一種水平定向鑽管道穿越反循環鑽進方法及專用鑽頭的製作方法

2023-04-29 03:52:06 1

專利名稱：一種水平定向鑽管道穿越反循環鑽進方法及專用鑽頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種水平定向鑽管道穿越反循環鑽進方法及專用鑽頭，這種水平定向 鑽管道穿越反循環鑽進方法特別適用於進行油氣或市政管道鋪設，屬於非開挖工程領域。
背景技術：
目前，在採用水平定向鑽進鋪設管道施工中，由於施工管道長度和口徑越來越大。 隨著管道長度和鑽孔直徑的增大，擴孔過程中產生的鑽屑也成倍地增多，而且巖層鑽進中 所產生的巖屑粒徑較大，因此巖層鑽進清渣更為困難。特別是對於像西氣東輸二線上的大 直徑、長距離穿越工程項目，如何有效地清除鑽孔內的鑽渣更是個非常困難的問題。一個關 鍵的原因就是鑽孔環狀空間內泥漿的流速非常低，根本達不到有效排渣的最小臨界流速要 求。另外，大型水平定向鑽穿越工程所需要的施工設備也特別龐大，鑽機的扭矩往往 要達到10萬牛米以上，對水平定向鑽進用的鑽機和機具設計製造都提出了很高的要求。現 有的水平定向鑽進工藝方法中存在如下技術經濟問題1)特大井孔、超低流速、高巖屑濃度下的攜砂難題。很難將鑽孔內的泥砂排除幹 淨，尤其是較大顆粒的鑽渣或卵礫石。2)地層的竄漿問題。在鑽進過程中，泥漿需要有一定的壓力才能保證有效地排出 鑽屑，但是水平定向鑽穿越的地層一般15-25m深的淺地層，在壓力作用下，泥漿極易穿透 鬆散的表層土或通過地層裂隙竄漏到地表。3)需要進行多次洗孔作業，消耗大量泥漿材料；如西氣東輸二線某950米的定向 鑽河流穿越項目消耗膨潤土 5000餘噸。4)施工工序多，需要多次洗孔，施工工期較長。5)工程風險大，由於孔內渣土很難清除乾淨，易造成管道回拖失敗。6)由於孔內沉渣較多，泥漿中沙土含量較大，易造成鑽具磨損嚴重、擴孔扭矩過 大，出現卡鑽和鑽具折斷等工程事故。7)由於上述諸多不利影響，使得工程成本較高。

發明內容
為了克服上述現有技術中出現的問題，本發明提供了一種水平定向鑽管道穿越反 循環鑽進方法及專用鑽頭，該工藝方法在傳統鑽井泥漿正循環的基礎上，通過改變鑽孔泥 漿的循環方向，使之與現有技術中泥漿的循環方向正好相反。大大提高了攜帶鑽渣的泥漿 的循環流動速度，能夠有效地排除水平鑽孔中的鑽渣和碎石。採用本發明的工藝方法及鑽 頭，目前困擾大直徑水平定向鑽管道穿越施工的諸多問題都將迎刃而解。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種水平定向鑽管道穿越反循環鑽 進方法，鑽機的鑽杆通過入土坑進入鑽孔環狀空間，鑽孔環狀空間的另一端為出土坑，鑽杆 通過鑽杆接頭與擴孔鑽頭連接，鑽杆內部與擴孔鑽頭內部均為中空的腔體，擴孔鑽頭上設有與鑽孔環狀空間連通的吸渣口，兩腔體、吸渣口和鑽孔環狀空間共同形成泥漿通道，砂石 泵安放於鑽機或者出土坑的外端；當砂石泵安放於鑽機外端時，將入土坑作為泥漿池，砂石 泵經鑽杆與中空的擴孔鑽頭連通，且將擴孔鑽頭靠近出土坑的一端用堵頭封堵；當砂石泵 安放於出土坑外端時，將出土坑作為泥漿池，砂石泵經鑽杆與中空的擴孔鑽頭連通，且將擴 孔鑽頭靠近入土坑的一端用堵頭封堵，鑽進中使泥漿按照泥漿池一鑽孔環狀空間一擴孔鑽 頭一鑽杆一砂石泵一泥漿池的流動方向循環流動。