CN114033309B - 一种水平定向钻修孔系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水平定向钻修孔系统，涉及水平定向钻进技术领域；水平定向钻修孔系统包括：钻机、岩石扩孔器、分动器、修孔管线和反向牵引装置；钻机通过第一钻杆与岩石扩孔器连接，用于驱动岩石扩孔器转动并用于正向牵引岩石扩孔器；岩石扩孔器与分动器连接；分动器与修孔管线的一端连接；修孔管线的另一端通过第二钻杆与反向牵引装置连接；反向牵引装置用于反向牵引岩石扩孔器；反向牵引装置与钻机配合，使得岩石扩孔器能够在平衡牵引力下修孔；本发明还提出一种水平定向钻修孔方法，能够对已成形钻孔孔壁的有效修孔，使得修孔轨迹更接近于实际管线的回拖轨迹。

Description

一种水平定向钻修孔系统及方法
技术领域
本发明涉及水平定向钻进技术领域，尤其涉及一种水平定向钻修孔系统及方法。
背景技术
随着社会、经济的发展，我国城市规模不断扩大，基础设施也不断完善，城市的供水、燃气、电力、通讯、石油等地下管线铺设数量空前增加。地下管线是一个城市赖以发展的“生命线”，因此地下管线的施工方案和建设水平常常标志着一个国家的基建能力和现代化水平。开挖施工一方面容易阻塞交通、产生安全隐患并破坏城市环境；另一方面造成市政设施的重复养护，浪费难以估量。非开挖技术的出现解决了这个问题。
水平定向钻进作为一种非开挖技术，因其施工安全、工期快捷、经济效益好、社会效益大、对周边交通和环境影响小等优越性和技术特点，在地下管线铺设工程中具有举足轻重的工程意义。
然而，在含孤石的风化岩及粘土层进行水平定向钻铺管时，还存在许多不可预估的风险。由于孤石的存在，在扩孔过程中，扩孔器受孤石影响，切削方向将发生变化，使钻孔出现“S”型弯曲，钻孔轨迹与设计轨迹出现偏差，从而导致在管道回拖过程中，易发生扭矩不稳及卡管等问题；且土层夹孤石导致地质软硬变化较大，易使原钻孔曲率发生改变，提升管道回拖难度。
发明内容
本发明旨在解决现有水平定向钻系统中扩孔器因受孤石影响，引起切削方向发生变化，使得钻孔轨迹与设计轨迹出现偏差，导致管道回拖时易发生扭矩不稳及卡管的技术问题。
本发明提供一种水平定向钻修孔系统，包括：钻机、岩石扩孔器、分动器、修孔管线和反向牵引装置；
所述钻机通过第一钻杆与所述岩石扩孔器连接，用于驱动所述岩石扩孔器转动并用于正向牵引所述岩石扩孔器；所述岩石扩孔器与所述分动器连接；所述分动器与所述修孔管线的一端连接；所述修孔管线的另一端通过第二钻杆与所述反向牵引装置连接；
所述反向牵引装置用于反向牵引所述岩石扩孔器；所述反向牵引装置与所述钻机配合，使得所述岩石扩孔器能够在平衡牵引力下修孔。
进一步地，所述反向牵引装置包括滑轮组和卷扬机；所述卷扬机通过所述滑轮组与所述第二钻杆的一端连接。
进一步地，所述滑轮组的倍率为8～12。
进一步地，所述修孔管线的两端分别设置有第一卸扣和第二卸扣；所述修孔管线的一端通过所述第一卸扣与所述分动器连接，另一端通过所述第二卸扣与所述第二钻杆的一端连接。
进一步地，所述水平定向钻修孔系统还包括U型环；所述分动器通过所述U型环与所述第一卸扣连接。
本发明还提出一种采用上述水平定向钻修孔系统的修孔方法，包括如下步骤：
S1、通过地质勘察报告和设计管线轨迹，确定钻孔通道所穿越的夹杂风化孤石段的数量以及各夹杂风化孤石段的长度；
S2、根据所述夹杂风化孤石段的长度，确定所述水平定向钻修孔系统中修孔管线的长度；
S3、计算平衡牵引力下修孔所需的回拖力、所述反向牵引力和所述正向牵引力；
S4、采用所述水平定向钻修孔系统，并根据所述反向牵引力和所述正向牵引力进行回拖修孔。
进一步地，步骤S3中，根据公式(1)、公式(2)和公式(3)计算所述回拖力、所述反向牵引力和所述正向牵引力：
F正＝F反+F拖 公式(3)
其中，F拖为回拖力，单位kN；l为所述钻孔通道长度，单位m；L为所述修孔管线长度，单位m；f为摩擦系数，取值为0.1～0.3；g为重力加速度，取值为9.81m/s2；D为所述修孔管线的外径，单位m；d为第一钻杆和第二钻杆的外径，单位m；γ泥为所述钻孔通道中泥浆密度/(t/m3)；δ为所述修孔管线壁厚，单位m；k黏为粘滞系数，取值为0.01～0.03；a为系数，取值为2～5；F正为所述钻机施加的正向牵引力，单位kN；F反为所述反向牵引装置施加的反向牵引力，单位kN；F拖为回拖力，单位kN。
