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1、扩孔器结构设计探讨-张万里在非开挖水平定向钻进铺管工程中，一般都采用“导向孔钻进扩孔管道回拖”施工工艺。在这种“三步法”工艺中，位于第二步工序的扩孔施工，因技术难度低于前道工序，技术风险又低于后道工序，所以在施工时往往得不到足够的重视。但是，在大多数情况下，扩孔都是必不可少的基本工序。特别是对大直径管道铺设，扩孔施工所需的时间和经费，常常会占到全部工程的绝大部分比例，成为最重要、也是最主要的施工工作。扩孔器是扩大导向钻孔直径的专用器具，其技术性能的好坏，直接决定着扩孔施工的效率、效益与安全。在目前的非开挖技术产品市场上，扩孔器的材料种类五花八门、尺寸系列千差万别、品种形式千奇百怪，如何评价其技
2、术性能，科学合理地设计制造或选择应用，这对许多施工单位来说始终是一个重要的难题。笔者试图从扩孔器的工作环境和性能要求出发，对扩孔器的结构设计原理及方法展开讨论，以与同行进行技术商榷。1扩孔器的工作环境与性能要求1.1扩孔器的工作环境图1 扩孔器的工作环境扩孔器工作环境如图1a所示。这是一个通孔，扩孔器所需要破碎的是一个环形台阶。从运动学看，扩孔器必须同时要在两种不同直径的孔洞约束下，边回转边沿着已定的直线（入、出口段和水平段等直线段）或曲线钻孔轨迹（造斜段）移动。从静力学和动力学看，扩孔器在工作中的受力情况如图1b所示，其要在钻机一侧的驱动钻杆所传递的轴向回拖力F1和周向回转扭矩M1的带动下，
3、主要克服破碎环形台阶岩土的轴向阻力F1和回转阻力矩M1，沿已有钻孔轨迹以加速度a或匀速v运动；在破岩同时，这一运动过程在不同的钻孔轨迹段，由于F1和扩孔器重力W1及浮力W1、拖带钻杆重力W2及浮力W2等的影响不同，可能发生偏扩情况，对扩孔轨迹产生影响1。另外还有个重要因素要考虑：在这一工作环境下，受钻孔入、出口位置和孔内各流体力学参数的控制，钻孔冲洗介质及其所携带碎屑的运动方向会有所不同。合理的钻孔轨迹设计及扩孔器结构形式，可以在控制流体运动方向上发挥很大作用。1.2扩孔器的性能要求首先，扩孔器应当具备能够破碎岩土的性能。岩土有软有硬，一般把构成地球岩石圈的天然矿物集合体称为岩石2，把地球岩石
4、圈风化带的松散岩层称为土壤3。通常所说的岩石，往往是固结的、坚硬的岩层；而土壤则是非粘接的、松软的，或者虽然是粘接的，但其粘接强度比矿物颗粒本身强度小得多，一般称为土层。岩层和土层在被外力破碎时反映出显著的特性差异。如：岩层的破碎机理一般是压裂压碎或者磨削，而土层的破碎机理一般是剪切切削，这对选择破碎工艺方法具有决定性作用；岩层的研磨性往往较强，而土层的研磨性则往往较弱，这对扩孔器切削具寿命具有决定性影响。由于非开挖水平定向钻进铺管工程钻遇的地层千差万别，所以对扩孔器的破碎性能要求也是大不相同的，这也就是目前市场上扩孔器的产品种类五花八门的根本原因。要设计或选用扩孔器，首先应当根据钻进地层的岩
5、土硬度（强度）、完整性和研磨性三方面技术指标，对其地层的适应性进行准确评价4。这里还需要特别指出：扩孔器所破碎的是“环形台阶”上的岩土，由于已经解除了多向应力状态，岩土的强度与硬度有所降低，与导向孔钻进时的孔底多向应力相比，破碎更较容易，或换句话说，破碎所需的载荷更低。其次，为满足扩孔器运动学要求，扩孔器应能在回转破碎时保证沿已有钻孔轨迹移动，这也是确保对称均匀破碎“环形台阶”，不发生偏心扩孔的必要条件。要满足这一要求，扩孔器必须具备受已有钻孔和扩出新孔约束的性能。第三，为满足扩孔器动力学要求，扩孔器除应当具备以合理载荷获取最佳破碎效果之外，还需具备以最小阻力回转且严格沿着已有钻孔轨迹移动的力
