CN108868611B - 基于套管跟进的钻孔纠偏方法及其纠偏装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下钻孔施工技术领域，公开了一种基于套管跟进的钻孔纠偏方法及纠偏装置。本发明通过调整钻头与外侧相适应的套管之间的前后相对位置，改变钻进过程中地层对套管端头转向选择面的作用力大小，以调整套管的顶进方向。本发明结构简单，纠偏精度高，操作便捷。

Description

基于套管跟进的钻孔纠偏方法及其纠偏装置

技术领域

本发明涉及地下钻孔施工技术领域，特别是涉及一种基于套管跟进的钻孔纠偏方法及其纠偏装置。

背景技术

钻孔是地下空间建设中进行围岩加固、止水等施工常涉及到的工艺之一。在钻孔过程中，往往由于地质条件、钻孔工艺等原因，钻孔精度难以保证。打20米以上的深孔时，钻杆在自身重力作用和围岩的不均匀性及多变性作用下极易产生方向变化，导致钻进方向偏离设计方向，影响成孔质量，同时会造成钻杆与钻孔内壁摩擦阻力加大，引起钻进困难并损伤钻杆或钻头。

钻孔过程中当实际钻孔轨迹与设计钻孔轨迹发生偏差时，常采用钻孔纠偏技术进行纠偏。目前施工中，最常使用的套管跟进的纠偏技术是采用带楔形的纠偏板，一般设置在内钻杆前端通过停止旋转，调整楔形纠偏板的方向，直接向前顶进来实现纠偏，在一定情况下具有良好的纠偏效果。其缺点是纠偏时钻具无法旋转出土，容易导致出土不畅，钻机扭矩增加从而造成钻头变形，增加设备损耗。

在非套管跟进施工中，还有将楔形纠偏板直接设置在顶进钻杆的前端，进行纠偏时，通过转动钻杆调节楔形板朝向进行纠偏。

上述方案在纠偏前均需要确定楔形纠偏板的方向，而确定楔形纠偏板的方向需要安装能测量工具角的传感器，并通过有线或无线的方式将工具角传到孔外。

发明内容

本发明提供一种结构简单，纠偏精度高，操作便捷，不会增加钻具损耗的基于套管的钻孔纠偏装置及其纠偏方法。

解决的技术问题是：现有的楔形纠偏板或设置在钻头前端，会导致出土不畅、钻机扭矩增加从而造成钻头变形，增加设备损耗；且必须借助角度传感器确定楔形纠偏板方向。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明基于套管的钻孔纠偏方法，通过调整钻头与外侧相适应的套管之间的前后相对位置，改变钻进过程中地层对套管端头转向选择面的作用力大小，以调整套管的顶进方向。

本发明基于套管的钻孔纠偏方法，进一步的，具体包括以下情况：

钻孔的实际钻孔方向Y相对于设计钻孔方向X，偏移方向为A方向，使套管的转向选择面朝向钻孔的A方向一侧；

情况一、当钻头完全位于套管转向选择面后端，且钻头前端与转向选择面后端之间的距离大于1-1.5倍的套管外径时，钻进过程中转向选择面前方地层对转向选择面的作用力最大，对钻进角度的调节作用最大，钻进方向向A方向的反方向偏转速度最快；

情况二、当钻头从位于转向选择面后端、且距离转向选择面后端1-1.5倍的套管外径的位置向前移动、逐步接近转向选择面的后端时，钻头对转向选择面附近的地层产生松动，钻进过程中地层对转向选择面的作用力逐步减小，对钻进角度的调节作用逐渐减小，钻进向A方向的反方向的偏转速度减小；

情况三、当钻头从转向选择面后端逐步向前移动至与转向选择面齐平或超出转向选择面前端时，钻进过程中地层对转向选择面的作用力为零，转向选择面对钻进方向的改变不产生作用。

