徐州实华管道特种作业有限公司穿越工程处 江苏徐州 221008
摘要：水平定向钻在20世纪70年代出现，近年来，随着我国输油输气管道工程的大规模铺开，以及城市建设中燃气，电力、电信，水源及污水管道的大发展，使得我国的非开挖行业发展迅猛，非开挖穿越工程施工技术和装备逐渐成熟。但岩石穿越技术对很多施工单位来讲还是很陌生，根据岩石穿越技术的相关总结，同时对其中的岩石钻孔技术和工具加以研究，以其在地质条件适合的类似工程推广应用。
关键词：水平定向钻 岩石穿越工程 技术研究和钻具应用
在岩石穿越工程上，水平定向钻的技术应用相当广泛，也相当重要。但是对于岩石钻孔的工具也不容忽视，因为这对于岩石穿越的最终效果有着一定程度上的巨大影响。在这篇文章中，接下来就让我们从导向钻进、扩孔钻进及其常用级差和参数等三个方面对岩石穿越工程中应用到的水平钻技术及其工具进行详细的介绍和分析。
一、岩石穿越导向钻进
岩石穿越工程导向钻进主要有简易施工法，DITCH WITCH双壁钻杆钻进法，气动或液动潜孔锤冲击回转导向钻进法，泥浆马达导向钻进法。
其中泥浆马达驱动导向钻进法是目前国内外最通用的岩石导向钻进方法。适用于25t以上各型非开挖钻机，尤其是大型非开挖钻机。
泥浆马达也称螺杆钻具，一般与牙轮导向钻头和有线或无线探棒装置配合使用。正常钻进时，钻杆与马达一起旋转直线钻进；当需要导向时，马达弯点母线与探棒12点方向调整一致，钻杆及马达外壳不旋转，只提供反扭矩和给进力，马达转子在泥浆泵的液力驱动下带动钻头旋转，从而实现导向钻进。水平定向钻用的马达弯角一般在1.5-3度之间，根据管线设计轨迹曲率不同选择不同的弯角.
马达驱动导向钻进连接形式：
无线：钻杆一仪器仓一马达一牙轮钻头
有线：钻杆一无磁钻铤一仪器仓一无磁钻铤一马达一牙轮钻头
二、岩石穿越扩孔钻进
导向孔完成后，根据管径大小进行扩孔：
目前的岩石扩孔器大致分为两种类型：
一是固定牙轮式扩孔器，应用石油用牙轮钻头牙轮掌为切削具，通过焊接的方式与 扩孔器中心轴和底盘相连。
二是可更换滚刀扩孔器，以可更换滚刀为切削具：滚刀以安装方式不同分为刀架安装式和悬挂式安装。
1.牙轮式扩孔器的优缺点
优点：
（1）加工周期短；
（2）适用于各种直径岩石扩孔器(更适用于中小直径)，适用于各种地层(口径220-1600mm )；
（3）根据钻机特点及不同地层情况，选择最合适的齿型及轴承结构；
（4）掌背倾斜，冷镶防磨合金，减轻磨损；
（5）独有的牙轮防脱技术，防止牙轮轴承损坏后牙轮落在孔内造成孔内事故。
（6）水力破岩，排渣顺畅，减少岩渣堆积；
（7）焊接工艺保证，防止焊接过热伤害牙轮轴承；
（8）钻头本体导向螺旋带设计，导正及导渣效果好，减少钻头重复破碎；
缺点：
（1）由于牙轮的结构特点，掌背磨损无法彻底解决，在钻进砂岩砾岩时现象尤其明显；
（2）牙轮密封集中在牙掌与牙轮结合部。牙掌背部尤其是与牙轮结合部磨损后，轴承就要失效了。常导致牙轮的过早损坏；
（3）更换牙轮比较困难，要先切下旧 轮子，修磨好后再焊上新轮子，：时间较长；
（4）扩孔器本体修几次后就要报废了。
2.中小型钻机用刀架式可更换滚刀岩石扩孔器
这种双支点刀架支撑结构可更换滚刀岩石扩孔器，适合中小钻机使用，具有以下特点：
（1）解决了牙轮式结构扩孔器掌背磨损问题；
（2）成本与橡胶密封牙轮式扩孔器相差无几，降低了使用成本；
（3）彻底解决了掉轮问题；
（4）金属密封，寿命长；
（5）换轮方便；
（6）安全可靠。
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2.3大型钻机用可更换滚刀式扩孔器
可更换滚刀式岩石扩孔器的特点：
（1）采用进口美国SHAREWELL公司岩石扩孔器，后经廊坊钻王科技深远穿越有限公司改进国产化，使用效果比国外的要好，主要解决了三方面的问题：
①SHAREWELL公司轴承采用橡胶密 封，改进后滚刀轴承密封采用金属密封，寿 命从国外的40-60小时提高到目前的100小时以上；
②解决了掉轮问题，体现在三点，一是滚刀悬挂丝扣本身防脱，二是滚刀加装互锁 装置，三是轴承本身的特点是轴承损坏后，滚刀外壳不会脱落；
③与国外同类产品相比，价格也大幅降低；
（2）该系列钻具适用于大钻机重载荷 的大直径穿越工程，适用于各种岩石地层；
（3）扩孔器采用大直径金属密封滚刀作为切削具。本体可多次使用，只需换轮即可：滚刀轮分为A， B， C三种，可以调整达到不同扩孔直径，为多个工程使用同一套钻 具本体提供了方便；
