CN110714723A - 一种大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺及管道安装工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺及管道安装工艺，所述扩孔工艺包括以下步骤：将安装有具有自扶正引导功能扩孔器的钻杆下入待扩孔道中，使所述扩孔器的扶正桶和前方待扩孔道的内壁接触；驱动钻杆带动所述扩孔器旋转扩孔，在所述扩孔器的牙轮切削待扩孔道土体时，通过上部钻杆内部并经由所述扩孔器的第一、第二、第三介质流道向牙轮提供扩孔介质辅助扩孔，形成目标孔道；其中，所述具有自扶正引导功能扩孔器包括主轴、多个牙轮、多个扶正筋、一个或多个牙轮加强筋以及依次套装固定在主轴上的基座和扶正桶。本发明具有能够适应较大直径范围孔道扩孔，成孔质量高等优点。

Description

一种大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺及管道安装工艺

技术领域

本发明涉及油气田油气管道地面建设中的大型长输管道定向钻穿越施工，属于钻井或钻探工程技术领域。具体来讲，涉及一种大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺及管道安装工艺。

背景技术

目前，水平定向钻由于其主要在距地面30m以内的地层中穿越，穿越地层破碎复杂，特别是接近地面的入土及出土段多为风化或全风化地层，给定向钻及扩孔工艺带来困难。而目前对水平定向钻施工要求不断提高，直径1000mm及以上的定向钻工程越来越多，进行大型定向钻扩孔时，现有大直径扩孔器因自身重量较大，扩孔时有下坠趋势，特别是进行多级扩孔时对孔道的形状带来更大影响，成孔形状多为上小下大的梨形孔，成孔质量不利于管道回拖，严重影响到回拖成功率及管道防腐层，尤其是对砂层、泥岩等软性地质，形成梨形孔趋势就更为明显。同时，这种扩孔器也不具备自扶正引导功能，需要外加扶正器来对扩孔器沿孔道轴心线方向进行扶正引导。然而，外加扶正器又会增加连接结构和孔内钻杆的重量，增加了钻杆断裂风险。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。

例如，本发明的目的之一在于解决大直径扩孔器在成孔过程中因下坠等原因而易形成不规则孔洞(例如，梨形孔)的问题。本发明的另一目的在于提供一种能够提高大直径定向钻扩孔成孔质量，降低管道回拖过程风险的管道安装工艺。本发明的进一步目的在于提供一种能够适用于地层深度在30m以内，目标孔道直径在1050mm甚至1200mm以上的扩孔工艺及管道安装工艺。

为了实现上述目的，本发明提供了一种大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺，所述扩孔工艺包括以下步骤：将安装有具有自扶正引导功能扩孔器的钻杆下入待扩孔道中，使所述扩孔器的扶正桶和前方待扩孔道的内壁接触；驱动钻杆带动所述扩孔器旋转扩孔，在所述扩孔器的牙轮切削待扩孔道土体时，通过上部钻杆内部并经由所述扩孔器的第一、第二、第三介质流道向牙轮提供扩孔介质辅助扩孔，形成目标孔道。其中，所述具有自扶正引导功能扩孔器包括主轴、多个牙轮、多个扶正筋、一个或多个牙轮加强筋以及依次套装固定在主轴上的基座和扶正桶，其中，所述主轴包括第一介质流道、第二介质流道和轴身，轴身具有用于与上游钻杆连接的左端、以及用于与下游钻具连接的右端，所述第一介质流道沿轴向贯穿设置在轴身中，所述第二介质流道贯穿设置在轴身中并与所述第一介质流道交叉且连通；所述基座具有内腔、多个牙轮座、以及与所述多个牙轮座的数量相等的第三介质流道，所述内腔将所述主轴的第二介质流道与每个第三介质流道分别连通，每个第三介质流道对应设置在所述多个牙轮座中的一个牙轮座处；所述多个牙轮中的每个牙轮固定设置在所述多个牙轮座中的一个牙轮座上，并能够承受该牙轮座所对应的第三介质流道提供的扩孔介质；所述一个或多个牙轮加强筋设置在基座的右侧并能够将基座或每个牙轮与主轴的轴身连接；所述扶正桶与基座的左侧和主轴的部分轴身密封固定连接，以形成可用于充气以产生浮力的气体腔；

