CN103527092B - 水平定向钻孔内射吸排屑扩孔方法 - Google Patents

水平定向钻孔内射吸排屑扩孔方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水平定向钻孔内射吸排屑扩孔方法，是在导向孔钻进完成后，在出土侧将射吸式扩孔器连接在钻杆上，并在扩孔器后连接钻杆或管道，扩孔时启动泥浆泵或空压机，高压流体由高压胶管、钻机及钻杆输送到扩孔器内；高压流体从射流喷嘴处高速射出，在吸入室内产生负压，并通过吸入口将扩孔器外周含钻屑的泥浆流体吸到吸入室内，含钻屑的泥浆与喷嘴喷出的高压流体在喉管段与扩散段混合，由扩孔器后部的钻杆或管道排至地表沉淀池，经净化及调配后回流到钻孔内；扩孔器从入土侧出来完成一次扩孔，若钻孔需继续扩大，则选大一级的扩孔器重复扩孔至达到孔径要求。使用本方法钻屑运移速度是传统方式的数十倍甚至百倍，排屑彻底效率高。

Description

水平定向钻孔内射吸排屑扩孔方法
技术领域
本发明涉及一种水平定向钻孔内射吸排屑扩孔方法，具体地说涉及一种应用射吸原理使破碎下来的钻屑连同钻孔内泥浆一起经射吸式扩孔器的吸入口吸入到射吸装置内，并通过射吸式扩孔器后部连接的钻杆或管道快速排至地表的扩孔方法，属于地质工程领域。
背景技术
在水平定向钻进施工过程中，排屑效率对扩孔速度、钻孔安全、施工成本及环境保护起着重要的影响。目前，在水平定向钻扩孔施工中，由地表通过钻杆柱泵入的高压泥浆经扩孔器水眼排入钻孔，对扩孔器起到了清洗、冷却及润滑作用，同时将破碎下来的钻屑冲离破碎面并携带钻屑沿钻孔与钻杆之间的空间排至地表泥浆池，如此不断循环钻进；从孔内排出的泥浆须经专用设备的净化及性能调整后方可重新泵入孔内。
在一些大型油气管道水平定向钻穿越施工中，管道直径超过1.2m，需要将钻孔直径扩至1.5m以上才能满足管道铺设要求。使用目前的扩孔方法，泥浆从扩孔器排入钻孔后，过流截面瞬间增加数十倍至一百余倍；假如扩孔直径为1.5m，若使用Φ168.3mm、壁厚8.38mm的钻杆，泥浆从钻杆排入钻孔后，过流截面增大约97倍；若使用Φ139.7mm、壁厚9.17mm的钻杆，则泥浆从钻杆排入钻孔后，过流截面增大约145倍。由流体力学可知，流体的流速与过流截面成反比，过流截面增大必然导致流体流速的下降。以目前水平定向钻机泥浆泵排量的配置，当钻孔直径超过1m时，孔内泥浆流动速度为0.02m/s左右，扩孔器在1,000m处破碎下来的岩屑，即使在不停泵、钻屑不沉降的条件下，也至少需要13.9h才能到达地表，排屑效率极低。
由于岩屑重力方向和泥浆流速方向垂直，岩屑在运移过程中，颗粒大的钻屑不可避免的要沉入孔底，实际能带出的钻屑只占很少比例。为减少钻屑的沉底，通常的做法是使用高粘度的泥浆，尽量使钻屑在泥浆中悬浮，无形中增加了泥浆材料使用量，同时也对泥浆配制及回收设备提出了很高的要求。且由于泥浆带出的钻屑量少，在大直径管道穿越施工中，通常需要在扩孔过程中安排若干次的清孔环节，使得整个施工泥浆量消耗相当惊人，如某天然气管道穿越中，管道直径为Φ1,067mm，穿越长度1,075m，穿越地层为砂层，最大扩孔直径为1.42m，在施工过程中，总共消耗泥浆量为19,949m3，相当于钻孔体积的11.7倍，而这一比例在岩石穿越中要更高，泥浆的大量使用对环境保护造成巨大压力。
