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 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 122008年 非开挖技术 TrenchlessTechnology V0】.25.No.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) 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 刀盘托架与扩孔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 作者简介:陈雪华,1969年出生,高级'l:程师,1993毕业于江汉石油学院l:民建专业, 现任华东管道l:程有限公司副总.l:程师, 从事水平定向钻穿越施l:多年,曾任华东管道l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. 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 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 孔的需要.缺点是自重大,在软岩层扩孔时易形成椭 圆形孔;如在扩孔期间需更换滚刀盘,扩孔器在孔内 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"以上的扩孔器所需钻机的扭矩很大.其 适应地层为软岩,中硬岩(硬度在1500Psi,在 12000Psi以上)的穿越. 2.2低扭矩岩石扩孑L器 低扭矩岩石扩孔器是滚刀型岩石扩孔器的改进 型,外形设计上将扩孔器本体作了较大的"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,同一扩孔器本体亦可通过更换 滚刀盘的直径来达到不同直径扩孔的需要.该类型 扩孔器设计的最主要特点是大大降低了扩孔扭矩, 使小吨位钻机能扩更大直径的钻孔,且需更换滚刀 盘时更容易从孔内退出.缺点是结构强度低,尤其是 滚刀盘的单臂设计,使刀盘的轴承在扩孔时承受的 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,从而造成钻孔报废,尤其是在较长 距离的岩石层穿越中风险更大.该扩孔器设计另一 个缺点是滚刀盘间距过大,岩石不易被破碎成小块 随泥浆带出孔道,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 1500psi,12000psi),穿越岩石长度最好不要超过 500m. 2.3对开式岩石扩孑L器 对开式岩石扩孔器就是将钻头体剖开,一分为 三,将低扭矩岩石扩孔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孔器,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孔作业,其产 生的扭矩值介于低扭矩岩石扩孔器和滚刀型岩石扩 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,故亦称一次性岩石扩孔器,使 用安全性能好,但施工成本也较高.对开式岩石扩孔 器根据其使用钻头体牙轮的不同又可分为MT对 开式岩石扩孔器,TCI对开式岩石扩孔器和HDX 对开式岩石扩孔器三大类. 2.3.1MT对开式岩石扩孔器 MT对开式岩石扩孔器(MilledToothSplit RockReamer)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,常在其上敷焊硬合金层.其适用地层 主要为软岩,岩石硬度为1500Psi-8000Psi. 2.3.2TCI对开式岩石扩孔器 TCI对开式岩石扩孔器(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8000Psi-12000 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孔器. 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,这类扩孔器在 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,扩孔扭距的摆动 幅度更小,要求的钻机扭距也更小;轴承的密封滑动 保径设计,使扩孔器的使用 设计近乎完美,并增加了 寿命更长,相当于同类产品岩石扩孔器使用寿命的 2~3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岩石扩孔器的选择及操作控制要点 3.1岩石扩孑L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孔器的尺寸 和型式的重要因素,软岩地层扩孔时允许使用更大 直径的扩孔器和更少的扩孔次数,相邻两级扩孔器 的尺寸差距也可以更大;推荐扩孔为: 14非开挖技术Trenchles$Technology2008钲 97/8"钻头打导向孔171/2"MT岩石扩孔 器26"MT岩石扩孔器36"MT岩石扩孔器48" MT岩石扩孔器54"MT岩石扩孔器60"MT岩 石扩孔器. 