水平定向钻用岩石扩孔器的选择及操作控制技术

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1、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Trench 1TechnologyV01.24.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，扩孔器产生的钻屑粒径能足够小，以使泥浆悬浮钻屑并顺

2、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.扩孔过程对导向孔还具有一定的修

3、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

4、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.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

5、东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

6、30”以上的扩孑L器所需钻机的扭矩很大.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

7、扩孑L时承受的 力矩相对较大.降低了其使用寿命，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

8、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(HDD) 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

9、用牙轮的牙齿是铳齿.即指是 在牙轮机体上铳出的齿.其耐磨性相对较差.为了提 高其耐磨程度.常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(TungstenCarbide InsentSplitRockReamer )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8000psi12000 psi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

10、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

11、，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/

12、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 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

13、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

14、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

15、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

16、关. 软岩石扩孑L时.当扩孑L器直径口0”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