CN105909173B - 一次性成孔定向穿越施工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用导向孔导向，扩孔钻头扩孔，螺旋传输和顶管施工技术联合施工方法及装置，该装置能够实现对各类地层的穿越，并且一次性扩孔成功。技术方案是：该装置利用导向孔导向、回拖钻杆施加拉力、转盘驱动螺旋管柱运送岩土和螺杆钻具驱动扩孔钻头切削地层的协作，完成地层的穿越和岩土的传输。该施工方法主要包括以下装置：顶管机、套管、螺旋管柱、螺杆马达、扩孔钻头、回拖钻杆、扶正器。本发明客服了传统定向穿越施工中砾石层难于钻进与流体携带的难题，并且一次性完成扩孔，具有工作效率高、成本低等特点。

Description

一次性成孔定向穿越施工方法及装置

技术领域

本发明涉及一次性成孔定向穿越施工方法及装置，具体是利用顶进套管保护孔壁、减少钻井液渗漏；导向孔内回拖钻杆给扩孔钻头施加回拖力，螺杆钻具给扩孔钻头施加扭矩实现扩孔钻头扩孔钻进，螺旋管柱螺旋传输钻屑(砾石)的联合施工办法。

背景技术

在管道铺设中，为了减少开挖对环境造成的影响，需要通过非开挖的办法铺设管道。目前最常见的非开挖方法有顶管、定向钻、隧道施工等。由于定向穿越施工技术适用于大型设施的穿越，并且其施工便捷、污染小、精度高、适应性强等优点受到施工单位的广泛使用。目前的定向穿越施工技术受地层的影响较大，地层适应性成为制约当前定向穿越发展的关键性问题，当前针对粘土层、高度风化的页岩、砂层和硬土层穿越较容易，对于硬岩层和砾石层的定向穿越难度较大，成功率较低。特别是针对砾石层的穿越，只能通过人工掏挖砾石或者水泥固结砾石层，然后再定向穿越，这给施工带来很大的麻烦，并且成本较高。目前该定向穿越施工方法是通过钻导向孔、多级扩孔、回拖管道的施工方法穿越地层。在钻进过程中，破碎后粒径较小的岩屑可以通过钻井液循环排出管外，但对于粒径较大的岩土颗粒会很快发生沉积，容易发生卡钻；钻进粘性较大的泥土层，很容易在扩孔钻头表面形成泥包，降低扩孔效率。并且该定向穿越方法对于长距离穿越扩孔每次切削量不能太大，否则会造成钻杆扭矩过大扭坏钻杆，通常采用多级扩孔的方法。并且由于地层条件的复杂性，现有钻头很难适应各种地层，需要针对不同地层更换相应的钻头，这会给施工带来麻烦；如果穿越施工遇到砾石层，该方法根本无法施工。

针对当前砾石层穿越的瓶颈，国内外专家也曾经提出过一些针对砾石层开挖的一些方法，其中用得最多的就是通过顶进套管，套管内螺旋管柱螺旋钻进，螺旋管柱前端有钻头，该钻头只对地层岩石做较小的破碎，主要对岩土起收集作用，收集好的岩土进入螺旋管柱，当螺旋管柱内的岩土达到一定数量后，将螺旋管柱和螺纹内的岩土整体拖出管外，完成地层的一次钻进。从原理上看，该方法解决了现阶段砾石层开挖的难题，但该方法施工过程繁琐，如果遇到较长距离的穿越施工，这种施工方法很难进行。