所述多个扶正筋分别设置在所述扶正桶的外桶壁上，且所述多个扶正筋的长度延伸方向不与扶正桶的轴心线平行。

在本发明的一个示例性实施例中，当一次扩孔不能达到目标孔径时，重复上述扩孔步骤进行多级扩孔直到达到目标孔径。

在本发明的一个示例性实施例中，所述一个或多个牙轮加强筋可以呈类锥桶状结构，并且所述类锥桶状结构的小端和大端可分别依次与主轴的轴身和基座的右侧密封固定连接，以形成可充气并产生浮力的气腔。

在本发明的一个示例性实施例中，所述类锥桶状结构的气腔中可以为空气或氮气。

在本发明的一个示例性实施例中，所述扶正桶的气体腔大小可根据所扩孔的直径和需要的浮力来确定。

在本发明的一个示例性实施例中，所述扶正桶直径为1000～1350mm，所述主轴直径为150～240mm，所述基座直径等效为1000～1300mm，所述扩孔器形成孔的直径为1100～1500mm。

在本发明的一个示例性实施例中，所述扶正桶长度可以为500～1200mm，所述主轴长度可以为1300～2500mm，所述基座厚度等效可以为100～300mm。

在本发明的一个示例性实施例中，所述扩孔器能够利用扶正桶外桶壁和/或所述多个扶正筋与孔道内壁的接触来引导扩孔器沿前方待扩孔的孔道前进。

在本发明的一个示例性实施例中，所述基座的多个牙轮座可沿周向均匀布设。

本发明的另一方面提供了一种大型长输管道定向钻穿越管道安装工艺。所述安装工艺包括以下步骤：采用如上所述的扩孔工艺形成目标孔道；将直径小于目标孔道直径的另一扩孔器一端与钻杆连接，另一端通过分动器与待安装管道连接，将钻杆、另一扩孔器和待安装管道一同下入目标孔道中；驱动钻杆带动所述另一扩孔器在目标孔道中旋转前进，另一扩孔器拖动待安装管道在目标孔道中前进；其中，所述分动器能够避免待安装管道随所述另一扩孔器一同旋转。

附图说明

图1示出了根据本发明的一种大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺一个示例性实施例的工艺流程图；

图2示出了采用现有扩孔器形成的梨形孔道图；

图3示出了根据本发明方法的一个示例性实施例所使用的具有自扶正引导功能扩孔器的结构示意图；

图4示出了图3中扶正桶腔体的结构示意图；

图5示出了图3中扩孔器的实物图；

图6示出了根据本发明的一种大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺一个示例性实施例中形成的圆形孔道图。

附图标记：

1-主轴、2-扶正桶、3-扶正筋、4-牙轮、5-基座、6-牙轮加强筋、A-自浮定位导向部分、B-成孔切削部分、C-钻杆连接部分。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例和附图来详细说明本发明的一种大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺及管道安装工艺。需要说明的是，“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“左”、“右”、“内”、“外”仅仅为为了便于描述和构成相对的方位或位置关系，而并非指示或暗示所指的部件必须具有该特定方位或位置。

图1示出了根据本发明的一种大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺一个示例性实施例的工艺流程图。

在本发明的一个示例性实施例中，如图1中所示，所述扩孔工艺包括以下步骤：

首先，根据待扩孔道的直径，选择对应直径的具有自扶正引导功能扩孔器。这里，扩孔器的直径是指扩孔器的最大切削直径，扩孔器的直径可以选择为待扩孔道的直径加上200～400mm，根据待扩孔道土层的软硬程度和含水量等条件综合进行确定。然后，将具有自扶正引导功能扩孔器与钻杆连接并下入待扩孔道中，使扩孔器的扶正桶和前方待扩孔道的内壁接触，通过扶正桶对扩孔器在待扩孔道中轴向和径向方向进行扶正引导。

驱动钻杆带动扩孔器旋转扩孔，在扩孔器的牙轮旋转切削待扩孔道土体时，来自上部钻杆中的扩孔介质通过扩孔器上的第一、第二、第三介质流道流向牙轮辅助扩孔，形成目标孔道。这里，是否需要通扩孔介质辅助扩孔以及扩孔介质的用量根据待扩孔道的实际情况进行确定。

在本发明的又一个示例性实施例中，当需要形成的目标孔道的直径较大时，通过一次扩孔难以实现，可以通过重复进行上一个实施例中扩孔步骤的多级扩孔来形成目标孔道。这里，完成一级扩孔后，根据最新形成的待扩孔道的直径来选择相应直径的扩孔器，重新将带有扩孔器的钻杆下入待扩孔道中进行下一级扩孔。大直径孔道(尤其1000mm以上孔道)成型是通过多级扩孔方式实现的，而上一级孔道的成孔质量又会对下一级孔道产生影响，因此，每一级孔道的成孔质量都很关键，需要对每一级孔道的成孔质量进行严格把控。