此外，粘稠的泥浆需要在一定的压力下才能够维持流动，泥浆粘度越大，流动阻力越大；钻孔长度越长，流动阻力也越大。而水平定向钻穿越通常是在浅层地表施工，地层强度低，孔隙、裂隙发育，孔内泥浆压力很容易超过地层的承受能力，造成地面隆起或地层压裂冒浆，对地面设施造成极大的安全隐患。
综上所述，目前水平定向钻进排渣存在以下不足：
①.泥浆流速慢，排屑效率低，制约了钻进效率的提高。
②.需使用粘度高的泥浆体系，泥浆材料成本高，泥浆配制及回收困难。
③.泥浆使用量大，废浆处理成本高，环保压力大。
④.孔内泥浆在压力下，会对地层及地面设施产生安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于解决当前水平定向钻进扩孔过程中存在的排屑问题，而提供一种排屑效率高、泥浆成本低、废浆量少，且不会造成地层压裂的水平定向钻孔内射吸式排屑扩孔方法。
为达到以上目的，本发明的解决方案是：提供一种水平定向钻孔内射吸排屑扩孔方法，按如下步骤操作：
⑴、按常规方法从入土侧开始进行导向孔钻进，直到钻杆从出土侧钻出，完成一次导向孔钻进；
⑵、在出土侧将射吸式扩孔器连接在钻杆上，所述的射吸式扩孔器由扩孔器本体、切削部及射吸装置构成；所述扩孔器本体是射吸式扩孔器各组成部件的承载体，所述切削部用于破碎地层；所述的射吸装置设有接头、外壳体、吸入口、射流喷嘴、吸入室壳体、喉管段及扩散段，射流喷嘴与吸入室壳体之间围成吸入室；
⑶、在所述的射吸式扩孔器后部连接钻杆或管道，随着扩孔器不断向钻机方向钻进，在出土侧不断将扩孔器后部连接的钻杆或管道加长，钻机侧则不断卸下钻杆；扩孔钻进时，启动入土侧的泥浆泵或空压机，高压流体经由高压胶管、钻机及钻杆输送到射吸式扩孔器内；
⑷、所述的高压流体到达射吸式扩孔器后，从射流喷嘴高速射出，在吸入室内产生负压，并通过吸入口将扩孔器外周含钻屑的流体吸入到吸入室内，吸入的含钻屑的流体与射流喷嘴喷出的高压流体在喉管段与扩散段混合后，混合流体通过射吸式扩孔器后部连接的钻杆或管道排至地表；
⑸、通过后部钻杆或管道排至地表的含钻屑的混合流体进入沉淀池内，经净化及调配后回流到钻孔内，用于维持钻孔内液柱压力的稳定和孔内泥浆的流动；
⑹、射吸式扩孔器从出土侧沿导向孔向入土侧不断扩孔钻进，最后从入土侧出来，若经过一次扩孔后孔径未达到设计要求，则更换大一级孔径的射吸式扩孔器连接在钻杆上，重复步骤⑶～⑸再进行扩孔，直至孔径达到设计的施工要求。
所述的经由泥浆泵泵入的高压流体为清水或泥浆，或由空压机泵入的高压流体为空气。
所述的孔内泥浆的流动是在射吸式扩孔器的抽吸力和液柱压力的共同作用下形成的。
所述的扩孔器若将其后部连接的钻杆或管道出口封闭，则泵入的泥浆通过吸入口排出，即转为传统循环方式。
所述的扩孔方法适用于硬地层的多级扩孔施工，也适用于松软地层的直接带管扩孔施工。
本发明水平定向钻孔内射吸排屑扩孔方法与常规扩孔方法相比具有以下有益效果：
1.本发明的方法施工操作简单，采用了射吸式扩孔器使钻屑从钻杆或管道内排出，钻屑运移速度是传统方式的数十倍甚至百倍以上，排屑效率高、排屑彻底，减少了重复破碎现象，扩孔效率更高，扩孔器寿命更长。
2.本发明中用于驱动排屑的高压流体可为气体、清水或泥浆，不再需要担心水源、泥浆材料等供给问题，降低了泥浆使用成本。
