水平定向鉆-巖石鉆的原理

1、學(xué)術(shù)論文：水平定向鉆巖石鉆的原理作者：劉春海 時(shí)間：2015年5月20日單位：十四冶建設(shè)集團(tuán)云南礦業(yè)工程有限公司非開(kāi)挖管道分公司摘要：符合巖石鉆的基本條件，巖石鉆鉆頭的工作原理，巖石回?cái)U(kuò)器的工作原理，巖石鉆泥漿的作用，巖石鉆的清孔方法。關(guān)鍵詞：泥漿壓力鉆頭 三牙輪 泥漿動(dòng)切力d 活塞式清孔 孔道上漂的原因1. 前言非開(kāi)挖水平定向鉆（以下簡(jiǎn)稱(chēng)非開(kāi)挖）最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，80年代末開(kāi)始傳入我國(guó)，21世紀(jì)初在我國(guó)迅速地發(fā)展起來(lái)，廣泛地應(yīng)用在電力、電信、供水、燃?xì)?、污水等等施工?dāng)中，用于管道的馬路、鐵路、河道、山坡等穿越當(dāng)中。非開(kāi)挖之所以能如此快速地發(fā)展成為一個(gè)新生的行業(yè)，它有它自身的優(yōu)勢(shì)：安

2、全、快速、質(zhì)量等，在我國(guó)喀斯特地形的西南部-云貴川等地，要使非開(kāi)挖得以廣泛地應(yīng)用，巖石鉆是我們重點(diǎn)研究的項(xiàng)目。以下，我們針對(duì)一個(gè)典型的案例：清鎮(zhèn)市清紡區(qū)消水洞疏通工程非開(kāi)挖巖石鉆專(zhuān)項(xiàng)工程為例，展開(kāi)我們的研究。2. 符合巖石鉆的基礎(chǔ)條件2.1 工程概述清鎮(zhèn)市清紡區(qū)消水洞疏通工程非開(kāi)挖巖石鉆專(zhuān)項(xiàng)工程位于貴州省清鎮(zhèn)市清紡區(qū)，計(jì)劃回拖DN1000PE管。需穿越一座小山，進(jìn)出水口分別在山谷的兩邊，山谷與山頂?shù)淖畲舐洳钍?21米，穿越長(zhǎng)度約200米，該地段為典型的云貴川喀斯特地貌。2.2開(kāi)工前勘探為保證工程順利進(jìn)行，節(jié)約施工成本，開(kāi)工前甲方必須提供穿越線(xiàn)路的工程地質(zhì)鉆探報(bào)告，地質(zhì)報(bào)告必須按市政工程勘察規(guī)范

3、（CJJ56-94）有關(guān)規(guī)定執(zhí)行：勘探孔沿管線(xiàn)中線(xiàn)布置，鉆探點(diǎn)間距小于50米，鉆探深度為管道設(shè)計(jì)深度以下1至3米。進(jìn)行勘探的主要原因分析（云貴川喀斯特地貌涵洞較多）：如上圖，如果穿越軌跡線(xiàn)上有3米以上的涵洞存在，穿越鉆頭會(huì)因?yàn)樽灾氐脑驈亩斐摄@頭卡鉆、鉆頭偏離原設(shè)計(jì)涵洞軌跡線(xiàn)等致命因素。后果分析：穿越軌跡線(xiàn)不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求、鉆頭回拖時(shí)被石頭卡死無(wú)法抽出。23甲方必須提供進(jìn)水口及出水口的高程數(shù)據(jù)如圖所示，進(jìn)水口高程H1，出水口高程H2,水平距離L。根據(jù)兩點(diǎn)的高程差及水平距離求出流水坡度i：i=（H1-H2）/L（坡度百分比）24機(jī)械設(shè)備的選擇 2.4.1根據(jù)回拖力選擇機(jī)械 根據(jù)現(xiàn)流行的計(jì)算回拖

