水平定向钻进和导向钻进施工法
水平定向钻进施工法最初是从事又钻进技术引入的，主要用于穿越河流、湖泊、建筑物等障碍物，铺设大口径、长距离的石油和天然气管道。定向钻进施工时，按设计的钻孔轨迹，于扩空钻头的代铺设管线，在回拉扩空的同时，将待铺设的管线拉入钻孔，完成铺管作业。有时根据钻机的能力和待铺设管线的直径大小，可先专门进行一次或多次扩孔后再回拉管线。在定向钻中，大多数工作是通过回转钻杆柱来完成的，钻机的扭矩与轴向给进力和回拉力同样重要。
水平定向钻进铺管在美国使用最多。美国按照钻机铺设管线的直径和长度能力，将用于非开挖铺管的定向钻机分为三类，即小型(Mini)、中型(Midi)和大型(Maxi)。各类设备的能力和应用范围见表4-1。
表4-1水平定向钻机的分类 类型 小型 中型 大型 铺管直径 mm 50～250 250～800 80～2000 铺管长度 m 100 600 2000 铺管深度 m 1～1.5 1.5～10 10～100 扭矩 kNm 1～1.5 1.5～10 10～100 推/拉力 kN 100 10～450 450～5000 钻机（包括车）重，t 2～10 10～20 20～30 应用范围 通讯、电力电缆、聚乙烯煤气管 穿越河流、道路和环境敏感区域 穿越河流、高速公路、铁路 水平定向钻进河倒向钻进之间并没有严格的界限。到向钻进技术的基本原理大致和定向钻进相同，即先钻一个小口径的先导孔，随后边扩孔边回拉铺设地下管线。由于小型钻机的钻孔轨迹量测、控制技术与大中型钻机的不一样。因此，国际上通用的分类方法将采用小型定向钻及施工的方法称之为“导向钻进”。“导向钻进”一般是指用于铺设小治警、长度较短的管线；而将采用大中型定向钻及施工的方法称之为“定向钻进”。对于大型工程，直径较大（有些直径大于1m）的管线施工则属于“定向钻进”这一范畴，如穿越较大的河流、运河和高速公路施工。
水平定向钻进河导向钻进技术在铺设新管线中所占有的市场比例在不断的增加。最近几年，设备的能力得到了改进，非开挖铺设新馆显得有点也越来越被广泛地重视。非开挖施工除了明显的环境上的优点外，导向钻进的相对成本在许多应用场合也讲到开挖施工的成本一下，即是忽略干扰交通等社会成本也是如此。
水平定向钻和导向钻进的优点为：对地表的干扰较小；施工速度快；可控制铺管方向，施工精度高。定向钻进的不足之处在于对施工场地要求较大，在非粘性土层和砾石层中施工比较困难，一般是用于不含大卵石的各种地层，包括含水地层。导向钻进不适用于砂层和砾石层，一般适用于软土层；由于受到探测器的探测深度的限制，导向钻进的深度有限。
导向钻进的施工原理
大多数的导向钻进使用一种射流辅助切削钻头，钻头通常带有一个斜面，因此当钻杆不停地回转时则钻出一个直孔，而当钻头朝着某个方向给进而不回转时，钻孔发生偏移。导向钻头内带有一个探头或发射器，探头也可以固定在钻头后面。当钻孔向前推进时，发射器发射出来的信号被地表接受其所接受和追踪，因此可以监视方向、深度和其他参数。导向钻进施工示意图如图4-1。
导向钻进的程控方式有两种：干式和湿式。干式钻具由挤压钻头、探头室和冲击锤组成，靠冲击挤压成孔，不排土。湿式钻具由射流钻头和探头室组成，以高压水射流切割土层，有时辅以顶驱式冲击动力头以破碎大块卵石和硬土层，这是目前使用得最多的成孔方式。两种成孔方式均以斜面钻头来控制钻孔方向。若同时给进和回转钻杆柱，斜面失去方向性，实现保值钻进；若只给进而不回转钻杆柱，作用与斜面的反力士钻头改变方向，实现造斜钻进。钻头轨迹的监视，一般由手持式地表探测器和孔底探头来实现，地表探测器接收显示位于钻头后面探头发出的信号（深度、顶角、工具面向角等参数），供操作人员掌握孔内情况，以便随时进行调整。
