水平定向钻用岩石扩孔器的选择及操作控制技术.docx

1、水平定向钻用岩石扩孔器的选择及操作控制技术水平定向钻用岩石扩孔器的选择及操作控制技术第24卷第5期2007拒非开挖技术TrenchlTechnologyV01.24.No.5Oct.,20073水平定向钻用岩石扩孔器的选择及操作控制技术陈雪华刘伟(华东管道工程有限公司,江苏徐州221008)摘要:作者结合水平定向钻穿越的实践.对典型岩石扩孔器,如滚刀型岩石扩孔器,低扭矩岩石扩孔器,对开式岩石扩孔器的结构特点和适应性进行了分析.提出了水平定向钻要根据穿越地层的类型选择岩石扩孔器的尺寸和型式.选择岩石扩孔器要注意扩孔器的使用寿命:并建议岩石扩孔器本体设计时应考虑具备反向退出钻孔的功能,扩孔器产生的

2、钻屑粒径能足够小,以使泥浆悬浮钻屑并顺利排出到地表;提出了岩石扩孔器的具体操作控制要点.从而达到快速,高效,高质量扩孔的目的,降低穿越施工的风险.关键词:水平定向钻进,岩石,扩孔器水平定向钻穿越铺管方法是目前非开挖铺管技术方法中的主流方法.该工艺方法中一般要经历三个阶段:一是导向孔施工.二是一级或多级预扩孔.三是成品管回拖.可以说.导向孔完成后.扩孔是非常关键而且工作量最大的一道工序.而扩孔作业的关键则是根据实际条件.选择高效,安全的扩孔器,从事岩石层水平定向钻穿越预扩孔作业前应重点考虑以下三个方面的内容:扩孔器的使用寿命.每级扩孔时扩孔器产生的扭矩值.扩孔的效率及经济性.另外.扩孔过程对导向

3、孔还具有一定的修正作用.如果导向孔只具有小角度的弯曲.经过选用适当的扩孔器.通过扩孔工序能达到较理想的圆滑孔.例如在软硬不均的地层.扩孔器易偏向软地层.即偏向阻力最小方向.长时间使用会造成扩孔器的损坏.因此遇到此类情况应合理选择扩孔器的类型在实践中应根据岩层情况,穿越设备能力,扩孔的直径,穿越长度及使用的泥浆状况来进行灵活选择1国内外岩石扩孔器生产状况目前.国内大型水平定向钻穿越用的岩石扩孔器主要靠进口.由于美国是水平定向钻的发明国,加上美国在岩石层水平定向钻穿越的市场大.技术应用较普遍.岩石扩孔器的制造厂家也主要集中在美国.其中最着名的是Inrock公司和Sharewell公司.这是两家长期

4、专门从事水平定向钻穿越用的岩石扩孔器制造及控向技术服务的公司.国内某钻头股份有限公司自2004年开始试制岩石扩孔器.但由于原材料及加工能力的限制.加上国内大型岩石层水平定向钻穿越市场相对较小等原因.其产品性能和结构设计等方面亦有待于在实践中进一步探索和提高.2典型岩石扩孔器的结构特点和适应性分析水平定向钻岩石扩孔器按其结构不同可分为滚刀型岩石扩孔器,低扭矩型岩石扩孔器和对开式式岩石扩孔器三大类.2.1滚刀型岩石扩孔器滚刀型岩石扩孔器由中心轴,滚刀托架及滚刀盘等组成.滚刀盘工作时,既绕心轴公转,又自转,滚作者简介:陈雪华,1969年出生,高级工程师,1993毕业于江汉石油学院工民建专业,现任华东

5、管道工程有限公司副总工程师,从事水平定向钻穿越施工多年.曾任华东管道工程有限公司12次采用水平定向钻方式成功穿越长江的技术负责人.4非开挖技术Trenchle$Technology2007年刀盘托架与扩孑L器本体上专门设计有泥浆通道.泥浆喷嘴指向滚刀盘.用以滚刀盘工作时的冷却.该类型扩孑L器是最早设计的岩石扩孑L器.特点是结构强度高.滚刀盘磨损后可方便更换,且同一扩孔器本体可通过更换不同直径的滚刀盘.以适应不同直径扩孑L的需要.缺点是自重大.在软岩层扩孑L时易形成椭圆形孑L:如在扩孑L期间需更换滚刀盘,扩孑L器在孑L内的退出困难较大,同时由于其自身的结构特点,尤其是直径30”以上的扩孑L器所需

