專利名稱：一種水平定向鉆管道穿越反循環(huán)鉆進方法及專用鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水平定向鉆管道穿越反循環(huán)鉆進方法及專用鉆頭，這種水平定向 鉆管道穿越反循環(huán)鉆進方法特別適用于進行油氣或市政管道鋪設(shè)，屬于非開挖工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，在采用水平定向鉆進鋪設(shè)管道施工中，由于施工管道長度和口徑越來越大。 隨著管道長度和鉆孔直徑的增大，擴孔過程中產(chǎn)生的鉆屑也成倍地增多，而且?guī)r層鉆進中 所產(chǎn)生的巖屑粒徑較大，因此巖層鉆進清渣更為困難。特別是對于像西氣東輸二線上的大 直徑、長距離穿越工程項目，如何有效地清除鉆孔內(nèi)的鉆渣更是個非常困難的問題。一個關(guān) 鍵的原因就是鉆孔環(huán)狀空間內(nèi)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，大型水平定向鉆穿越工程所需要的施工設(shè)備也特別龐大，鉆機的扭矩往往 要達到10萬牛米以上，對水平定向鉆進用的鉆機和機具設(shè)計制造都提出了很高的要求?，F(xiàn) 有的水平定向鉆進工藝方法中存在如下技術(shù)經(jīng)濟問題1)特大井孔、超低流速、高巖屑濃度下的攜砂難題。很難將鉆孔內(nèi)的泥砂排除干 凈，尤其是較大顆粒的鉆渣或卵礫石。2)地層的竄漿問題。在鉆進過程中，泥漿需要有一定的壓力才能保證有效地排出 鉆屑，但是水平定向鉆穿越的地層一般15-25m深的淺地層，在壓力作用下，泥漿極易穿透 松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(yè)，消耗大量泥漿材料；如西氣東輸二線某950米的定向 鉆河流穿越項目消耗膨潤土 5000余噸。4)施工工序多，需要多次洗孔，施工工期較長。5)工程風(fēng)險大，由于孔內(nèi)渣土很難清除干凈，易造成管道回拖失敗。6)由于孔內(nèi)沉渣較多，泥漿中沙土含量較大，易造成鉆具磨損嚴(yán)重、擴孔扭矩過 大，出現(xiàn)卡鉆和鉆具折斷等工程事故。7)由于上述諸多不利影響，使得工程成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的問題，本發(fā)明提供了一種水平定向鉆管道穿越反 循環(huán)鉆進方法及專用鉆頭，該工藝方法在傳統(tǒng)鉆井泥漿正循環(huán)的基礎(chǔ)上，通過改變鉆孔泥 漿的循環(huán)方向，使之與現(xiàn)有技術(shù)中泥漿的循環(huán)方向正好相反。大大提高了攜帶鉆渣的泥漿 的循環(huán)流動速度，能夠有效地排除水平鉆孔中的鉆渣和碎石。采用本發(fā)明的工藝方法及鉆 頭，目前困擾大直徑水平定向鉆管道穿越施工的諸多問題都將迎刃而解。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種水平定向鉆管道穿越反循環(huán)鉆 進方法，鉆機的鉆桿通過入土坑進入鉆孔環(huán)狀空間，鉆孔環(huán)狀空間的另一端為出土坑，鉆桿 通過鉆桿接頭與擴孔鉆頭連接，鉆桿內(nèi)部與擴孔鉆頭內(nèi)部均為中空的腔體，擴孔鉆頭上設(shè)有與鉆孔環(huán)狀空間連通的吸渣口，兩腔體、吸渣口和鉆孔環(huán)狀空間共同形成泥漿通道，砂石 泵安放于鉆機或者出土坑的外端；當(dāng)砂石泵安放于鉆機外端時，將入土坑作為泥漿池，砂石 泵經(jīng)鉆桿與中空的擴孔鉆頭連通，且將擴孔鉆頭靠近出土坑的一端用堵頭封堵；當(dāng)砂石泵 安放于出土坑外端時，將出土坑作為泥漿池，砂石泵經(jīng)鉆桿與中空的擴孔鉆頭連通，且將擴 孔鉆頭靠近入土坑的一端用堵頭封堵，鉆進中使泥漿按照泥漿池一鉆孔環(huán)狀空間一擴孔鉆 頭一鉆桿一砂石泵一泥漿池的流動方向循環(huán)流動。