本发明基于套管的钻孔纠偏方法，进一步的，套管端头还设置有转向维持面，具体包括以下情况：

当实际钻孔方向Y相对于设计钻孔方向X，偏移方向为B方向，使套管的转向选择面朝向钻孔的B方向，转向维持面朝向与B方向相反的C方向；

情况①、当钻头完全位于套管转向选择面后端，且钻头前端与转向选择面后端之间的距离大于1-1.5倍的套管外径时，转向选择面与转向维持面均与地层完全接触，且转向选择面处的地层不受钻头扰动，钻进过程中地层对转向选择面的作用力最大，转向选择面对方向Y的调节作用远大于转向维持面，调节方向Y趋向于C方向偏转；

情况②、当钻头从位于转向选择面后端、且距离转向选择面后端1-1.5倍的套管外径的位置向前移动、逐步接近转向选择面的后端时，钻进过程中钻头对转向选择面处地层扰动逐步增大，地层对转向选择面的作用力逐渐减小，转向维持面始终与地层完全接触，转向维持面对方向Y的偏转调节作用逐渐增大；

情况③、当钻头从转向选择面后端逐步向前移动至与转向选择面齐平或超出转向选择面前端时，钻进时钻头将转向选择面附近的土体直接带出，地层对转向选择面的作用力为零，转向选择面对钻进方向的改变不产生作用，转向维持面始终与地层完全接触，仅有转向维持面调节方向Y趋向于B方向偏转。

本发明纠偏装置，包括钻头和位于钻头外侧的套管；钻头相对套管前后伸缩运动；套管的前端管口处设置有转向选择面，转向选择面位于套管管口的一侧，且朝向套管的中心轴方向。

本发明纠偏装置，进一步的，所述套管的前端管口的一侧侧壁上设置有纠偏板，纠偏板一端的内侧面贴合设置在套管侧壁上，另一端水平向外延伸，伸出套管管口的纠偏板的内侧面形成转向选择面。

本发明纠偏装置，进一步的，所述套管的前端管口为斜形管口，所述转向选择面位于斜形管口向前伸出的尖部下方。

本发明纠偏装置，进一步的，所述斜形管口的尖部设置有弧面板，弧面板一端贴合设置在套管壁上，另一端水平向外延伸，伸出斜形管口的弧面板的内侧面与斜形管口尖部的内侧面共同形成转向选择面。

本发明纠偏装置，进一步的，所述转向选择面沿顶进方向、朝远离套管的中心轴线方向倾斜设置。

本发明纠偏装置，进一步的，所述斜形管口的尖部上方还设置有转向维持面，所述转向维持面位于转向选择面上方，沿顶进方向、朝向套管的中心轴线方向倾斜设置。

本发明纠偏装置，进一步的，所述斜形管口尖部的套管边沿朝向套管的中心轴线方向、倾斜向外延伸形成维持斜板，维持斜板的外侧斜面为转向维持面，维持斜板的下方倾斜设置有选择挡板，选择挡板的外侧斜面为转向选择面；选择挡板一端边沿与转向维持面的端面连接，另一端倾斜向下延伸、并通过连接板与套管的内侧壁连接。

本发明纠偏装置，进一步的，所述转向选择面的面积大于转向维持面的面积。

本发明纠偏装置，进一步的，所述选择挡板与套管中心轴线之间的夹角大于维持斜板与套管中心轴线之间的夹角。

本发明基于套管的钻孔纠偏装置与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明钻孔纠偏装置结构简单，在套管前端设置角度控制结构，通过调整钻头与套管的前后相对位置关系，来调整角度控制结构的作用力大小，从而实现对钻孔方向的纠偏，无需停止钻进，不会影响出土，也不会突然间增大钻头部位的顶进阻力，不会造成钻头或套管的变形，也不需要测量钻头的工具角。

本发明钻孔纠偏装置实时监控实际的钻进方向，发现钻进方向偏移后，调整钻头伸缩，改变待切削土体或地层对角度控制结构中的转向选择面的作用力大小，进而改变转向选择面与转向维持面对偏转方向的控制程度，操作便捷高效，纠偏精度高。