针对上述穿越方法的缺点，提出了利用导向孔导向、扩孔钻头扩孔、顶进套管与螺旋传输协同施工的方法。该方法先钻导向孔，导向孔内回拖钻杆施加一定的回拖力给扩孔钻头，一定的顶进力施加到螺旋管柱，传递给短路接头控制短路接头的单向阀打开，钻井液驱动组合螺杆钻具马达带动扩孔钻头旋转，扩孔钻头完成扩孔；该组合螺杆钻是由多个螺杆钻具沿管柱周向布置，并通过捆绑扶正器捆绑在一起，在每一个螺杆钻具定子的输出端驱动同一个机构旋转，该机构的输出扭矩为所有螺杆钻具输出扭矩之和，增大了组合螺杆钻具马达的输出扭矩，该机构为组合螺杆钻具马达的输出轴，输出轴与扩孔钻头相连，带动扩孔钻头破碎和收集岩土，破碎后的岩土通过螺旋传送螺纹输出孔外，扩孔过程中跟进套管。螺旋管柱与组合螺杆钻具马达通过短路接头连接，当外界施加顶进力时，顶进力通过螺旋管柱传递到短路接头，控制单向阀打开，钻井液驱动组合螺杆钻具马达转动带动扩孔钻头旋转，同时导向孔内回拖钻杆施加回拖力给扩孔钻头；当停止施加顶进力时，单向阀关闭，导向孔内回拖钻杆回拖力取消，钻井液通过短路接头旁边的通道进入螺旋管柱返回。

发明内容

本发明的目的：为了解决现阶段定向穿越施工技术需多级扩孔和砾石层无法穿越的问题，特提供一种扩孔钻头扩孔、导向孔导向、螺旋传输和顶管施工技术相结合的施工方法，实现一次性穿越扩孔。该方法可以适应大多数地层的穿越，亦可防止穿越过程中因孔壁垮塌引发的卡钻与穿越管道挤毁等多种事故。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术施工方案：一次性成孔定向穿越施工方法主要由顶管施工、导向孔导向、扩孔钻头扩孔和螺旋传输联合完成。主要结构由顶管机、套管、扩孔钻头、组合螺杆钻具马达、螺旋管柱、扶正器、转盘钻机、导轨、回拖钻杆、短路接头组成。其结构特征在于：转盘驱动螺旋管柱旋转输送岩土，前端的扩孔钻头由组合螺杆钻具马达驱动旋转，回拖钻杆施加回拖力传递给扩孔钻头；顶进油缸施加顶进力通过螺旋管柱，传递给短路接头。当施加顶进力时，顶进力控制短路接头的单向阀打开，同时回拖钻杆施加回拖力给钻头，钻井液通过螺旋管柱和短路接头进入组合螺杆钻具马达，组合螺杆钻具马达旋转带动扩孔钻头切削地层，转盘驱动螺旋管柱旋转输送岩土；当转盘扭矩达到一定数值时，顶进油缸停止施加顶进力，回拖钻杆回拖力取消，短路接头的单向阀关闭，钻井液直接通过短路接头旁路通道进入螺旋管柱螺旋内，螺旋管柱原地旋转将岩土输送至孔外。螺旋管柱之间通过带螺旋的管接头连接，带螺旋的管接头不影响岩土的传输，并且具有扶正的作用。扩孔钻头具有切削地层和收集砾石岩土的作用，扩孔钻头扩孔钻进过程中，需要同步顶进套管，防止孔壁垮塌；整个扩孔过程需进行钻井液循环，起到润滑的作用，小的岩屑和泥土可以通过钻井液循环带出孔外，粒径较大的岩屑或砾石通过螺旋管柱传输至孔外。

本发明施工方法过程如下：

(1)在穿越前，需对地下障碍物和地层进行勘探，确定地层和地下障碍物的分布情况，以便穿越施工。

(2)根据地层情况和地下障碍物，确定穿越轨迹曲线和施工方式，并钻导向孔。

(3)导向孔导向，扩孔钻头扩孔，同时顶进套管，整个过程需进行钻井液循环；扩孔钻头通过组合螺杆钻具马达驱动旋转，螺旋管柱通过转盘驱动。对顶进油缸给螺旋管柱施加顶进力，顶进力传递给短路接头控制短路接头的单向阀打开，同时回拖钻杆给钻头施加回拖力，钻井液通过短路接头的内部流道，进入组合螺杆钻具马达，组合螺杆钻具马达输出轴旋转带动钻头旋转切削地层；转盘扭矩达到一定值时，回拖钻杆回拖力取消，顶进油缸停止施加顶进力，短路接头内单向阀关闭，钻井液直接通过短路接头通道进入螺旋管柱，转盘带动螺旋管柱原地旋转。