且本發(fā)明中可將鉆進中排出的泥漿沉淀后反復(fù)利用。本發(fā)明還提供了一種能實現(xiàn)這種水平定向鉆管道穿越反循環(huán)鉆進工藝的專用鉆 頭，該鉆頭的鉆頭體內(nèi)部為中空的空腔，安裝有牙輪的牙輪座套裝于鉆頭體外，鉆頭體中段 設(shè)有吸渣口，吸渣口的位置與牙輪對應(yīng)，鉆頭體的一端設(shè)有用于封堵的堵頭。由上述技術(shù)方案可知本發(fā)明將現(xiàn)有的擴孔工藝中泥漿的正循環(huán)方式，即在擴孔過 程中，泥漿的循環(huán)途徑為泥漿池一泥漿泵一鉆桿一擴孔鉆頭一鉆孔環(huán)狀空間一泥漿池，改 變?yōu)榉囱h(huán)方向流動，即為泥漿池一鉆孔環(huán)狀空間一擴孔鉆頭一鉆桿一砂石泵一泥漿池。 本發(fā)明通過改變砂石泵安裝的位置和使用中空的設(shè)有吸渣口的鉆頭，既可實現(xiàn)從鉆機一側(cè) 的反循環(huán)擴孔鉆進，也可實現(xiàn)從管道入土側(cè)的反循環(huán)擴孔鉆進，能將反循環(huán)擴孔工藝的有 效施工長度增加一倍。本發(fā)明具有如下幾個方面的突出優(yōu)點1.反循環(huán)鉆進泥漿在鉆桿中心通道中具有較高的上返流速(可達2-4m/s)，這將 使鉆進效率大大提高，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、全程地清除整個鉆孔中的每一處鉆渣，不留死角。因此可有效地降低 鉆孔的擴徑系數(shù)，從而降低擴孔級數(shù)和洗孔次數(shù)。3.正循環(huán)清渣系統(tǒng)使用的往復(fù)式泥漿泵，對泥漿中的含沙量要求非常嚴(yán)格，即使 使用泥漿凈化裝置也不易將使用過的泥漿處理達標(biāo)，而反循環(huán)清渣系統(tǒng)使用的是沙石泵， 對泥漿中的含沙量幾乎沒有要求，攜帶鉆渣返出孔外的泥漿只需稍加沉淀即可重復(fù)使用。4.可大大減少泥漿的使用量。采用反循環(huán)技術(shù)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(huán)境的污染。5.可大幅度降低對泵站設(shè)備配置的要求。使用反循環(huán)技術(shù)，可降低所配置的往復(fù) 式泥漿泵的規(guī)格，降低對泥漿處理設(shè)備的要求，因而可大大降低設(shè)備配置費用和設(shè)備進出 場費用，節(jié)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。采用反循環(huán)清渣系統(tǒng)，可高效地、全程地清除整 個鉆孔中的每一處鉆渣，不留死角，因此可大大提高拉管作業(yè)的安全性。7.水平定向鉆反循環(huán)鉆進施工中不會出現(xiàn)泥漿竄漏和地面冒漿問題。環(huán)狀空間中 的泥漿幾乎是靠重力流動，沒有壓力，所以一般不會穿透松散的表層土竄漏到地表。


圖1為實施例1中砂石泵安放于鉆機外端時，用反循環(huán)鉆進工藝方法擴孔示意圖。圖2為實施例2中砂石泵安放于出土坑外端時，用反循環(huán)鉆進工藝方法擴孔示意 圖。
圖3為實施例1所用鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為實施例2所用鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1、砂石泵；2、鉆機；3、鉆桿；4、入土坑；5、河道；6、扶正器；7、擴孔鉆頭；8、出 土坑；9、鉆孔環(huán)狀空間；10、保護輻條；11、牙輪；12、牙輪座；13、吸渣口 ；14、鉆頭錐體；15、 堵頭；16、筆狀錐頭，17、鉆桿接頭。