本发明斜形管口为斜楔面时，在长口端上方设置弧面板，即可增大转向选择面的实际作用面积，又可增加套管长口端的强度，避免其在顶进过程中损坏或变形。

本发明钻孔纠偏方法简单易操作，灵活，适用范围广泛，可控性强，避免了传统的通过转管来实现纠偏的方法，大大简化了纠偏的过程，确保了纠偏过程中的正常排渣，同时避免了对纠偏对钻具的损耗。

下面结合附图对本发明的基于套管的钻孔纠偏装置及其纠偏方法作进一步说明。

附图说明

图1为实施例1的钻孔纠偏装置的结构示意图；

图2为实施例2中的套管结构示意图；

图3为实施例2的钻孔纠偏过程示意图；

图4为实施例3的钻孔纠偏装置的结构示意图；

图5为实施例3的钻孔纠偏过程示意图。

附图标记：

1-钻头；2-套管；3-转向选择面；31-纠偏板；32-弧面板；4-转向维持面；41-维持斜板；42-选择挡板；43-连接板。

具体实施方式

实施例1

根据待钻孔的某地土层和土质分析，土质为砂层；根据既有工程施工经验，已经明确受砂性地层影响，钻孔方向较容易向一个方向偏转，则采用本实施例所述的钻孔纠偏装置，选用螺旋出土钻杆，按照下述纠偏方法，进行钻孔。

如图1所示，本发明基于套管跟进的钻孔纠偏装置包括钻头1，以及位于钻头1外侧的套管2，套管2的管径与钻头1的尺寸相适应，钻头1相对套管2前后伸缩运动；套管2的前端管口处设置有转向选择面3，转向选择面3位于套管2管口的一侧，且朝向套管2的中心轴线方向，套管2的管径与钻头1的尺寸相适应。

本实施例中，钻头1通过钻杆与伸缩油缸固定连接，套管2的尾端与顶推机构固定连接，伸缩油缸设置在顶推机构后方；钻头1与套管2在顶推机构的推动下共同向前顶进，钻头1在伸缩油缸的作用下相对套管2伸缩运动，调节钻头1与套管2的相对位置。

套管2的前端管口为常规的平口管口，其一侧的侧壁上设置有纠偏板31，纠偏板31的内表面呈弧面设置，纠偏板31一端的内侧面贴合设置在套管2侧壁上，设置在内侧壁或外侧壁上均可，另一端水平向外延伸，伸出套管2管口的纠偏板31的内侧面形成转向选择面3。

纠偏板31对应的圆心角不超过60°。

实施例2

地层为砂卵石地层，根据既有工程施工经验，已经明确受砂卵石地层影响，水平钻孔方向较容易向上偏转，选用潜孔锤锤头，纠偏装置上的区别点在于：

如图2所示，套管2前端的斜形管口，其尖部设置有弧面板32，弧面板32一端贴合设置在套管2壁上，另一端水平向外延伸，伸出斜形管口的弧面板32的内侧面与斜形管口尖部的内侧面共同形成转向选择面3。

弧面板32对应的圆心角不超过60°。

实施例1与实施例2记载的纠偏装置，应用在本发明基于套管跟进的钻孔纠偏方法中，通过调整钻头与设置在钻头外侧的套管之间的相对位置，改变钻头对地层或切削土体的扰动作用，从而改变地层或切削土体对套管端头的转向选择面的作用力，调整纠偏装置的顶进角度。

首先根据地层土质分析和经验判断，确定钻孔的实际钻孔方向Y相对于设计钻孔方向X，会向A方向偏移，调整纠偏装置的方向，使套管的转向选择面3朝向钻孔的A方向，如图3所示；

例如：打设水平钻孔时，已知钻孔容易向上倾斜，则将套管的短口端置于钻孔的正上方，长口端置于钻孔的正下方；

钻进过程中具体包括以下几种情况：

情况一、当钻头1完全位于套管2转向选择面3后端、且钻头1前端与转向选择面3后端之间的距离大于1-1.5倍的套管2外径时，钻头1所在位置对转向选择面3处土体完全没有扰动作用，且转向选择面3始终完全与地层接触，因此钻进过程中转向选择面3处地层对转向选择面3的作用力最大，对钻进角度的调节作用也最大，钻进方向向A方向的反方向偏转速度最快。