在本发明的另一个示例性实施例中，大型长输管道定向钻穿越管道安装工艺包括以下步骤：

采用第一个或第二个实施例中的扩孔工艺对待扩孔道进行扩孔形成需要的目标孔道。形成目标孔道后，将直径小于目标孔道直径的另一扩孔器的一端与钻杆连接，另一端通过分动器与待安装管道连接，将钻杆、另一扩孔器和待安装管道一同下入目标孔道中。这里，待安装管道和另一扩孔器通过分动器进行连接，分动器的作用是使另一扩孔器能够相对带安装管道旋转，避免待安装管道在目标孔道中随另一扩孔器一同旋转。

驱动钻杆带动另一扩孔器在目标孔道中旋转前进，另一扩孔器拖动与其连接的待安装管道在目标孔道中一同前进，以完成管道安装。这里为了保证管道顺利安装，目标孔道的直径应为待安装管道直径的1.3～1.5倍及以上。

图3示出了根据本发明方法的一个示例性实施例所使用的具有自扶正引导功能的扩孔器的结构示意图；图4示出了图3中扶正桶腔体的结构示意图。

在本实施例中，如图3中所示，一种大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺采用的扩孔器包括主轴1、多个牙轮4、多个扶正筋3、一个或多个牙轮加强筋6以及依次套装固定在主轴1上的基座5和扶正桶2。

主轴1为圆柱形筒体。例如，优选的主轴的直径可以为150～240mm，主轴的长度可以为1300～2500mm。主轴1的左端与上游钻杆固定连接，以传递上游钻杆产生的旋转扭矩。例如，主轴左端可以为外螺纹结构，与上游钻杆的内螺纹形成固定连接随上游钻杆转动而转动。主轴1右端用于与下游钻具连接，主轴1右端可以为内螺纹结构。

主轴1内部具有供扩孔介质流过的第一介质流道即主轴1内部的中空通道，第一介质流道贯穿整个主轴1。在主轴1的轴身上设有开孔，所述开孔与第一介质流道连通形成第二介质流道。这里，第一介质流道轴向方向和第二介质流道轴向方向相互交叉，来自上游钻杆的扩孔介质能够通过第一介质流道进入第二介质流道中。优选的，第一介质流道轴向方向可以与第二介质流道轴向方向垂直。

基座5为类圆饼状结构，基座5内部设有内腔结构，基座5上沿类圆饼结构周向均匀分布设置有多个用于安装牙轮的牙轮座，每个牙轮座上都设有相应的供扩孔介质流过的第三介质流道。主轴1上的开孔位于基座5的内腔中，使得基座5的内腔能够将主轴1上的第二介质流道与每个第三介质流道分别连通。这里，优选的基座的直径可以等效为300～1400mm，进一步地，基座的直径可以等效为1000～1300mm；基座的厚度可以等效为100～300mm，牙轮座的数量可以为4～12个，相应的第三介质流道的数量可以为4～12个。然而，本发明不限于此，基座也可以为其它形状，只要能实现安装牙轮和形成供扩孔介质流出的通道即可。

多个牙轮4中的每个牙轮4均固定安装在基座5上对应的牙轮座上，来自上游钻杆的扩孔介质依次通过第一介质流道、第二介质流道、基座5的内腔结构以及第三介质流道后喷射在每个牙轮4上，对扩孔过程中每个牙轮4进行润滑。例如，优选的牙轮座的数量可以为4～12个，所扩孔的直径可以为400～1800mm，进一步地，所扩孔的直径可以为1100～1500mm。这里，牙轮和牙轮座的连接方式可以为焊接。然而，本发明不限于此，只要能实现基座和牙轮的固定安装即可。

牙轮加强筋6设置在基座5的右侧，牙轮加强筋可以作用于基座5右侧端面上将基座5与主轴1的轴身固定连接，也可以直接作用于每个牙轮4上将每个牙轮4与主轴1的轴身固定连接。这里，牙轮加强筋可以为一个整体的类锥形结构，也可以为多个由单一部件组成的类锥形结构。牙轮加强筋类锥形结构大的一端与基座右侧端面固定密封连接，类锥形结构小的一端与主轴轴身固定密封连接，从而在牙轮加强筋、基座以及主轴轴身之间形成密封的气腔。气腔中的气体可以为空气或氮气，扩孔时该气腔能够在泥浆中产生浮力，抵消扩孔器所受的部分重力。这里，牙轮加强筋与基座或牙轮、牙轮加强筋与主轴的连接方式可以为焊接，牙轮加强筋使得牙轮在扩孔过程中能够保持刚性，避免扩孔器损坏。然而，本发明不限于此，牙轮加强筋也可以为其它形状，只要能实现增加牙轮的强度即可。