硬岩地层扩孔时要求的扩孔直径变化不能太 大,并采取多次扩孔的方式,以达到最佳的扩孔效率 及钻屑的顺利排出;推荐扩孔方案为: 97/8"钻头打导向孔171/2"TCI岩石扩孔 器26"TCI岩石扩孔器30"TCI岩石扩孔器36" TCI岩石扩孔器42TCI岩石扩孔器48TCI岩 石扩孔器54TCI岩石扩孔器60"TCI岩石扩孔 器. 3.1.2选择岩石扩孔器要注意其使用寿命 岩石扩孔器选择的另一个重要因素是扩孔器的 使用寿命.影响岩石扩孔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.轴承在多数隋况下是岩石扩孔 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,使后续的扩孔 无法继续进行,钻孔报废.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2-3倍,但同时其占用的空间就 更大.如HDX岩石扩孔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孑L的功能.扩孔的主 要目的是清除孔道内的钻屑,而不仅仅是切下钻屑, 因此在选择扩孔器时,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 岩石扩孔器操作控制的主要参数是钻机施加给 扩孔器的推拉力(反向扩孔时为拉力,正向扩孔时为 推力)或称钻压,转速以及扩孔期间泥浆的泵送量, 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孔器的同 时会附上经多次测试后给出的推荐钻压值,尤其是 在长距离岩石层扩孔期间,一定要控制钻压在厂家 推荐的数值范围之内,以避免扩孔器的过度磨损造 成严重后果.大多数岩石层扩孔事故都是因为过度 追求扩孔速度,施加的钻压过大造成的. (2)转速是进行岩石扩孔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,带动扩孔 器旋转的转速,转速的调整主要与岩石的硬度有关. 软岩石扩孔时,当扩孔器直径?30"时,推荐转速不 应超过60Rpm;当扩孔器直径大于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10~40Rpm.过低的转速会降低扩孔效率,不够 经济;过高的转速会引起扩孔器的非正常磨损,甚至 造成扩孔事故. (3)岩石扩孔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 不同的扩孔器产生的效果是不相同的,扩孔器直径 越大,外边缘的线速度也就越大,磨损也越严重. (4)进行岩石层扩孔时,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孔器和携 带钻屑.泥浆的实际泵送量应根据每级扩孔产生的 钻屑量和泥浆的携带能力进行计算后确定,一般不 应低于1m/min. (5)扩孔器进岩石层的施工方法:当岩石扩孔器 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孔速度,降低钻压,待扩孔器本 体完全进入岩石层或硬岩层后再加大钻压.如果此 过程中施加的钻压过大,就很可能造成卡钻,从而损 坏扩孔器,或者至少缩短了扩孔器轴承的寿命. (6)进行分级扩孔时,注意不要选择直径太相近 (级差小于4")的岩石扩孔器进行分级扩孔,否则一 面发挥不出扩孔器应有的扩孔效果,另一方面直 径太相近的扩孔器在作业时很容易出现被岩石层卡 住的危险. 4结束语 在保障扩孔质量的前提下,如何快速,安全,有 效地扩孔已成为水平定向钻穿越工程师们关注的主 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15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 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. <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< <<<<<<<< 第十二届中国国际非开挖技术研讨会 暨展览会胜利召开 第十二届中国国际非开挖技术研讨会暨展览会于2008年4月8日至10日在北京小汤山龙脉温泉度假 村胜利召开,来自全国各地的代表200余多人参加了会议,近千人参观了展览.除中国非开挖技术协会的领 导出席开幕式外,刘广志院士,中国地质大学(武汉),中国地质装备集团公司等单位 的有关领导也出席了开 幕式. 会议共收到论文24篇,其中综合论述4篇,水平定向钻进和夯管技术7篇,微型隧道技术8篇,管道替 换与修复技术2篇,检测与其它技术3篇.在会上,中国非开挖技术协会理事长颜纯文研究员做了"中美非开 挖行业市场调查与分析"的报告.会议举办的技术讲座内容丰富,包括:中国地质大学<武汉>乌效鸣教授做 了"水平定向钻进铺管技术应用研究的深入"技术讲座;中国地质大学<武汉>马保松教授做了"美国非开挖 技术的研究现状"技术讲座;成都理工大学李山教授做了"水平定向钻进地层适应性的评价方法"技术讲座; 中国石油天然气管道局穿越公司项目经理尹刚乾先生做了"新的穿越世界记录——珠海磨刀门水道定向钻 穿越工程"技术讲座等内容. 参加展览的参展商达30多家,共有8家国内水平定向钻机生产厂商将10余台钻机实物进行了展出.这 次展览的一大特点是,展出的设备主要是国产设备,展出设备以中,小型(30吨以上)钻机为主.国产设备在 质量和外观上的进一步的提高. 期间召开了协会常务理事会,就协会的组织管理,理事人员变动,下届年会等有关重大事项进行了讨论, 并形成了决议 冈1大会开幕式主席台罔2理事会会后合影