水平定向钻进硬岩扩孔应用原理分析
水平定向钻用岩石扩孔器的选择及操作控制技术
第 ２５卷 第 ３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
１３
型扩孔 器是 最早 设计 的岩石扩 孔器 ，特 点是 结构 强 对开 式岩石 扩 孔器 三 大类 。
度 高 ，滚刀 盘磨 损后 可方 便更 换 ，且 同一 扩孔 器本 体 ２．３．１ ＭＴ对 开式 岩石 扩孔 器
第 ２５卷第 ３期
１２
２００８年
非 开 挖 技 术
Ｔｒｅｎｃｈｌｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
维普资讯
Ｖ０】．２５．Ｎ ｏ．３
Ｊｕｎｅ，２００８
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）
１ 国内外岩石 扩孑Ｌ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 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 最著 名 的是 Ｉｎｒｏｃｋ公 司和 Ｓｈａｒｅｗｅｌｌ公 司 ，这 是 两家 长期 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 。
摘 要 ：ｆｌｚ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 ：定 向钻 、岩 石 、扩孔 器 、控 制
水平定向钻试钻报告
水平定向钻试钻报告水平定向钻（Horizontal Directional Drilling，简称HDD）是一种先进的钻探技术，它可以在地下钻孔中实现水平或倾斜方向的控制，常用于油田勘探、地质调查、城市建设和水利工程等领域。
本文将详细介绍水平定向钻试钻的原理、工艺流程和应用前景。
一、原理水平定向钻试钻是通过使用钻井设备在地下钻孔中进行钻探，其原理基于以下几个关键要素：1. 钻头：水平定向钻钻头通常由合金制成，具有强大的钻削能力和耐磨性。
钻头通过旋转和推进的方式，切削和破碎地下岩石。
2. 导向系统：水平定向钻的导向系统是实现钻孔方向控制的关键。
它通常由导向钻头、测量仪器和控制系统组成。
导向钻头可以感应地下磁场或电场，并通过传感器将数据传输给控制系统。
控制系统根据接收到的数据，调整钻头的方向和位置，实现水平或倾斜方向的控制。
3. 钻井液：钻井液在水平定向钻过程中起到冷却钻头、清洗钻孔和稳定地层的作用。
钻井液的选择取决于地层条件和钻探要求。
二、工艺流程水平定向钻试钻的工艺流程通常包括以下几个步骤：1. 选址和勘探：根据工程需求，选择合适的钻井点，并进行地质勘探，了解地下地质条件，确定钻孔路径和目标位置。
2. 钻孔准备：在选定的钻井点附近进行基坑开挖，搭建钻井平台和设备，准备钻井液并组装钻具。
3. 钻孔过程：启动钻机，将钻头下入地下，同时注入钻井液进行冷却和清洗。
通过控制系统实时监测钻孔方向和位置，并根据需要调整导向钻头的姿态和推进力度。
4. 钻孔终止：当钻头到达目标位置后，停止钻进，收回钻杆和导向钻头。
5. 完井和后处理：在钻孔完成后，根据需要进行完井工作，如安装套管、注水泥等。
同时进行地质勘探和数据分析，评估钻孔质量和地下地质情况。
三、应用前景水平定向钻试钻技术在各个领域有着广泛的应用前景。
1. 城市建设：水平定向钻试钻可以用于城市地下管道敷设、导线电缆穿越、地铁隧道建设等。
相比传统的开挖施工方式，水平定向钻试钻可以减少对地表的破坏，提高施工效率，降低施工成本。
水平定向钻导向钻头及导向原理
水平定向钻导向钻头及导向原理
导向钻头作为水平定向钻机的配套部件，是实现定向钻进功能的重要工具。
目前使用最广泛的导向钻头主要有斜掌面导向钻头及牙轮钻头两种。
斜掌面导向钻头主要被应用于土层施工，导向原理为：①停止旋转并推进钻头时，倾斜的导向板与土体接触挤压而受到径向分力，从而改变前进方向。
②旋转钻头时，导向板便会对前端土体产生面破碎，消除径向力的影响，从而直线行进。
牙轮钻头多用于岩层施工，并且使用泥浆马达提供动力，其导向原理为：①牙轮钻头在泥浆马达的带动下不停旋转并破碎岩层，当钻杆停止旋转并推进时，由于泥浆马达杆体带有一定的弯度，此时钻头便会向其弯曲的方向行进；②当钻杆转动时，泥浆马达的弯度的影响在转动过程中被相互抵消，从而直线行进。
利用以上的造斜原理，通过导向仪器监测钻头的位置和空间状态，并通过钻杆调整钻头的造斜方向，从而成功实现定向钻进。
水平定向钻穿越硬质岩层大口径天然气管道正向扩孔施工工法