在本实施例中，如图4中所示，扶正桶2为一端带圆锥形筒体，扶正桶2的腔体左端为圆锥结构，圆锥锥顶部位设有与主轴轴身连接的开口；腔体右端为圆筒结构，圆锥结构非锥顶一端与右端圆筒结构开口固定密封连接。扶正桶2右端圆筒与基座5的左侧端面密封固定连接，扶正桶2左端圆锥开口与主轴1的部分轴身密封固定连接，使得主轴1轴身外部、扶正桶2腔体内部以及基座5左端面之间形成密封的气体腔，该气体腔可以使扶正桶在泥浆中产生浮力抵消扩孔器所受的部分重力。同时，扶正桶气体腔的大小可以根据扩孔器所扩孔的直径和需要的浮力来进行确定。优选的，扶正桶的直径可以为300～1500mm，进一步地，扶正桶的直径可以为1000～1350mm扶正桶的长度可以为500～1200mm，扶正桶气体腔中气体可以为空气或者氮气。这里，扶正桶与基座、扶正桶与主轴的连接方式可以为焊接。然而，本发明不限于此，扶正桶也可以为其它形状，只要能形成可以充气的密封气体腔并能够在泥浆中产生浮力即可。

此外，扶正桶的外桶壁上还可设有多个扶正筋，所述多个扶正筋的长度延伸方向与扶正桶的轴心线呈交叉状设置，呈一定角度。这里，通过设置多个扶正筋且扶正筋长度延伸方向与扶正桶轴心线不平行设置，可以使扩孔器在扩孔过程中利用扶正筋的角度更好的排出孔道前方淤积的泥渣。扩孔时，扩孔器左端扶正桶先与上一级完成的孔道内壁接触，利用扶正桶外桶壁与孔道内壁的接触或多个扶正筋与孔道内壁接触，来引导扩孔器沿前方待扩孔的孔道前进。于此同时，后端牙轮部分与待扩孔道接触后切削孔道，形成本级需要扩制的孔道。也可以通过扶正桶外桶壁和多个扶正筋同时与孔道内壁的接触共同引导扩孔器沿前方待扩孔的孔道前进，后端牙轮部分同时切削待扩孔道，形成本级需要扩制的孔道。这里，扶正筋可以为由上、下两部分组成的长方体结构，所述长方体上部分为实心且外表面带有纹路，长方体下部分为中空结构且能够与扶正桶外壁面形成小腔体，该小腔体也能起到在泥浆中产生浮力进行扶正的作用。例如，扶正筋与扶正桶的连接方式可以为焊接，然而本发明不限于此，扶正筋也可以为其它形状，只要能实现扶正筋与扶正桶的连接并且具有扶正作用即可。

图5示出了图3中扩孔器的实物图。如图5中所示，A表示自浮定位导向部分，其由扶正桶2和多个扶正筋3构成；B表示扩孔切削部分，其由基座5和多个牙轮4构成；C表示钻杆连接部分，其为主轴1构成，钻杆的连接方式主要为螺纹连接。

图2示出了采用现有扩孔器形成的梨形孔道图。如图2中所示，现有扩孔器在成孔过程中常因自身重量过大而在孔内形成梨形孔道，影响成孔质量，犁形孔道对管道回拖带来较大隐患。图6示出了根据本发明的一种大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺一个示例性实施例中形成的圆形孔道图。如图6中所示，采用本发明的一种大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺形成的孔道与采用图2中常规扩孔器形成孔道相比，梨形趋势改善明显，说明本发明中的扩孔器具有较好的自扶正引导功能。此外，一种大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺不必再外加引导扶正装置来对扩孔器在孔道中沿孔道轴心线的方向进行扶正，减少了外加扶正引导装置多出来的连接结构，降低了钻杆扩孔过程中断裂的风险。

进行扩孔时，上游钻杆带动主轴1旋转，主轴1带动与之连接的扶正桶2、扶正筋3、基座5、基座加强筋6和牙轮4在孔道中一起旋转进行扩孔，来自上游钻杆的扩孔介质通过主轴1中的第一介质流道，经第二介质流道进入基座5的内腔中，经第三介质流道流出扩孔器并喷射在牙轮4上辅助扩孔器进行扩孔。