本发明的优点：

1)传统的穿越施工方法不能穿越砾石层。该定向穿越施工方法只是对岩土做少量破碎，大部分岩土通过钻头收集到螺旋管柱内，然后通过螺旋管柱将砾石或岩土带出孔外。该穿越方法克服了砾石层难于钻进与流体携带的难题；

2)钻井液循环只需要带出粒径较小的泥土，因此不需要较大的钻井液压力与排量，避免了地层严重渗漏事故；

3)施工过程中，螺旋管柱的强度较大，对于长距离的穿越，降低了管柱变形引发的事故；4)扩孔过程有导向孔的精确导向，保证了定向穿越施工的精度；

5)短路接头的开闭，控制组合螺杆钻具马达的转动，能对钻头起到一定的保护作用；

6)组合螺杆钻具马达能够提供较大的扭矩，为钻头切削地层提供动力。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明中的短路接头连接示意图；

图3是本发明带螺旋的管接头；

图4是本发明短路接头三维装配内部示意图；

图5是本发明短路接头芯部外观三维装配结构示意图；

图6是本发明短路接头外壳体三维零件图；

图7是本发明短路接头单向阀套三维零件图；

图8是本发明短路接头单向阀阀芯三维零件图；

图9是本发明短路接头螺杆钻具连接端。

图中：1，扩孔钻头；2，组合螺杆钻具马达；3，带螺旋的管接头；4，螺旋管柱；5，转盘钻机；6，导轨；7，顶进油缸；8，齿轮齿条；9，小车；10，转盘；11，钢板；12，顶进套管；13，导向仪和扶正器；14，导轨；15，短路接头；16，导向孔；17，回拖钻杆；18，单向阀；19，短路接头螺杆钻具连接端；20，短路接头外壳体；21，单向阀阀套；22，单向阀阀芯。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明方法做进一步的描述。

在定向穿越前，对地下障碍物和地层分布情况进行勘探，确定地层和地下障碍物的分布。根据地层的分布绘制穿越轨迹曲线，确定穿越位置，钻导向孔16。

该装置结构如图1所示，一次性扩孔定向穿越施工装置主要由扩孔钻头1、组合螺杆钻具马达2、带螺旋的管接头3、螺旋管柱4、转盘钻机5、导轨6、顶进油缸7、齿轮齿条8、小车9、转盘10、钢板11、顶进套管12、导向仪和扶正器13、运动导轨14、短路接头15、回拖钻杆17组成。回拖钻杆17与钻头1顶部连接，尾部与组合螺杆钻具马达2输出轴连接，组合螺杆钻具马达2与螺旋管柱4之间通过短路接头15连接，螺旋管柱4之间通过螺旋管接头3连接，转盘10驱动螺旋管柱4旋转，组合螺杆钻具马达2外部有传送螺纹，转盘10通过小车9上的转盘钻机驱动，小车9可以在导轨14上滑动，钢板11顶在套管12的外沿，顶进油缸7通过一定的方式将力传递给钢板11。

油缸7的顶进力通过钢板11传递给套管12，使套管12顶进；同时顶进油缸7驱动齿轮齿条6相对转动，将力传给小车9，进而给螺旋管柱4施加顶进力，此顶进力传递给短路接头15，控制单向阀18打开，使钻井液通过单向阀18的内部流道进入组合螺杆钻具马达2，驱动螺杆钻具马达2旋转带动扩孔钻头1，同时导向孔16内的回拖钻杆17施加回拖力给扩孔钻头1，扩孔钻头1切削地层；小车9内的转盘钻机5驱动转盘10转动，带动螺旋管柱4转动运输岩土；当顶进油缸7施加的顶进力取消时，短路接头15的单向阀18关闭，钻井液直接通过短路接头15的通道进入螺旋管柱4内，导向孔16内的回拖钻杆17停止施加回拖力给扩孔钻头，螺旋管柱4原地旋转运输岩土。当螺旋管柱4内的岩土运输完成后，开始下一次的穿越作业。孔内的泥土通过钻井液循环带出孔外，粒径较大的砾石通过螺旋管柱4的螺旋带出孔外；扩孔钻头1切削地层过程中同时顶进套管12。

Claims (3)