3.在常规扩孔施工中，孔内泥浆主要目的是排屑、护壁和润滑；本发明的方法弱化了孔内泥浆的排屑功能，对泥浆性能的要求更为宽泛，且不会因为环空压力升高而引起地面压裂和冒浆等安全隐患。
4.本发明中返出的混合泥浆沉淀净化后，经简单处理即可重新回流到孔内，以维持液柱压力，不再需要配置完备的泥浆净化系统，极大的节约了施工成本和劳动量。
5.与地面射流反循环或泵吸反循环技术相比，本发明排屑扩孔方法仅需要使用专用的射吸式扩孔器，实现容易；且由于驱动高压流体的是钻机自带的柱塞泵或空压机，可选择的压力范围更宽，可适应更长距离的穿越施工。
6.本发明为反循环排屑扩孔方法，即使在反循环扩孔排屑出现故障时，施工中仅需在出土端将钻杆或管道封闭，即可迅速转变为传统扩孔方式，也不影响正常施工，技术适应性强。本发明的扩孔方法既能适合硬地层的多级扩孔施工，也能适合松软地层的直接带管扩孔施工，可推广性好。
附图说明
图1为本发明中水平定向钻孔内射吸排屑扩孔方法工作状态示意图。
图2为图1中射吸式扩孔器结构示意图。
图3为本发明中射吸装置结构示意图。
上述图中：1-定向钻机；2-泥浆泵或空压机；3-高压胶管；4-钻杆；5-高压流体；6-环空泥浆；7-射吸装置；8-切削部；9-扩孔器本体；10-钻杆或管道；11-胶管接头；12-排浆胶管；13-混合流体；14-沉淀池；15-钻屑；16-隔墙；17-溢流槽；18净浆池；19-回流槽；20-射流喷嘴；21吸入室壳体；22-喉管段与扩散段；23-吸入口；24-外壳体；31-含钻屑的流体；51-入土侧；52-水域；53-出土侧。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
实施例1：本发明提供一种用于硬地层的多级扩孔施工的水平定向钻孔内射吸排屑扩孔方法，按如下步骤操作：
⑴、参见图1，按常规方法从入土侧51开始进行导向孔钻进，其中穿越水域52，直到钻杆从出土侧53钻出，完成一次导向孔钻进。
⑵、在出土侧将射吸式扩孔器连接在钻杆4上。参见图2，所述的射吸式扩孔器由扩孔器本体9、切削部8及射吸装置7构成；所述扩孔器本体9是射吸式扩孔器各组成部件的承载体，所述切削部8用于破碎地层；参见图3，所述的射吸装置7含有接头、外壳体24、吸入口23、射流喷嘴20、吸入室壳体21、喉管段及扩散段22；射流喷嘴与吸入室壳体之间围成吸入室。射吸装置7在高压流体5流过时，在射流喷嘴20出口处会形成负压，通过吸入口23将射吸式扩孔器外周含钻屑流体31吸入到吸入室内，吸入的含钻屑的流体31与射流喷嘴20喷出的高压流体5在喉管段与扩散段22混合后，混合流体13通过扩孔器后部连接的管道10排至地表。
⑶、在所述的射吸式扩孔器后部连接管道10，管道10在地表与胶管接头11、排浆胶管12连接，随着扩孔器不断向钻机方向钻进，在出土侧不断将扩孔器后部连接的管道10加长，定向钻机1一侧则不断卸下钻杆4。扩孔钻进时，本实施例高压流体5选用清水，启动入土侧51设的泥浆泵2，泵入的高压清水通过高压胶管3经由地面定向钻机1、钻杆4输送到射吸式扩孔器内。
⑷、所述的高压流体5即高压清水到达射吸式扩孔器后，从射流喷嘴20高速射出，在吸入室内生负压，并通过吸入口23将扩孔器外周含钻屑的流体31吸入到吸入室内，吸入的含钻屑的流体31与射流喷嘴20喷出的高压清水在喉管段与扩散段22混合后，混合流体13通过射吸式扩孔器后部连接的管道10排至地表。
