本發(fā)明涉及用于在硬巖地層進(jìn)行燃?xì)狻⑹?、電力、通信、自?lái)水等各種管線的敷設(shè)的硬巖地層正推動(dòng)力擴(kuò)孔裝置及工藝。

背景技術(shù)：

隨著水平定向鉆施工技術(shù)的不斷提高，施工范圍及涉及領(lǐng)域也逐步擴(kuò)大，以前施工僅限于粘土、砂土等地層，發(fā)展到巖石、卵石等地層；以前大部分施工在野外，隨著導(dǎo)向精確度、抗干擾能力的提高，市區(qū)繁華路段煤氣、電力、通訊、天然氣等管線也都在使用定向鉆工藝施工，以致該施工工藝在幾十年間也獲得了飛速發(fā)展，全國(guó)各地普遍推廣，尤其在穿越河流、山體、公路、鐵路等開挖方法無(wú)法能及的活動(dòng)領(lǐng)域。但隨著水平定向鉆機(jī)設(shè)備的逐步增多，施工技術(shù)的不斷成熟，各地的施工單位也如雨后春筍般涌出，導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，施工單位的利潤(rùn)也在直線下滑，甚至只要在施工環(huán)節(jié)中出現(xiàn)問題就會(huì)導(dǎo)致虧損。

水平定向鉆施工風(fēng)險(xiǎn)最大的在于巖石地層穿越工程，巖石的種類多種多樣，其硬度也不盡相同，在巖石穿越工程中經(jīng)常出現(xiàn)鉆桿斷裂，擴(kuò)孔器掉輪及卡鉆現(xiàn)象。

現(xiàn)有技術(shù)的硬巖地層擴(kuò)孔裝置為反推擴(kuò)孔裝置，如圖1所示，其包括水平定向鉆機(jī)、鉆桿、擴(kuò)孔器、鉆桿，從出土點(diǎn)安裝擴(kuò)孔器進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔方向朝向水平定向鉆機(jī)。這種擴(kuò)孔裝置往往存在上述鉆桿斷裂，擴(kuò)孔器掉輪及卡鉆等故障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決上述技術(shù)問題，提出一種硬巖地層正推動(dòng)力擴(kuò)孔裝置，利用正推擴(kuò)孔施工工藝加快巖石地層擴(kuò)孔速度，降低孔內(nèi)事故發(fā)生概率。

該硬巖地層正推動(dòng)力擴(kuò)孔裝置包括沿著擴(kuò)孔方向依次連接的水平定向鉆機(jī)、鉆桿、螺桿鉆具和鉆頭，其中擴(kuò)孔方向(鉆頭前進(jìn)方向)背離水平定向鉆機(jī)。

進(jìn)一步地，鉆頭為巖石鉆頭。

進(jìn)一步地，水平定向鉆機(jī)包括柴油機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)、設(shè)備控制系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)。

本發(fā)明的擴(kuò)孔裝置利用螺桿鉆具通過(guò)泥漿驅(qū)動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)完成切削擴(kuò)孔，并可以與鉆機(jī)主軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)提高轉(zhuǎn)速進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)；同時(shí)鉆機(jī)給鉆桿施加推力，沿導(dǎo)向孔進(jìn)行正推擴(kuò)孔，能實(shí)現(xiàn)螺桿鉆具與鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩的有效疊加，避免了鉆桿因摩擦阻力導(dǎo)致的沿程扭矩?fù)p失。

本發(fā)明進(jìn)一步提供了使用上述硬巖地層正推動(dòng)力擴(kuò)孔裝置的硬巖地層正推動(dòng)力擴(kuò)孔的工藝，該工藝包括如下步驟：

(a)導(dǎo)向施工：在地面進(jìn)行導(dǎo)向儀器方位角測(cè)量，并將儀器安裝在無(wú)磁鉆鋌內(nèi)部，每鉆進(jìn)一根鉆桿進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)掌握鉆頭在地下的位置，優(yōu)選地，干擾較大時(shí)，在地面布設(shè)地面信標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行糾偏，直至鉆進(jìn)到出土點(diǎn)；