这里提到的“钻头1前端与转向选择面3后端之间的距离大于1-1.5倍的套管2外径”的距离，是充分考虑了钻头1在钻进过程中对钻进前方的地层土体产生的扰动作用，会使附近的土体产生松动，即使钻头1还没有顶进到前方的土体扰动区域，但是松动的土体对顶进设备产生的阻力已经减小了，经过对本发明多种实施例结构的多次验证，确定在钻头1前端1-1.5倍的套管2外径的范围内，为有效的土体扰动区域。

情况二、当钻头1从位于转向选择面3后端、且距离转向选择面3后端1-1.5倍的套管2外径的位置向前移动、逐步接近转向选择面3的后端时，钻头1逐步对转向选择面3附近的地层形成一定程度的松动，钻进过程中转向选择面3处地层对转向选择面3的作用力逐步减小，对钻进角度的调节作用逐渐减小，钻进向A方向的反方向的偏转速度减小。

情况三、当钻头从转向选择面后端逐步向前移动至与管口齐平或超出转向选择面前端时，钻进时钻头1将转向选择面3附近的土体直接带出，转向选择面3与切削土体的接触面积为零，钻进过程中地层对转向选择面的作用力为零，转向选择面对钻进方向的改变不产生作用。

针对钻进的实际偏转情况，按照上述作用力的调节趋势，进行钻头1的伸缩调整，实现钻进方向的纠偏，完成钻孔。

实施例3

当待钻孔的某地层和土质结构较为复杂时，如为砂层；则采用本实施例所述的钻孔纠偏装置，选用三翼钻钻头，按照下述纠偏方法，进行钻孔。

如图4所示，本发明基于套管跟进的钻孔纠偏装置包括钻头1，以及设置在钻头1外侧的套管2，套管2的管径与钻头1的尺寸相适应，钻头1相对套管2前后伸缩运动，套管2的管径与钻头1的尺寸相适应；套管2的前端管口处设置有转向选择面3和转向维持面4，，转向选择面3位于套管2管口的一侧，且朝向套管2的中心轴线方向；转向选择面3沿顶进方向、向远离套管2的中心轴线方向倾斜设置，与顶进方向斜内侧的土体直接接触；转向维持面4位于转向选择面3上方，沿顶进方向、朝向套管2的中心轴线方向倾斜设置，与顶进方向斜外侧的土体直接接触。本实施例中，钻头1通过钻杆与伸缩油缸固定连接，套管2的尾端与顶推机构固定连接，伸缩油缸设置在顶推机构上；钻头1与套管2在顶推机构的推动下共同向前顶进，钻头1在伸缩油缸的作用下相对套管2伸缩运动，调节钻头1与套管2的相对位置。

斜形管口尖部的套管边沿朝向套管2的中心轴线方向倾斜并向外延伸形成维持斜板41，维持斜板41的外侧斜面为转向维持面4，维持斜板41与套管2中心轴线之间的夹角不超过3°，维持斜板41所对应的圆心角不小于15°；维持斜板41的下方倾斜设置有选择挡板42，选择挡板42的外侧斜面为转向选择面3；选择挡板42一端边沿与转向维持面4的端面连接，另一端倾斜向下延伸、并通过连接板43与套管2的内侧壁连接，连接板43倾斜设置；选择挡板42与套管2中心轴线之间的夹角8°-30°为宜，选择挡板42与套管2中心轴线之间的夹角大于维持斜板41与套管2中心轴线之间的夹角，或转向选择面3的面积大于转向维持面4的面积。

本发明基于套管跟进的钻孔纠偏装置的纠偏方法，通过调整钻头与位于钻头外侧的套管之间的相对位置，改变地层对套管端头的转向选择面3的作用力，从而改变转向选择面3与转向维持面4作用力相对大小，进而调整套管顶进角度。

