CN108894750B - 一种辅助定向钻穿越钻头抬头的索套装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种辅助定向钻穿越钻头抬头的索套装置和方法。所述索套装置包括绳索和下套工具，下套工具能够将绳索撑张为绳套，并携带绳套切入地面，在切入地面后，钻头能够穿过绳套，下套工具包括加力杆、支撑杆、切土板、第一卡扣件和第二卡扣件，其中，加力杆能够承受并传递切力，切土板与加力杆的一个端头连接，并能承受加力杆传递的切力；支撑杆能够将绳索撑开；第一卡扣件位于加力杆或支撑杆上，并能够固定与其接触的绳索；第二卡扣件位于加力杆或切土板上，并能够固定与其接触的绳索。所述方法包括采用采用上述的索套装置辅助钻头抬头。本发明的有益效果包括：能够很好辅助定向导向钻具在通过极软地层时正常抬头。

Description

一种辅助定向钻穿越钻头抬头的索套装置和方法

技术领域

本发明涉及定向钻穿越施工技术领域，特别地，涉及一种辅助定向钻穿越钻头抬头的索套装置和方法。

背景技术

随着水平定向钻穿越施工技术的逐渐成熟，水平定向钻穿越施工工艺技术的应用范围不断拓宽。面对极软地层，在进行导向孔钻进或推送钻杆时，往往因地层太软，钻头无法抬头出土，从而增加定向钻钻孔长度，同时将增大曲线狗腿度，影响导向孔曲线的平滑度，最终影响管道的安全回拖。

针对定向钻穿越流沙、淤泥等极软地层时，现有技术是采用鸭嘴板式钻头进行快速推进的方式来减小钻具的下沉，但无法消除钻具的下沉，最终导致导向孔曲线出现较大狗腿度。现有技术在钻进通过极软地层时，首先将鸭嘴板式钻头的工具面调整到0度，再减小泥浆泵排量和泥浆压力，然后再增大推力确保钻头快速通过。

现有技术存在的主要问题有：(1)地层过软：无法为导向钻具提供足够的支撑力。(2)钻具过重：导向钻具由于要承受施工过程产生的巨大推拉力和扭矩，钻具必须采用高强度钢制作，从而导致钻具无法减重。因此，在现有的进行导向钻进过程中，有利用泥浆泵向钻头提供水力来克服钻具周围的泥土产生的摩擦力和扭矩；而泥浆压力和排量如果过大，将造成钻具周围泥土的承载力大大降低，钻具无法抬头。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种辅助定向钻穿越钻头抬头的索套装置和方法，以确保定向钻在穿越软土地层时，钻具能够正常抬头钻进出土。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种辅助定向钻穿越钻头抬头的索套装置。

所述索套装置可包括：绳索和下套工具，下套工具能够将绳索撑张为绳套，并携带所述绳套切入地面，在切入地面后，所述钻头能够穿过所述绳套；所述下套工具可包括加力杆、支撑杆、切土板、第一卡扣件和第二卡扣件，其中，所述加力杆能够承受并传递切力；所述切土板与加力杆的一个端头连接，并能够承受加力杆传递的切力；所述支撑杆与加力杆杆身连接并包括至少一个子杆，所述子杆能够将绳索撑开；所述第一卡扣件位于所述加力杆或支撑杆上，并能够固定与其接触的绳索；所述第二卡扣件位于所述加力杆或切土板上，并能够固定与其接触的绳索。

根据本发明基于的一个或多个示例性实施例，所述定向钻穿越钻头的穿越方向可包括水平方向。

根据本发明基于的一个或多个示例性实施例，所述第一卡扣件可包括两个固定挂耳，两个固定挂耳分布于所述加力杆杆身的两侧，所述绳索的两端能够分别穿过两个固定挂耳。

根据本发明基于的一个或多个示例性实施例，所述第二卡扣件可为单向卡扣件，在所述下套工具携带绳套切入地面时，所述第二卡扣件能够将固定与其接触的绳索，在所述下套工具离开地面时，所述第二卡扣件不再固定与其接触的绳索。