6、学性能。这也就是说，应当尽可能地减少非破碎岩土所需的动力，例如，扩孔器自身由于重力所产生的摩擦力。降低扩孔器自身重力（包括其充满冲洗介质的附加重力），不但有利于降低其回转和移动时的摩擦力，还有利于降低其在直线孔段扩孔时产生的偏扩力。最后，为满足扩孔时的扩孔器冷却和岩土碎屑排出需要，扩孔器还必须具备良好的流体力学特性，以使孔内冲洗介质在满足冷却和排屑需要的同时，能够以最小阻力流动。在控制孔内流体运动方向的问题上，毫无疑问，从钻杆中心送入的冲洗介质最好是从钻机一侧（即导向孔入口）返回，因为这样才可方便地对冲洗介质（特别是冲洗液）进行回收、处理和循环利用。另一方面，在钻孔轨迹近水平的状态下，岩土碎屑
7、在排出过程中无可避免地会沉积在钻孔下帮，返回通道放在扩孔器运动方向之前而不是之后，也有利于扩孔器将这些碎屑进一步破碎和推挤出孔。因此，好的扩孔器应当具备能够在孔内建立临时孔底（类似滑动式止水塞）的功能，以迫使冲洗介质始终向扩孔器回扩运动方向返回。1.3扩孔器的总体结构与功能扩孔器的总体结构，是指扩孔器作为一个孔内钻进单元，其组成整体的各部分的搭配和安排，包括其构成的外部形状、尺寸配比和与前后孔内工具的连接关系等。按照扩孔器性能要求，其首先要有一个具有良好破碎岩土能力的结构装置，在该装置上应当安装有耐磨切削具；为保证扩孔器沿着已有钻孔轨迹前进，其前方应当有一个导向装置，该装置能使扩孔器破碎功能段
8、在回拖钻杆的牵引下严格沿着已有钻孔运动；作为一个孔内钻进单元，扩孔器整体应当是刚性的，按两点确定一条直线的原理，在扩孔器破碎功能段之后，还应当有一个能在新扩成钻孔中起扶正（或稳定）作用的装置。因此，扩孔器在总体结构形状上显然应当是一头小、一头大的塔形结构，其功能相应分成导向、扩孔破碎和扶正三个功能段；在各段尺寸上，为保证导向与扶正的需要，直径应当分别与已有钻孔和新扩成钻孔孔径相适应，长度应当能确保扩孔器即使在沿曲线轨迹运动时，依然能够保持自己的直线状态（与轨迹曲线相切）顺滑自如。2扩孔器导向段的结构设计前已述及，导向性能对任何扩孔器来说都是必不可少的，但毋庸讳言，当前的水平定向钻进行业，在市售
9、的扩孔器上几乎看不到具有导向段结构设计的产品，这在扩孔器系列产品的第二级以后，更可说是完全未见。究其原因，可能是一些人认为回拖钻杆就是对扩孔器的最好导向，而另一些人则认为扩孔器破碎段结构可以起到导向作用，这也就是大量扩孔器采用锥形、子弹头形等结构的重要原因。其实，观察图1.1所示扩孔器的工作环境，就能很好地解释这些做法是不能避免偏心扩孔现象的。因此，要改变行业的这一现状，必须对扩孔器导向段的设计加以重视。2.1导向段的外形由于导向段只能依靠已有钻孔（导向孔或前级扩孔）的孔璧作为强制导向支撑，所以，导向段外形应当是与钻孔同形状的圆柱形。但是，前已提到，孔内冲洗介质的最佳流动方向应当是向前（扩孔器
10、前进方向），这也就要求导向段结构不能形成对冲洗介质流动的阻挡。这样，导向段的结构型式就最好是由多条轴向布置的翼片组成，这些翼片在回转时形成圆柱形支撑，翼片之间的空间即作为冲洗介质的流通通道。有两种翼片结构可供选型：一是直线形翼片，结构简单，加工容易，成本低廉；二是螺旋型翼片，其导向支撑效果好，如果螺旋升角与冲洗介质的流动速度及钻杆回转转速相适应，排粉效果更佳。另外，为提高导向段的使用寿命，翼片可采用耐磨材料制造，或在它们与孔璧接触处的表面堆焊碳化钨硬质合金粉或镶嵌硬质合金之类的耐磨元件。2.2导向段的结构尺寸导向段的结构尺寸设计主要是确定其直径和长度。图2 刚性钻具在弯曲孔断的通过性要保证最佳
11、的导向效果，其直径应当与引导孔直径相当，因为这样才能提供可靠的孔壁支撑。但是，考虑减小导向段的摩擦阻力（它是非破碎岩土所需的），并且考虑扩孔器在弯曲轨迹中的运动需求，其应当与引导孔壁之间留有一定间隙。确定这一环状间隙的大小应当根据以下两个因素：引导孔的孔壁状态（不圆度）和泥皮厚度；刚性扩孔器在弯曲钻孔轨迹中的通过性。对这种通过性，可参照如图2所示方法计算确定。设一刚性钻具长度为L，直径为D，要确保其在弯曲钻孔中运动（其孔径为D0，弯曲半径为R），其自由通过时的必需间隙为t。R由水平定向钻孔轨迹设计时主要考虑所铺设管道的安全弯曲半径确定。其最大长度可采用以下关系式确定：从式2.1可以看出，扩孔器