水平定向钻穿越硬质岩层大口径天然气管道正向扩孔施工工法摘要：在大口径天然气管道铺设过程中，水平定向钻不需要地面“开膛破肚”、管沟开挖就可以完成管道铺设，具有施工周期短、效率高、不影响交通、不破坏环境、安全性好等优点，因此在城市道路、山区、河流和地面障碍穿越中应用较为普遍，发展迅速。
然而在面对需要铺设距离长，管径大且复杂地层环境下，特别是硬度较大的岩石地层，常规的水平定向钻施工方案即用传统钻机、钻杆和扩孔器的施工方式，扩孔孔径小，效率低，本文结合具体项目实践，创新性地提出了水平定向钻穿越硬质岩层大口径管道正向扩孔施工工法，解决了传统钻机回转扩孔施工弊端，具有较好的推广应用价值。
关键词：水平定向钻硬质岩层天然气管道正向扩孔施工工法0引言随着我国经济的持续稳定发展，我国的基础设施建设工程也越来越多。
地下管线是一个城市赖以发展的“生命线”，因此地下管线的施工方案和建设水平常常标志着一个国家的基建能力和现代化水平。
传统的地下管线施工技术采用开挖施工法，这种方法对地面交通影响极大，而且由于开挖土方量大，带来的环境污染问题越来越受到人们的关注，因此在绿水青山就是金山银山的今天，从某种意义上来说这种施工方法并不适合社会的长远发展。
近些年发展迅速的非开挖技术很好弥补了这些缺点，水平定向钻属于非开挖工艺中的一种，具有施工周期短、效率高、不影响交通、不破坏环境、安全性好等优点，因此在城市道路、山区、河流和地面障碍穿越中应用较为普遍，发展迅速。
但是常规的水平定向钻施工方案即用传统钻机+钻杆+扩孔器的施工方式，扩孔孔径小、扩孔扭矩小、扩孔级差小、钻进效率低、钻杆断裂和牙轮脱落等事故多、风险大，施工速度慢、工期长，笔者在工程施工中通过实践应用、创新研究、分析总结形成了水平定向钻穿越硬质岩层大口径天然气管道正向扩孔施工工法，很好地解决了上述问题。
1工法特点及适用范围1.1 工法特点⑴本施工方法相对于常规的水平定向钻利用传统钻机、钻杆和扩孔器反向扩孔的施工方法而言，其推进动力大，钻进扭矩大，扩孔级差大，钻头抗频繁冲击能力强，尤其避免了反向扩孔时由于钻杆在预先的长距离导向孔中与周围土产生的摩擦力过大而形成了动力损失。
定向钻进原理与应
地质勘探中对定向钻进技术的定义是指利用钻孔自然弯曲规律或采用 人工造斜工具使钻孔按设计要求进行延伸钻到预定目标的一种钻进方法。
国外有文献认为是为了钻达到一个预定的地下目标，使井眼在特定方 向偏斜的工艺和科学。
煤矿井下对定向钻进技术的定义：是指利用钻孔自然弯曲规律或采用 专用工具使近水平钻孔轨迹按设计要求延伸钻进至预定目标的一种钻探方 法，即有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯。
垂直层理
编辑课件
第一节 定向钻孔的弯曲机理
定向钻进原理与应用
Deflection&Logging
A . 钻头垂直于层面，钻孔为圆形，不发生弯曲；
B . 钻头与地层面斜交，钻头轴线力图向垂直于地层层面方向偏斜，钻孔呈 椭圆形；
C . 钻头平行于层面硬度较小，孔壁易岩石易破碎，形成的钻孔较大，孔壁 间隙大，钻头稳定性差，钻孔容易弯曲。
定向钻进原理与应用
Deflection&Logging
4、避开地表障碍物。勘探和开发障碍物下方的油气田。 5、纠正已斜的井眼或绕过井内堕落物而进行侧钻。（g） 6、打定向井探采盐丘突起下部的油气层。含油构造有时与盐丘构造共 生，部分盐丘可能直接覆盖在油藏上面，直井钻遇盐层可能导至冲蚀、钻 井液漏失和腐蚀等问题(d)。
1 P
2
钻头作用力方向偏离钻孔轴线示意图
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钻头轴向和径向同时受力示意图
2021/8/17
编辑课件
第二节 定向钻孔的弯曲条件
定向钻进原理与应用
Deflection&Logging
2、空间条件
定向钻进原理与应用
深度和直径。
技术挑战与解决方案
加强钻屑处理和环保措施
采用环保型的钻屑处理技术，减少对环境的污染，同时加强施工现场的环保措 施。
合理选用和维护设备
根据实际需求选用合适的定向钻进设备，并定期进行维护和保养，确保设备的 正常运行和使用寿命。
06
定向钻进未来发展趋势
技术创新与进步
钻进工艺优化
通过改进钻头设计、优化钻进参数等手段，提高钻进效率，降低 成本。
地下管线施工
地下管线施工
定向钻进技术适用于地下管线施 工，如电力、通讯、燃气等管道
的铺设和维修。
非开挖施工
定向钻进技术可以实现非开挖施工， 避免对地面和建筑物的影响，降低 施工成本和风险。
管道修复
定向钻进技术可以对旧管道进行修 复和更换，提高管道的耐久性和安 全性。