根据本发明基于的一个或多个示例性实施例，所述第二卡扣件可具有与所述切力方向相同的开口。

根据本发明基于的一个或多个示例性实施例，沿所述切力方向，所述第一卡扣件可在所述第二卡扣件的上游。

根据本发明基于的一个或多个示例性实施例，在所述下套工具携带绳套切入地面后，第一卡扣件可位于地面之上。

根据本发明基于的一个或多个示例性实施例，所述支撑杆可包括两个子杆，两个子杆可分别位于所述加力杆杆身的两边。两个子杆可对称分布在加力杆的杆身的两边。

根据本发明基于的一个或多个示例性实施例，所述索套装置还可包括绳索拉紧件，所述绳索拉紧件能够使形成所述绳套的绳索呈拉紧状态。

本发明另一方面提供了一种辅助定向钻穿越钻头抬头的方法。所述方法可包括采用如上所述的索套装置来辅助钻头抬头。

所述方法可包括以下步骤：测量所述钻头在地面下的位置；通过下套工具将绳索撑张为绳套，其中，下套工具可包括如上所述的下套工具，例如下套工具可包括加力杆、支撑杆、切土板、第一卡扣件和第二卡扣件，加力杆能够承受并传递切力，切土板与加力杆的一个端头连接，并能够承受加力杆传递的切力；支撑杆与加力杆杆身连接并包括至少一个子杆，子杆能够将绳索撑开；第一卡扣件位于所述加力杆或支撑杆上，并能够固定与其接触的绳索；第二卡扣件位于所述加力杆或切土板上，并能够固定与其接触的绳索；将携带有所述绳套的下套工具切入地面，并使绳套位于钻头的正面；使钻头进入所述绳套内；通过提升下套工具和绳索，来给所述钻头提供向上的提升力；或者，分离下套工具和绳索，并从地面中取出下套工具，然后通过提升绳索来给钻头提供向上的提升力。

根据本发明基于的一个或多个示例性实施例，所述通过下套工具将绳索撑张为绳套的步骤可包括：使所述绳索的一个端头依次穿过第一、第二卡扣件，并再穿过第一卡扣件，通过支撑杆将绳索撑开，拉紧绳索的两端，通过第一卡扣件固定绳索的中间部位，通过第二卡扣件固定绳索的两端，进而下套工具将绳索撑张为绳套。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：能够很好的辅助定向导向钻具在通过极软地层时正常抬头。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明一个示例性实施例中索套装置的一个结构示意图；

图2示出了本发明一个示例性实施例中索套装置的另一个结构示意图；

图3示出了本发明一个示例性实施例中索套装置的再一个结构示意图；

图4示出了本发明的位于切土板上第二卡扣件的一个示意图；

图5示出了本发明的位于切土板上第二卡扣件的另一个示意图；

图6示出了本发明另一个示例性实施例中索套装置的一个结构示意图。

附图标记说明：

10-绳索；20-下套工具，21-加力杆，22-支撑杆，23-切土板，24-第一卡扣件，25-第二卡扣件。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的辅助定向钻穿越钻头抬头的索套装置和方法。

本发明是通过在地面向钻头提供一个向上的提升力，来使导向钻具在通过极软地层时，能够顺利抬头出土。

图1示出了本发明一个示例性实施例中索套装置的一个结构示意图。图2示出了本发明一个示例性实施例中索套装置的另一个结构示意图。图3示出了本发明一个示例性实施例中索套装置的再一个结构示意图。图4示出了本发明的位于切土板上第二卡扣件的一个示意图。图5示出了本发明的位于切土板上第二卡扣件的另一个示意图。

在本发明的辅助定向钻穿越钻头抬头索套装置的一个示例性实施例中，所述索套装置可包括：绳索10和下套工具20，下套工具20能够将绳索10撑张为绳套，并携带所述绳套切入地面，在切入地面后，所述钻头能够穿过所述绳套。其中，绳索可包括钢丝绳。

所述下套工具20可包括加力杆21、支撑杆22、切土板23、第一卡扣件24和第二卡扣件25。

加力杆21能够承受并向切土板23传递切力。加力杆21可以根据钻头埋深及需要的下切深度增加或缩短加力杆的长度，例如，加力杆可设计为伸缩杆。其中，加力杆可由钢管制成。

所述切土板23与加力杆21的一个端头连接，并能够承受加力杆10传递的切力。其中，切土板23的切土刃口背离加力杆，沿所述切力方向，切土板的宽度可逐渐增大。沿切力方向，切土板的刃口厚度可逐渐减小，以便切入地面。