钻机的锚固
钻机在安置期间发生事故的情况经常发生，甚至和钻进期间发生事故的概率相当，尤其是对地下管线的损坏。在钻机锚固时，要防止将锚杆打在地下管线上，同时，合理的钻机锚固是顺利完成钻孔的前提，钻机的锚固能力反映了钻机在给进和回拉施工时利用其本身功率的能力。一台钻机的推拉力再大，如果再推拉过程中发生了移动，其推拉力不但会降低，而且可能会出现孔内功率损失，这时会出现钻机的全部功率作用在钻机身上，容易发生设备破坏和人员伤害。如果钻机本身的固定能力差，一方面，钻机的控制能力降低，从而导致无法很好地按预定的计划完成钻进工作；另一方面，钻机在运转过程中震动较大，会引起钻杆发生弯曲或损坏，使钻孔无法按预先设计的轨迹完成。
钻头的选择依据
钻头是定向钻进的重要工具之一，对于不同的土层，须采用不同的钻头（图4-2）。工程的实践表明：
①在淤泥质黏土中施工，一般采用较大的钻头，以适应变相的要求（若相向前推进1m就实现变向，或许需要一个较大的或狗腿度为10°的钻头）。
②钻头表面硬化处理后使用效果会更好。
③在干燥的软黏土中施工，采用中等尺寸钻头一半效果最佳（土层干燥，可较快地实现方向控制）。
④在硬黏土中，较小的钻头效果比较理想，但在施工重要保证钻头至少要比探头外筒的尺寸大12mm以上。
⑤在钙质层中，钻头向前推进十分困难。所以，最小的钻头效果最佳，另外在这种土层中须采用特殊的切削破碎技术来实现钻孔方向的改变。
⑥对于糖粒砂层，中等尺寸狗腿度的钻头使用效果最佳。在这类地层中，一般采用耐磨性能好的硬质合金钻头来克服钻头的严重磨损。另外，钻机的锚固和钻进液是施工成败的关键。
⑦对于砂质淤泥，中等到大尺寸钻头效果较好，在较软土层中，采用10狗腿度钻头以加强其控制能力。如果钻进时土层条件发生变化，有时需要更高的扭矩来驱动钻头。
⑧对于致密砂层，小尺寸锥形钻头效果最好，但要确保钻头尺寸大于探头筒的尺寸。在这种土层中推进较难，可较快地实现控向。另一方面，钻机的锚固是钻孔成功的关键。
⑨在砾石层中施工，镶焊小尺寸硬质合金的钻头使用效果较佳。对于大颗粒卵石层，钻进难度较大，不过若卵石间有足够多的胶结性土，钻进还是可行的。在砾石层中，回扩难度最大，铺管尺寸较大时尤其如此。
⑩对于固结的岩层，使用孔内动力钻具效果最佳。但采用标准钻头钻到硬岩石时，钻孔可再无明显方向改变的条件下完成施工。
导向孔施工
导向孔施工步骤主要为：探头装入探头盒内；导向钻头连接到钻杆上；转动钻杆，测试探头发射是否正常；回转钻进2m左右；开始按设计轨迹施工；导向孔完成。
根据每段铺设管设计标高、地层及地型情况，进行导向孔设计，确定导向孔的施工方案。导向孔钻进是通过导向钻头的高压水射流冲蚀破碎、旋转切削成孔的。导向钻头前端为15°造斜面。该造斜面的作用是在钻具不回转钻进时造斜面对钻头有个偏斜力，使钻头向着斜面的方方向偏斜；钻具在回转顶进时，由于斜面在回转中斜面的方向不断改进，斜面周向各方向受力均等，使钻头沿其轴向的原理有趋势直线前进（图4-3）。