(b)擴(kuò)孔施工：導(dǎo)向孔鉆通之后延鉆桿下套管至巖石層，套管直徑比最后一級(jí)擴(kuò)孔直徑大(例如10％)，抽出全部鉆桿，根據(jù)巖石硬度巖性安裝(例如311mm或393mm)鉆頭，擴(kuò)孔方向(鉆頭前進(jìn)方向)背離水平定向鉆機(jī)，進(jìn)行正推擴(kuò)孔；第一級(jí)擴(kuò)孔完成安裝下一級(jí)擴(kuò)孔鉆頭，根據(jù)上一級(jí)擴(kuò)孔數(shù)據(jù)來(lái)選定下一級(jí)擴(kuò)孔器級(jí)差；

擴(kuò)孔過(guò)程中觀察進(jìn)尺速度、推進(jìn)壓力和泥漿排量壓力。

本著小級(jí)差快速進(jìn)尺的原則，一般級(jí)差不超過(guò)200mm。

根據(jù)擴(kuò)孔孔徑的增大，螺桿鉆具的直徑也相應(yīng)增加，一般配合為172mm螺桿鉆具配241mm和311mm巖石鉆頭，203mm螺桿鉆具配393mm和406mm巖石鉆頭,244mm螺桿鉆具配445mm、660mm及以上巖石鉆頭。

(c)管道回拖：擴(kuò)孔完成后在出土點(diǎn)將螺桿鉆具及鉆頭卸下后，安裝普通擴(kuò)孔器、分動(dòng)器、連接管道，將管道回拉至鉆機(jī)位置處，完成管道的敷設(shè)工作。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)

本發(fā)明提供了一種利用正推動(dòng)力擴(kuò)孔施工工藝在硬巖地層進(jìn)行擴(kuò)孔的硬巖地層正推動(dòng)力擴(kuò)孔裝置，代替了傳統(tǒng)的擴(kuò)孔裝置和工藝。能實(shí)現(xiàn)馬達(dá)與鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩的有效疊加，避免了鉆桿因摩擦阻力導(dǎo)致的沿程扭矩?fù)p失，從而解決硬巖、長(zhǎng)距離水平定向鉆施工中由于動(dòng)力不足引起的擴(kuò)孔效率低、鉆桿斷脫、擴(kuò)孔鉆頭掉輪等問題，以提高擴(kuò)孔效率，減少鉆桿磨損。同時(shí)可使巖石層擴(kuò)孔效率提高3—5倍，有效降低成本，縮短施工工期。

附圖說(shuō)明

圖1為傳統(tǒng)擴(kuò)孔裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為傳統(tǒng)擴(kuò)孔工藝示意圖，其中擴(kuò)孔方向朝向水平定向鉆機(jī)。

圖3為本發(fā)明的硬巖地層正推動(dòng)力擴(kuò)孔裝置的示意圖。

圖4為本發(fā)明正推擴(kuò)孔工藝示意圖。

圖5為本發(fā)明導(dǎo)向施工示意圖。

圖6為本發(fā)明正推擴(kuò)孔施工配置圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明

1-水平定向鉆機(jī)；2-控制室；3-鉆桿；4-水泵；5-泥漿混合罐；6-鉆屑分離設(shè)備；7-泥漿泵；8-膨潤(rùn)土堆；9-發(fā)電機(jī)組；10-工具房；11-現(xiàn)場(chǎng)辦公室；12-現(xiàn)場(chǎng)辦公室；13-泥漿池；14-泥漿沉淀池。

21-水平定向鉆機(jī)；22-鉆桿；23-擴(kuò)孔器；24-螺桿鉆具；25-鉆頭。

31-導(dǎo)向鉆桿；32-導(dǎo)向儀器；33-導(dǎo)向鉆頭；34-導(dǎo)向曲線。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明的硬巖地層正推動(dòng)力擴(kuò)孔裝置包括沿著擴(kuò)孔方向依次連接的水平定向鉆機(jī)21、鉆桿22、螺桿鉆具24和鉆頭25，其中擴(kuò)孔方向(鉆頭前進(jìn)方向)背離水平定向鉆機(jī)。