具體實施例方式下面結(jié)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(fā)明提供的水平定向鉆管道穿越反循環(huán)鉆進方法是在傳統(tǒng)鉆 井泥漿循環(huán)的基礎(chǔ)上，通過改變配套設(shè)備和采用新結(jié)構(gòu)的鉆頭，實現(xiàn)鉆進中泥漿按照泥漿 池一鉆孔環(huán)狀空間一擴孔鉆頭一鉆桿一砂石泵一泥漿池的流動方向循環(huán)流動，該工藝中鉆 機2的鉆桿3通過入土坑4進入鉆孔環(huán)狀空間9，鉆孔環(huán)狀空間9的另一端為出土坑8，鉆 機2的鉆桿3外設(shè)有扶正器6，鉆桿3通過鉆桿接頭與擴孔鉆頭7連接，鉆桿內(nèi)部與擴孔鉆 頭內(nèi)部均為中空的腔體，擴孔鉆頭7上設(shè)有與鉆孔環(huán)狀空間9連通的吸渣口 13，兩腔體、吸 渣口 13和鉆孔環(huán)狀空間9共同形成泥漿通道，砂石泵1安放于鉆機2或者出土坑8的外端。 圖1所示的實施例1中，砂石泵1安放于鉆機2外端，將入土坑4作為泥漿池，砂石泵1與 中空的鉆桿3連通，且將鉆桿3靠近出土坑8的一端用堵頭15封堵，鉆進時砂石泵1通過 鉆桿3、擴孔鉆頭7處的吸渣口 13不斷地抽出充滿于鉆孔環(huán)狀空間9中的泥漿，擴孔鉆頭7 切削下來的鉆渣被泥漿懸浮夾帶，隨著被抽出的泥漿通過吸渣口 13進入鉆頭空腔，通過鉆 桿3、砂石泵1而攜帶到地表，從而實現(xiàn)排渣，圖1中的箭頭表示了泥漿的流動方向，經(jīng)測試 泥漿在鉆桿中的上返流速高達2-4m/s，隨著孔底泥漿的不斷被抽出，泥漿池里的泥漿通過 重力進入鉆孔環(huán)狀空間9對循環(huán)體系中的泥漿進行補充；被抽出的泥漿經(jīng)過凈化處理(如 沉淀)排除鉆渣后可重復(fù)利用。圖2所示的實施例2中，砂石泵1安放于出土坑8外端，將 出土坑8作為泥漿池，砂石泵1與中空的鉆桿3連通，且將鉆桿3靠近扶正器6的一端用堵 頭14封堵，鉆進時在砂石泵1的抽吸作用下，泥漿由鉆孔環(huán)狀空間9經(jīng)擴孔鉆頭處的吸渣 口 13和鉆桿3內(nèi)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 鉆頭7切削下來的鉆渣直接掉入或隨泥漿被吸入鉆桿空腔，并隨著循環(huán)的泥漿被攜帶到地 表，從而實現(xiàn)反循環(huán)排渣的目的。本發(fā)明提供的水平定向鉆管道穿越反循環(huán)鉆進工藝方法 特別適用于非開挖工程，如圖1、圖2所示為河道5底部穿越工程。本發(fā)明中所用鉆頭的鉆頭體內(nèi)部為中空的空腔，且鉆頭體中段設(shè)有吸渣口 13，且 吸渣口 13處鉆頭體的直徑大于鉆頭體其余部分的直徑，以形成一個較大的空腔用于吸渣， 安裝有牙輪11的牙輪座12套裝于鉆頭體外，牙輪座12的背部設(shè)有鉆頭錐體14，鉆進中鉆 桿驅(qū)動鉆頭體旋轉(zhuǎn)并帶動牙輪11作旋轉(zhuǎn)運動，牙輪11的位置與吸渣口 13對應(yīng)，鉆頭體的 前部設(shè)有筆狀錐頭16，筆狀錐頭16外設(shè)有保護輻條10，鉆頭體的一端設(shè)有用于封堵的堵 頭15，實施例1中所用鉆頭的堵頭15位于鉆頭錐體14外側(cè)(如圖3所示)，實施例2中所 用鉆頭的堵頭15位于筆狀錐體15外側(cè)(如圖4所示)。擴孔鉆頭通過鉆桿接頭與鉆桿連 通，鉆桿內(nèi)中空的腔體與擴孔鉆頭內(nèi)中空的腔體通過吸渣口與鉆孔環(huán)狀空間連通，兩腔體、 吸渣口和鉆孔環(huán)狀空間共同形成泥漿通道，以滿足鉆進中泥漿能按照泥漿池一鉆孔環(huán)狀空 間一擴孔鉆頭一鉆桿一砂石泵一泥漿池的流動方向循環(huán)流動的要求。
