CN109989710A - 高精度大口径水平孔钻进方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为高精度大口径水平孔钻进方法，主要应用于国防、地质、水利及市政等工程领域需要高精度水平孔钻进，高精度水平管道安装穿越等施工应用中，(1)精准定位；(2)固结钻机；(3)导向孔钻进：①导向孔稳直钻进—导向孔稳直钻具组合；②导向孔纠斜钻进—纠斜钻具组合；③导向孔直孔钻进—直孔钻具组合；(4)导向孔轴线检测—每钻进2～3m左右后提钻对导向孔裸孔进行轴线检测；(5)精确测量钻孔全部轴线，计算出钻孔轴线总偏差，对钻孔轴线偏差超标部位采用潜孔锤冲击纠偏钻进方法进行局部强力纠编或局部扩孔后予以修正；(6)同轴线扩孔钻进。本发明具有钻进效率高、水平孔直线度水平度精度较高的优势。

Description

高精度大口径水平孔钻进方法
技术领域
本发明主要应用于国防、地质、水利及市政等工程领域需要高精度水平孔钻进，高精度水平管道安装穿越等施工应用中。
背景技术
现有对于公路、铁路及江河的管道穿越工程均采用人工开挖或非开挖钻机系列先钻孔后拖管穿越方式进行。该类方法的钻孔轨迹均为曲线型或部分直线型，它们不能完成对水平孔两端有精确对心要求且基本为直线型的水平孔钻孔施工。
经查询相关文献表明，国内主要有如下一些管道穿越工程方面的专利及相关文献报道。
河南省水利第二工程局薛波介绍了DN1016mm大口径输水管道在沙颍河复杂地质条件下定向钻穿越的设计方法和施工方案。钻导向孔：沙颍河穿越采用联合控向技术，即采用两套控向系统，一套精度高、受干扰小的 CDY-2 型有线地磁控向系统和一套 GL600 无线控向系统，使钻导向孔施工具有双保险，如遇地磁控向系统无信号或受干扰时，即可用无线控向系统完成接下来的控向工作。在导向孔钻进过程中，严格按设计给出的轨迹曲率半径进行。在钻进过程中，还应注意每根钻杆的折角，折角不宜过大，以免造成钻孔不够平滑，影响回拖。纠偏应遵循小幅、多次的原则，不能操之过急而矫枉过正。钻导向孔的钻具组合为：9-5/8三牙轮钻头+Φ172造斜短节+无线探头仓+无磁钻铤+有线探头仓+无磁钻铤+Φ140钻杆。扩孔及洗孔：水平定向钻管道穿越工程的终孔直径一般为管道外径的1.20～1.50倍，考虑到地层性质，沙颍河终孔直径确定为1400mm。为解决扩孔时扭矩大的问题，可采用较多的扩孔级数以减少每一级扩孔的扭矩。沙颍河穿越工程共分七级扩孔，每级扩孔的直径分别为：500mm，650mm，800mm，950mm，1100mm，1250mm和1400mm。扩孔结束后，根据扩孔扭矩、拉力和返浆情况进行1～2次Φ1400洗孔。扩孔的钻具组合为：Φ140钻杆+挤扩式扩孔器。回拖：管线回拖时，需采用适宜的措施控制管段的浮力以减少摩擦阻力。回拖过程应连续施工，回拖速度均匀，避免造成孔内压力激动。回拖的钻具组合为：Φ140钻杆+Φ1250挤扩式扩孔器+分动器+Φ1016管线。
