要很高的技术,这是因为它们都埋藏在看不见的地下,想要得到它就需要我们进行高难度的开采。


在开采的时候首先需要进行非常重要的打井工作,还要根据不同的地质而采用不同的方法来打井,这样才能获得石油资源。


传统的打井方法一般都是垂直打井,但是很多时候还需要采用在地下横向打井寻找石油,这种技术是在钻头上安装了先进的声波和伽马射线功能,在开采的时候通过钻头采集地层中的各项数据传递给地面操作人员,就可以实时采取更理想的钻井方案,能控制钻头在地下随意弯曲前进,这就相当于给地下钻头安装了千里眼,最终找到石油。


 


这种横向进行的定向钻机技术自从出现后,让人类的钻井技术又提高了一个台阶,提高了开采效率还降低了工程风险。


随着人们对节能环保的要求越来越高,水平定向钻机这种非开挖的管线铺设设备,将会得到越来越广泛的应用。



文中Gif截取自Youtube《horizontal directional drilling (HDD) demo video》《горизонтально-направленное бурение технология》《HDD Rock Drilling, 3D Animation - Allen Watson Ltd -www.allenwatson.com》文中图片截取自《Horizontal Directional Drilling (HDD) Bore It Inc.》《Barrel Reamer HDD》

[责任编辑:dc]

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