城市非开挖施工
城市非开挖施工
定向钻进技术适用于城市非开挖施工，如地铁、 隧道、桥梁等工程的施工和维护。
定向钻进钻具是用于控制钻孔方向的工具，包括弯接头、无 磁钻杆、减震器等。
弯接头可以根据需要选择不同的弯曲角度，以控制钻孔的方 向。无磁钻杆则可以在磁场干扰较大的区域使用，避免磁力 干扰对定向精度的影响。减震器则可以减小钻孔过程中的震 动，提高钻孔精度。
定向钻进测量仪器
定向钻进测量仪器是用于监测和测量钻孔位置、方向和深度的设备，包括测斜仪、陀螺仪、 GPS定位系统等。
泥浆性能的稳定。
测量与纠偏
测量定位
纠偏措施
使用测量设备对钻孔的位置和角度进 行实时监测，确保钻孔的准确性。
在钻进过程中，如发现钻孔偏离预定 轨迹，采取相应措施进行纠偏，以确 保钻孔质量。
数据记录
记录钻孔的各项参数，如钻进深度、 角度、方位等，为后续分析提供数据 支持。
水平定向钻机工作原理
水平定向钻机工作原理水平定向钻机是一种用于在地下进行水平定向钻探的设备，它能够在地下进行水平方向的钻探，适用于石油、天然气、地热能等领域。
水平定向钻机的工作原理主要包括钻头、钻杆、钻井液系统、悬浮系统和控制系统等几个方面。
首先，钻头是水平定向钻机的核心部件，它通过旋转和推进的方式实现对地下岩石的钻探。
钻头通常由钻头体、切削结构和导向装置组成，利用旋转切削和钻进的方式来完成对地下岩石的破碎和取芯工作。
其次，钻杆是连接钻头和钻机的重要部件，它能够传递旋转力和推进力到钻头，同时还能够传递钻井液和传感器信号。
钻杆的材质和结构对水平定向钻机的工作效率和钻孔质量有着重要的影响。
钻井液系统是水平定向钻机中不可或缺的部分，它通过对地下岩层的冲击和冷却作用，保证了钻头的正常工作。
同时，钻井液还能够将岩屑从钻孔中带出，保持孔壁稳定，减小钻头的磨损，提高钻探效率。
悬浮系统是水平定向钻机的重要组成部分，它能够保证钻头在地下岩石中沿着预定轨迹进行钻探。
悬浮系统通常由测斜仪、罗盘、陀螺仪等传感器组成，它们能够实时监测钻头的方向和倾斜角度，通过控制钻机的转向和推进来保证钻孔的准确定向。
最后，控制系统是水平定向钻机的智能大脑，它通过对传感器数据的实时监测和分析，控制钻机的运行状态和工作参数，保证钻探的安全和高效进行。
控制系统通常包括硬件和软件两部分，硬件部分包括控制面板、电气元件等，软件部分包括钻孔设计、参数设置、故障诊断等功能。
综上所述，水平定向钻机的工作原理涉及到钻头、钻杆、钻井液系统、悬浮系统和控制系统等多个方面，它们共同作用，实现了对地下岩石的准确定向钻探。
水平定向钻机在石油、天然气等领域有着重要的应用价值，对地下资源的勘探和开发起着重要作用。
水平定向钻施工技术的分析
水平定向钻施工技术的分析1.水平定向钻施工水平定向钻基本原理：按预先设定轨迹钻一个小直径导向孔，在导向孔出口端钻杆头部安装扩孔器回拉扩孔，当扩孔达要求后在扩孔器后端连接旋转接头、拉管头和管道，回拉敷设地下管道。
此技术广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等管线铺设中，适用于沙土、粘土、卵石等地况，我国大部分非硬岩地区都可施工。
工作环境温度为-15℃～+45℃。
1.1钻导向孔要据穿越地质情况，选择合适钻头和导向板或地下泥浆马达，开动泥浆泵对准入土点进行钻进，钻头在钻机推力作用下由钻机驱动旋转（或使用泥浆马达带动钻头旋转）切削地层，不断前进，每钻完一根钻杆要测量一次钻头实际位置，以便及时调整钻进方向，保证导向孔曲线符合设计要求，直到钻头在预定位置出土，完成整个导向孔作业。
钻机被安装在入土点一侧，从入土点开始，沿设计的线路钻一条从入土点到出土点的曲线，作预扩孔和回拖管线引导曲线。
1.2预扩孔和回拖管线一般情况使用小型钻机时，直经大于200毫米时要进行予扩孔，使用大型钻机时，当产品管线直径大于Dn350mm时需进行预扩孔，预扩孔直径和次数，视具体钻机型号和地质情况而定。
回拖管线时先将扩孔工具和管线连接好，再开始回拖，并由钻机转盘带动钻杆旋转后退进行扩孔回拖，产品管线在回拖中不旋转，因扩好孔中充满泥浆，所以产品管线在扩好孔中处于悬浮状态，管壁四周与孔洞间由泥浆润滑，这样即减少回拖阻力，又保护管线防腐层，经钻机多次预扩孔，最终成孔直径一般比管子直径大200mm，所以不会损伤防腐层。
在钻导向孔阶段，钻出的孔常小于回拖管线直径，为使钻孔径达到回拖管线直径1.3～1.5倍，需用扩孔器从出土点开始向入土点将导向孔扩大至要求直径。
地下孔经预扩孔达到回拖要求后，将钻杆、扩孔器、回拖活节和被安装管线依次连接好，从出土点开始，一边扩孔一边将管线回拖至入土点为止。