4、力的三種辦法（ASTM計(jì)算回拖力、凈浮力計(jì)算回拖、荷拱土壓力計(jì)算回拖力）計(jì)算回拖力，取其最大值作為選擇機(jī)械的第一依據(jù)。 2.4.2 根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)（喀斯特地形中世紀(jì)玄武巖石，硬度大），作為選擇機(jī)械的第二依據(jù)。機(jī)械選擇：古登（GD1600）巖石鉆機(jī)，鉆機(jī)的主要參數(shù)如下：GD1600巖石鉆機(jī) 最大回拖力3645KN 最大扭矩104789N.M 入鉆角8°-16° 最大施工長(zhǎng)度2500米 施工最大直徑DN1500 整機(jī)重量25噸 3. 巖石鉆頭的工作原理3.1 巖石鉆機(jī)的調(diào)整 根據(jù)上述：機(jī)械入鉆角8°-16°，有可能遠(yuǎn)大于流水面設(shè)計(jì)坡度i，開(kāi)鉆前我們必須

5、采取一些措施以糾正偏差，如下圖： 鉆機(jī)高度比進(jìn)水口高程H1降低0.5米，則鉆機(jī)入鉆角可調(diào)整為0°到8°間，滿(mǎn)足i設(shè)計(jì)要求。3.2導(dǎo)向穿越 3.2.1導(dǎo)向儀選擇 根據(jù)本地區(qū)高程特點(diǎn)：最高點(diǎn)與出水口的高程差約為-21米，高硬度地層鉆進(jìn)速度約3米/小時(shí)，總長(zhǎng)度L約200米，大約需要工作67小時(shí)?？蛇x擇GL700導(dǎo)向儀，其主要參數(shù)如下:金地GL700導(dǎo)向系統(tǒng) 抗干擾性強(qiáng) 適用于我國(guó)地下含礦物質(zhì)較多的西南部地區(qū)進(jìn)行非開(kāi)挖鉆進(jìn)工程，使用高能電池可持續(xù)工作100小時(shí) ,最大穿越深度-30米。其工作界面如下圖： 上面中間象鐘表一樣的用來(lái)調(diào)節(jié)鉆頭的坡度及水平偏差，右上角為鉆頭的坡度值（鉆頭與

6、水平面的夾角百分比）。以水平面為0%，鉆頭在水平面上為正，反之為負(fù)。中間兩豎夾一桿的用來(lái)確定鉆頭的準(zhǔn)確位置。3.2.2導(dǎo)向穿越 導(dǎo)向穿越原理 探棒（信號(hào)源）發(fā)出信號(hào)，接收機(jī)接到信號(hào)，指揮鉆機(jī)手，操縱鉆頭左右上下移動(dòng)，保證水平位置及入鉆坡度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)前進(jìn)時(shí)，坡度保持不變。調(diào)控方向原理穿越過(guò)程中，不可避免地因?yàn)橥临|(zhì)因素（土質(zhì)軟硬分部不均勻）造成鉆頭左右移動(dòng)偏離穿越軌跡線(xiàn)或上下移動(dòng)偏離設(shè)計(jì)坡度i。我們必須調(diào)整鉆頭以便及時(shí)糾正錯(cuò)誤，糾正原理圖如下：以糾正坡度為例如上圖，當(dāng)前坡度大于設(shè)計(jì)坡度，則把鉆頭方向調(diào)控為向上，然后通過(guò)高壓泥漿沖擊鉆頭前面的三牙輪旋轉(zhuǎn)，磨掉上部分巖石，迫使鉆桿往上走，

7、從而減小坡度達(dá)到目的。鉆頭的造斜角度由以下公式確定：=（4Acos(L2)-q0*L3）/(8EJ)A-鉆頭板面積 -鉆頭斜面角 L-鉆頭長(zhǎng) -巖石抗壓強(qiáng)度 E-彈性模量 J-慣性矩經(jīng)驗(yàn)可知巖石層里上提的坡度及前進(jìn)距離的關(guān)系為：0.8°/米。這個(gè)上提坡度非常小，所以要及時(shí)糾正鉆進(jìn)坡度。左右方向糾正同理。33測(cè)定方法鉆頭每前進(jìn)1米，測(cè)定一次水平方向偏差，每前進(jìn)三米糾正一次鉆進(jìn)坡度。4. 巖石回?cái)U(kuò)器的工作原理導(dǎo)向穿越成功，整個(gè)工程算成功了80%。接下來(lái)還要進(jìn)行孔道回?cái)U(kuò)，逐步把穿越孔道變大到設(shè)計(jì)要求DN1000?；?cái)U(kuò)過(guò)程見(jiàn)下圖：通過(guò)巖石回?cái)U(kuò)器合金三牙輪的高度旋轉(zhuǎn)，把巖石磨成沙粒，然后經(jīng)過(guò)高

