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。根

据两点的高程差及水平距离求出流水坡度i：

i=（H1-H2）/L（坡度百分比）

2．4机械设备的选择

2.4.1根据回拖力选择机械

根据现流行的计算回拖力的三种办法（ASTM计算回拖

力、净浮力计算回拖、荷拱土压力计算回拖力）计算

回拖力，取其最大值作为选择机械的第一依据。

2.4.2 根据该地区的地质特点（喀斯特地形中世纪玄武岩石，

硬度大），作为选择机械的第二依据。

机械选择：古登（GD1600）岩石钻机，钻机的主要参数如下：

GD1600岩石钻机最大回拖力3645KN 最大扭矩104789N.M

入钻角8°-16°最大施工长度2500米施工最大直径

DN1500 整机重量25吨

3.岩石钻头的工作原理

3.1 岩石钻机的调整

根据上述：机械入钻角8°-16°，有可能远大于流水面设

计坡度i，开钻前我们必须采取一些措施以纠正偏差，如下

图：

钻机高度比进水口高程H1降低0.5米，则钻机入钻角可调

整为0°到8°间，满足i设计要求。

3.2导向穿越

3.2.1．导向仪选择

根据本地区高程特点：最高点与出水口的高程差约为-21米，高硬度地层钻进速度约3米/小时，总长度L约200米，大约需要工作67小时。可选择GL700导向仪，其主要参数如下:

金地GL700导向系统抗干扰性强适用于我国地下含矿物质较多的西南部地区进行非开挖钻进工程，使用高能电池可持续工作100小时 ,最大穿越深度-30米。其工作界面如下图：

上面中间象钟表一样的用来调节钻头的坡度及水平偏差，右上角为钻头的坡度值（钻头与水平面的夹角百分比）。以水平面为0%，钻头在水平面上为正，反之为负。中间两竖夹一杆的用来确定钻头的准确位置。

3.2.2导向穿越

①导向穿越原理

探棒（信号源）发出信号，接收机接到信号，指挥钻机手，操

纵钻头左右上下移动，保证水平位置及入钻坡度满足设计要求。当钻头旋转前进时，坡度保持不变。

②调控方向原理

穿越过程中，不可避免地因为土质因素（土质软硬分部不均匀）造成钻头左右移动偏离穿越轨迹线或上下移动偏离设计坡度i。我们必须调整钻头以便及时纠正错误，纠正原理图如下：

以纠正坡度为例

如上图，当前坡度大于设计坡度，则把钻头方向调控为向上，然后通过高压泥浆冲击钻头前面的三牙轮旋转，磨掉上部分岩石，迫使钻杆往上走，从而减小坡度达到目的。钻头的造斜角度由以下公式确定：

θ=（4Aбcos(αL^2)-q0*L^3）/(8EJ)

A-钻头板面积α-钻头斜面角 L-钻头长б-岩石抗压强度 E-弹性模量 J-惯性矩

经验可知岩石层里上提的坡度及前进距离的关系为：0.8°/米。

这个上提坡度非常小，所以要及时纠正钻进坡度。

左右方向纠正同理。

3．3测定方法

钻头每前进1米，测定一次水平方向偏差，每前进三米纠正一次钻进坡度。

4.岩石回扩器的工作原理

导向穿越成功，整个工程算成功了80%。接下来还要进行孔道回扩，逐步把穿越孔道变大到设计要求DN1000。回扩过程见下图：

通过岩石回扩器合金三牙轮的高度旋转，把岩石磨成沙粒，然后经过高压力的泥浆排出孔外。

扩孔工艺对钻孔轨迹的影响：

在岩石层中扩孔，一般为正向回转式，如不采取措施，钻孔方位基本上向左上偏斜。

原因分析：由于砂砾的重力沉淀和回扩器的离心作用，上下呈上漂趋势，左右呈右偏趋势。

判断孔道偏离原钻孔轨迹线的一般方法：孔内钻杆与钻机钻杆不在同一直线上。

减少偏离的措施：使用高浓度泥浆，利用泥浆的动切力（携屑能力）把沙粒带出孔外；慢速回扩减少回扩器的离心力。

5.岩石钻中泥浆的应用

在岩石钻中，不存在塌孔或失水造壁问题，只要考虑成孔液的流变性即可。

成孔液流动时的剪切应力τ与剪切速率γ之间的关系用流变方程和流变曲线来表达。流变关系大体上可以分为4种理论流体，即牛顿流体、宾汉流体、幂律流体和卡森流体。岩石钻中的泥浆符合牛顿流体关系。

岩石钻中，其沙粒间的剪切应力主要由相互无连接力的沙粒微粒及水分子之间的摩擦力构成。由牛顿流体关系式：

τ=η*γ

可知，反映该类成孔液粘稠度的流变参数是牛顿黏度η。

成孔液的凝胶强度和触变性

一旦成孔液停止流动及静止，便会有或多或少的结构逐渐形成，直至稳定。我们把成孔液静止时的结构力称为成孔液的凝胶强度，用动切力τd表示。动切力在这里代表了携屑的能力。τd为时间T的函数，随时间的增长而增大。