进一步地，所述修孔管线的外径与待铺设管线的外径相等。
进一步地，所述修孔管线的长度比所述钻孔通道中最长的夹杂风化孤石段长10～15米。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实施例中的水平定向钻修孔系统在将修孔管线回拖至含有孤石段和局部“S”型弯曲段的钻孔通道的过程中，通过反向牵引装置向所述第二钻杆、所述修孔管线、所述分动器和所述岩石扩孔器施加反向牵引力，使其在负载荷条件下，实现平衡牵引力修孔，即所述第二钻杆、所述修孔管线、所述分动器、所述岩石扩孔器和所述第一钻杆受到所述钻机施加的正向牵引力等于所述第二钻杆、所述修孔管线、所述分动器、所述岩石扩孔器和所述第一钻杆受到的阻力与所述反向牵引装置施加的反向牵引力之和，使得钻孔通道内的修孔钻具与修孔管线在向入土端(即所述钻机所在的一端)行进过程中，当遇到孔壁凸出孤石、凹坑或者局部“S”型弯曲段时，能够在入土端正向牵引力、孔内阻力与出土端(即所述反向牵引装置所在的一端)反向牵引力的共同作用下，在钻孔通道内克服柔性变形而保持平直状态，进而使得所述岩石扩孔器在行进修孔过程中的前进角度姿态与轨迹不受孔壁凸出孤石、凹坑或者局部“S”型弯曲的影响，始终沿设计导向孔轨迹前进，避免修孔钻具与修孔管线在仅有正向牵引力与摩擦阻力的作用下紧贴且沿着凸出孤石、凹坑表面或者局部“S”型弯曲轨迹前进所产生的无效修孔，从而完成对已成形钻孔孔壁的有效修孔，使得修孔轨迹更接近于实际管线的回拖轨迹，保证修孔后钻孔通道的平滑，为后续铺设管线回拖的顺利进行提供保障。
附图说明
图1为本发明某一实施例中水平定向钻修孔系统的使用状态参考图；
图2为本发明某一实施例中水平定向钻修孔方法的流程示意图；
其中，1、钻机；2、第一钻杆；3、岩石扩孔器；4、分动器；5、U型环；6、第一卸扣；7、修孔管线；8、第二卸扣；9、第二钻杆；10、缆绳；11、滑轮组；12、卷扬机；13、孤石；14、钻孔通道。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种水平定向钻修孔系统，包括：钻机1、岩石扩孔器3、分动器4、修孔管线7和反向牵引装置；
钻机1通过第一钻杆23与岩石扩孔器3连接，用于驱动岩石扩孔器3转动并用于正向牵引岩石扩孔器3；岩石扩孔器3与分动器4连接；分动器4与修孔管线7的一端连接；修孔管线7的另一端通过第二钻杆9与所述反向牵引装置连接；
所述反向牵引装置用于通过第二钻杆9、修孔管线7和分动器4反向牵引岩石扩孔器3；所述反向牵引装置与钻机1配合，使得岩石扩孔器3能够在平衡牵引力下修孔。
具体地，所述反向牵引装置包括滑轮组11和卷扬机12；卷扬机12通过滑轮组11与第二钻杆9的一端连接；卷扬机12通过缆绳10与滑轮组11和第二钻杆9的一端连接；滑轮组11的倍率为8～12。
示例性地，在本实施例中，滑轮组11的倍率为10。
具体地，修孔管线7的两端分别设置有第一卸扣6和第二卸扣8；修孔管线7的一端通过第一卸扣6与分动器4连接，另一端通过第二卸扣8与第二钻杆9的一端连接。
进一步地，所述水平定向钻修孔系统还包括U型环5；分动器4通过U型环5与第一卸扣6连接。
参考图1，钻机1和所述反向牵引装置位于钻孔通道14的两端；钻机1和所述反向牵引装置之间的第一钻杆2、岩石扩孔器3、分动器4、修孔管线7、第二钻杆9均位于钻孔通道14内；钻孔通道14内分布有孤石13。
需要说明的是，钻机1、第一钻杆2、岩石扩孔器3、分动器4、U型环5、第一卸扣6、修孔管线7、第二卸扣8、第二钻杆9、滑轮组11和卷扬机12均为现有技术，故未对上述结构做具体说明；本发明的发明点在于上述结构的组合及使用方法。
参考图2，本发明还提出一种采用上述水平定向钻修孔系统的修孔方法，包括如下步骤：
S1、通过地质勘察报告和设计管线轨迹，确定钻孔通道所穿越的夹杂风化孤石段的数量以及各夹杂风化孤石段的长度；
S2、根据所述夹杂风化孤石段的长度，确定所述水平定向钻修孔系统中修孔管线7的长度；
S3、计算平衡牵引力下修孔所需的回拖力、所述反向牵引力和所述正向牵引力；
S4、采用所述水平定向钻修孔系统，并根据所述反向牵引力和所述正向牵引力进行回拖修孔。
