水平定向钻穿越施工方法及其钻孔设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种水平定向钻穿越施工方法及其钻孔设备，是为提高钻孔孔壁的稳定性及降低穿越施工风险而设计的。本钻孔设备本体内舱墙前连接主轴、锥形破碎机构、刀盘和水平定向钻；机牵引钻杆，舱墙后连接刀盘驱动机构、给水管和'排水管，本体后端连接设有注浆孔且内设注浆管的拖管短节，拖管短节后端连接穿越管线。本发明用于直径400mm以上管线的水平定向钻穿越，其可一次性地将钻孔扩至成孔尺寸并直接回拖管道进入钻孔，完成铺设，同时填充钻孔内壁与穿越管线间的空隙，将钻屑排至出土端。本发明可提高钻孔孔壁的稳定性，降低塌孔导致的施工风险，降低施工成本，保护环境，可实现在松散地层和硬岩地层条件下的大直径、长距离的管道穿越，扩大水平定向钻法的应用范围。
【专利说明】水平定向钻穿越施工方法及其钻孔设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水平定向钻穿越施工方法及其钻孔设备，属于非开挖穿越施工【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前，对于直径400mm以上穿越管线的水平定向钻施工工艺分为钻导向孔、扩孔和回拖三个阶段，即先采用水平定向钻机沿设计轨迹钻一条导向孔；然后，在出土端将钻杆与扩孔器连接，钻机牵引钻杆，钻杆带动扩孔器沿穿越轨迹逐级扩大钻孔，每级扩孔约150mm，直至钻孔孔径达到待穿越管线外径的1.5倍或大于管线外径300mm ;最后，在出土端用钻杆连接穿越管线，将穿越管线拖入钻孔内完成管道敷设。
[0003]上述方法的不足之处在于:1、在扩孔和回拖阶段，钻孔孔壁仅靠液态的泥浆支撑，对于松散地层很难长时间保持钻孔孔壁稳定，而分级扩孔又会增加对地层的扰动，延长钻孔自稳的时间，增加塌孔所导致的穿越失败的风险。2、钻孔过程中切削下来的钻屑靠泥浆悬浮，并通过泥浆的流动携到钻孔外。对于卵石及砾石地层，由于无法将大粒径的钻屑悬浮并排出钻孔，故极易发生卡钻事故，不适合直接采用水平定向钻穿越。3、岩石强度较高(大于50MPa)的地层穿越，钻具切削扭矩大，在穿越管线直径较大时，会受钻具扭矩限制，不适合水平定向钻法。4、在穿越过程中，泥浆起携带钻屑和稳定孔壁的双重作用。一方面为提高泥浆悬浮钻屑的能力而要提高泥浆粘度，降低泥浆的流动性，另一方面为使泥浆能在较低的压力下流动而要降低泥浆的粘度。为解决这个矛盾，只能提高泥浆性能，增加膨润土和添加剂用量，从而加大施工成本。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种水平定向钻穿越施工方法及其钻孔设备，以提高钻孔孔壁的稳定性，降低穿越施工的风险。
[0005]本发明水平定向钻穿越施工方法如下:
[0006]对于直径400mm以上管线的水平定向钻穿越，钻完导向孔后，一次性地将钻孔扩至成孔尺寸，并在扩孔的同时直接回拖管道进入钻孔，完成铺设，同时通过注浆管向钻孔内壁与穿越管线间的空隙填充泥浆，具体施工步骤如下:
[0007]a、在出土端的待穿越管线内铺设施工给水管、施工排水管、施工注浆管和供电线路；
[0008]b、将穿越管线内的施工给水管、施工排水管、施工注浆管和供电线路与本钻孔设备的给水管、排水管和注浆管连接，将穿越管线与本钻孔设备末端连接；
[0009]C、待水平定向钻机完成导向孔作业后，在出土端连接本钻孔设备；