1.一次性成孔定向穿越扩孔施工装置，包括扩孔钻头(1)、组合螺杆钻具马达(2)、带螺旋的管接头(3)、螺旋管柱(4)、转盘钻机(5)、导轨(6)、顶进油缸(7)、齿轮齿条(8)、小车(9)、转盘(10)、钢板(11)、顶进套管(12)、导向仪和扶正器(13)、运动导轨(14)、短路接头(15)、导向孔(16)、回拖钻杆(17)；该装置特征在于：

螺旋管柱(4)、带螺旋的管接头(3)和组合螺杆钻具马达(2)外壳体设置螺旋；螺旋管柱(4)在顶进套管(12)内旋转，螺旋管柱(4)之间通过带螺旋的管接头(3)连接，转盘(10)驱动螺旋管柱(4)旋转传输岩屑或砾石；螺旋管柱(4)最前端安装组合螺杆钻具马达(2)，组合螺杆钻具马达(2)与螺旋管柱(4)之间设置短路接头(15)；转盘(10)固定到小车(9)上，顶进套管(12)紧贴钢板(11)，顶进油缸(7)通过齿轮齿条(8)将力传递给钢板(11)；组合螺杆钻具马达(2)输出轴安装扩孔钻头(1)，扩孔钻头(1)在导向孔(16)内扩孔，回拖钻杆(17)设置在所述导向孔(16)内，回拖钻杆(17)与扩孔钻头(1)连接。

2.根据权利要求1所述的一次性成孔定向穿越扩孔施工装置，其特征在于：短路接头(15)由单向阀(18)、短路接头阀座(19)、短路接头外壳体(20)、阀座(21)组成，短路接头阀座(19)与组合螺杆钻具马达(2)的壳体之间通过螺纹连接；阀座(21)外圆周上布置有多个卡槽，阀座(21)外圆周上的卡槽与短路接头阀座(19)的伸出部分镶嵌在一起，阀座(21)与螺旋管柱(4)之间通过螺纹连接；短路接头外壳体(20)内表面设置有台阶，阀座(21)外圆周上的凸台与路接头外壳体(20)内表面设置的台阶相配合；阀座(21)圆周方向设置有流道；在短路接头的内部布置有单向阀(18)，单向阀(18)打开可以实现螺旋管柱(4)的内部通道与组合螺杆钻具马达(2)相通。

3.一次性成孔定向穿越扩孔施工方法，其特征在于，该定向穿越方法包括以下步骤：1)顶进油缸(7)顶进将力传递给套管(12)，同时顶进油缸(7)将力通过小车(9)、转盘(10)、螺旋管柱(4)传递给短路接头(15)，转盘钻机(5)提供扭矩驱动螺旋管柱(4)转动，钻井液驱动组合螺杆钻具马达(2)旋转带动扩孔钻头切削地层；

2)当回拖钻杆(17)施加轴向回拖力给扩孔钻头的同时，顶进油缸(7)施加轴向顶进力，通过齿轮齿条(8)、小车(9)、转盘(10)、带螺旋的管接头(3)、螺旋管柱(4)将顶进力传递给短路接头(15)，并控制短路接头(15)内部的单向阀(18)打开，钻井液通过螺旋管柱(4)中心流道和短路接头(15)流道进入组合螺杆钻具马达(2)，组合螺杆钻具马达(2)旋转带动扩孔钻头(1)破岩；钻井液携带微小粒径岩屑通过螺旋管柱(4)返出孔外，直径较大的岩屑或砾石沉积在螺旋管柱(4)与顶进套管(12)之间的螺旋空间内，通过螺旋管柱(4)旋转带出孔外；

3)随着螺旋管柱(4)螺旋内岩土数量的增多，整个螺旋管柱(4)的扭矩会增大，当螺旋管柱(4)的扭矩达到设定值时，停止给回拖钻杆(17)施加回拖力和顶进螺旋管柱(4)，短路接头(15)内部单向阀(18)关闭，钻井液直接通过短路接头(15)内的旁通通道进入螺旋管柱(4)的螺旋内，携带微小粒径岩屑返出孔外；转盘(10)带动螺旋管柱原地旋转将较大直径的岩屑或砾石传输到孔外。