中油辽河工程有限公司晏金龙采用定向钻穿越设计、处理卵砂层方法、导向孔钻进、扩孔、回拖、泥浆配置等技术进行了西气东输二线府河大口径、长距离、入土端含卵砂石条件下的水平定向钻穿越设计与施工的研究。其中，导向孔钻进：(1)选用牙轮钻头进行钻进。钢套管中每10m设置一处扶正套管，确保钻杆与钢套管的同心度。控向系统采用精度高、偏差小的 SHAREWELL。通过地表接收器接收无线探头内发出的信号，确定钻头位置，监控钻孔曲线。(2)钻进过程中，实时绘制钻进曲线，当发现钻进轨迹偏移设计轨迹时，及时调整钻进方向。(3)为防止抱死，采用DN250钢套管，加强钻杆强度，并每隔100m安装喷浆短节，增加钻杆和钻孔之间的润滑。扩孔及洗孔：府河穿越段管线采用D1219×22mm X80材质直缝埋弧焊钢管，导向孔孔径需要扩至1.8m。扩孔过程中严格控制牙轮的使用时间和钻进长度，防止牙轮掉落在孔洞中。扩孔时，每扩完一根钻杆，钻机端卸下一根钻杆，出土端便安装一根钻杆，如此反复，完成扩孔8次以上，达到1.8m孔径。每完成一次扩孔，需要采用小一级的扩孔器洗孔，然后继续加大一级扩孔，直至完成扩孔。
中国石油天然气管道局穿越分公司吴益泉等人进行了3300m长江天然气大口径管道穿越工程的研究。主要技术措施：①确定合理的钻具组合,研发并应用了φ193.7mm（S-135）高强度钻杆,采用了全程导向电缆技术及旋转磁铁对接技术,完成了导向孔施工；②采用可抗大扭矩的φ168.3mm（V-150）钻杆,优化了扩孔器构造,改进了水力参数的选择,降低了扩孔扭矩,完成了扩孔施工,同时极大地提高了扩孔效率；③设计专门针对大吨位回拖阻力的特殊地锚,并通过漂管作业、加入高效润滑剂、采用玻璃钢防腐技术保护管道外防腐层的技术措施,保证了回拖施工顺利完成；④优选钻井液配方,保证了孔洞的稳定及钻屑的顺利返排；⑤应用离心机回收处理钻井液系统,保证了回收钻井液的质量。
上述这些工程中，没有对钻孔的水平精度提出严格控制的情况。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种采用空气潜孔锤钻进措施完成对水平孔两端有精确对心要求且基本为直线型的水平孔钻孔施工、并能完成高精度大口径水平孔的钻进方法。
技术方案：(1)精准定位：采用激光全站仪与激光标线仪、数字水平仪联合调控钻机上钻臂方位、水平度及开孔轴线，控制精度：开孔中心点误差小于5mm，轴线水平方位误差小于1‰，水平度误差小于0.05；(2)固结钻机：钻孔周边设置4个埋深大于1m且方向与钻孔轴线基本一致的Φ25mm锚杆，钻机调整就位后，将锚杆与钻臂孔口端焊接固定，其钻臂后端采用钢结构固定；(3)导向孔钻进：①导向孔稳直钻进—导向孔稳直钻具组合：Φ115mm钻头+Φ100mm冲击器+Φ114mm双扶正钻杆+Φ114mm单扶正钻杆(1～多根)+Φ102mm钻杆；稳直钻进工艺：匀速推进，进尺10～20cm左右回退钻具，反复推拉钻具排渣；②导向孔纠斜钻进—纠斜钻具组合：Φ115mm钻头+Φ100mm冲击器+Φ102mm、1°弯钻杆+Φ102mm钻杆；纠偏钻进工艺：通过测斜掌握前一段钻孔的偏斜方位后，下入弯钻杆，弯钻杆的高边与钻孔偏斜方位呈180°，只冲击但不回转，钻进进尺30cm～50cm后，提钻去除弯钻杆，再采用直孔钻具组合钻进；③导向孔直孔钻进—直孔钻具组合：Φ115mm钻头+Φ100mm冲击器+多根Φ102mm钻杆；直孔钻进工艺与稳直钻进工艺相同；(4)导向孔轴线检测—每钻进2～3m左右