2.水平定向钻施工特点2.1定向钻穿越施工不会阻碍交通，不会破坏绿地，植被，不会影响商店，医院，学校和居民正常生活。
市政供水管道施工中水平定向钻进技术分析
市政供水管道施工中水平定向钻进技术分析摘要：市政供水管道工程施工中水平定向钻井技术的应用，不但有效缩短了市政供水施工工期，降低了工程施工对周边环境产生的影响，提高了市政供水工程的社会效益。
所以，加强市政供水工程施工中水平定向钻井施工技术应用研究的力度，对于我国市政供水管道工程建设事业的发展有着积极的促进作用。
基于此，本文就市政供水管道施工中水平定向钻进技术进行简要分析。
仅供业内同行参考。
关键词：市政供水管道；水平定向钻进；技术；1水平定向钻穿越技术概述水平定向钻施工主要就是在不将地面挖开的情况下，对各种地下管道进行铺设，主要涉及到了自来水、通信、电缆等的管道。
该施工技术通常适合用在各类砂层、粘土层等较弱的地层施工，根据现阶段的施工工艺，其在许多较硬的地层同样能够使用，会产生较高的工程造价。
水平定向钻施工的主要原理是通过水平定向钻机根据提前设计的曲线路径来对导向孔进行施工，之后再进行对于导向孔的扩孔操作，在扩孔的孔径符合相关要求以后，把管道自出土侧从所扩的孔洞内拖到入土侧，从而完成铺设管道的整个过程。
在实际施工中，水平定向钻施工技术有着施工效率高、污染小、不影响交通等的优势，对于环境有着较强的适应性，可以在施工的过程中实现对地下障碍物的有效躲避。
除此之外，该施工技术还有着自然防腐和保温的作用。
在跨河流施工的过程中，因为所铺设的管线较深，所以对于该技术的使用能够使管道施工寿命得以增加，因此该技术在给水工程中得到了广泛应用。
2 水平定向钻技术优势2.1 影响小在市政给水工程建设过程中对水平定向钻穿越技术进行应用，不会对到道路工程造成不良影响，从而能够确保城市交通正常，不会由于施工问题而造成交通拥堵等各项问题。
除此之外，采用水平定向钻穿越技术也不会产生较大噪音，避免由于噪音过大对周围人生活、休息、工作等造成不良影响。
2.2 灵活度高水平定向钻穿越技术能够灵活应用到不同类型的场地内，而且整体占地面积小，施工作业灵活且简单，而且通过对该项技术进行应用，能够提高施工效率，降低成本。
水平定向钻-岩石钻地原理
学术论文：水平定向钻岩石钻的原理作者：刘春海时间：2015年5月20日单位：十四冶建设集团云南矿业工程有限公司非开挖管道分公司摘要：符合岩石钻的基本条件，岩石钻钻头的工作原理，岩石回扩器的工作原理，岩石钻泥浆的作用，岩石钻的清孔方法。
关键词：泥浆压力钻头三牙轮泥浆动切力τd活塞式清孔孔道上漂的原因1.前言非开挖水平定向钻（以下简称非开挖）最早出现在20世纪70年代，80年代末开始传入我国，21世纪初在我国迅速地发展起来，广泛地应用在电力、电信、供水、燃气、污水等等施工当中，用于管道的马路、铁路、河道、山坡等穿越当中。
非开挖之所以能如此快速地发展成为一个新生的行业，它有它自身的优势：安全、快速、质量等，在我国喀斯特地形的西南部-云贵川等地，要使非开挖得以广泛地应用，岩石钻是我们重点研究的项目。
以下，我们针对一个典型的案例：清镇市清纺区消水洞疏通工程非开挖岩石钻专项工程为例，展开我们的研究。
2.符合岩石钻的基础条件2.1工程概述清镇市清纺区消水洞疏通工程非开挖岩石钻专项工程位于贵州省清镇市清纺区，计划回拖DN1000PE管。
需穿越一座小山，进出水口分别在山谷的两边，山谷与山顶的最大落差是-21米，穿越长度约200米，该地段为典型的云贵川喀斯特地貌。
2.2开工前勘探为保证工程顺利进行，节约施工成本，开工前甲方必须提供穿越线路的工程地质钻探报告，地质报告必须按《市政工程勘察规范》（CJJ56-94）有关规定执行：勘探孔沿管线中线布置，钻探点间距小于50米，钻探深度为管道设计深度以下1至3米。
进行勘探的主要原因分析（云贵川喀斯特地貌涵洞较多）：如上图，如果穿越轨迹线上有3米以上的涵洞存在，穿越钻头会因为自重的原因从而造成钻头卡钻、钻头偏离原设计涵洞轨迹线等致命因素。
后果分析：穿越轨迹线不能满足设计要求、钻头回拖时被石头卡死无法抽出。
2．3甲方必须提供进水口及出水口的高程数据如图所示，进水口高程H1，出水口高程H2,水平距离L。
定向钻进原理与应用
定向钻进技术也用于电力、通信等电 缆的铺设，减少对现有设施和环境的 破坏。
地下水治理
地下水监测
定向钻进技术用于监测地下水水位、水质等参数，为地下水治理提供数据支持。
污染治理
定向钻进技术可用于对地下水污染源进行定位和封堵，控制污染扩散。
考古挖掘
遗址定位
定向钻进技术用于定位和发掘古代遗址，了解古代文明和历史。
定向钻进原理与应用
目 录