[0010]d、用水平定向钻机牵引钻杆，用钻杆牵引本钻孔设备进入作业坑开始掘进；
[0011]e、本钻孔设备切削地层，直接将钻孔扩至管线穿越所需的尺寸，排水管将钻屑排至出土端；本钻孔设备掘进时同步牵引穿越管线，直至入土端水平定向钻机一侧，同时通过注浆管向钻孔内壁与穿越管线间的空隙填充泥浆。
[0012]在水平定向钻机牵引力不足时，在出土端设置推管机、卷扬机等设备对穿越管线提供推力，辅助钻孔设备掘进。
[0013]本发明水平定向钻穿越钻孔设备的技术内容如下:
[0014]本钻孔设备的本体内部由舱墙隔开，舱墙前表面连接锥形破碎机构和主轴，主轴前端连接刀盘和水平定向钻机牵引钻杆，锥形破碎机构吸与舱墙间为泥水仓，泥水仓设有吸泥口。舱墙后表面连接刀盘驱动机构、连通泥水仓的给水管以及连通吸泥口的排水管，排水管上连接砂石泵。本体后端连接拖管短节，拖管短节周面设有注浆孔，拖管短节内设有连接注浆孔的注浆压力调节装置和注浆管，拖管短节后端连接穿越管线。
[0015]水平定向钻穿越施工方法及其钻孔设备具有如下有益效果:
[0016]钻孔孔壁可及时获得穿越管线和高粘度泥浆的支撑，能保证孔壁稳定，降低因塌孔导致的施工风险。钻屑由专门的排水管道经砂石泵加压后排至地面，不会堆积在钻孔内，能降低卡钻导致的施工风险。水和膨润土用量少，能降低施工成本，保护环境。针对不同的地层类型，成孔直径只需大于穿越管线外直径50?300mm，成孔尺寸小。对钻机及泥浆泵的排量要求低，泥浆流量小。对施工场地要求低，穿越管段可分段预制及回拖。可实现复杂地层(砾石、卵石、硬岩)条件下的大直径、长距离管道穿越，能扩大水平定向钻法的应用范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为水平定向钻穿越钻孔设备结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]实施例:
[0019]参照图1对本发明的实施例进一步说明:
[0020]本钻孔设备包括泥水仓1、吸泥口 2、本体3、拖管短节4、主轴5、刀盘6、锥形破碎机构7、舱墙8、驱动机构9、砂石泵10、注浆孔11、注浆压力调节装置12、注浆管13、给水管14和排水管15:
[0021]管形的本体3内部由舱墙8隔开，舱墙8前表面连接锥形破碎机构7和位于其中心的主轴5，主轴5前端连接刀盘6和水平定向钻机牵引钻杆。锥形破碎机构7与舱墙8之间为泥水仓1，泥水仓I设有吸泥口 2。舱墙8后表面连接刀盘驱动机构9、连通泥水仓I的给水管14以及连通吸泥口 2的排水管15，排水管15上连接砂石泵10。本体3后端铰接连接拖管短节4，拖管短节4周面均匀设有3?5个注浆孔11，拖管短节3内设有连接注浆孔11的注浆压力调节装置12和注浆管13，拖管短节4后端焊接穿越管线。
[0022]本钻孔设备的具体施工方法如下:
[0023]实施例1:
[0024]穿越的地层为淤泥、粉质粘土。首先在出土端完成准备工作。在出土端的穿越管线内铺设给水管、排水管、注浆管和供电线路；将穿越管线内的给水管、排水管、注浆管和供电线路与本钻孔设备的给水管14、排水管15和注浆管13连接，将穿越管线与本钻孔设备末端的拖管短节4焊接。待水平定向钻机完成导向孔作业后，在出土端连接本钻孔设备。用水平定向钻机牵引钻杆，用钻杆牵引本钻孔设备进入作业坑开始掘进。本钻孔设备切削地层扩大钻孔。驱动机构9 (泥浆马达)驱动刀盘6切削地层，泥浆马达所需的高压泥浆由水平定向钻机通过钻杆提供。泥浆由刀盘6表面的喷嘴喷出，在钻孔设备前端的泥水仓I内与钻屑混合，由吸泥口 2进入排水管15，经砂石泵10加压后排至出土端。本钻孔设备掘进并牵弓I穿越管线直至入土端水平定向钻机一侧，完成穿越施工。