通過(guò)上述硬巖地層正推動(dòng)力擴(kuò)孔裝置進(jìn)行擴(kuò)孔的方法包括如下步驟：

第一步：導(dǎo)向施工

在地面進(jìn)行導(dǎo)向儀器方位角測(cè)量，并將儀器安裝在無(wú)磁鉆鋌內(nèi)部，每鉆進(jìn)一根鉆桿進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)掌握鉆頭在地下的位置，干擾較大時(shí)，在地面布設(shè)地面信標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行糾偏，直至鉆進(jìn)到出土點(diǎn)，導(dǎo)向工藝如圖5所示；

第二步：擴(kuò)孔施工

導(dǎo)向孔(例如用216mm鉆頭)鉆通之后延鉆桿下套管至巖石層。套管直徑比最后一級(jí)擴(kuò)孔直徑大10％，抽出全部鉆桿；

根據(jù)巖石硬度巖性安裝311mm或393mm鉆頭，進(jìn)行正推擴(kuò)孔。擴(kuò)孔過(guò)程中觀察進(jìn)尺速度、推進(jìn)壓力和泥漿排量壓力；

第一級(jí)擴(kuò)孔完成安裝下一級(jí)擴(kuò)孔鉆頭，根據(jù)上一級(jí)擴(kuò)孔數(shù)據(jù)來(lái)選定下一級(jí)擴(kuò)孔器級(jí)差。本著小級(jí)差快速進(jìn)尺的原則，一般級(jí)差不超過(guò)200mm。

根據(jù)擴(kuò)孔孔徑的增大，螺桿鉆具的直徑也相應(yīng)增加，一般配合為172mm螺桿鉆具配241mm和311mm巖石鉆頭，203mm螺桿鉆具配393mm和406mm巖石鉆頭,244mm螺桿鉆具配445mm、660mm及以上巖石鉆頭。

第三步：管道回拖

擴(kuò)孔完成后在出土點(diǎn)將螺桿鉆具及鉆頭卸下后，安裝普通擴(kuò)孔器、分動(dòng)器、連接管道，將管道回拉至鉆機(jī)位置處，完成管道的敷設(shè)工作。

工藝過(guò)程如圖4所示。

現(xiàn)場(chǎng)施工如圖6所示，由水泵4從水源處抽水至泥漿混合罐5進(jìn)行泥漿攪拌，泥漿攪拌合格后通過(guò)泥漿泵7將泥漿通過(guò)高壓泥漿管傳輸至鉆機(jī)1、鉆機(jī)上部鉆桿3、動(dòng)力鉆具、鉆頭完成擴(kuò)孔作業(yè)，從入土點(diǎn)返出的泥漿返回到泥漿池13，經(jīng)過(guò)沉淀池14泥漿進(jìn)行沉淀，然后將沉淀后的泥漿抽入到鉆屑分離設(shè)備6進(jìn)行巖屑分離，將泥漿中顆粒大的巖屑分離出來(lái)，泥漿流入到泥漿罐進(jìn)行重復(fù)利用，然后再通過(guò)泥漿泵輸送泥漿，實(shí)現(xiàn)循環(huán)工作。

泥漿泵包括柴油機(jī)、柱塞泵、與鉆機(jī)及鉆屑分離設(shè)備連接的各種管路。泥漿回收裝置包括泥漿罐、鉆屑分離設(shè)備及連接的管路。

使用本發(fā)明的方法進(jìn)行硬巖地層擴(kuò)孔，鉆桿磨損相比于反推擴(kuò)孔顯著減少，鉆孔使用壽命大幅延長(zhǎng)，同時(shí)可使巖石層擴(kuò)孔效率提高多達(dá)5倍，有效降低成本，縮短施工工期。