实施例3中记载的纠偏装置，应用在本发明基于套管跟进的钻孔纠偏方法中，如图5所示，具体如下。

当实际钻孔方向Y相对于设计钻孔方向X，会向B方向偏移，使套管2的转向选择面3朝向B方向，转向维持面4朝向与B方向相反的C方向；

例如：打设水平钻孔时，已知钻孔过程中钻头容易忽上忽下，则将套管的短口端和长口端置于钻孔的正下方和正上方。

钻进过程中具体包括以下几种情况：

情况①、当钻头1完全位于套管2转向选择面3后端，且钻头1前端与转向选择面3后端之间的距离大于1-1.5倍的套管2外径时，转向选择面3与转向维持面4均与地层完全接触，且转向选择面3处的地层不受钻头1扰动，钻进过程中地层对转向选择面3的作用力最大，转向选择面3对方向Y的调节作用远大于转向维持面4，调节方向Y趋向于C方向偏转。

情况②、当钻头1从位于转向选择面3后端、且距离转向选择面3后端1-1.5倍的套管2外径的位置向前移动、逐步接近转向选择面3的后端时，钻进过程中钻头对转向选择面3处地层扰动逐步增大，地层对转向选择面3的作用力逐渐减小，转向维持面4始终与地层完全接触，转向维持面4对方向Y的偏转调节作用逐渐增大。

情况③、当钻头1从转向选择面3后端逐步向前移动至与转向选择面3齐平或超出转向选择面3前端时，钻进时钻头1将转向选择面3附近的土体直接带出，地层对转向选择面3的作用力为零，转向选择面3对钻进方向的改变不产生作用，转向维持面4始终与地层完全接触，仅有转向维持面4调节方向Y趋向于B方向偏转。

针对钻进的实际偏转情况，按照上述作用力的调节趋势，进行钻头的伸缩调整，实现钻进方向的纠偏，完成钻孔。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (12)

1.基于套管跟进的钻孔纠偏方法，其特征在于：通过调整钻头（1）与外侧相适应的套管（2）之间的前后相对位置，改变钻进过程中地层对套管（2）端头转向选择面（3）的作用力大小，以调整套管（2）的顶进方向。

2.根据权利要求1所述的基于套管跟进的钻孔纠偏方法，其特征在于：具体包括以下情况：

钻孔的实际钻孔方向Y相对于设计钻孔方向X，偏移方向为A方向，使套管（2）的转向选择面（3）朝向钻孔的A方向一侧；

情况一、当钻头（1）完全位于套管（2）转向选择面（3）后端，且钻头（1）前端与转向选择面（3）后端之间的距离大于1-1.5倍的套管（2）外径时，钻进过程中转向选择面（3）前方地层对转向选择面（3）的作用力最大，对钻进角度的调节作用最大，钻进方向向A方向的反方向偏转速度最快；

情况二、当钻头（1）从位于转向选择面（3）后端、且距离转向选择面（3）后端1-1.5倍的套管（2）外径的位置向前移动、逐步接近转向选择面（3）的后端时，钻头（1）对转向选择面（3）附近的地层产生松动，钻进过程中地层对转向选择面（3）的作用力逐步减小，对钻进角度的调节作用逐渐减小，钻进向A方向的反方向的偏转速度减小；

情况三、当钻头（1）从转向选择面（3）后端逐步向前移动至与转向选择面（3）齐平或超出转向选择面（3）前端时，钻进过程中地层对转向选择面（3）的作用力为零，转向选择面（3）对钻进方向的改变不产生作用。