6、钻机的扭矩很大.其适应地层为软岩中硬岩(硬度在1500psi12000psi).不适合硬岩层(硬度在12000psi以上)的穿越.2.2低扭矩岩石扩孔器低扭矩岩石扩孑L器是滚刀型岩石扩孑L器的改进型.外形设计上将扩孑L器本体作了较大的”瘦身”,结构轻巧.滚刀盘采用单臂可更换型设计,使更换滚刀盘的操作更加便捷.同一扩孑L器本体亦可通过更换滚刀盘的直径来达到不同直径扩孑L的需要.该类型扩孑L器设计的最主要特点是大大降低了扩孑L扭矩.使小吨位钻机能扩更大直径的钻孑L.且需更换滚刀盘时更容易从孑L内退出.缺点是结构强度低.尤其是滚刀盘的单臂设计.使刀盘的轴承在扩孑L时承受的力矩相对较大.降低了其使用寿

7、命,易发生轴承损坏掉滚刀盘的事故.从而造成钻孑L报废,尤其是在较长距离的岩石层穿越中风险更大.该扩孑L器设计另一个缺点是滚刀盘间距过大.岩石不易被破碎成小块随泥浆带出孑L道.同时也会使钻机的旋转扭矩发生“跳跃”其适用地层为软岩中硬岩(岩石硬度在1500psi12000psi).穿越岩石长度最好不要超过500m.2.3对开式岩石扩孔器对开式岩石扩孑L器就是将钻头体剖开.一分为j.将低扭矩岩石扩孑L器的滚刀盘用剖开后的钻头体牙轮代替.同时本体设计增加了保护结构,钻头体内设计有专门的泥浆通道用以冷却钻头.此类型扩孔器不同于油田垂直井的岩石扩孑L器.其牙轮边缘保护及牙轮轴承设计均适合于水平定向钻(HD

8、D)施工,设计强度高.耐磨性能好,使用寿命长,适用于各类岩石地层尤其是长距离穿越的扩孑L作业.其产生的扭矩值介于低扭矩岩石扩孑L器和滚刀型岩石扩孔器之间,缺点是钻头体结构复杂.价格昂贵,且钻头体为不可更换设计.故亦称次性岩石扩孔器,使用安全性能好.但施工成本也较高.对开式岩石扩孑L器根据其使用钻头体牙轮的不同又可分为MT对开式岩石扩孑L器.TCI对开式岩石扩孑L器和HDX对开式岩石扩孑L器三大类2.3.1MT对开式岩石扩孔器MT对开式岩石扩孑L器(MilledToothSplitRockReamer)是指使用牙轮的牙齿是铣齿.即指是在牙轮机体上铣出的齿.其耐磨性相对较差.为了提高其耐磨程度.常

9、在其上敷焊硬合金层.其适用地层主要为软岩.岩石硬度为1500psi8000psi.2.3.2TCI对开式岩石扩孔器TCI对开式岩石扩孑L器(TungstenCarbideInsentSplitRockReamer)是指使用牙轮的牙齿是镶齿.即指是将由硬质合金制作的牙齿镶嵌在牙轮壳体上.此牙齿硬度大,耐磨性能好,使用寿命长.缺点是镶齿的质脆.易崩坏及因镶齿不牢而脱落.适用地层为软岩硬岩.其中岩石硬度在8000psi12000psi之间的地层时.宜选择凿齿状碳化钨合金齿,齿高和齿距可适当放大.以提高钻进效率.对岩石硬度在12000psi以上的地层时,应选择圆锥形碳化钨合金齿.齿高和齿距均应变小.当

10、然,选择的齿型还应结合穿越的长度而定2.3.3HDX岩石扩孔器HDx岩石扩孔器是美国Inrock公司近年来专业开发研制的新产品.也是目前世界上长距离高硬岩石层水平定向钻穿越工程中最为有效的扩孑L器.HDx岩石扩孔器使用的牙轮是美国Sandik公司和Smith公司联合打造的新一代产品.这类扩孑L器在连续运行小时,钻进效率等方面有了较大的突破.其特点是牙轮齿更加坚固,耐磨,牙轮间的间距由普通的30”缩减为22”,使岩屑磨得更细,同时也增加了牙轮的数量.使其旋转时更加平滑,扩孑L扭距的摆动幅度更小,要求的钻机扭距也更小;轴承的密封滑动设计近乎完美.并增加了保径设计,使扩孑L器的使用寿命更长.相当于同