• 定向钻进原理概述 • 定向钻进设备与工具 • 定向钻进技术应用 • 定向钻进技术优势与挑战 • 定向钻进工程案例分析
01 定向钻进原理概述
定向钻进定义
定向钻进是一种利用钻孔设备在地层中按照预定方向进行钻 进的施工技术。通过控制钻孔的方向和深度，实现钻孔轨迹 的精确控制，以满足特定的工程需求。
02 定向钻进设备与工具
定向钻进钻机
01
02
03
钻机类型
根据不同的地质条件和应 用需求，定向钻进钻机可 分为轻型、中型和重型。
钻机结构
定向钻进钻机由钻杆、钻 头、泥浆泵、控制系统等 组成，其中钻杆和钻头是 主要的切削工具。
钻机特点
定向钻进钻机具有结构紧 凑、操作简单、适应性强 等特点，能够在复杂的地 质条件下进行高效钻进。
定向钻进泥浆系统的主要作用是 冷却钻头、携带岩屑、稳定孔壁
和润滑钻具等。
泥浆材料
定向钻进泥浆的原材料一般为水和 膨润土，根据不同的地质条件和钻 进需求，添加适量的泥浆添加剂。
泥浆循环
定向钻进泥浆循环系统由泥浆泵、 泥浆管、水槽等组成，通过循环将 泥浆输送到钻孔中，并将岩屑带出。
定向钻进测量仪器
测量仪器类型
定向钻进广泛应用于石油、天然气、水井、地热等领域，也 可用于穿跨越河流、湖泊、高速公路等复杂地形的管道铺设 。
定向钻进原理及应用
定向钻进原理及应用定向钻进（Directional drilling）是一种钻井技术，能够在地下探测物质资源、开采油气田、建设地下管道、铺设电缆以及进行环境调查和工程施工等领域中发挥重要作用。
本文将详细介绍定向钻进的原理和应用。
定向钻进的原理是通过改变钻井井斜度和方位角来控制钻井孔道的趋势。
传统的钻井井斜度和方位角控制方法是通过转动钻头在地面上控制下钻方向。
而近年来，随着技术的进步，人们通过向钻杆中加入导向工具，例如下面将要介绍的测量仪器和导向器，来实现钻井方向的精确控制。
测量仪器是定向钻进的关键工具之一，能够提供有用的测量数据，以确定井斜度和方位角。
这些测量仪器主要通过测定传感器所处的重力和地磁场的方向来确定井斜度和方位角。
传感器常常装在钻头上，而数据则通过导线或者无线信号传输到地面控制中心。
导向器则是安装在钻杆上，起到引导钻杆和钻头的作用。
导向器通常由弹簧和滚珠等机械元件构成，使钻头保持在预设的方向上。
定向钻进具有广泛的应用范围。
首先，在石油和天然气勘探中，定向钻进可以在一口井中钻出多个水平延伸的钻孔，从而增加储藏层的利用率。
此外，在城市建设中，定向钻进可以帮助建设者精确地铺设地下管道和电缆，以减少对地表环境的干扰。
在环境调查中，定向钻进可以钻取地下样本，进行地质勘探和地下水监测。
此外，定向钻进还可以用于建设地下隧道和石油输送管道等重大工程。
定向钻进的应用也带来了很多优点。
第一，它可以通过一口钻井钻出多个可开采的油层或储气层，从而提高油气田的产出。
第二，定向钻进可以减少表面钻井井口的数量，节约空间。
第三，它可以避免对周边环境的干扰，减少工程对地表生态的影响。
第四，通过定向钻进可以实现更长的水平延伸距离，提高可利用储层的比例。
最后，定向钻进还可以提供更高的钻井效率，缩短工期和降低成本。
然而，定向钻进也面临一些挑战和限制。
首先，定向钻进需要高精度的测量和导向设备，这增加了技术难度和成本。
其次，地下状况的复杂性对定向钻进的控制也提出了挑战，例如地层的不规则性和井斜度过大导致的钻头偏离等。
水平定向钻的工作原理
水平定向钻的工作原理
水平定向钻的工作原理是利用钻杆的推力和转动力来进行水平钻进作业。
具体工作原理如下：
1. 钻头：水平定向钻中使用的钻头通常是特殊设计的钻头，具有较强的切削和穿透能力。
钻头通常由硬质合金和钢制成，具有耐磨、耐高温等特性。
2. 钻杆：钻杆是将钻头连接到钻孔设备的关键组件。
钻杆通常由钢材制成，具有足够的强度和刚度来传递旋转动力和推进力。
3. 推力和转动力：水平定向钻中，钻杆通过旋转和推进来实现钻进作业。
推力是通过钻杆向前推进，将钻头推入岩石或土壤中。
转动力是通过钻杆的旋转，使钻头的钻具部分转动起来，以切削和破碎地层。
4. 钻进过程：在水平定向钻中，首先进行垂直段的钻井，将钻孔从地面向下钻取到目标深度。
然后，通过将钻头从垂直位置转向水平位置，开始钻进水平段。
在水平段钻进的过程中，钻头持续旋转和推进，维持一定的进钻速度。
同时，钻进过程中会不断循环注入钻井液，以冷却钻头、冲洗碎屑和提供润滑。
5. 钻进控制：水平定向钻的钻进过程需要精确控制。
通常使用测角仪和测深仪等工具来测量钻杆的方位和倾角，实时进行钻进方向、深度和位置的调整，以保持钻孔的准确性和稳定性。
综上所述，水平定向钻的工作原理就是通过钻杆的推力和转动力，使钻头旋转和推进，实现水平段的钻进作业。