且本發明中可將鑽進中排出的泥漿沉澱後反覆利用。本發明還提供了一種能實現這種水平定向鑽管道穿越反循環鑽進工藝的專用鑽 頭，該鑽頭的鑽頭體內部為中空的空腔，安裝有牙輪的牙輪座套裝於鑽頭體外，鑽頭體中段 設有吸渣口，吸渣口的位置與牙輪對應，鑽頭體的一端設有用於封堵的堵頭。由上述技術方案可知本發明將現有的擴孔工藝中泥漿的正循環方式，即在擴孔過 程中，泥漿的循環途徑為泥漿池一泥漿泵一鑽杆一擴孔鑽頭一鑽孔環狀空間一泥漿池，改 變為反循環方向流動，即為泥漿池一鑽孔環狀空間一擴孔鑽頭一鑽杆一砂石泵一泥漿池。 本發明通過改變砂石泵安裝的位置和使用中空的設有吸渣口的鑽頭，既可實現從鑽機一側 的反循環擴孔鑽進，也可實現從管道入土側的反循環擴孔鑽進，能將反循環擴孔工藝的有 效施工長度增加一倍。本發明具有如下幾個方面的突出優點1.反循環鑽進泥漿在鑽杆中心通道中具有較高的上返流速(可達2-4m/s)，這將 使鑽進效率大大提高，將在很大程度上降低動力消耗、降低破巖工具的消耗，從而使施工周 期大幅縮短，施工成本大幅降低。2.可高效地、全程地清除整個鑽孔中的每一處鑽渣，不留死角。因此可有效地降低 鑽孔的擴徑係數，從而降低擴孔級數和洗孔次數。3.正循環清渣系統使用的往復式泥漿泵，對泥漿中的含沙量要求非常嚴格，即使 使用泥漿淨化裝置也不易將使用過的泥漿處理達標，而反循環清渣系統使用的是沙石泵， 對泥漿中的含沙量幾乎沒有要求，攜帶鑽渣返出孔外的泥漿只需稍加沉澱即可重複使用。4.可大大減少泥漿的使用量。採用反循環技術則可大大減少泥漿的使用量，從而 可大幅度地降低施工成本，減少泥漿對環境的汙染。5.可大幅度降低對泵站設備配置的要求。使用反循環技術，可降低所配置的往復 式泥漿泵的規格，降低對泥漿處理設備的要求，因而可大大降低設備配置費用和設備進出 場費用，節省泥漿處理費用，避免因泥漿處理不及時而被迫停工等。6.可大大提高管道回拖的安全性。採用反循環清渣系統，可高效地、全程地清除整 個鑽孔中的每一處鑽渣，不留死角，因此可大大提高拉管作業的安全性。7.水平定向鑽反循環鑽進施工中不會出現泥漿竄漏和地面冒漿問題。環狀空間中 的泥漿幾乎是靠重力流動，沒有壓力，所以一般不會穿透鬆散的表層土竄漏到地表。


圖1為實施例1中砂石泵安放於鑽機外端時，用反循環鑽進工藝方法擴孔示意圖。圖2為實施例2中砂石泵安放於出土坑外端時，用反循環鑽進工藝方法擴孔示意 圖。