所述支撑杆22与加力杆21杆身连接并包括至少一个子杆，所述子杆能够将绳索撑开。如图1和图2所示，支撑杆可包括有一个子杆，这样，撑张起的绳套将位于加力杆的一侧，撑起的绳套的形状可为三角形。如图3和图4所示，支撑杆也可包括两个子杆，两个子杆可分别位于加力杆杆身的两边，例如可对称分布在加力杆杆身的两边，这样，撑张起的绳套将位于加力杆的两侧。

所述第一卡扣件24可位于所述加力杆21或支撑杆22上，并能够固定与其接触的绳索，第一卡扣件24能够将绳索10固定在加力杆21或支撑杆22上的一个位置。如图1和图3所示，第一卡扣件可位于加力杆上，如图2所示，第一卡扣件可位于支撑杆上。其中，所述第一卡扣件可包括两个固定挂耳，两个固定挂耳分布于所述加力杆杆身的两边，绳索的两端能够分别穿过两个固定挂耳。

所述第二卡扣件25可位于所述加力杆21或切土板23上，并能够固定与其接触的绳索。第二卡扣件25能够将绳索10固定在加力杆21或支切土板23上的一个位置。如图1、图3所示，第二卡扣件可位于加力杆上，如图2所示，第二卡扣件可位于切土板上。

在本实施例中，所述定向钻穿越钻头的穿越方向包括水平方向。沿所述切力方向，所述第一卡扣件24在所述第二卡扣件25的上游；换而言之，在所述下套工具携带绳套切入地面后，第一卡扣件24可位于第二卡扣件25的上方，例如第一卡扣件24可位于地面之上，第二卡扣件25可位于地面之下。

在本实施例中，整个索套装置可以辅助钻头抬头；单单只有绳套也可以辅助钻头抬头。

当采用索套装置辅助钻头抬头时，在下套工具20切入地面和从地面中提出时，第一、第二卡扣件都能够固定住绳套。辅助过程可包括：使钻头位于绳套内，通过提升索套装置来使钻头抬头，其中，绳套、以及加力杆和/或支撑杆，共同作用给钻头向上的力，使其抬头。

当采用绳套辅助钻头抬头时，在下套工具20切入地面，且钻头进入绳套后，分离下套工具和绳套，然后提出下套工具，再通过提升绳套来给钻头向上的力，使其抬头。其中，在索套装置切入地面后，第一卡扣件24可位于地面，可直接解除第一卡扣件24对绳索的固定。第二卡扣件25就可为定向卡扣件或单向卡扣件，在下套工具20携带绳套切入地面时，所述第二卡扣件25能够将与其接触的绳索固定，在所述下套工具20离开地面时，所述第二卡扣件25不再固定与其接触的绳索。

在本实施例中，第二卡扣件25就可为定向卡扣件或单向卡扣件。例如，第二卡扣件25可具有与所述切力方向相同的开口，这样在提升下套工具时，绳索就不会受到第二卡扣件25的约束力，进而与第二卡扣件25分开。如图4和图5所示，第二卡扣件可包括若干个在切土板上沿切向延伸的短杆，其中，图4、图5中的(a)图为切土板和第二卡扣件正视图的示意图，图4、图5中的(b)图为切土板和第二卡扣件侧视图的示意图。如图4所示，短杆与切土板之间形成开口，短杆的一端连接到切土板上，例如短杆可为一端焊接到切土板上的钢筋，钢筋的另一端朝沿所述切向方向延伸。如图5所示，短杆可相对的分布在切土板的切口，两对的两个短杆之间形成卡扣件，能够固定绳索。

在本实施例中，支撑杆子杆接触绳索的端头可为凹形，这样在切入地面时，可以防止绳索与支撑杆分离。

在本实施例中，支撑杆和加力杆子杆的杆径应小于切土板的最大厚度，这样可以减少切土时支撑杆和加力杆产生的阻力。

在撑开绳套后，每个支撑杆子杆在切土板刃口方向上的投影应在切土板内，例如，当切土板刃口与切向垂直且相对于加力杆对称时，每个支撑杆子杆在切土板刃口方向上的投影长度都应小于刃口长度的一半，这样在切土时，也可以减少阻力。

在本实施例中，支撑杆的子杆可为活动杆或收缩杆，在下套工具从地面取出时，子杆远离加力杆的一端可以向下滑动或者可以进行收缩，以方便绳套与下套工具分离。

在本实施例中，所述索套装置还可包括绳索拉紧件，所述绳索拉紧件能够使形成所述绳套的绳索呈拉紧状态。例如，在形成绳套后，可拉紧通过第一卡扣件的绳索的两端，来使绳套绷紧。绳索拉紧件可包括手拉葫芦或电动葫芦。