11、类产品岩石扩孔器使用寿命的23倍.非常适合于长距离硬岩层的穿越.但其价格非常昂贵,一般施工单位难以接受.3岩石扩孑L器的选择及操作控制要点3.1岩石扩孔器的选择要点3.1.1根据穿越地层的类型选择岩石扩孔器穿越地层的类型是正确选择岩石扩孑L器的尺寸第24卷第5期陈雪华刘伟:水平定向钻用岩石扩孔器的选择及操作控制技术5和型式的重要因素.软岩地层扩孔时允许使用更大直径的扩孑L器和更少的扩孑L次数.相邻两级扩孔器的尺寸差距也可以更大:推荐扩孑L方案为:97/8”钻头打导向孑L一171/2”MT岩石扩孔器一26”MT岩石扩孑L器一36”MT岩石扩孑L器一48”MT岩石扩孑L器一54”MT岩石扩孑L器一

12、60”MT岩石扩孑L器硬岩地层扩孑L时要求的扩孑L直径变化不能太大.并采取多次扩孑L的方式.以达到最佳的扩孑L效率及钻屑的顺利排出:推荐扩孑L方案为:97/8”钻头打导向孑L一171/2”TCI岩石扩孑L器一26”TCI岩石扩孑L器一30”TCI岩石扩孑L器一36”TCI岩石扩孔器一42”TCI岩石扩孑L器一48”TCI岩石扩孑L器一54”TCI岩石扩孑L器一60”TCI岩石扩孑L器3.1.2选择岩石扩孔器要注意其使用寿命岩石扩孑L器选择的另一个重要因素是扩孑L器的使用寿命.影响岩石扩孑L器使用寿命的因素包括两个方面.一是牙轮和滚刀盘的结构强度和耐磨性:二是轴承的使用寿命.轴承在多数情况下是岩

13、石扩孑L器最薄弱的一个环节.而且一旦出现轴承损坏.极易使滚刀盘或牙轮脱落而留在钻孑L内.使后续的扩孑L无法继续进行,钻孑L报废.轴承的形式主要有开放式轴承和密封轴承两类.开放式轴承系统工作时处于含研磨性颗粒,起润滑和冷却作用的泥浆中.损坏较快,这类轴承的使用寿命与它的转速,破碎岩石所需的钻压以及泥浆中的固体颗粒含量密切相关密封轴承系统工作时完全被润滑油脂所填充和密封.使泥浆不能浸入其中.这类轴承的使用寿命要比开放式的使用寿命高出23倍.但同时其占用的空间就更大如HDX岩石扩孑L器的牙轮就采用密封滑动式轴承,且具有保径设计.防止在定向钻进时轴承承受过大的力矩.防止牙轮边缘的过度磨损.故其使用寿命

14、就更长.水平定向钻穿越是一项高风险的行业.稍有不慎,随时都会有险情发生.为达到单次扩孔时中途更换扩孔器或卡钻时解卡的需要.岩石扩孔器本体的设计还应考虑具备反向退出钻孔的功能扩孔的主要目的是清除孑L道内的钻屑.而不仅仅是切下钻屑.因此在选择扩孑L器时,我们希望产生的钻屑足够小.能使泥浆悬浮钻屑并顺利排出到地表3.2岩石扩孔器的操作控制要点岩石扩孑L器操作控制的主要参数是钻机施加给扩孔器的推拉力(反向扩孑L时为拉力.正向扩孑L时为推力)或称钻压,转速以及扩孑L期间泥浆的泵送量,其控制要点如下:(1)不同直径和不同形式的岩石扩孔器对钻压的要求也各不相同.正规厂家提供岩石扩孑L器的同时会附上经多次测试

