水平定向鉆孔內(nèi)射吸排屑擴孔方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種水平定向鉆孔內(nèi)射吸排屑擴孔方法，是在導向孔鉆進完成后，在出土側(cè)將射吸式擴孔器連接在鉆桿上，并在擴孔器后連接鉆桿或管道，擴孔時啟動泥漿泵或空壓機，高壓流體由高壓膠管、鉆機及鉆桿輸送到擴孔器內(nèi)；高壓流體從射流噴嘴處高速射出，在吸入室內(nèi)產(chǎn)生負壓，并通過吸入口將擴孔器外周含鉆屑的泥漿流體吸到吸入室內(nèi)，含鉆屑的泥漿與噴嘴噴出的高壓流體在喉管段與擴散段混合，由擴孔器后部的鉆桿或管道排至地表沉淀池，經(jīng)凈化及調(diào)配后回流到鉆孔內(nèi)；擴孔器從入土側(cè)出來完成一次擴孔，若鉆孔需繼續(xù)擴大，則選大一級的擴孔器重復擴孔至達到孔徑要求。使用本方法鉆屑運移速度是傳統(tǒng)方式的數(shù)十倍甚至百倍，排屑徹底效率高。
【專利說明】水平定向鉆孔內(nèi)射吸排屑擴孔方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水平定向鉆孔內(nèi)射吸排屑擴孔方法，具體地說涉及一種應用射吸原理使破碎下來的鉆屑連同鉆孔內(nèi)泥漿一起經(jīng)射吸式擴孔器的吸入口吸入到射吸裝置內(nèi)，并通過射吸式擴孔器后部連接的鉆桿或管道快速排至地表的擴孔方法，屬于地質(zhì)工程領域。
【背景技術】
[0002]在水平定向鉆進施工過程中，排屑效率對擴孔速度、鉆孔安全、施工成本及環(huán)境保護起著重要的影響。目前，在水平定向鉆擴孔施工中，由地表通過鉆桿柱泵入的高壓泥漿經(jīng)擴孔器水眼排入鉆孔，對擴孔器起到了清洗、冷卻及潤滑作用，同時將破碎下來的鉆屑沖離破碎面并攜帶鉆屑沿鉆孔與鉆桿之間的空間排至地表泥漿池，如此不斷循環(huán)鉆進；從孔內(nèi)排出的泥漿須經(jīng)專用設備的凈化及性能調(diào)整后方可重新泵入孔內(nèi)。
[0003]在一些大型油氣管道水平定向鉆穿越施工中，管道直徑超過1.2m，需要將鉆孔直徑擴至1.5m以上才能滿足管道鋪設要求。使用目前的擴孔方法，泥漿從擴孔器排入鉆孔后，過流截面瞬間增加數(shù)十倍至一百余倍；假如擴孔直徑為1.5m，若使用Φ168.3mm、壁厚
8.38mm的鉆桿，泥漿從鉆桿排入鉆孔后，過流截面增大約97倍；若使用Φ139.7mm、壁厚
9.17mm的鉆桿，則泥漿從鉆桿排入鉆孔后，過流截面增大約145倍。由流體力學可知,流體的流速與過流截面成反比，過流截面增大必然導致流體流速的下降。以目前水平定向鉆機泥漿泵排量的配置，當鉆孔直徑超過Im時，孔內(nèi)泥漿流動速度為0.02m/s左右，擴孔器在1，OOOm處破碎下來的巖屑，即使在不停泵、鉆屑不沉降的條件下，也至少需要13.9h才能到達地表，排屑效率極低。
[0004]由于巖屑重力方向和泥漿流速方向垂直，巖屑在運移過程中，顆粒大的鉆屑不可避免的要沉入孔底，實際能帶出的鉆屑只占很少比例。為減少鉆屑的沉底，通常的做法是使用高粘度的泥漿，盡量使鉆屑在泥漿中懸浮，無形中增加了泥漿材料使用量，同時也對泥漿配制及回收設備提出了很高的要求。且由于泥漿帶出的鉆屑量少，在大直徑管道穿越施工中，通常需要在擴孔過程中安排若干次的清孔環(huán)節(jié)，使得整個施工泥漿量消耗相當驚人，如某天然氣管道穿越中，管道直徑為Φ 1，067mm,穿越長度1，075m,穿越地層為砂層，最大擴孔直徑為1.42m，在施工過程中，總共消耗泥漿量為19，949m3，相當于鉆孔體積的11.7倍，而這一比例在巖石穿越中要更高，泥漿的大量使用對環(huán)境保護造成巨大壓力。