图6示出了本发明另一个示例性实施例中的索套装置的一个结构示意图。

在本发明的辅助定向钻穿越钻头抬头索套装置的另一个示例性实施例中，各构件可为以上索套装置各构件的具体示例；索套工具(即索套装置)可包括两大部分：第一部分为钢丝绳10；第二部分为绳套下套工具20。其中，第二部分可包括钢丝绳固定挂耳24、钢丝绳支撑杆22、加力杆21、钢丝绳下套切土板23组成。

其中，钢丝绳挂耳24可采用钢板制作，用于固定钢丝绳。

钢丝绳支撑杆22可采用钢管制作，用于将钢丝绳10撑开，并形成钻头通过环套。如图1所示，钢丝绳支撑杆22可包括两根杆。

加力杆21可采用钢管制作，用于向切土板施加下切力，加力杆可以根据钻头埋深及需要的下切深度增加或缩短加力杆的长度。

钢丝绳下套切土板23采用钢板制作，钢板下方采用钢丝绳位置固定卡(图中未示出)，固定卡的开口方向朝下。

钢丝绳10形成的环套用于套取钻具，并通过钢丝绳给钻具提供向上的提升力。

本发明另一方面提供了一种辅助定向钻穿越钻头抬头的方法。所述方法可包括采用如上所述的索套装置来辅助钻头抬头。

在本发明的辅助定向钻穿越钻头抬头方法的一个示例性实施例中，所述方法可包括以下步骤：

测量所述钻头在地面下的位置。

通过下套工具将绳索撑张为绳套。其中，绳索可为如上所述的绳索，下套工具可包括如上所述的下套工具，且下套工具可包括如上所述的加力杆、支撑杆、切土板、第一卡扣件和第二卡扣件。例如，加力杆能够承受并传递切力，切土板与加力杆的一个端头连接，并能够承受加力杆传递的切力；支撑杆与加力杆杆身连接并包括至少一个子杆，子杆能够将绳索撑开；第一卡扣件位于所述加力杆或支撑杆上，并能够固定与其接触的绳索；第二卡扣件位于所述加力杆或切土板上，并能够固定与其接触的绳索。

将携带有所述绳套的下套工具切入地面，并使绳套位于钻头的正面。例如在所述定向为水平方向时，绳套可位于钻头的正前方。

使钻头进入所述绳套内；通过提升下套工具和绳索，来给所述钻头提供向上的提升力；或者，分离下套工具和绳索，并从地面中取出下套工具，然后通过提升绳所来给钻头提供向上的提升力。

在本实施例中，所述通过下套工具将绳索撑张为绳套的步骤可包括：使所述绳索的一端依次穿过第一、第二卡扣件，并回到第一卡扣件，通过支撑杆将绳索撑开，拉紧绳索的两端，通过第一卡扣件固定绳索的中间部位，通过第二卡扣件固定绳索的两端。其中，可通过手拉葫芦来拉紧绳索的两端。

在本实施例中，整个索套装置可以辅助钻头抬头，只有绳套也可以辅助钻头抬头。

当采用索套装置辅助钻头抬头时，绳套、以及加力杆和/或支撑杆，共同作用给钻头向上的力，使其抬头。

当采用绳套辅助钻头抬头时，在下套工具切入地面后，第一卡扣件可位于地面，在辅助抬头之前，可直接解除第一卡扣件对绳索的固定。第二卡扣件就可为如上所述的定向卡扣件或单向卡扣件，在下套工具离开地面时，绳索就不会受到第二卡扣件的约束力，进而与第二卡扣件分开。在将下套工具取出地面后，可直接给地面上绳索的两端一个向上的提升力来辅助钻头抬头；也可将地面上的绳索连接到一起，例如可打结，重新形成绳套，然后通过绳套在地面上部分一个向上的力来辅助钻头抬头。