（4）滚刀轮损坏后换轮容易，一般可在半小时内换轮完毕，方便快捷；
（5）长期综合成本优势明显；
（6）回扩滚刀全部采用金属密封，同时，滚刀直径大(ABC轮大端直径均在346， 360， 372)，回转过程中，滚刀线速度低， 尤其适合于大管径施工。与钻头最大线速比 为4.5倍(相对66”回扩孔径)，即钻头转一 圈，滚刀转4.5圈，保证滚刀轴承在低速范围内，所以滚刀寿命长，正常情况下在100小时以上，除非岩石特别硬或异常情况，扩孔 时间长需要换轮，基本上不需更换滚刀，实 现一次性回扩；
（7）不存在掌背磨损问题；
（8）滚刀全部采用09大合金，进尺快，可根据不同地层选用不同齿型。硬岩采用钝齿齿型，软岩采用锥齿齿型；
（9）优秀的水力学设计，充分考虑流 道排渣通畅，同时实现水力破岩；
（10）钻头本体材质采用优质合金钢精 锻，可焊性好，方便现场修补；
（11）38寸以上钻头本体导向采用螺旋带设计，导正及导渣效果好，减少钻头重复破碎，同时起到保护本体滚刀刀座的作用；
（12）充分考虑减重问题.最大一级66" 扩孔器重量控制在3.5T以内，对于减小钻进扭矩，降低轨迹变线倾向有着决定性的影响；
可更换滚刀式岩石扩孔器的缺点：
（1）加工周期长，一般在30-50天；
（2）不适用小钻机，适合的扩孔直径在600以上；
（3）单只钻具成本较高，只有在长孔距，大孔径，长期使用情况才有较大综合成本优势；
三、岩石扩孔钻进的常用级差和参数
1.扩孔级差
小钻机常用扩孔器级差：导向152或165—300-400—500—600—700—800—900
大钻机常用扩孔器级差：导向孔216或241-457 ( 18" ) —610 ( 2 4" ) —762 ( 30" ) —914 ( 36"）—1067 ( 42" ) —1219 ( 48”）—1372 ( 54" ) —1524 ( 60" ) —1676 ( 66")
扩孔器直径根据管径的1.3-1.5倍选配，一般长管线取大值，短管线取小值；复杂地层取大值，稳定地层取小值；小管径和大管径取大值，中等管径取小值。
2.钻进参数
（1）钻压
理论上钻进压力视地层岩石硬度、钻孔直径、钻进速度、钻机、钻具能力及钻头结构强度等因素而定。地层越硬，直径越大，所需钻压也越大；钻压越大，钻进速度也越快。但是如果钻压太大，滚刀压人岩石太深，会导致钻头蹩钻，不能回转，对钻机钻具及钻头造成损坏，引起孔下事故。同时切削具轴承寿命与钻压大小有直接关系，所以应限定钻进压力。
具体操作时以钻杆承受正常扭矩值的 1/2--3/4匹配钻压，以不超过扩孔器厂家推荐值为限；
（2）转速
钻机转速随钻头直径变化而变化，一般要求钻头最外边争削具回转线速度不大于3m/s，正常情况下控制钻杆转速在40RPM以内；
（3）泥浆排量
泥浆的作用在于携带岩肩，冷却钻头。理论上泥浆排量越大越好。在砂岩地层为了减少钻头磨损，应尽可能加大泵量。
四、总结
水平定向钻岩石层穿越应根据地层条件、钻机及配套设备的功率配备、扩孔的最大直径、穿越长度以及泥浆的状况来选择结 构合理的岩石扩孔器及正确操作控制，经过实践经验，可更换滚刀式岩石扩孔器在结构强度，切削具的切削性能及轴承寿命，防掉轮性能，扩孔器的重量控制方面具有优越性，特别在大管径扩孔工程中是非常适宜的，同时，应在科学计算的基础上科学施工，降低岩石穿越风险。
参考文献：
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[2]定向钻穿越钻杆的标准化管理.李宁.化工管理.2018
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[4]定向钻穿越在管道工程中的应用.李银平.化工管理.2017
[5]水平定向钻技术在管道穿越工程中的应用研究.刘鲁杰.科技资讯.2017
[6]浅海管道敷设中的水平定向钻穿越.楼岱莹，王海，王玉铮，司明林，王可心.油气储运.2017
论文作者:肖文娟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第16期
论文发表时间:2018/11/13
标签：牙轮论文; 岩石论文; 钻头论文; 钻机论文; 导向论文; 地层论文; 钻杆论文; 《建筑学研究前沿》2018年第16期论文;