圖3為實施例1所用鑽頭結構示意圖。圖4為實施例2所用鑽頭結構示意圖。圖中1、砂石泵；2、鑽機；3、鑽杆；4、入土坑；5、河道；6、扶正器；7、擴孔鑽頭；8、出 土坑；9、鑽孔環狀空間；10、保護輻條；11、牙輪；12、牙輪座；13、吸渣口 ；14、鑽頭錐體；15、 堵頭；16、筆狀錐頭，17、鑽杆接頭。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。如圖1、圖2所示，本發明提供的水平定向鑽管道穿越反循環鑽進方法是在傳統鑽 井泥漿循環的基礎上，通過改變配套設備和採用新結構的鑽頭，實現鑽進中泥漿按照泥漿 池一鑽孔環狀空間一擴孔鑽頭一鑽杆一砂石泵一泥漿池的流動方向循環流動，該工藝中鑽 機2的鑽杆3通過入土坑4進入鑽孔環狀空間9，鑽孔環狀空間9的另一端為出土坑8，鑽 機2的鑽杆3外設有扶正器6，鑽杆3通過鑽杆接頭與擴孔鑽頭7連接，鑽杆內部與擴孔鑽 頭內部均為中空的腔體，擴孔鑽頭7上設有與鑽孔環狀空間9連通的吸渣口 13，兩腔體、吸 渣口 13和鑽孔環狀空間9共同形成泥漿通道，砂石泵1安放於鑽機2或者出土坑8的外端。 圖1所示的實施例1中，砂石泵1安放於鑽機2外端，將入土坑4作為泥漿池，砂石泵1與 中空的鑽杆3連通，且將鑽杆3靠近出土坑8的一端用堵頭15封堵，鑽進時砂石泵1通過 鑽杆3、擴孔鑽頭7處的吸渣口 13不斷地抽出充滿於鑽孔環狀空間9中的泥漿，擴孔鑽頭7 切削下來的鑽渣被泥漿懸浮夾帶，隨著被抽出的泥漿通過吸渣口 13進入鑽頭空腔，通過鑽 杆3、砂石泵1而攜帶到地表，從而實現排渣，圖1中的箭頭表示了泥漿的流動方向，經測試 泥漿在鑽杆中的上返流速高達2-4m/s，隨著孔底泥漿的不斷被抽出，泥漿池裡的泥漿通過 重力進入鑽孔環狀空間9對循環體系中的泥漿進行補充；被抽出的泥漿經過淨化處理(如 沉澱)排除鑽渣後可重複利用。圖2所示的實施例2中，砂石泵1安放於出土坑8外端，將 出土坑8作為泥漿池，砂石泵1與中空的鑽杆3連通，且將鑽杆3靠近扶正器6的一端用堵 頭14封堵，鑽進時在砂石泵1的抽吸作用下，泥漿由鑽孔環狀空間9經擴孔鑽頭處的吸渣 口 13和鑽杆3內部的中空通道被抽吸至地表，圖2中的箭頭表示了泥漿的流動方向，擴孔 鑽頭7切削下來的鑽渣直接掉入或隨泥漿被吸入鑽杆空腔，並隨著循環的泥漿被攜帶到地 表，從而實現反循環排渣的目的。本發明提供的水平定向鑽管道穿越反循環鑽進工藝方法 特別適用於非開挖工程，如圖1、圖2所示為河道5底部穿越工程。本發明中所用鑽頭的鑽頭體內部為中空的空腔，且鑽頭體中段設有吸渣口 13，且 吸渣口 13處鑽頭體的直徑大於鑽頭體其餘部分的直徑，以形成一個較大的空腔用於吸渣， 安裝有牙輪11的牙輪座12套裝於鑽頭體外，牙輪座12的背部設有鑽頭錐體14，鑽進中鑽 杆驅動鑽頭體旋轉並帶動牙輪11作旋轉運動，牙輪11的位置與吸渣口 13對應，鑽頭體的 前部設有筆狀錐頭16，筆狀錐頭16外設有保護輻條10，鑽頭體的一端設有用於封堵的堵 頭15，實施例1中所用鑽頭的堵頭15位於鑽頭錐體14外側(如圖3所示)，實施例2中所 用鑽頭的堵頭15位於筆狀錐體15外側(如圖4所示)。擴孔鑽頭通過鑽杆接頭與鑽杆連 通，鑽杆內中空的腔體與擴孔鑽頭內中空的腔體通過吸渣口與鑽孔環狀空間連通，兩腔體、 吸渣口和鑽孔環狀空間共同形成泥漿通道，以滿足鑽進中泥漿能按照泥漿池一鑽孔環狀空 間一擴孔鑽頭一鑽杆一砂石泵一泥漿池的流動方向循環流動的要求。