后提钻对导向孔裸孔进行轴线检测；轴线检测的方法是：采用设计的孔内标心装置，先将其安放在孔口，通过设计安置于钻臂上的激光全站仪与该标心装置对心，以此为零点，之后将该标心装置向孔内每推进0.5m检测一次，至到获得标心装置在到达当前孔底时的数据，依此数据判断钻孔轴线与孔口中心点的偏差情况，据此作出下一回次采取的稳直或纠斜的钻进工艺； (5)导向孔完工后，采用上述特制钻孔测量机具、方法精确测量钻孔全部轴线，计算出钻孔轴线总偏差，对钻孔轴线偏差超标部位采用潜孔锤冲击纠偏钻进方法进行局部强力纠编或局部扩孔后予以修正；(6)同轴线扩孔钻进：导向孔完工后，钻机原地不动，更换设计的多孔径孔口导向装置，进行扩孔钻进；扩孔扩孔钻具组合：Φ305mm导向扩孔钻头+Φ273mm冲击器+Φ290mm螺旋钻杆；扩孔钻进工艺：空压机风压为2.1MPa，风量为30m3/min，钻头转速为45r/min；匀速推进，反复推拉螺旋钻具排渣，当扩孔钻头中心柱在导向孔内时向前钻进。
有益效果：本发明可在抗压强度200MPa以下的硬岩地层中，采用空气潜孔锤钻进措施，完成大于Φ300mm口径的水平钻孔，其轴线偏差最优可控制在3‰以下，孔深可达20m。该施工方法尤其对抗压强度在80～200MPa的硬岩地层中，具有钻进效率高、水平孔直线度水平度精度较高的优势。
附图说明
图1为本发明的工艺实施流程图。
具体实施方式
本发明的目的是这样实现的：(1)精准定位。采用激光全站仪与激光标线仪、数字水平仪联合调控钻机上钻臂方位、水平度及开孔轴线，控制精度：开孔中心点误差小于5mm；轴线水平方位误差小于1‰；水平度误差小于0.05。(2)固结钻机。钻孔周边设置4个埋深大于1m且方向与钻孔轴线基本一致的Φ25锚杆，钻机调整就位后，将锚杆与钻臂孔口端焊接固定，其钻臂后端采用钢结构固定。保证开钻后，钻机钻臂与钻孔轴线保持刚性固结关系。(3)高精度导向孔钻进。①导向孔稳直钻进。导向孔稳直钻具组合：Φ115mm钻头+Φ100mm冲击器+Φ114mm双扶正钻杆+Φ114mm单扶正钻杆(1～多根)+Φ102mm钻杆。稳直钻进工艺：匀速推进，进尺10～20cm左右回退钻具，反复推拉钻具排渣。②导向孔纠斜钻进。纠斜钻具组合：Φ115mm钻头+Φ100mm冲击器+Φ102mm、1°弯钻杆+Φ102mm钻杆。纠偏钻进工艺：通过测斜掌握前一段钻孔的偏斜方位后，下入弯钻杆，弯钻杆的高边与钻孔偏斜方位呈180°，只冲击不回转钻进进尺30cm～50cm后，提钻去除弯钻杆，再采用直孔钻具组合钻进。③导向孔直孔钻进。直孔钻具组合：Φ115mm钻头+Φ100mm冲击器+多根Φ102mm钻杆。直孔钻进工艺与稳直钻进工艺相同。(4)导向孔轴线检测。一般每钻进2～3m左右即应提钻对导向孔裸孔进轴线检测，在保直性较好的地层中，其检测间隔距离可酌情大于3m。轴线检测的方法是：采用设计的孔内标心装置，先将其安放孔口，通过设计安置于钻臂上的激光全站仪与该标心装置对心，以此为零点，之后将该标心装置向孔内每推进0.5m检测一次，至到获得标心装置到达当前孔底时数据，依此数据可判断钻孔轴线与孔口中心点的偏差情况，据此可作出下一回次应采取的钻进工艺(稳直或纠斜)。该检测读数误差小于1mm、测点误差小于5mm。