8、壓力的泥漿排出孔外。擴(kuò)孔工藝對(duì)鉆孔軌跡的影響： 在巖石層中擴(kuò)孔，一般為正向回轉(zhuǎn)式，如不采取措施，鉆孔方位基本上向左上偏斜。原因分析：由于砂礫的重力沉淀和回?cái)U(kuò)器的離心作用，上下呈上漂趨勢(shì)，左右呈右偏趨勢(shì)。判斷孔道偏離原鉆孔軌跡線(xiàn)的一般方法：孔內(nèi)鉆桿與鉆機(jī)鉆桿不在同一直線(xiàn)上。減少偏離的措施：使用高濃度泥漿，利用泥漿的動(dòng)切力（攜屑能力）把沙粒帶出孔外；慢速回?cái)U(kuò)減少回?cái)U(kuò)器的離心力。5. 巖石鉆中泥漿的應(yīng)用在巖石鉆中，不存在塌孔或失水造壁問(wèn)題，只要考慮成孔液的流變性即可。成孔液流動(dòng)時(shí)的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系用流變方程和流變曲線(xiàn)來(lái)表達(dá)。流變關(guān)系大體上可以分為4種理論流體，即牛頓流體、賓漢流體、冪律流

9、體和卡森流體。巖石鉆中的泥漿符合牛頓流體關(guān)系。巖石鉆中，其沙粒間的剪切應(yīng)力主要由相互無(wú)連接力的沙粒微粒及水分子之間的摩擦力構(gòu)成。由牛頓流體關(guān)系式：=*可知，反映該類(lèi)成孔液粘稠度的流變參數(shù)是牛頓黏度。成孔液的凝膠強(qiáng)度和觸變性一旦成孔液停止流動(dòng)及靜止，便會(huì)有或多或少的結(jié)構(gòu)逐漸形成，直至穩(wěn)定。我們把成孔液靜止時(shí)的結(jié)構(gòu)力稱(chēng)為成孔液的凝膠強(qiáng)度，用動(dòng)切力d表示。動(dòng)切力在這里代表了攜屑的能力。d為時(shí)間T的函數(shù)，隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增大。當(dāng)外加一定的切力使成孔液流動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)拆散，流動(dòng)性增長(zhǎng)，這就是成孔液的觸變性。擴(kuò)器時(shí)，我們希望把鉆渣懸浮不下沉，然后隨泥漿排出孔外，所以泥漿必須要有良好的d值，為了防止d變大，擴(kuò)孔后必須盡快拖管，以便減少回拖力。使用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)出牛頓黏度及剪切速率即可算出d值。6. 巖石鉆中清孔的方式清孔原因：孔道有回?cái)U(kuò)時(shí)殘留的泥漿混合物。清孔工序及方法：6.1先活塞式清孔擴(kuò)孔后，將軟質(zhì)的材料包裹在回?cái)U(kuò)器上，進(jìn)行“活塞式”推拉清孔。可反復(fù)多次進(jìn)行，以保證孔內(nèi)無(wú)障礙。6.2沖洗孔道經(jīng)過(guò)第一道工序后，孔道內(nèi)基本無(wú)其他障礙物，為保證孔道清理徹底，再往孔道內(nèi)注射高壓清水，清洗幾遍則基本通暢無(wú)礙。參考文獻(xiàn)（1）顏純文，蔣國(guó)盛，葉建良。非開(kāi)挖鋪設(shè)地下管線(xiàn)工程技術(shù)地下工程技術(shù)專(zhuān)著。上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005年1