这种方法适用于需要在地下水平方向上进行钻孔的地质勘探、石油开采、基础工程建设等领域。
水平定向钻原理
水平定向钻原理水平定向钻（Horizontal Directional Drilling，HDD）是一种应用于地下管道施工的先进技术，它通过在地下进行水平定向钻孔，然后在孔内安装管道，实现了在不破坏地表的情况下进行管道铺设。
水平定向钻技术的应用领域非常广泛，包括城市供水管道、天然气管道、电力电缆、通信光缆等。
本文将介绍水平定向钻的原理及其相关知识。
水平定向钻的原理主要包括以下几个方面：1. 钻头和钻柱系统。
水平定向钻的关键设备是钻头和钻柱系统。
钻头通常由切削结构和定向控制系统组成，通过旋转和推进来实现地下钻孔。
钻柱系统则是将钻头和钻柱连接起来，通过推进力和扭矩来传递动力和转矩。
钻柱系统的设计和选择对于水平定向钻的成功实施至关重要。
2. 定向控制技术。
水平定向钻需要通过定向控制技术来确保钻孔的方向和轨迹。
通常采用陀螺仪、倾角仪、磁传感器等设备来实时监测钻头的方向和倾斜角度，通过调整钻头的旋转和推进来控制钻孔的方向。
3. 钻进液。
钻进液在水平定向钻中起着重要作用。
它不仅可以冷却和润滑钻头，减少钻头磨损，还可以稳定钻孔壁，防止钻孔坍塌。
此外，钻进液还可以将钻屑带出钻孔，保持钻孔通畅。
4. 地质勘探和分析。
在进行水平定向钻之前，需要进行地质勘探和分析，了解地下地质条件，包括地层结构、岩性、地下水情况等。
这些信息对于确定钻孔轨迹、选择钻头和钻进液、制定施工方案都具有重要意义。
5. 管道安装。
水平定向钻完成后，需要进行管道的安装。
通常采用钻孔后穿插管道的方式，将管道通过钻孔拉通，并进行连接和固定。
管道的安装质量直接影响到工程的使用效果和安全性。
水平定向钻技术的应用，不仅可以减少地表破坏，降低施工成本，还可以提高施工效率，减少对周围环境和设施的影响。
因此，水平定向钻技术在城市化程度较高的地区得到了广泛应用，并在管道施工领域发挥了重要作用。
总之，水平定向钻技术通过钻头和钻柱系统、定向控制技术、钻进液、地质勘探和分析、管道安装等环节的协同作用，实现了在地下进行管道铺设的先进技术。
水平定向钻原理
水平定向钻原理
水平定向钻是一种新型的钻井技术，它通过水平井眼的设计和控制，使得钻井
方向能够沿着地层水平方向进行延伸，从而实现对储层的有效开采。
水平定向钻的原理主要包括钻井工具、钻井液、井眼设计和控制等方面。
首先，水平定向钻的原理与钻井工具密切相关。
在水平定向钻中，需要使用一
系列特殊的钻井工具来实现井眼的水平延伸。
这些钻井工具包括定向钻头、测斜仪、导向工具等，它们能够通过控制钻井工具的旋转和倾斜角度，使得钻井方向得以控制和调整，从而实现水平井眼的钻造。
其次，水平定向钻的原理与钻井液的运用密切相关。
钻井液在水平定向钻中起
着重要的作用，它不仅需要满足传统钻井的要求，同时还需要具备对水平井眼的稳定性和控制性。
因此，需要对钻井液的密度、黏度、过滤性能等进行精心设计和控制，以适应水平定向钻的特殊要求。
此外，水平定向钻的原理还与井眼设计和控制密切相关。
在水平定向钻中，需
要通过精确的井眼设计和控制，使得钻井方向能够准确地延伸到目标地层。
这涉及到对井眼轨迹、钻进速度、井眼稳定性等方面的精准控制，需要借助先进的技术手段和工具来实现。
总的来说，水平定向钻的原理是通过钻井工具、钻井液、井眼设计和控制等方
面的精准协调和控制，实现对地层水平方向的钻造和开采。
这种技术能够有效地提高油气田的开采效率和产量，对于石油工业的发展具有重要的意义。
水平定向钻的原理虽然复杂，但随着技术的不断进步和完善，相信在未来会有
更多的创新和突破，为油气田的开采带来更大的便利和效益。
希望通过不断的研究和实践，能够进一步完善水平定向钻技术，为我国石油工业的发展做出更大的贡献。
石油管道水平定向钻进施工技术浅析
关键词：水平定向；钻进施工；石油管道1水平定向钻的工作原理及介绍水平定向钻的原理就是以定向钻机为主导的同时在导向仪的辅助下进行对所测地域的导向和探测。
定向钻机具备极高的导向效果，在钻头达到施工所需深度时，楔形钻头能够切换成锥形扩孔器装置，能够更加精确地达到施工要求。
水平定向钻机就是在不挖开地表面的情况下对地下铺设公用设施的一种工具，它的应用广泛，适用于沙土、黏土等特殊地质情况，但是它不适用于地下水位较高的地层等。
在我国，大部分地区都可以利用水平定向钻进技术进行施工。
施工环境温度可在-15～45℃进行。
目前的发展趋势也是多元化发展，例如：大型化、微型化、超深度导向监控等，所以水平定向钻的应用将越来越广泛。
