一种水平定向钻管道穿越反循环钻进方法及专用钻头

摘要

本发明提供了一种适用于进行油气或市政管道铺设的水平定向钻管道穿越反循环钻进方法及专用钻头，该钻进方法将砂石泵安放于钻机或者出土坑的外端，使用的钻头及钻杆的内部为中空腔体，且扩孔钻头上设有与钻孔环状空间连通的吸渣口，安装有牙轮的牙轮座套装于扩孔钻头的钻头体外，牙轮的位置与吸渣口对应，扩孔钻头的一端设有用于封堵的堵头，在钻进中使泥浆按照泥浆池→钻孔环状空间→扩孔钻头→钻杆→砂石泵→泥浆池的流动方向循环流动，从而达到排渣目的。采用本发明的工艺方法及钻头能有效地排除水平钻孔中的钻渣和碎石，解决大直径水平定向钻管道穿越施工的诸多问题。

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种水平定向钻管道穿越反循环钻进方法及专用钻头，这种水平定向钻管道穿越反循环钻进方法特别适用于进行油气或市政管道铺设，属于非开挖工程领域。

背景技术

目前，在采用水平定向钻进铺设管道施工中，由于施工管道长度和口径越来越大。随着管道长度和钻孔直径的增大，扩孔过程中产生的钻屑也成倍地增多，而且岩层钻进中所产生的岩屑粒径较大，因此岩层钻进清渣更为困难。特别是对于像西气东输二线上的大直径、长距离穿越工程项目，如何有效地清除钻孔内的钻渣更是个非常困难的问题。一个关键的原因就是钻孔环状空间内泥浆的流速非常低，根本达不到有效排渣的最小临界流速要求。

另外，大型水平定向钻穿越工程所需要的施工设备也特别庞大，钻机的扭矩往往要达到10万牛米以上，对水平定向钻进用的钻机和机具设计制造都提出了很高的要求。现有的水平定向钻进工艺方法中存在如下技术经济问题：

1)特大井孔、超低流速、高岩屑浓度下的携砂难题。很难将钻孔内的泥砂排除干净，尤其是较大颗粒的钻渣或卵砾石。

2)地层的窜浆问题。在钻进过程中，泥浆需要有一定的压力才能保证有效地排出钻屑，但是水平定向钻穿越的地层一般15-25m深的浅地层，在压力作用下，泥浆极易穿透松散的表层土或通过地层裂隙窜漏到地表。

3)需要进行多次洗孔作业，消耗大量泥浆材料；如西气东输二线某950米的定向钻河流穿越项目消耗膨润土5000余吨。

4)施工工序多，需要多次洗孔，施工工期较长。

5)工程风险大，由于孔内渣土很难清除干净，易造成管道回拖失败。

6)由于孔内沉渣较多，泥浆中沙土含量较大，易造成钻具磨损严重、扩孔扭矩过大，出现卡钻和钻具折断等工程事故。

7)由于上述诸多不利影响，使得工程成本较高。

发明内容

为了克服上述现有技术中出现的问题，本发明提供了一种水平定向钻管道穿越反循环钻进方法及专用钻头，该工艺方法在传统钻井泥浆正循环的基础上，通过改变钻孔泥浆的循环方向，使之与现有技术中泥浆的循环方向正好相反。大大提高了携带钻渣的泥浆的循环流动速度，能够有效地排除水平钻孔中的钻渣和碎石。采用本发明的工艺方法及钻头，目前困扰大直径水平定向钻管道穿越施工的诸多问题都将迎刃而解。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种水平定向钻管道穿越反循环钻进方法，钻机的钻杆通过入土坑进入钻孔环状空间，钻孔环状空间的另一端为出土坑，钻杆通过钻杆接头与扩孔钻头连接，钻杆内部与扩孔钻头内部均为中空的腔体，扩孔钻头上设有与钻孔环状空间连通的吸渣口，两腔体、吸渣口和钻孔环状空间共同形成泥浆通道，砂石泵安放于钻机或者出土坑的外端；当砂石泵安放于钻机外端时，将入土坑作为泥浆池，砂石泵经钻杆与中空的扩孔钻头连通，且将扩孔钻头靠近出土坑的一端用堵头封堵；当砂石泵安放于出土坑外端时，将出土坑作为泥浆池，砂石泵经钻杆与中空的扩孔钻头连通，且将扩孔钻头靠近入土坑的一端用堵头封堵，钻进中使泥浆按照泥浆池→钻孔环状空间→扩孔钻头→钻杆→砂石泵→泥浆池的流动方向循环流动。