导向孔施工多采用手提式导向以来确定钻头所在的空间位置（图4-4）。导向仪器由探头、地表接收器和同步显示器组成。探头放置在钻头附近的钻具内。接收器接受并显示探测数据。同步显示器至于钻机旁，同步显示接受器探测的数据，供操作人员掌握孔内情况，以便随时调整。
这类导向仪器的测量精度一般为3%～5%，测深能力一般在15m以内，最大可达30m。在施工中导向钻头的准确位置状态和造斜面方向是通过安装在钻头腔室内的信号发射器及地面跟踪导向以来测定的。导向钻是按设计轨迹的参数，当发现偏离设计轨迹时，就通过调整钻头斜面的方向，进行造斜纠偏，直到钻头的位置回到设计轨迹时为止。这样就会钻出和实际轨迹重合或非常接近的导向孔。但是，应特别注意纠偏过渡，即偏向原来方向的反方向，这种情况一旦发生将给施工带来不必要的麻烦，会大大影响施工的进度和加大施工的工作量。为了避免这种情况的发生，钻进少量进尺后边进行测量，检验调整钻头方向的效果，所以，应考虑各种纠偏的可能性，纠偏不能太急，应在几根钻杆内完成纠偏，不能再一根钻杆内就完成所有的纠偏工作。
扩孔施工
当先导孔钻至靶区就需用一个扩孔器来扩大钻孔，以便安装成品管线。一般的经验是将钻孔扩大到成品管尺寸的1.2～1.5倍，扩孔器的拉力或推力一般为每毫米孔径175N。根据成品管和钻机的规格，可采用多级扩孔。
目前在工程中使用的扩孔器有四种类型：
①快速切削型扩孔器：这种类型的扩孔器经济，而且对软地层（如粘土和砂土层）较有效，但是，这种扩孔器无法破碎坚硬的岩石。
②拼合型钻头通孔器：它是由剖开的牙轮锥体制造的，并将其焊接到金属板和短的间接构件上。拼合钻头通孔是一种通用的、经济的扩孔工具，在设计上具有灵活性。它们很容易定做，具有品种繁多的切削具类型和规格。在制造过程中，必需采用特众焊接、热处理以及其它的防护措施，以免损坏后牙轮失落与孔内。
③锥形牙轮扩孔器：起初用于石油钻井的垂直井的垂直井钻进，这种类型的扩孔器用于导向钻进时，已被改进，近几年已用于水平钻进中。
④YO-YO型扩孔器：这种扩孔器非常适合于非开挖施工，因为，它在岩石易崩落的地层中可以向前或向后钻进。这种平衡式的球体牙轮是自稳的，而且能自动跟踪先导孔。大型牙轮和蜜蜂式轴承的应用延长了其在孔内的寿命。
扩孔是将导向空的孔径扩大至所铺设的管径以上，以减小铺管时的阻力。扩孔是将钻头连接在钻杆后端，然后由钻机旋转回拉扩孔。随着扩孔的进行，在扩孔钻头后面的单动器上不断加接钻杆，直到扩至于钻机同一侧的工作场地，即完成了这一级孔眼的扩孔，如此反复，通过采用不同直径的扩孔钻头扩孔，直至达到设计的扩孔孔径为止。对于回拉力较大的钻机，在扩孔是可以采用阶梯型扩孔钻头，一次完成扩孔施工。甚至有时可以同时完成扩孔和铺管施工。
钻井液
钻井液的基本组分是现场的淡水，大多数情况下，须在水中添加膨润土来增加钻井液的黏度，钻井液主要用于稳定孔壁、降低回转扭矩和拉管阻力、冷却钻头和发射探头、清除钻进产生的土屑等。因此，它被视为导向钻进施工的“血液”，一般要求采用优质膨润土制备泥浆，有时视地层条件在泥浆中加入适量的聚合物。膨润土主要是由钠高岭石组成的天然粘土。
钻井液非正常返回
定向钻进经常产生无法控制的钻井液地下流失。理想条件下钻井液在钻杆柱端切削刃处流出，再沿钻杆外壁与孔壁间隙返回地表，这样可以重复利用钻井液体，降低生产费用。但实际施工时钻井液将沿阻力最小的通道流动，钻井液往往会扩散到钻孔周围的地层中去，有时也会渗透到地表上。当钻井液没有沿着钻孔返回而是随便流到地表示，称为钻井液的非正常返回。