2水平定向钻施工的特点（1）现在一说施工，人们印象中就会出现施工现场嘈杂的声音。
但是，水平定向钻施工时，不会对交通造成阻碍，也不会对施工现场的植被造成破坏，更不会影响周围人正常的生活秩序。
在这种模式下，传统施工模式的嘈杂将不会出现，对周围环境的影响也降到了最低，例如，在城市埋管时，遇到地下河床，水平定向钻技术可以对周围环境不造成破坏。
（2）由于水平定向钻钻头达到对应深度时，就可以切换钻头继续进行操作，现代化的施工设备施工精度极高，更加方便管道的铺设和调整，更好地迎合施工的需求，并且能够让管道更加科学地绕过地下障碍物。
（3）水平定向钻技术也不受时令的影响，而且对比传统施工方式，所需的劳动力少，作业进程远远高于传统模式，而且由于仪器的极高精度和准度，施工的成功率高，且完工后安全隐患少。
（4）水平定向钻施工方式进出场地所需时间短，效率高，且可以根据实际施工地点进行灵活的微调，它所需要的成本相对于其他模式要低，不仅能达到节约成本的目的，还能提高施工效率。
（5）在对施工地质进行勘测完毕后，水平定向钻所装的预扩孔可以根据管道直径的1.3～1.5倍把钻孔达到施工所预期的大小。
3水平定向钻施工存在的缺陷（1）因为水平定向钻施工是结合了传统施工技术的一种新型技术，所以这项技术并没有完全成熟，并没有统一的技术参考标准。
水平定向钻岩石穿越工程技术研究及钻具的应用
水平定向钻岩石穿越工程技术研究及钻具的应用摘要：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。
水平定向钻原理
水平定向钻原理水平定向钻（Horizontal Directional Drilling，简称HDD）是一种现代化的井工技术，它通过利用地下管道进行穿越的方法，从而避免了传统明挖和开挖的繁琐过程。
HDD的应用范围相当广泛，可以用于建设各种类型的地下管道，包括自来水管道、煤气管道、石油和天然气管道，甚至是通信线缆。
HDD的原理非常简单而又巧妙。
首先，需要确定穿越的路径。
这个路径通常会经过地下状况的勘探和分析，以确保能够安全地穿越各种地质层。
然后，会在地面上设置一台名为“钻机”的设备。
这台钻机主要由一个钻头和一根钻杆组成。
钻头是由金属制成的，可以根据需要选择不同的形状和尺寸。
钻杆是一根长长的圆柱体，用于传递钻头的旋转力和推进力。
开始施工时，钻机的钻头会在地面上进行起头钻孔。
通常会选择一块平整的地面作为起点。
一旦钻头进入地下，就会开始进行旋转钻进。
这样，钻头就会不断地穿越地下，一直前进直到到达预定的目的地。
在整个过程中，钻头会通过旋转来切割地下材料，并通过推进力不断向前推进。
为了控制钻孔的方向和角度，操作人员会通过操纵钻机的控制台来调整钻头的角度和朝向。
这种操纵可以实现水平、垂直或斜向的钻孔。
一旦钻头到达目的地，就会停止钻进并开始进行钻孔的回收。
回收过程通常会使用钻杆的推拉或旋转技术，将钻头从地下拉回地面。
总体而言，水平定向钻的原理是通过钻头的旋转和推进力，在地下穿越各种地质层，从而达到建设地下管道的目的。
它不仅节省了人力和资源，还能够避免对地面和周围环境的破坏，因此被广泛应用于现代工程建设中。
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５ ２
非开挖技 术 Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｔ ｒ ｅ ｎ ｃ ｈ ｌ ｅ ｓ ｓ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
２ ０ １ ３年 ４月
扩 孔 钻头 牙 轮 与钻 杆具 有 一定 的夹 角 ， 假 设 牙
Ｖ ＝ Ｏ ・ ，
则钻屑体积含量 １ １ 计算公式为 ：
图 ４ 牙轮 扩 孔 时受 力 分 析
设钻杆的角速度为 ，牙轮 自转角速度为 ∞ ，
／
，
一 一 一 一
、
则牙轮的绝对角速度
国 ＝ 乃 Ｔ ＋ ｚ １
Ｉ
或
ｒ ｃ ｏ ｔ
。
（ ２）
式 中 西 为牙 轮锥 角 的一半 。
记 坼 和 Ｐ分别 为拉杆所受 的扭矩 和拉力 ， 则
图 ３ 单 双 齿 交 替 接 接 触 岩 石
根据功率平衡关系（ 略去孑 Ｌ 壁等处的功率消耗 ） 有
Ｍ， ｒ一８Ｐｏ ＝ ０ （ ３ ）
２ ． ３ 牙齿对 地层 的剪切 作用
牙轮钻头除对岩石产生冲击 、压碎作用外 ， 还
把式（ ２ ） 代人 ， 得
— — — 二 － ＝ ８ ｃ ｏ ｔ Ｏ
：
对地层有剪切作用 。 剪切作用主要是通过牙轮在孔 底滚动的同时还伴有牙齿对孔底的滑动来实现的。
拉力扭 矩 模 型建立 ： 基 本 假设 ：