步骤S4中，确定好钻机1和所述反向牵引装置分别需要施加的所述正向牵引力和所述反向牵引力后，分别通过钻机1和所述反向牵引装置正向和反向牵引所述水平定向钻修孔系统，使得岩石扩孔器3和修孔管线7在平衡牵引力下，按照设计的导向孔轨迹前进，从而对已成形钻孔孔壁的有效修孔。
具体地，步骤S3中，根据公式(1)、公式(2)和公式(3)计算所述回拖力、所述反向牵引力和所述正向牵引力：
F正＝F反+F拖 公式(3)
其中，F拖为回拖力，单位kN；l为钻孔通道14长度，单位m；L为修孔管线7长度，单位m；f为摩擦系数，取值为0.1～0.3；g为重力加速度，取值为9.81m/s2；D为修孔管线7的外径，单位m；d为第一钻杆23和第二钻杆9的外径，单位m；γ泥为钻孔通道14中泥浆密度/(t/m3)；δ为修孔管线7壁厚，单位m；k黏为粘滞系数，取值为0.01～0.03；a为系数，取值为2～5；F正为钻机1施加的正向牵引力，单位kN；F反为所述反向牵引装置施加的反向牵引力，单位kN；F拖为回拖力，单位kN。
需要说明的是，第一钻杆23与第二钻杆9的外径相等。
具体地，修孔管线7的外径与待铺设管线的外径相等；修孔管线7的长度比钻孔通道14中最长的夹杂风化孤石段长10～15米；其中最长的夹杂风化孤石段的长度可以在步骤S1中得到。
示例性地，在本实施例中，修孔管线7的长度比钻孔通道14中最长的夹杂风化孤石段长10米。
本发明工序简单，可实现水平定向钻在含有大量孤石漂石或障碍物的复杂地质条件顺利施工，降低了施工风险，有效增加了在复杂地质情况下铺设管线回拖的成功率。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水平定向钻修孔方法，其特征在于，采用水平定向钻修孔系统，水平定向钻修孔系统包括：钻机、岩石扩孔器、分动器、修孔管线和反向牵引装置；
所述钻机通过第一钻杆与所述岩石扩孔器连接，用于驱动所述岩石扩孔器转动并用于正向牵引所述岩石扩孔器；所述岩石扩孔器与所述分动器连接；所述分动器与所述修孔管线的一端连接；所述修孔管线的另一端通过第二钻杆与所述反向牵引装置连接；
所述反向牵引装置用于反向牵引所述岩石扩孔器；所述反向牵引装置与所述钻机配合，使得所述岩石扩孔器能够在平衡牵引力下修孔；
水平定向钻修孔方法包括如下步骤：
S1、通过地质勘察报告和设计管线轨迹，确定钻孔通道所穿越的夹杂风化孤石段的数量以及各夹杂风化孤石段的长度；
S2、根据所述夹杂风化孤石段的长度，确定所述水平定向钻修孔系统中修孔管线的长度；
S3、计算平衡牵引力下修孔所需的回拖力、反向牵引力和正向牵引力，计算公式如下：
；
；
；
其中，为回拖力，单位kN；/>为所述钻孔通道长度，单位m；/>为所述修孔管线长度，单位m；/>为摩擦系数，取值为0.1～0.3；/>为重力加速度，取值为9.81m/s2；/>为所述修孔管线的外径，单位m；/>为第一钻杆和第二钻杆的外径，单位m；/>为所述钻孔通道中泥浆密度，单位t/m3；/>为所述修孔管线壁厚，单位 m；/>为粘滞系数，取值为0.01～0.03；a为系数，取值为2～5；/>为所述钻机施加的正向牵引力，单位kN；/>为所述反向牵引装置施加的反向牵引力，单位kN；
S4、采用所述水平定向钻修孔系统，并根据所述反向牵引力和所述正向牵引力进行回拖修孔。
2.根据权利要求1所述的水平定向钻修孔方法，其特征在于，所述反向牵引装置包括滑轮组和卷扬机；所述卷扬机通过所述滑轮组与所述第二钻杆的一端连接。
3.根据权利要求2所述的水平定向钻修孔方法，其特征在于，所述滑轮组的倍率为8～12。
4.根据权利要求1所述的水平定向钻修孔方法，其特征在于，所述修孔管线的两端分别设置有第一卸扣和第二卸扣；所述修孔管线的一端通过所述第一卸扣与所述分动器连接，另一端通过所述第二卸扣与所述第二钻杆的一端连接。
5.根据权利要求4所述的水平定向钻修孔方法，其特征在于，还包括U型环；所述分动器通过所述U型环与所述第一卸扣连接。
6.根据权利要求1所述的水平定向钻修孔方法，其特征在于，所述修孔管线的外径与待铺设管线的外径相等。
7.根据权利要求1所述的水平定向钻修孔方法，其特征在于，所述修孔管线的长度比所述钻孔通道中最长的夹杂风化孤石段长10～15米。
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