[0025]实施例2:
[0026]穿越的地层为粉砂、细砂、中砂、粗砂。首先在出土端完成准备工作。在出土端的穿越管线内铺设给水管、排水管、注浆管和供电线路；将穿越管线内的给水管、排水管、注浆管和供电线路与本钻孔设备的给水管14、排水管15和注浆管13连接，将穿越管线与本钻孔设备末端的拖管短节4连接。待水平定向钻机完成导向孔作业后，在出土端连接本钻孔设备。用水平定向钻机牵引钻杆，用钻杆牵引本钻孔设备进入作业坑开始掘进。本钻孔设备切削地层扩大钻孔。驱动机构9 (泥浆马达)驱动刀盘6切削地层，泥浆马达所需的高压泥浆由水平定向钻机通过钻杆提供。泥浆由刀盘6表面的喷嘴喷出后，在钻孔设备前端的泥水仓I内与钻屑混合，由吸泥口 2进入排水管15，经砂石泵10加压后排至出土端。触变泥浆在出土端经注浆管13注入，由注浆孔11注入穿越管线与钻孔孔壁间的空隙。本钻孔设备掘进并牵弓I穿越管线直至入土端水平定向钻机一侧，完成穿越施工。
[0027]实施例3:
[0028]穿越的地层为粉砂、细砂、中砂、粗砂。首先在出土端完成准备工作。在出土端的穿越管线内铺设给水管、排水管、注浆管和供电线路；将穿越管线内的给水管、排水管、注浆管和供电线路与本钻孔设备的给水管14、排水管15和注浆管13连接，将穿越管线与本钻孔设备末端的拖管短节4连接。待水平定向钻机完成导向孔作业后，在出土端连接本钻孔设备。用水平定向钻机牵引钻杆，用钻杆牵引本钻孔设备进入作业坑开始掘进。本钻孔设备切削地层扩大钻孔。驱动机构9 (电动机)驱动刀盘6切削地层，电动机由地面供电装置通过供电线路供电。泥水在出土端由给水管14注入，在钻孔设备前端的泥水仓I内与钻屑混合后，由吸泥口 2进入排水管15，经砂石泵10加压后排至出土端。触变泥浆在出土端经注浆管13注入，由注浆孔11注入穿越管线与钻孔孔壁间的空隙。本钻孔设备掘进并牵引穿越管线直至入土端水平定向钻机一侧，完成穿越施工。
[0029]实施例4:
[0030]穿越的地层为砾石、卵石、岩石。首先在出土端完成准备工作。在出土端的穿越管线内铺设给水管、排水管、注浆管和供电线路；将穿越管线内的给水管、排水管、注浆管和供电线路与本钻孔设备的给水管14、排水管5和注浆管13连接，将穿越管线与本钻孔设备末端的拖管短节4连接。待水平定向钻机完成导向孔作业后，在出土端连接本钻孔设备。用水平定向钻机牵引钻杆，用钻杆牵引本钻孔设备进入作业坑开始掘进。本钻孔设备切削地层扩大钻孔。驱动机构9 (电动机)驱动刀盘6切削地层，电动机由地面供电装置通过供电线路供电。泥水在出土端由给水管14注入，在钻孔设备前端的泥水仓I内与钻屑混合后，由吸泥口 2进入排水管15，经砂石泵10加压后排至出土端。地层中大粒径的卵石、碎石首先经过锥形破碎机构7碾碎，再经吸泥口 2进入排水管15。触变泥浆在出土端经注浆管13注入，由注浆孔11注入穿越管线与钻孔孔壁间的空隙。本钻孔设备掘进并牵引穿越管线直至入土端水平定向钻机一侧，完成穿越施工。
【权利要求】