[0005]此外，粘稠的泥漿需要在一定的壓力下才能夠維持流動，泥漿粘度越大，流動阻力越大；鉆孔長度越長，流動阻力也越大。而水平定向鉆穿越通常是在淺層地表施工，地層強度低，孔隙、裂隙發(fā)育，孔內(nèi)泥漿壓力很容易超過地層的承受能力，造成地面隆起或地層壓裂冒漿，對地面設施造成極大的安全隱患。
[0006]綜上所述，目前水平定向鉆進排渣存在以下不足:
[0007]①.泥漿流速慢，排屑效率低，制約了鉆進效率的提高。
[0008]②.需使用粘度高的泥漿體系，泥漿材料成本高，泥漿配制及回收困難。[0009]③.泥漿使用量大，廢漿處理成本高，環(huán)保壓力大。
[0010]④.孔內(nèi)泥漿在壓力下，會對地層及地面設施產(chǎn)生安全隱患。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011]本發(fā)明的目的在于解決當前水平定向鉆進擴孔過程中存在的排屑問題，而提供一種排屑效率高、泥漿成本低、廢漿量少，且不會造成地層壓裂的水平定向鉆孔內(nèi)射吸式排屑擴孔方法。
[0012]為達到以上目的，本發(fā)明的解決方案是:提供一種水平定向鉆孔內(nèi)射吸排屑擴孔方法，按如下步驟操作:
[0013](I)、按常規(guī)方法從入土側(cè)開始進行導向孔鉆進，直到鉆桿從出土側(cè)鉆出，完成一次導向孔鉆進；
[0014](2)、在出土側(cè)將射吸式擴孔器連接在鉆桿上，所述的射吸式擴孔器由擴孔器本體、切削部及射吸裝置構(gòu)成；所述擴孔器本體是射吸式擴孔器各組成部件的承載體，所述切削部用于破碎地層；所述的射吸裝置設有接頭、外殼體、吸入口、射流噴嘴、吸入室殼體、喉管段及擴散段，射流噴嘴與吸入室殼體之間圍成吸入室；
[0015](3)、在所述的射吸式擴孔器后部連接鉆桿或管道，隨著擴孔器不斷向鉆機方向鉆進，在出土側(cè)不斷將擴孔器后部連接的鉆桿或管道加長，鉆機側(cè)則不斷卸下鉆桿；擴孔鉆進時，啟動入土側(cè)的泥漿泵或空壓機，高壓流體經(jīng)由高壓膠管、鉆機及鉆桿輸送到射吸式擴孔器內(nèi)；
[0016](4)、所述的高壓流體到達射吸式擴孔器后，從射流噴嘴高速射出，在吸入室內(nèi)產(chǎn)生負壓，并通過吸入口將擴孔器外周含鉆屑的流體吸入到吸入室內(nèi)，吸入的含鉆屑的流體與射流噴嘴噴出的高壓流體在喉管段與擴散段混合后，混合流體通過射吸式擴孔器后部連接的鉆桿或管道排至地表；
[0017](5)、通過后部鉆桿或管道排至地表的含鉆屑的混合流體進入沉淀池內(nèi)，經(jīng)凈化及調(diào)配后回流到鉆孔內(nèi)，用于維持鉆孔內(nèi)液柱壓力的穩(wěn)定和孔內(nèi)泥漿的流動；
[0018](6)、射吸式擴孔器從出土側(cè)沿導向孔向入土側(cè)不斷擴孔鉆進，最后從入土側(cè)出來，若經(jīng)過一次擴孔后孔徑未達到設計要求，則更換大一級孔徑的射吸式擴孔器連接在鉆桿上，重復步驟(3 )?(5 )再進行擴孔，直至孔徑達到設計的施工要求。