3.根据权利要求1所述的基于套管跟进的钻孔纠偏方法，其特征在于：套管（2）端头还设置有转向维持面（4），具体包括以下情况：

当实际钻孔方向Y相对于设计钻孔方向X，偏移方向为B方向，使套管（2）的转向选择面（3）朝向钻孔的B方向，转向维持面（4）朝向与B方向相反的C方向；

情况①、当钻头（1）完全位于套管（2）转向选择面（3）后端，且钻头（1）前端与转向选择面（3）后端之间的距离大于1-1.5倍的套管（2）外径时，转向选择面（3）与转向维持面（4）均与地层完全接触，转向选择面（3）处的地层不受钻头（1）扰动，钻进过程中地层对转向选择面（3）的作用力最大，且转向选择面（3）对方向Y的调节作用远大于转向维持面（4），调节方向Y趋向于C方向偏转；

情况②、当钻头（1）从位于转向选择面（3）后端、且距离转向选择面（3）后端1-1.5倍的套管（2）外径的位置向前移动、逐步接近转向选择面（3）的后端时，钻进过程中钻头对转向选择面（3）处地层扰动逐步增大，地层对转向选择面（3）的作用力逐渐减小，转向维持面（4）始终与地层完全接触，转向维持面（4）对方向Y的偏转调节作用逐渐增大；

情况③、当钻头（1）从转向选择面（3）后端逐步向前移动至与转向选择面（3）齐平或超出转向选择面（3）前端时，钻进时钻头（1）将转向选择面（3）附近的土体直接带出，地层对转向选择面（3）的作用力为零，转向选择面（3）对钻进方向的改变不产生作用，转向维持面（4）始终与地层完全接触，仅有转向维持面（4）调节方向Y趋向于B方向偏转。

4.权利要求1-3任意一项所述的基于套管跟进的钻孔纠偏方法中使用的纠偏装置，其特征在于：包括钻头（1）和位于钻头（1）外侧的套管（2）；钻头（1）相对套管（2）前后伸缩运动；套管（2）的前端管口处设置有转向选择面（3），转向选择面（3）位于套管（2）管口的一侧，且朝向套管（2）的中心轴方向。

5.根据权利要求4所述的纠偏装置，其特征在于：所述套管（2）的前端管口的一侧侧壁上设置有纠偏板（31），纠偏板（31）一端的内侧面贴合设置在套管（2）侧壁上，另一端水平向外延伸，伸出套管（2）管口的纠偏板（31）的内侧面形成转向选择面（3）。

6.根据权利要求4所述的纠偏装置，其特征在于：所述套管（2）的前端管口为斜形管口，所述转向选择面（3）位于斜形管口向前伸出的尖部下方。

7.根据权利要求6所述的纠偏装置，其特征在于：所述斜形管口的尖部设置有弧面板（32），弧面板（32）一端贴合设置在套管（2）管壁上，另一端水平向外延伸，伸出斜形管口的弧面板（32）的内侧面与斜形管口尖部的内侧面共同形成转向选择面（3）。

8.根据权利要求6所述的纠偏装置，其特征在于：所述转向选择面（3）沿顶进方向、朝远离套管（2）的中心轴线方向倾斜设置。

9.根据权利要求8所述的纠偏装置，其特征在于：所述斜形管口的尖部上方还设置有转向维持面（4），所述转向维持面（4）位于转向选择面（3）上方，沿顶进方向、朝向套管（2）的中心轴线方向倾斜设置。

10.根据权利要求9所述的纠偏装置，其特征在于：所述斜形管口尖部的套管（2）边沿朝向套管（2）的中心轴线方向、倾斜向外延伸形成维持斜板（41），维持斜板（41）的外侧斜面为转向维持面（4），维持斜板（41）的下方倾斜设置有选择挡板（42），选择挡板（42）的外侧斜面为转向选择面（3）；选择挡板（42）一端边沿与转向维持面（4）的端面连接，另一端倾斜向下延伸、并通过连接板（43）与套管（2）的内侧壁连接。

11.根据权利要求9所述的纠偏装置，其特征在于：所述转向选择面（3）的面积大于转向维持面（4）的面积。

12.根据权利要求10所述的纠偏装置，其特征在于：所述选择挡板（42）与套管（2）中心轴线之间的夹角大于维持斜板（41）与套管（2）中心轴线之间的夹角。

Images