且本发明中可将钻进中排出的泥浆沉淀后反复利用。

本发明还提供了一种能实现这种水平定向钻管道穿越反循环钻进工艺的专用钻头，该钻头的钻头体内部为中空的空腔，安装有牙轮的牙轮座套装于钻头体外，钻头体中段设有吸渣口，吸渣口的位置与牙轮对应，钻头体的一端设有用于封堵的堵头。

由上述技术方案可知本发明将现有的扩孔工艺中泥浆的正循环方式，即在扩孔过程中，泥浆的循环途径为：泥浆池→泥浆泵→钻杆→扩孔钻头→钻孔环状空间→泥浆池，改变为反循环方向流动，即为：泥浆池→钻孔环状空间→扩孔钻头→钻杆→砂石泵→泥浆池。本发明通过改变砂石泵安装的位置和使用中空的设有吸渣口的钻头，既可实现从钻机一侧的反循环扩孔钻进，也可实现从管道入土侧的反循环扩孔钻进，能将反循环扩孔工艺的有效施工长度增加一倍。

本发明具有如下几个方面的突出优点：

1.反循环钻进泥浆在钻杆中心通道中具有较高的上返流速(可达2-4m/s)，这将使钻进效率大大提高，将在很大程度上降低动力消耗、降低破岩工具的消耗，从而使施工周期大幅缩短，施工成本大幅降低。

2.可高效地、全程地清除整个钻孔中的每一处钻渣，不留死角。因此可有效地降低钻孔的扩径系数，从而降低扩孔级数和洗孔次数。

3.正循环清渣系统使用的往复式泥浆泵，对泥浆中的含沙量要求非常严格，即使使用泥浆净化装置也不易将使用过的泥浆处理达标，而反循环清渣系统使用的是沙石泵，对泥浆中的含沙量几乎没有要求，携带钻渣返出孔外的泥浆只需稍加沉淀即可重复使用。

4.可大大减少泥浆的使用量。采用反循环技术则可大大减少泥浆的使用量，从而可大幅度地降低施工成本，减少泥浆对环境的污染。

5.可大幅度降低对泵站设备配置的要求。使用反循环技术，可降低所配置的往复式泥浆泵的规格，降低对泥浆处理设备的要求，因而可大大降低设备配置费用和设备进出场费用，节省泥浆处理费用，避免因泥浆处理不及时而被迫停工等。