综上所述，本发明的一种大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺及管道安装工艺具有以下优点：

1、该扩孔工艺利用不同直径扩孔器进行单级或多级扩孔，应用范围广，能够适应较大直径范围孔道扩孔要求；

2、使用的扩孔器具有自扶正引导功能，可以不必外加扶正引导装置，减少了一级连接结构，降低了扩孔过程中钻具断裂风险；

3、扩孔完成后及时进行管道安装，减少了因孔道坍塌造成的重复扩孔作业。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (10)

1.一种大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺，其特征在于，所述扩孔工艺包括以下步骤：

将安装有具有自扶正引导功能扩孔器的钻杆下入待扩孔道中，使所述扩孔器的扶正桶和前方待扩孔道的内壁接触；

驱动钻杆带动所述扩孔器旋转扩孔，在所述扩孔器的牙轮切削待扩孔道土体时，通过上部钻杆内部并经由所述扩孔器的第一、第二、第三介质流道向牙轮提供扩孔介质辅助扩孔，形成目标孔道；

其中，所述具有自扶正引导功能扩孔器包括主轴、多个牙轮、多个扶正筋、一个或多个牙轮加强筋以及依次套装固定在主轴上的基座和扶正桶，其中，

所述主轴包括第一介质流道、第二介质流道和轴身，轴身具有用于与上游钻杆连接的左端、以及用于与下游钻具连接的右端，所述第一介质流道沿轴向贯穿设置在轴身中，所述第二介质流道贯穿设置在轴身中并与所述第一介质流道交叉且连通；

所述基座具有内腔、多个牙轮座、以及与所述多个牙轮座的数量相等的第三介质流道，所述内腔将所述主轴的第二介质流道与每个第三介质流道分别连通，每个第三介质流道对应设置在所述多个牙轮座中的一个牙轮座处；

所述多个牙轮中的每个牙轮固定设置在所述多个牙轮座中的一个牙轮座上，并能够承受该牙轮座所对应的第三介质流道提供的扩孔介质；

所述一个或多个牙轮加强筋设置在基座的右侧并能够将基座或每个牙轮与主轴的轴身连接；

所述扶正桶与基座的左侧和主轴的部分轴身密封固定连接，以形成可用于充气以产生浮力的气体腔；

所述多个扶正筋分别设置在所述扶正桶的外桶壁上，且所述多个扶正筋的长度延伸方向不与扶正桶的轴心线平行。

2.根据权利要求1所述大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺，其特征在于，当一次扩孔不能达到目标孔径时，重复上述扩孔步骤进行多级扩孔直到达到目标孔径。

3.根据权利要求1所述的大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺，其特征在于，所述一个或多个牙轮加强筋呈类锥桶状结构，并且所述类锥桶状结构的小端和大端分别依次与主轴的轴身和基座的右侧密封固定连接，以形成可充气并产生浮力的气腔。

4.根据权利要求3所述的大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺，其特征在于，所述类锥桶状结构的气腔中为空气或氮气。

5.根据权利要求1所述的大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺，其特征在于，所述扶正桶的气体腔大小根据所扩孔的直径和需要的浮力来确定。

6.根据权利要求1所述的大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺，其特征在于，所述扶正桶直径为1000～1350mm，所述主轴直径为150～240mm，所述基座直径等效为1000～1300mm，所述扩孔器形成孔的直径为1100～1500mm。

7.根据权利要求1所述的大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺，其特征在于，所述扶正桶长度为500～1200mm，所述主轴长度为1300～2500mm，所述基座厚度等效为100～300mm。

8.根据权利要求1所述的大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺，其特征在于，所述扩孔器能够利用扶正桶外桶壁和/或所述多个扶正筋与孔道内壁的接触来引导扩孔器沿前方待扩孔的孔道前进。

9.根据权利要求1所述的大型长输管道定向钻穿越扩孔工艺，其特征在于，所述基座的多个牙轮座沿周向均匀布设。

10.一种大型长输管道定向钻穿越管道安装工艺，其特征在于，所述安装工艺包括以下步骤：

采用如权利要求1～9中任意一项所述的扩孔工艺形成目标孔道；

将直径小于目标孔道直径的另一扩孔器一端与钻杆连接，另一端通过分动器与待安装管道连接，将钻杆、另一扩孔器和待安装管道一同下入目标孔道中；

驱动钻杆带动所述另一扩孔器在目标孔道中旋转前进，另一扩孔器拖动待安装管道在目标孔道中前进；

其中，所述分动器能够避免待安装管道随所述另一扩孔器一同旋转。

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