在本发明的辅助定向钻穿越钻头抬头方法的另一个示例性实施例中，所述方法可包括以下步骤：

首先将钻头钻进到需要提升位置后方，停止钻进作业，并精确测量钻头(钻具)位置，包括钻头埋深和左右位置。

将钢丝绳固定在绳套卡扣(即第一、第二卡扣件)上，并采用手拉葫芦将钢丝绳张紧。

利用挖掘机或吊车将钢丝绳下套工具(即下套工具)吊起，并直立与穿越轴线上，确保绳套平面与穿越轴线垂直。

利用挖掘机或打桩机将绳套下套工具垂直压力地层，直到钻头埋深以下。

将钻头缓慢推送通过钢丝绳与加力杆之间的空隙。

将钢丝绳套下套工具取出，并将钻具留在钢丝绳套内。

利用挖掘机或吊车吊起钢丝绳，并根据需要给钻具施加一个向上的提升力，辅助钻具抬头出土。

综上所述，本发明的索套装置结构简便、易操作，成本低；在水平定向钻钻具在穿越软土地层时，能够很好的解决由于钻具(钻头和钻杆)过重、软土地层承载力过低而导致钻具无法抬头问题。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种辅助定向钻穿越钻头抬头的索套装置，其特征在于，所述索套装置包括：绳索和下套工具，下套工具能够将绳索撑张为绳套，并携带所述绳套切入地面，在切入地面后，所述钻头能够穿过所述绳套，

所述下套工具包括加力杆、支撑杆、切土板、第一卡扣件和第二卡扣件，其中，

所述加力杆能够承受并传递切力；

所述切土板与加力杆的一个端头连接，并能够承受加力杆传递的切力；

所述支撑杆与加力杆杆身连接并包括至少一个子杆，所述子杆能够将绳索撑开；

所述第一卡扣件位于所述加力杆或支撑杆上，并能够固定与其接触的绳索；

所述第二卡扣件位于所述加力杆或切土板上，并能够固定与其接触的绳索。

2.根据权利要求1所述的辅助定向钻穿越钻头抬头的索套装置，其特征在于，所述定向钻穿越钻头的穿越方向包括水平方向。

3.根据权利要求1所述的辅助定向钻穿越钻头抬头的索套装置，其特征在于，所述第一卡扣件包括两个固定挂耳，两个固定挂耳分布于所述加力杆杆身的两侧，所述绳索的两端能够分别穿过两个固定挂耳。

4.根据权利要求1所述的辅助定向钻穿越钻头抬头的索套装置，其特征在于，所述第二卡扣件为单向卡扣件，在所述下套工具携带绳套切入地面时，所述第二卡扣件能够固定与其接触的绳索，在所述下套工具离开地面时，所述第二卡扣件不再固定与其接触的绳索。

5.根据权利要求4所述的辅助定向钻穿越钻头抬头的索套装置，其特征在于，所述第二卡扣件具有与所述切力方向相同的开口。

6.根据权利要求1所述的辅助定向钻穿越钻头抬头的索套装置，其特征在于，沿所述切力方向，所述第一卡扣件在所述第二卡扣件的上游。

7.根据权利要求6所述的辅助定向钻穿越钻头抬头的索套装置，其特征在于，在所述下套工具携带绳套切入地面后，第一卡扣件位于地面之上。

8.根据权利要求1所述的辅助定向钻穿越钻头抬头的索套装置，其特征在于，所述支撑杆包括两个子杆，两个子杆分别位于所述加力杆杆身的两侧。

9.根据权利要求1所述的辅助定向钻穿越钻头抬头的索套装置，其特征在于，所述索套装置还包括绳索拉紧件，所述绳索拉紧件能够使形成所述绳套的绳索呈拉紧状态。

10.一种辅助定向钻穿越钻头抬头的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

测量所述钻头在地面下的位置；

通过下套工具将绳索撑张为绳套，其中，所述下套工具包括加力杆、支撑杆、切土板、第一卡扣件和第二卡扣件，所述加力杆能够承受并传递切力，所述切土板与加力杆的一个端头连接，并能够承受加力杆传递的切力，所述支撑杆与加力杆杆身连接并包括至少一个子杆，所述子杆能够将绳索撑开，所述第一卡扣件位于所述加力杆或支撑杆上，并能够固定与其接触的绳索，所述第二卡扣件位于所述加力杆或切土板上，并能够固定与其接触的绳索；

将携带有所述绳套的下套工具切入地面，并使绳套位于所述钻头的正面；

使所述钻头进入所述绳套内；

通过提升所述下套工具和绳索，来给所述钻头提供向上的提升力；或者，分离所述下套工具和绳索，并从地面中取出下套工具，然后通过提升绳索来给钻头提供向上的提升力。

Images