12、在弯曲钻孔轨迹中的通过性不但与自身直径大小有关，还与长度有关。同理，导向段的直径确定也与其自身长度有关。导向段的结构尺寸也可采用经验方法确定。导向段长度不宜太长，否则容易在扩孔中发生断裂，一般取200mm左右即可；其直径一般比引导孔直径小1020mm。这里还需再次强调：扩孔器必须有尺寸系列配套，任何一级扩孔器都必须设计有与前级孔洞相适应的导向段。2.3导向段的水路设计导向段的水路即冲洗介质的流通通道，其设计的主要依据是孔内的流体力学特性。一些人直观地认为，流通通道的断面尺寸越大越好，以为这样才可方便地排出扩孔器破碎段所破碎下来的任何尺寸的碎屑，避免岩粉堆积。从流体力学观点看，这种认识显然是错误
13、的。冲洗介质的排粉能力主要取决于流体的运动速度（即流速）和流体携带碎屑的能力（如结构流）。在水平定向钻进中，由于钻孔轨迹形态决定，其流速不能像垂直钻孔（井）那样以上返流速大于岩屑沉降速度来确定，所以，应在保证孔壁受冲刷破坏不大的条件下，尽可能地提高流速。因此，导向段的流通通道面积不宜大，其对称分布的翼片之间的空间截面尺寸大小，应以扩孔器破碎下来的任何尺寸碎屑都不受重复破碎即可方便排出为准，累计的过流面积应当远小于回拖钻杆与引导钻孔之间的环状空间面积，以保证冲洗介质在导向段的流速数倍于环空流速。当然，为保护孔壁，软地层流速应低，完整硬地层流速可高。3扩孔器破碎段的结构设计扩孔器破碎段的功能是破碎
14、“环形台阶”上的岩土，设计要求是将得到的能量最大限度地用在破碎上，同时具有尽可能长的工作寿命。这一寿命至少要保证每次扩孔都能够一次回扩完成，因为往往由于地层原因或驱动钻杆方向原因，一般不应在扩孔过程中更换扩孔器。3.1破碎段的外形扩孔器破碎段一般可分成基体和切削具两部分，其外形都是其回转形成的轮廓线形状，它们可以相同，也可不相同。这里主要讨论切削具回转所形成的轮廓线形状。切削具回转所形成的轮廓线可采用如下方法得到：分别以扩孔器轴线和半径线作为纵、横坐标，将扩孔器上的每一片切削具按照其尺寸大小和安装位置重叠投影到同一剖面，其全部切削具（主要是刃部）构成的该剖面轮廓线，即为扩孔器实际破碎段轮廓线，
15、如图3所示。a.平直线形b.阶梯线形c.曲线形图3切削具环状孔底击碎图由前面图1可知，扩孔器所需要破碎的仅是一个“环形台阶”。因此，如图3a所示的切削具回转所成平直线型轮廓线最短，也即其破碎量最小、能量利用率最高。如果扩孔器级差大，采用如图3b所示的阶梯式轮廓线也能具有良好的性能。而采用图3c所示的曲线（如回转为球头形、子弹头形等曲线形）或斜直线（回转为锥形）则造成许多环状面积上的破碎工作量并不是扩大孔径所必须的，这既无谓地增加了能量消耗，也大大增加了切削具的磨料消耗。遗憾的是，目前国内外许多扩孔器都采用了这样的结构设计。造成这一现象的原因，笔者分析，可能是一些人出于提高切削具强度和耐磨寿命的考虑，而另一些人则是想象这样的轮廓线在松软地层中会起到所谓“挤扩”的效果。其实，无论扩孔器破碎段的基体外形采用何种轮廓线形状(包括锥形、球头形、子弹头形、抛物线形等形状)，只要正确地选用切削具形状和科学地合理布置切削具，都能容易地做到使所有切削具回转形成的轮廓线，达到图3a和图3b所示的平直线或阶梯折线两种最佳轮廓线形状。3.2切削具的布置用于不同地层的扩孔器，其选用的切削具材料和形状不同，安装位置与安装方法也不相同。所以，每一种扩孔器都有自身切削具布置要求。但是，与所有钻头切削具一样，扩孔器的切削具布置也应遵守以下原则：切削具必须充满破碎段轮廓线，不能留有空白，并且应有