[0019]所述的經(jīng)由泥漿泵或空壓機泵入的高壓流體為清水、泥漿或空氣。
[0020]所述的孔內(nèi)泥漿的流動是在射吸式擴孔器的抽吸力和液柱壓力的共同作用下形成的。
[0021]所述的擴孔器若將其后部連接的鉆桿或管道出口封閉，則泵入的泥漿通過吸入口排出，即轉(zhuǎn)為傳統(tǒng)循環(huán)方式。
[0022]所述的擴孔方法適用于硬地層的多級擴孔施工，也適用于松軟地層的直接帶管擴孔施工。
[0023]本發(fā)明水平定向鉆孔內(nèi)射吸排屑擴孔方法與常規(guī)擴孔方法相比具有以下有益效果:
[0024]1.本發(fā)明的方法施工操作簡單，采用了射吸式擴孔器使鉆屑從鉆桿或管道內(nèi)排出，鉆屑運移速度是傳統(tǒng)方式的數(shù)十倍甚至百倍以上，排屑效率高、排屑徹底，減少了重復破碎現(xiàn)象，擴孔效率更高，擴孔器壽命更長。
[0025]2.本發(fā)明中用于驅(qū)動排屑的高壓流體可為氣體、清水或泥漿，不再需要擔心水源、泥漿材料等供給問題，降低了泥漿使用成本。
[0026]3.在常規(guī)擴孔施工中，孔內(nèi)泥漿主要目的是排屑、護壁和潤滑；本發(fā)明的方法弱化了孔內(nèi)泥漿的排屑功能，對泥漿性能的要求更為寬泛，且不會因為環(huán)空壓力升高而引起地面壓裂和冒漿等安全隱患。
[0027]4.本發(fā)明中返出的混合泥漿沉淀凈化后，經(jīng)簡單處理即可重新回流到孔內(nèi)，以維持液柱壓力，不再需要配置完備的泥漿凈化系統(tǒng)，極大的節(jié)約了施工成本和勞動量。
[0028]5.與地面射流反循環(huán)或泵吸反循環(huán)技術相比，本發(fā)明排屑擴孔方法僅需要使用專用的射吸式擴孔器，實現(xiàn)容易；且由于驅(qū)動高壓流體的是鉆機自帶的柱塞泵或空壓機，可選擇的壓力范圍更寬，可適應更長距離的穿越施工。
[0029]6.本發(fā)明為反循環(huán)排屑擴孔方法，即使在反循環(huán)擴孔排屑出現(xiàn)故障時，施工中僅需在出土端將鉆桿或管道封閉，即可迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)擴孔方式，也不影響正常施工，技術適應性強。本發(fā)明的擴孔方法既能適合硬地層的多級擴孔施工，也能適合松軟地層的直接帶管擴孔施工，可推廣性好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明中水平定向鉆孔內(nèi)射吸排屑擴孔方法工作狀態(tài)示意圖。
[0031]圖2為圖1中射吸式擴孔器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖3為本發(fā)明中射吸裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]上述圖中:1-定向鉆機；2_泥漿泵或空壓機；3-高壓膠管；4-鉆桿；5_高壓流體；6_環(huán)空泥漿；7_射吸裝置；8_切削部；9_擴孔器本體；10_鉆桿或管道；11_膠管接頭；12_排漿膠管；13_混合流體；14_沉淀池；15_鉆屑；16_隔墻；17_溢流槽；18凈漿池；19-回流槽；20_射流噴嘴；21吸入室殼體；22_喉管段與擴散段；23_吸入口 ；24_外殼體；31-含鉆屑的流體；51_入土側(cè)；52_水域；53_出土側(cè)。