15、后给出的推荐钻压值.尤其是在长距离岩石层扩孑L期间.一定要控制钻压在厂家推荐的数值范围之内.以避免扩孑L器的过度磨损造成严重后果.大多数岩石层扩孑L事故都是因为过度追求扩孑L速度.施加的钻压过大造成的.(2)转速是进行岩石扩孑L施工的另一个重要控制参数.这里所指的转速是钻机驱动钻杆,带动扩孑L器旋转的转速.转速的调整主要与岩石的硬度有关.软岩石扩孑L时.当扩孑L器直径30”时.推荐转速不应超过60rpm:当扩孑L器直径大于30”时.推荐转速不应超过40rpm.硬岩钻进时.转速应相应减小.一般为1040rpm.过低的转速会降低扩孑L效率.不够经济:过高的转速会引起扩孑L器的非正常磨损.甚至造成扩

16、孑L事故(3)岩石扩孑L操作应遵循的一个重要原则是:需破碎的岩石越硬.需要的钻压就越大.要求的钻速也就越低.同时应注意.相同的钻机钻速条件下.直径不同的扩孑L器产生的效果是不相同的.扩孑L器直径越大.外边缘的线速度也就越大,磨损也越严重.(4)进行岩石层扩孑L时.保证泥浆的泵送量同样也很关键.此时泥浆的主要作用是冷却扩孑L器和携带钻屑泥浆的实际泵送量应根据每级扩孑L产生的钻屑量和泥浆的携带能力进行计算后确定.一般不应低于lmVmin.(5)扩孑L器进岩石层的施工方法:当岩石扩孑L器从软土层进入岩石层或从软岩层进入硬岩层时.操作要点是首先放慢扩孑L速度.降低钻压,待扩孑L器本体完全进入岩石层或硬

17、岩层后再加大钻压如果此过程中施加的钻压过大.就很可能造成卡钻,从而损坏扩孑L器.或者至少缩短了扩孑L器轴承的寿命.(6)进行分级扩孔时.注意不要选择直径太相近(级差小于4)的岩石扩孑L器进行分级扩孑L.否则一方面发挥不出扩孔器应有的扩孔效果.另一方面直径太相近的扩孑L器在作业时很容易出现被岩石层卡住的危险.4结束语在保障扩孑L质量的前提下,如何快速,安全,有6非开挖技术TrenehlessTechnology2007效地扩孔已成为水平定向钻穿越工程师们关注的主要问题.可以说如何合理地选择岩石扩孔器并正确地进行操作控制是问题的关键.在选择过程中.应根据穿越的地层条件,钻机及配套设备的功率配备,扩

18、孔的最大直径,穿越长度以及泥浆的状况来进行灵活选择.因地制宜地选择结构合理的岩石扩孔器及正确操作控制,不仅能快速,安全,高质量的扩孔,而且能达到减少回拖成品管的阻力.降低穿越风险的目的.中美联合非开挖工程技术高级研讨班随着我国国民经济的高速发展和政府对环境的日益重视,自90年代中期以来.我国非开挖的工程施工量和投入的设备数量均以每年40%的高速度增长.非开挖技术在我国已形成了一个新兴的产业.引起了各级政府和环境部门的高度重视.极有潜力的我国非开挖技术市场也吸引了大批国际非开挖设备制造商.尤其在处于中国管道大发展的21世纪.非开挖技术将具有十分广阔的应用前景,经济效益和社会效益也将非常巨大.为了

19、进一步缩小与国外非开挖技术的差距,提高我国非开挖技术的市场竞争力.促进非开挖新技术的开发,推广和应用,2007地质工程国际学术研讨会组委会,中国地质大学(武汉)和中国非开挖技术协会联合美国德州大学和路易斯安那工业大学,特邀请美国非开挖领域世界着名的学者:国际非开挖协会主席R.Sterling博士,美国非开挖工程的奠基人和开拓者T.Iseley博士等知名专家和国内该领域的知名学者以及具有丰富实践经验的工程技术人员.于2007年10月810日在武汉举办为期三天的”中美联合非开挖工程技术高级研讨班”.使中国从事非开挖技术的科研,管理和施工人员共同分享他们的研究成果,高新技术,先进的管理理念和工程经验等研讨班人员包括:(1)地下管线设计,施工和管理人员及相关政府职能部门的管理人员等:(2)非开挖工程领域的工程技术人员,科研人员和研究生等:(3)市政工程设计,施工和管理人员;(4)给排水管道工程设计,施工,管理以及科研人员:(5)地质工程相关专业的工程技术人员和科研人员等.(朱文鉴供稿)