權(quán)利要求
1.一種水平定向鉆管道穿越反循環(huán)鉆進方法，其特征在于鉆機的鉆桿通過入土坑進 入鉆孔環(huán)狀空間，鉆孔環(huán)狀空間的另一端為出土坑，鉆桿通過鉆桿接頭與擴孔鉆頭連接，鉆 桿內(nèi)部與擴孔鉆頭內(nèi)部均為中空的腔體，擴孔鉆頭上設(shè)有與鉆孔環(huán)狀空間連通的吸渣口， 兩腔體、吸渣口和鉆孔環(huán)狀空間共同形成泥漿通道，砂石泵安放于鉆機或者出土坑的外端； 當(dāng)砂石泵安放于鉆機外端時，將入土坑作為泥漿池，砂石泵經(jīng)鉆桿與中空的擴孔鉆頭連通， 且將擴孔鉆頭靠近出土坑的一端用堵頭封堵；當(dāng)砂石泵安放于出土坑外端時，將出土坑作 為泥漿池，砂石泵經(jīng)鉆桿與中空的擴孔鉆頭連通，且將擴孔鉆頭靠近入土坑的一端用堵頭 封堵，鉆進中使泥漿按照泥漿池一鉆孔環(huán)狀空間一擴孔鉆頭一鉆桿一砂石泵一泥漿池的流 動方向循環(huán)流動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平定向鉆管道穿越反循環(huán)鉆進方法，其特征在于將鉆進 中排出的泥漿去除鉆渣后反復(fù)利用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平定向鉆管道穿越反循環(huán)鉆進方法，其特征在于鉆機的 鉆桿外設(shè)有扶正器。
4.一種用于權(quán)利要求1所述水平定向鉆管道穿越反循環(huán)鉆進方法的擴孔鉆頭，至少包 括鉆頭體，其特征在于鉆頭體內(nèi)部為中空的空腔，安裝有牙輪的牙輪座套裝于鉆頭體外， 鉆頭體中段設(shè)有吸渣口，吸渣口的位置與牙輪對應(yīng)，鉆頭體的一端設(shè)有用于封堵的堵頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鉆頭，其特征在于吸渣口處鉆頭體的直徑大于鉆頭體其余 部分的直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鉆頭，其特征在于牙輪座的背部設(shè)有鉆頭錐體。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鉆頭，其特征在于鉆頭體的前部設(shè)有筆狀錐頭，錐頭外設(shè)有 保護輻條。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種適用于進行油氣或市政管道鋪設(shè)的水平定向鉆管道穿越反循環(huán)鉆進方法及專用鉆頭，該鉆進方法將砂石泵安放于鉆機或者出土坑的外端，使用的鉆頭及鉆桿的內(nèi)部為中空腔體，且擴孔鉆頭上設(shè)有與鉆孔環(huán)狀空間連通的吸渣口，安裝有牙輪的牙輪座套裝于擴孔鉆頭的鉆頭體外，牙輪的位置與吸渣口對應(yīng)，擴孔鉆頭的一端設(shè)有用于封堵的堵頭，在鉆進中使泥漿按照泥漿池→鉆孔環(huán)狀空間→擴孔鉆頭→鉆桿→砂石泵→泥漿池的流動方向循環(huán)流動，從而達到排渣目的。采用本發(fā)明的工藝方法及鉆頭能有效地排除水平鉆孔中的鉆渣和碎石，解決大直徑水平定向鉆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(yōu)先權(quán)日2010年10月20日
發(fā)明者蘭海濤, 曾聰, 舒彪, 韋立勇, 馬保松 申請人:中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)