【具體實施方式】
[0034]以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細描述。
[0035]實施例1:本發(fā)明提供一種用于硬地層的多級擴孔施工的水平定向鉆孔內(nèi)射吸排屑擴孔方法，按如下步驟操作:
[0036](I)、參見圖1，按常規(guī)方法從入土側(cè)51開始進行導向孔鉆進，其中穿越水域52，直到鉆桿從出土側(cè)53鉆出，完成一次導向孔鉆進。
[0037](2)、在出土側(cè)將射吸式擴孔器連接在鉆桿4上。參見圖2，所述的射吸式擴孔器由擴孔器本體9、切削部8及射吸裝置7構(gòu)成；所述擴孔器本體9是射吸式擴孔器各組成部件的承載體，所述切削部8用于破碎地層；參見圖3，所述的射吸裝置7含有接頭、外殼體24、吸入口 23、射流噴嘴20、吸入室殼體21、喉管段及擴散段22 ;射流噴嘴與吸入室殼體之間圍成吸入室。射吸裝置7在高壓流體5流過時，在射流噴嘴20出口處會形成負壓，通過吸入口 23將射吸式擴孔器外周含鉆屑流體31吸入到吸入室內(nèi)，吸入的含鉆屑的流體31與射流噴嘴20噴出的高壓流體5在喉管段與擴散段22混合后，混合流體13通過擴孔器后部連接的管道10排至地表。
[0038](3)、在所述的射吸式擴孔器后部連接管道10，管道10在地表與膠管接頭11、排漿膠管12連接，隨著擴孔器不斷向鉆機方向鉆進，在出土側(cè)不斷將擴孔器后部連接的管道10加長，定向鉆機I 一側(cè)則不斷卸下鉆桿4。擴孔鉆進時，本實施例高壓流體5選用清水，啟動入土側(cè)51設的泥漿泵2，泵入的高壓清水通過高壓膠管3經(jīng)由地面定向鉆機1、鉆桿4輸送到射吸式擴孔器內(nèi)。
[0039](4)、所述的高壓流體5即高壓清水到達射吸式擴孔器后，從射流噴嘴20高速射出，在吸入室內(nèi)生負壓，并通過吸入口 23將擴孔器外周含鉆屑的流體31吸入到吸入室內(nèi)，吸入的含鉆屑的流體31與射流噴嘴20噴出的高壓清水在喉管段與擴散段22混合后，混合流體13通過射吸式擴孔器后部連接的管道10排至地表。
[0040](5)、排至地表的含鉆屑的混合流體13進入沉淀池14內(nèi)，鉆屑15被沉淀在沉淀池14內(nèi)，經(jīng)凈化的泥漿通過隔墻16上方的溢流槽17流到凈漿池18，凈漿池18中的泥漿經(jīng)過調(diào)配后經(jīng)回流槽19回流到鉆孔內(nèi)，與環(huán)空泥漿6—起用于維持鉆孔液柱壓力的穩(wěn)定和孔內(nèi)泥漿的流動。
[0041](6)、射吸式擴孔器由出土側(cè)53沿導向孔向入土側(cè)51擴孔鉆進，最后從入土側(cè)51出來，完成一次擴孔；若經(jīng)過一次擴孔后孔徑未達到設計要求，則更換大一級孔徑的射吸式擴孔器重復步驟(3)?(5)，再進行擴孔，直至孔徑達到設計的施工要求。
[0042]本發(fā)明的水平定向鉆孔內(nèi)射吸排屑擴孔方法施工操作簡單，采用了射吸式擴孔器使鉆屑從其后部連接的鉆桿或管道內(nèi)排出，鉆屑運移速度是傳統(tǒng)方式的數(shù)十倍甚至百倍以上，排屑效率高、排屑徹底，減少了重復破碎和洗(清)孔環(huán)節(jié)，從而縮短了施工周期。本方法既適用于硬地層的多級擴孔施工，也適用于松軟地層的直接帶管擴孔施工，可推廣性好。