（ Ｉ ４ ） Ｉ
ｒ
此 即定常运转时 ， 扭 矩与回拉力 的关系。通过
实际工程数据推算得 ６ 一般取 ０ ． ０ ２ ６ — ０ ． ０ ４ 。
时 牙齿 与地 层 岩石 之 间相互 作用 的结 果 。
２ ＿ ２ 钻 头 的纵 向振 动及 对地 层 的冲 击 、 压 碎 作用
为 了反 映岩石作用在牙轮上的阻力和阻力偶 ，
引入系数 ８。牙轮在轴压 Ｐ的作用下 ， 如果在定常
运转时受到的岩石阻力偶为 Ｍ，则称 ６ ＝ Ｍ ／ Ｐ为该 岩石对牙轮的滚动阻力系数 ， 其单位为米 。
２ ．
根据式 （ １ １ ） ， 一定钻屑含量条件下最优钻速可 按下式确定 ：
岩石破碎条件 ：
Ｔ＝ 。 木Ｓ
即：
（ ６ ）
ｖ ＝
说明： 一般情况下 ， 施 工人 员 对 于 泥浆 中钻 屑
＝ × ＝ Ｐ × ｓ ｉ ｎ （ 一 ＋ ）
Ｐ：
（ ７ ）
抗压强度 、 回拉力 、 扭矩、 泵量 、 钻速 、 钻 头选型等 等， 合 理的进行各项参数之间的优化匹配 ， 对于施 工起 到事半功倍的效果 。不仅能提高效率 ， 还能大 幅度减少成本 。 ３ ． １ 扩孔钻速优化 牙轮钻头的牙齿 因长期正常破岩磨损而失效 ，
上述 系数 可用 定 义 它们 的直接 实 验来 确 定 ， 也 可根 据 某些 已有 的实 验 资料 ， 用本 文 导 出 的公 式 反
算 出来 。
钻进时 ， 钻头上承受 的钻压经牙齿作用在岩石
上， 除静载以外还 有一 冲击载荷 ， 这是 由于牙轮 的 牙齿和孑 Ｌ 底单齿 、 双齿交替接触造成的（ 图３ ） 。 单齿 接触孔底时 ， 牙轮 的中心处于最高位置 ； 双齿接触 时牙轮 的中心下降 。牙轮在滚动过程 中， 牙轮中心 的位置不断上下交替 ， 使钻头沿轴向作上下往返运
（ １ ０ ）
轮轴线与钻杆的夹角为 ， 牙轮齿的面积为 ｓ ｖ ， 岩石
的抗 压强度 为 Ｏ ＂ ｅ ， 回拉力 为 Ｐ ，
则牙轮齿作用在岩石表面上的力 Ｔ 为：
７ ７
（ ５ １
＝ ＿ × ０ ｏ ％
× ０ ０ ％ （ １ １ ）
Ｔ：Ｐ ｓ ｉ ｎ（ 生＋ ）
（ ８ １
含量都会根据经验给出一定的取值 。因此 ， 结合泥 浆 泵 量可 获得 适 宜 的理 论 钻 进速 度 ， 可 以为实 际 施 工提供参考。 ３ ． ２ 扩孔扭 矩 与会拉 力 合理 配套 回拉力控制 ： 回拉力不 同， 牙轮齿破碎岩石将 呈现 出表面破碎 （ 研磨性破碎） 、 疲劳破碎及体积破 碎等不同的特征 。当回拉力过小 ， 轮齿在岩石表面 作冲击 、 滑动 、 滚动复合研磨性破碎 ， 产生点状微细
动， 这就 是钻 头 的纵 向振 动 。
由于 牙 轮 常 常 在 岩 石 的 滑 动 阻 力 未 达 到 最 大
摩擦力之前便克服了滚动阻力偶而开始滚动 了， 形
● ● ● ● ， ，
■ ■ｆ
Ｐ 成 了牙轮 在岩 石 面上 的纯滚 动 。
钻头在孔底的纵 向振动 ， 使钻杆不断压缩与伸 张， 这种周期性变化 的弹性能通过牙齿转化为对地 层 的冲击作用 以破碎岩石 ， 与静载压入一起形成 了 钻 头对地层 的冲击 、 压碎作用 ， 这种碎岩 方式 是牙 轮钻头的主要形式 。
裂 纹 或 只产 生塑 性 或 弹性 变 形 ，其 破 碎效 果 极 差 。
ｓ ｉ ｎ （ 手 埘 ）
参考 。
一
所 以根据式 （ ４ ） 和（ ８ ） 可 以计算 出硬 岩扩孔时
所 需要 的回拉 力及扭矩 ， 为更 好 的施 工提供 有利
３ 硬岩扩孔参数优化
硬岩扩孔施工技术有很多影响因素 ， 包括岩石
第 ２ 期
袁青松 张帆 乌效鸣 赵官慧 ： 水平定 向钻进硬岩扩孔应用原理分析
５ １
为硬岩钻进扩孔最有效的扩孔器具 。 下图为典型的
非开 挖扩 孔牙 轮 钻头 。 牙轮 钻头 碎 岩机理 分 析 ： ２ ． １ 牙轮 的 自转 和公 转
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（ １ ） 牙轮近似为单一圆锥体 ； （ ２ ） 牙轮孔底角近似为 ０ ； （ ３ ） 钻 头的运转 是定 常的 ， 即不考虑启动 和制
动 时 的角加 速度 ；
牙轮钻头工作时， 固定在牙轮上的牙齿 随钻头
一
（ ４ ） 从单个牙轮 进行分 析 ， 每个牙轮 的受力情
况是 一 样 的 。
起 绕钻头轴线顺 时针旋转运动 ， 称为公转 ， 公 转
的速度就是钻机转盘的回转速度 。 牙轮上各排牙齿 的公转速度是不同的， 外排齿公转线速度最大 。牙 齿绕牙轮轴逆时针旋转称为 自转 ， 自转转速与公转 的转速及牙齿对孔底的作用有关 。 牙轮 自转是破岩