该检测方法可在轴线偏差小于导向孔半径的钻孔内应用。(5)导向孔完工后，采用上述特制钻孔测量机具、方法精确测量钻孔全部轴线，计算出钻孔轴线总偏差，对钻孔轴线偏差超标部位采用潜孔锤冲击纠偏钻进方法进行局部强力纠编或局部扩孔后予以修正。(6)同轴线扩孔钻进。导向孔完工后，钻机原地不动，更换设计的多孔径孔口导向装置，进行扩孔钻进。扩孔扩孔钻具组合：Φ305mm导向扩孔钻头+Φ273mm冲击器+Φ290mm螺旋钻杆。扩孔钻进工艺：空压机风压2.1MPa、风量30m3/min，钻头转速45r/min。匀速推进，反复推拉螺旋钻具排渣，保证扩孔钻头中心柱在导向孔内时方可向前钻进。当钻孔孔径要求更大时可采用多级扩孔钻进。因扩孔钻进均沿原导向孔轴线钻进，故扩孔钻孔均与导向孔轴线偏差相同。

Claims (1)

1.一种高精度大口径水平孔钻进方法，其特征在于：(1)精准定位：采用激光全站仪与激光标线仪、数字水平仪联合调控钻机上钻臂方位、水平度及开孔轴线，控制精度：开孔中心点误差小于5mm，轴线水平方位误差小于1‰，水平度误差小于0.05；(2)固结钻机：钻孔周边设置4个埋深大于1m且方向与钻孔轴线基本一致的Φ25mm锚杆，钻机调整就位后，将锚杆与钻臂孔口端焊接固定，其钻臂后端采用钢结构固定；(3)导向孔钻进：①导向孔稳直钻进—导向孔稳直钻具组合：Φ115mm钻头+Φ100mm冲击器+Φ114mm双扶正钻杆+Φ114mm单扶正钻杆(1～多根)+Φ102mm钻杆；稳直钻进工艺：匀速推进，进尺10～20cm左右回退钻具，反复推拉钻具排渣；②导向孔纠斜钻进—纠斜钻具组合：Φ115mm钻头+Φ100mm冲击器+Φ102mm、1°弯钻杆+Φ102mm钻杆；纠偏钻进工艺：通过测斜掌握前一段钻孔的偏斜方位后，下入弯钻杆，弯钻杆的高边与钻孔偏斜方位呈180°，只冲击但不回转，钻进进尺30cm～50cm后，提钻去除弯钻杆，再采用直孔钻具组合钻进；③导向孔直孔钻进—直孔钻具组合：Φ115mm钻头+Φ100mm冲击器+多根Φ102mm钻杆；直孔钻进工艺与稳直钻进工艺相同；(4)导向孔轴线检测—每钻进2～3m左右后提钻对导向孔裸孔进行轴线检测；轴线检测的方法是：采用设计的孔内标心装置，先将其安放在孔口，通过设计安置于钻臂上的激光全站仪与该标心装置对心，以此为零点，之后将该标心装置向孔内每推进0.5m检测一次，至到获得标心装置在到达当前孔底时的数据，依此数据判断钻孔轴线与孔口中心点的偏差情况，据此作出下一回次采取的稳直或纠斜的钻进工艺； (5)导向孔完工后，采用上述特制钻孔测量机具、方法精确测量钻孔全部轴线，计算出钻孔轴线总偏差，对钻孔轴线偏差超标部位采用潜孔锤冲击纠偏钻进方法进行局部强力纠编或局部扩孔后予以修正；(6)同轴线扩孔钻进：导向孔完工后，钻机原地不动，更换设计的多孔径孔口导向装置，进行扩孔钻进；扩孔扩孔钻具组合：Φ305mm导向扩孔钻头+Φ273mm冲击器+Φ290mm螺旋钻杆；扩孔钻进工艺：空压机风压为2.1MPa，风量为30m3/min，钻头转速为45r/min；匀速推进，反复推拉螺旋钻具排渣，当扩孔钻头中心柱在导向孔内时向前钻进。
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