【權(quán)利要求】
1.一種水平定向鉆孔內(nèi)射吸排屑擴孔方法，其特征在于:按如下步驟操作: (1)、按常規(guī)方法從入土側(cè)開始進行導向孔鉆進，直到鉆桿從出土側(cè)鉆出，完成一次導向孔鉆進； (2)、在出土側(cè)將射吸式擴孔器連接在鉆桿上，所述的射吸式擴孔器由擴孔器本體、切削部及射吸裝置構(gòu)成；所述擴孔器本體是射吸式擴孔器各組成部件的承載體，所述切削部用于破碎地層；所述的射吸裝置設有接頭、外殼體、吸入口、射流噴嘴、吸入室殼體、喉管段及擴散段，射流噴嘴與吸入室殼體之間圍成吸入室； (3)、在所述的射吸式擴孔器后部連接鉆桿或管道，隨著擴孔器不斷向鉆機方向鉆進，在出土側(cè)不斷將擴孔器后部連接的鉆桿或管道加長，鉆機側(cè)則不斷卸下鉆桿；擴孔鉆進時，啟動入土側(cè)的泥漿泵或空壓機，高壓流體經(jīng)由高壓膠管、鉆機及鉆桿輸送到射吸式擴孔器內(nèi)； (4)、所述的高壓流體到達射吸式擴孔器后，從射流噴嘴高速射出，在吸入室內(nèi)產(chǎn)生負壓，并通過吸入口將擴孔器外周含鉆屑的流體吸入到吸入室內(nèi)，吸入的含鉆屑的流體與射流噴嘴噴出的高壓流體在喉管段與擴散段混合后，混合流體通過射吸式擴孔器后部連接的鉆桿或管道排至地表； (5)、通過后部鉆桿或管道排至地表的含鉆屑的混合流體進入沉淀池內(nèi)，經(jīng)凈化及調(diào)配后回流到鉆孔內(nèi)，用于維持鉆孔內(nèi)液柱壓力及孔內(nèi)泥漿的流動； (6)、射吸式擴孔器從出土側(cè)沿導向孔向入土側(cè)不斷擴孔鉆進，最后從入土側(cè)出來，若經(jīng)過一次擴孔后孔徑未達到設計要求，則更換大一級孔徑的射吸式擴孔器連接在鉆桿上，重復步驟(3)?(5)再進行擴孔，直至孔徑達到設計的施工要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平定向鉆孔內(nèi)射吸排屑擴孔方法，其特征在于:所述的經(jīng)由泥漿泵或空壓機泵入的高壓流體為清水、泥漿或空氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平定向鉆孔內(nèi)射吸排屑擴孔方法，其特征在于:所述的孔內(nèi)泥漿的流動是在射吸式擴孔器的抽吸力和液柱壓力的共同作用下形成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平定向鉆孔內(nèi)射吸排屑擴孔方法，其特征在于:所述的擴孔器若將其后部連接的鉆桿或管道出口封閉，則泵入的泥漿通過吸入口排出，即轉(zhuǎn)為傳統(tǒng)循環(huán)方式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平定向鉆孔內(nèi)射吸排屑擴孔方法，其特征在于:所述的擴孔方法適用于硬地層的多級擴孔施工，也適用于松軟地層的直接帶管擴孔施工。
【文檔編號】E21B21/00GK103527092SQ201310514062
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】孔耀祖, 馬保松 申請人:中國地質(zhì)大學（武漢）