[发明专利]一次性成孔定向穿越施工方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一次性成孔定向穿越施工方法及装置，具体是利用顶进套管保护孔壁、减少钻井液渗漏；导向孔内回拖钻杆给扩孔钻头施加回拖力，螺杆钻具给扩孔钻头施加扭矩实现扩孔钻头扩孔钻进，螺旋管柱螺旋传输钻屑(砾石)的联合施工办法。

背景技术

在管道铺设中，为了减少开挖对环境造成的影响，需要通过非开挖的办法铺设管道。目前最常见的非开挖方法有顶管、定向钻、隧道施工等。由于定向穿越施工技术适用于大型设施的穿越，并且其施工便捷、污染小、精度高、适应性强等优点受到施工单位的广泛使用。目前的定向穿越施工技术受地层的影响较大，地层适应性成为制约当前定向穿越发展的关键性问题，当前针对粘土层、高度风化的页岩、砂层和硬土层穿越较容易，对于硬岩层和砾石层的定向穿越难度较大，成功率较低。特别是针对砾石层的穿越，只能通过人工掏挖砾石或者水泥固结砾石层，然后再定向穿越，这给施工带来很大的麻烦，并且成本较高。目前该定向穿越施工方法是通过钻导向孔、多级扩孔、回拖管道的施工方法穿越地层。在钻进过程中，破碎后粒径较小的岩屑可以通过钻井液循环排出管外，但对于粒径较大的岩土颗粒会很快发生沉积，容易发生卡钻；钻进粘性较大的泥土层，很容易在扩孔钻头表面形成泥包，降低扩孔效率。并且该定向穿越方法对于长距离穿越扩孔每次切削量不能太大，否则会造成钻杆扭矩过大扭坏钻杆，通常采用多级扩孔的方法。并且由于地层条件的复杂性，现有钻头很难适应各种地层，需要针对不同地层更换相应的钻头，这会给施工带来麻烦；如果穿越施工遇到砾石层，该方法根本无法施工。

针对当前砾石层穿越的瓶颈，国内外专家也曾经提出过一些针对砾石层开挖的一些方法，其中用得最多的就是通过顶进套管，套管内螺旋管柱螺旋钻进，螺旋管柱前端有钻头，该钻头只对地层岩石做较小的破碎，主要对岩土起收集作用，收集好的岩土进入螺旋管柱，当螺旋管柱内的岩土达到一定数量后，将螺旋管柱和螺纹内的岩土整体拖出管外，完成地层的一次钻进。从原理上看，该方法解决了现阶段砾石层开挖的难题，但该方法施工过程繁琐，如果遇到较长距离的穿越施工，这种施工方法很难进行。

针对上述穿越方法的缺点，提出了利用导向孔导向、扩孔钻头扩孔、顶进套管与螺旋传输协同施工的方法。该方法先钻导向孔，导向孔内回拖钻杆施加一定的回拖力给扩孔钻头，一定的顶进力施加到螺旋管柱，传递给短路接头控制短路接头的单向阀打开，钻井液驱动组合螺杆钻具马达带动扩孔钻头旋转，扩孔钻头完成扩孔；该组合螺杆钻是由多个螺杆钻具沿管柱周向布置，并通过捆绑扶正器捆绑在一起，在每一个螺杆钻具定子的输出端驱动同一个机构旋转，该机构的输出扭矩为所有螺杆钻具输出扭矩之和，增大了组合螺杆钻具马达的输出扭矩，该机构为组合螺杆钻具马达的输出轴，输出轴与扩孔钻头相连，带动扩孔钻头破碎和收集岩土，破碎后的岩土通过螺旋传送螺纹输出孔外，扩孔过程中跟进套管。螺旋管柱与组合螺杆钻具马达通过短路接头连接，当外界施加顶进力时，顶进力通过螺旋管柱传递到短路接头，控制单向阀打开，钻井液驱动组合螺杆钻具马达转动带动扩孔钻头旋转，同时导向孔内回拖钻杆施加回拖力给扩孔钻头；当停止施加顶进力时，单向阀关闭，导向孔内回拖钻杆回拖力取消，钻井液通过短路接头旁边的通道进入螺旋管柱返回。

发明内容

本发明的目的：为了解决现阶段定向穿越施工技术需多级扩孔和砾石层无法穿越的问题，特提供一种扩孔钻头扩孔、导向孔导向、螺旋传输和顶管施工技术相结合的施工方法，实现一次性穿越扩孔。该方法可以适应大多数地层的穿越，亦可防止穿越过程中因孔壁垮塌引发的卡钻与穿越管道挤毁等多种事故。