權利要求
1.一種水平定向鑽管道穿越反循環鑽進方法，其特徵在於鑽機的鑽杆通過入土坑進 入鑽孔環狀空間，鑽孔環狀空間的另一端為出土坑，鑽杆通過鑽杆接頭與擴孔鑽頭連接，鑽 杆內部與擴孔鑽頭內部均為中空的腔體，擴孔鑽頭上設有與鑽孔環狀空間連通的吸渣口， 兩腔體、吸渣口和鑽孔環狀空間共同形成泥漿通道，砂石泵安放於鑽機或者出土坑的外端； 當砂石泵安放於鑽機外端時，將入土坑作為泥漿池，砂石泵經鑽杆與中空的擴孔鑽頭連通， 且將擴孔鑽頭靠近出土坑的一端用堵頭封堵；當砂石泵安放於出土坑外端時，將出土坑作 為泥漿池，砂石泵經鑽杆與中空的擴孔鑽頭連通，且將擴孔鑽頭靠近入土坑的一端用堵頭 封堵，鑽進中使泥漿按照泥漿池一鑽孔環狀空間一擴孔鑽頭一鑽杆一砂石泵一泥漿池的流 動方向循環流動。
2.根據權利要求1所述的水平定向鑽管道穿越反循環鑽進方法，其特徵在於將鑽進 中排出的泥漿去除鑽渣後反覆利用。
3.根據權利要求1所述的水平定向鑽管道穿越反循環鑽進方法，其特徵在於鑽機的 鑽杆外設有扶正器。
4.一種用於權利要求1所述水平定向鑽管道穿越反循環鑽進方法的擴孔鑽頭，至少包 括鑽頭體，其特徵在於鑽頭體內部為中空的空腔，安裝有牙輪的牙輪座套裝於鑽頭體外， 鑽頭體中段設有吸渣口，吸渣口的位置與牙輪對應，鑽頭體的一端設有用於封堵的堵頭。
5.根據權利要求4所述的鑽頭，其特徵在於吸渣口處鑽頭體的直徑大於鑽頭體其餘 部分的直徑。
6.根據權利要求3所述的鑽頭，其特徵在於牙輪座的背部設有鑽頭錐體。
7.根據權利要求3所述的鑽頭，其特徵在於鑽頭體的前部設有筆狀錐頭，錐頭外設有 保護輻條。
全文摘要
本發明提供了一種適用於進行油氣或市政管道鋪設的水平定向鑽管道穿越反循環鑽進方法及專用鑽頭，該鑽進方法將砂石泵安放於鑽機或者出土坑的外端，使用的鑽頭及鑽杆的內部為中空腔體，且擴孔鑽頭上設有與鑽孔環狀空間連通的吸渣口，安裝有牙輪的牙輪座套裝於擴孔鑽頭的鑽頭體外，牙輪的位置與吸渣口對應，擴孔鑽頭的一端設有用於封堵的堵頭，在鑽進中使泥漿按照泥漿池→鑽孔環狀空間→擴孔鑽頭→鑽杆→砂石泵→泥漿池的流動方向循環流動，從而達到排渣目的。採用本發明的工藝方法及鑽頭能有效地排除水平鑽孔中的鑽渣和碎石，解決大直徑水平定向鑽管道穿越施工的諸多問題。
文檔編號E21B10/26GK102003140SQ20101051514
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月20日 優先權日2010年10月20日
發明者蘭海濤, 曾聰, 舒彪, 韋立勇, 馬保松 申請人:中國地質大學(武漢)