⑸、排至地表的含钻屑的混合流体13进入沉淀池14内，钻屑15被沉淀在沉淀池14内，经净化的泥浆通过隔墙16上方的溢流槽17流到净浆池18，净浆池18中的泥浆经过调配后经回流槽19回流到钻孔内，与环空泥浆6一起用于维持钻孔液柱压力的稳定和孔内泥浆的流动。
⑹、射吸式扩孔器由出土侧53沿导向孔向入土侧51扩孔钻进，最后从入土侧51出来，完成一次扩孔；若经过一次扩孔后孔径未达到设计要求，则更换大一级孔径的射吸式扩孔器重复步骤⑶～⑸，再进行扩孔，直至孔径达到设计的施工要求。
本发明的水平定向钻孔内射吸排屑扩孔方法施工操作简单，采用了射吸式扩孔器使钻屑从其后部连接的钻杆或管道内排出，钻屑运移速度是传统方式的数十倍甚至百倍以上，排屑效率高、排屑彻底，减少了重复破碎和洗(清)孔环节，从而缩短了施工周期。本方法既适用于硬地层的多级扩孔施工，也适用于松软地层的直接带管扩孔施工，可推广性好。

Claims (5)

1.一种水平定向钻孔内射吸排屑扩孔方法，其特征在于：按如下步骤操作：
⑴、按常规方法从入土侧开始进行导向孔钻进，直到钻杆从出土侧钻出，完成一次导向孔钻进；
⑵、在出土侧将射吸式扩孔器连接在钻杆上，所述的射吸式扩孔器由扩孔器本体、切削部及射吸装置构成；所述扩孔器本体是射吸式扩孔器各组成部件的承载体，所述切削部用于破碎地层；所述的射吸装置设有接头、外壳体、吸入口、射流喷嘴、吸入室壳体、喉管段及扩散段，射流喷嘴与吸入室壳体之间围成吸入室；
⑶、在所述的射吸式扩孔器后部连接钻杆或管道，随着扩孔器不断向钻机方向钻进，在出土侧不断将扩孔器后部连接的钻杆或管道加长，钻机侧则不断卸下钻杆；扩孔钻进时，启动入土侧的泥浆泵或空压机，高压流体经由高压胶管、钻机及钻杆输送到射吸式扩孔器内；
⑷、所述的高压流体到达射吸式扩孔器后，从射流喷嘴高速射出，在吸入室内产生负压，并通过吸入口将扩孔器外周含钻屑的流体吸入到吸入室内，吸入的含钻屑的流体与射流喷嘴喷出的高压流体在喉管段与扩散段混合后，混合流体通过射吸式扩孔器后部连接的钻杆或管道排至地表；
⑸、通过后部钻杆或管道排至地表的含钻屑的混合流体进入沉淀池内，经净化及调配后回流到钻孔内，用于维持钻孔内液柱压力及孔内泥浆的流动；
⑹、射吸式扩孔器从出土侧沿导向孔向入土侧不断扩孔钻进，最后从入土侧出来，若经过一次扩孔后孔径未达到设计要求，则更换大一级孔径的射吸式扩孔器连接在钻杆上，重复步骤⑶～⑸再进行扩孔，直至孔径达到设计的施工要求。
2.根据权利要求1所述的水平定向钻孔内射吸排屑扩孔方法，其特征在于：所述的经由泥浆泵泵入的高压流体为清水或泥浆，或由空压机泵入的高压流体为空气。
3.根据权利要求1所述的水平定向钻孔内射吸排屑扩孔方法，其特征在于：所述的孔内泥浆的流动是在射吸式扩孔器的抽吸力和液柱压力的共同作用下形成的。
4.根据权利要求1所述的水平定向钻孔内射吸排屑扩孔方法，其特征在于：所述的扩孔器若将其后部连接的钻杆或管道出口封闭，则泵入的泥浆通过吸入口排出，即转为传统循环方式。
5.根据权利要求1所述的水平定向钻孔内射吸排屑扩孔方法，其特征在于：所述的扩孔方法适用于硬地层的多级扩孔施工，也适用于松软地层的直接带管扩孔施工。
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