一般在铺管施工时，钻井液非正常返回不是一个严重的问题。如果钻井液向河底流出时，则对环境的影响较小。但是，如果在市区或是在风景优美的游览胜地施工，钻井液非正常返回就会给公众带来不便，有时钻井液的流动还能冲坏街道、冲垮提坝。在施工中，应不断地调整施工方法，尽量减少钻井液非正常返回的发生。所以施工前，应制定应急计划并准备好可能的补救措施，同时还应通知有关施工管理部门。
钻井液的重复利用
重复利用钻井液可减少购买和处理钻井液泥浆的费用。通常把返回的钻井液收集起来泵送到泥浆净化设备中，再把净化后的泥浆送回到钻井液储存或混合箱中反复利用。当然，有时大量的钻井液会从与钻机和钻井液循环系统所在河岸相对的另一岸上孔口返出，这时就要使用两套泥浆循环系统，或是把返出的泥浆运
回到钻机所在的一端，可以使用卡车等工具运输；或是在地面上铺设临时管道来运输泥浆，使用那种运输手段最佳根据施工现场的具体情况来决定。当使用临时管道时，应检查管道的设计方案，以确保管道的大小合适，防止管道损坏，泥浆流失。
定向钻进成孔方式
在松软地层中，靠高压水射流来切割成孔。孔底钻具组合由一弯接头和一带喷嘴的钻头构成。钻柱回转时，钻出的孔是直孔。如果钻柱不回转，在给进力方向和水射流作用下，可产生定向的弧形孔。
在含有硬夹层的松软地层，孔内的钻具组合由弯接头和合金钻头或牙轮钻头组成。若用三层牙轮钻头，有时将三个喷嘴中的两个堵上，剩下的一个使水射流以一定的方向进入地层。若遇到较硬的夹层，可回转钻柱，靠三牙轮或合金钻头破碎岩石，穿越障碍。
在硬岩或卵石层中，射流成孔的方法会失去作用，此时须钻进成孔。孔内钻具组合由弯接头、螺旋马达钻头和钻头构成。可根据地层情况采用刮刀钻头、牙轮钻头或金刚石钻头。 定向钻孔监视方法
采用定向钻进方式施工水平穿越空的最重要的技术环节是钻孔轨迹的监视和调控。目前一般采用随钻测量方法。现有三类商品化的随钻测量系统可用于这种施工，其测斜传感器原理都是相同，即加速度计测量顶角和工具面向角，磁通门测量方位，其区别在于测量信息的传输方式不同。这三类系统是：
①有缆式随钻测量系统。靠电缆传输测量信息。水平钻进电缆操作十分困难，采用多接头电缆和“湿接头”方式予以解决。这种系统在定向钻进铺管施工中应用最多。
②泥浆脉冲式无缆随钻测量系统。将测量信息转变成泥浆压力脉冲信号后传至地表，该系统因为成本较高，使用比较少。
③电磁式无缆随钻测量系统。测量信息附载与电磁波上传至地表。该系统目前测量范围还较小，在300m以内。超过此范围后可装上电缆接头，转变成有缆系统。
定向钻孔施工中地下管线损坏预防
钻进过程中钻头遇到一块小岩石或卵石，钻孔轨迹都可能较明显地偏离设计轨迹。钻头的偏向很难预料，很可能碰到已有的管线。操作人员在意识到钻头遇到硬物或较难钻进情况等微小变化时，应马上停钻，检查钻头的位置。此时，应降低钻压，缓慢给进，让钻头慢慢地通过该区域。钻进时，应较频繁地检测钻头的位置。
当钻头遇到较硬地层，通常需要加大钻压。但是，钻压加大后引起孔内钻杆柱弯曲。若钻杆柱弯曲部位的地层较软，弯曲的钻杆会使钻孔扩大。随着钻压继续增加，钻杆可能进入现有管线的安全区。探测仪器只能确定钻头的位置，很难确定这种有钻杆弯曲而形成的钻孔轨迹。在这种情况下，要适当降低钻压，尝试采用冲击钻进的方法通过硬地层。同时，增加泵量或喷射作用或许有助于软化障碍物。