6.可大大提高管道回拖的安全性。采用反循环清渣系统，可高效地、全程地清除整个钻孔中的每一处钻渣，不留死角，因此可大大提高拉管作业的安全性。

7.水平定向钻反循环钻进施工中不会出现泥浆窜漏和地面冒浆问题。环状空间中的泥浆几乎是靠重力流动，没有压力，所以一般不会穿透松散的表层土窜漏到地表。

附图说明

图1为实施例1中砂石泵安放于钻机外端时，用反循环钻进工艺方法扩孔示意图。

图2为实施例2中砂石泵安放于出土坑外端时，用反循环钻进工艺方法扩孔示意图。

图3为实施例1所用钻头结构示意图。

图4为实施例2所用钻头结构示意图。

图中1、砂石泵；2、钻机；3、钻杆；4、入土坑；5、河道；6、扶正器；7、扩孔钻头；8、出土坑；9、钻孔环状空间；10、保护辐条；11、牙轮；12、牙轮座；13、吸渣口；14、钻头锥体；15、堵头；16、笔状锥头，17、钻杆接头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明提供的水平定向钻管道穿越反循环钻进方法是在传统钻井泥浆循环的基础上，通过改变配套设备和采用新结构的钻头，实现钻进中泥浆按照泥浆池→钻孔环状空间→扩孔钻头→钻杆→砂石泵→泥浆池的流动方向循环流动，该工艺中钻机2的钻杆3通过入土坑4进入钻孔环状空间9，钻孔环状空间9的另一端为出土坑8，钻机2的钻杆3外设有扶正器6，钻杆3通过钻杆接头与扩孔钻头7连接，钻杆内部与扩孔钻头内部均为中空的腔体，扩孔钻头7上设有与钻孔环状空间9连通的吸渣口13，两腔体、吸渣口13和钻孔环状空间9共同形成泥浆通道，砂石泵1安放于钻机2或者出土坑8的外端。图1所示的实施例1中，砂石泵1安放于钻机2外端，将入土坑4作为泥浆池，砂石泵1与中空的钻杆3连通，且将钻杆3靠近出土坑8的一端用堵头15封堵，钻进时砂石泵1通过钻杆3、扩孔钻头7处的吸渣口13不断地抽出充满于钻孔环状空间9中的泥浆，扩孔钻头7切削下来的钻渣被泥浆悬浮夹带，随着被抽出的泥浆通过吸渣口13进入钻头空腔，通过钻杆3、砂石泵1而携带到地表，从而实现排渣，图1中的箭头表示了泥浆的流动方向，经测试泥浆在钻杆中的上返流速高达2-4m/s，随着孔底泥浆的不断被抽出，泥浆池里的泥浆通过重力进入钻孔环状空间9对循环体系中的泥浆进行补充；被抽出的泥浆经过净化处理(如沉淀)排除钻渣后可重复利用。图2所示的实施例2中，砂石泵1安放于出土坑8外端，将出土坑8作为泥浆池，砂石泵1与中空的钻杆3连通，且将钻杆3靠近扶正器6的一端用堵头14封堵，钻进时在砂石泵1的抽吸作用下，泥浆由钻孔环状空间9经扩孔钻头处的吸渣口13和钻杆3内部的中空通道被抽吸至地表，图2中的箭头表示了泥浆的流动方向，扩孔钻头7切削下来的钻渣直接掉入或随泥浆被吸入钻杆空腔，并随着循环的泥浆被携带到地表，从而实现反循环排渣的目的。本发明提供的水平定向钻管道穿越反循环钻进工艺方法特别适用于非开挖工程，如图1、图2所示为河道5底部穿越工程。

本发明中所用钻头的钻头体内部为中空的空腔，且钻头体中段设有吸渣口13，且吸渣口13处钻头体的直径大于钻头体其余部分的直径，以形成一个较大的空腔用于吸渣，安装有牙轮11的牙轮座12套装于钻头体外，牙轮座12的背部设有钻头锥体14，钻进中钻杆驱动钻头体旋转并带动牙轮11作旋转运动，牙轮11的位置与吸渣口13对应，钻头体的前部设有笔状锥头16，笔状锥头16外设有保护辐条10，钻头体的一端设有用于封堵的堵头15，实施例1中所用钻头的堵头15位于钻头锥体14外侧(如图3所示)，实施例2中所用钻头的堵头15位于笔状锥体15外侧(如图4所示)。扩孔钻头通过钻杆接头与钻杆连通，钻杆内中空的腔体与扩孔钻头内中空的腔体通过吸渣口与钻孔环状空间连通，两腔体、吸渣口和钻孔环状空间共同形成泥浆通道，以满足钻进中泥浆能按照泥浆池→钻孔环状空间→扩孔钻头→钻杆→砂石泵→泥浆池的流动方向循环流动的要求。