1.一种水平定向钻穿越施工方法，其特征在于: 对于直径400mm以上管线的水平定向钻穿越，钻完导向孔后，一次性地将钻孔扩至成孔尺寸，并在扩孔的同时直接回拖管道进入钻孔，完成铺设，同时通过注浆管向钻孔内壁与穿越管线间的空隙填充泥浆，具体施工步骤如下: a、在出土端的待穿越管线内铺设施工给水管、施工排水管、施工注浆管和供电线路； b、将穿越管线内的施工给水管、施工排水管、施工注浆管和供电线路与本钻孔设备的给水管(14)、排水管(15)和注浆管(13)连接，将穿越管线与本钻孔设备末端的拖管短节(4)连接； C、待水平定向钻机完成导向孔作业后，在出土端连接本钻孔设备； d、用水平定向钻机牵引钻杆，用钻杆牵引本钻孔设备进入作业坑开始掘进； e、本钻孔设备切削地层，直接将钻孔扩至管线穿越所需的尺寸，排水管(15)将钻屑排至出土端；本钻孔设备掘进时同步牵引穿越管线，直至入土端水平定向钻机一侧，同时通过注浆管(13)向钻孔内壁与穿越管线间的空隙填充泥浆。
2.根据权利要求1所述的水平定向钻穿越施工方法，其特征在于本钻孔设备由入土端的水平定向钻机提供牵弓I力，控制掘进方向。
3.根据权利要求1所述的水平定向钻穿越施工方法，其特征在于驱动机构(9)驱动刀盘(6)切削地层，驱动机构(9)所需的动力来自水平定向钻机通过钻杆提供的高压泥浆。
4.根据权利要求1所述的水平定向钻穿越施工方法，其特征在于驱动机构(9)驱动刀盘(6)切削地层，驱动机构(9)所需的动力来自地面供电装置及供电线路。
5.根据权利要求1所述的水平定向钻穿越施工方法，其特征在于排渣方法为泥浆在入土端由水平定向钻机通过钻杆注入，在钻孔设备前端的泥水仓(I)内与钻屑混合，由吸泥口(2)进入排水管(15)，经砂石泵(10)加压后排至出土端。
6.根据权利要求1所述的水平定向钻穿越施工方法，其特征在于排渣方式为泥水在出土端由给水管(14)注入，在钻孔设备前端的泥水仓内⑴内与钻屑混合，由吸泥口(2)进入排水管(15)，经砂石泵(10)加压后排至出土端。
7.根据权利要求1所述的水平定向钻穿越施工方法，其特征在于注浆减阻方式为触变泥浆在出土端经注浆管(13)注入，经钻孔设备末端的注浆孔(11)填充穿越管线与钻孔孔壁间的空隙。
8.根据权利要求1所述的水平定向钻穿越施工方法，其特征在于在水平定向钻机牵引力不足时，在出土端设置推管机、卷扬机等设备对穿越管线提供推力，辅助钻孔设备掘进。
9.一种水平定向钻穿越钻孔设备，其特征在于: 本钻孔设备的本体(3)内部由舱墙(8)隔开，舱墙(8)前表面连接锥形破碎机构(7)和位于其中心的主轴(5)，主轴(5)前端连接刀盘(6)和水平定向钻机牵引钻杆；锥形破碎机构(7)与舱墙(8)间为泥水仓(1)，泥水仓(I)设有吸泥口(2);舱墙(8)后表面连接刀盘驱动机构(9)、连通泥水仓(I)的给水管(14)以及连通吸泥口(2)的排水管(15)，排水管(15)上连接砂石泵(10);本体(3)后端连接拖管短节(4)，拖管短节(4)周面设有注浆孔(11)，拖管短节⑷内设有连接注浆孔(11)的注浆压力调节装置(12)和注浆管(13)，拖管短节(4)后端连接穿越管线。
10.根据权利要求9所述的水平定向钻穿越钻孔设备，其特征在于本体(3)后端铰接连接拖管短节(4)，拖管短节(4)周面均匀设有3?5个注浆孔(11)。
【文档编号】E21B21/12GK104213833SQ201310217253
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年6月3日 优先权日:2013年6月3日
【发明者】陆江 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气管道局, 中国石油天然气管道工程有限公司