CN112324333B - 一种地下管线水平定向穿越复杂卵砾石地层的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水平定向钻进技术领域，尤其涉及一种地下管线水平定向穿越复杂卵砾石地层的施工方法。本发明通过先规划管线轨迹，再钻机打孔，接着扩孔器回拉扩孔，最后管线回拉铺装的方式，达到地下管线在复杂卵砾石地层有效铺装的效果，并且通过特定结构的钻杆联轴器，来实现强度要求更高的卵砾石地层处钻孔操作。本发明具有管线铺装过程中可以最大程度得避开卵砾石地层，遇到卵砾石地层时可以通过增大钻孔强度方式来实现有效钻孔，并且回拉扩孔、泥浆排出操作简单有效的优点，而且其中采用的钻杆联轴器，具有连接结构强度大，两段钻杆不易松动打滑，联轴结构组装和拆卸操作简单方便，以及最终适用于卵砾石地层高强度钻孔需求的突出优点。
Description
技术领域
本发明属于水平定向钻进技术领域，尤其涉及一种地下管线水平定向穿越复杂卵砾石地层的施工方法。
背景技术
水平定向穿越，即为水平定向钻进技术，指的是一种无须挖掘地面的地下管线铺装技术，其操作步骤主要包括选址、打孔、铺装这几步。其中选址时，就需要对难以打孔的卵砾石地层进行勘探并避开，同时在钻进打孔过程中需做好风险管控与评估。首先，在钻进施工前，需在施工区域，开展卵石层分布相对密度的勘测工作，以有效避免穿越轨迹横穿密度高、卵石粒径大的区域；其次在钻进过程中，实时对孔壁周围裂纹进行监测与预测，有效避免塌孔及冒浆事故；最后，建立打孔过程中的风险应急方案，例如钻头断裂、卡钻等问题；因此这需要在整个水平定向穿越过程中引入多种监测、勘探技术。此外，现有的钻杆，需要多节连接，以达到足够的长度，而且卵砾石地层打孔时对钻杆的连接强度要求就更大了，这就需要用到连接强度极大的联轴器，现有的联轴器大多存在强度不够，以及拆装操作繁复的问题。
专利公开号为CN 101793125A，公开日为2010.08.04的中国发明专利公开了一种水平定向钻管道穿越岩石地层复合式扩孔施工方法，首先根据岩石强度计算出扩孔器能够有效切削岩层的长度，确定出扩孔器需要维修的扩孔中止点；接着在出土点将扩孔器安装在钻杆前端，由钻机在入土点的一端旋转钻杆沿导向孔回扩直至扩孔中止点；再将扩孔器向出土点方向退出孔外维修；在扩孔器维修期间，对导向孔进行大级别嵌套式扩孔；损坏的扩孔器修复后，继续进行该级别扩孔；如此反复直至所需孔径贯通入土点与出土点。
但是该发明专利中的施工方法存在施工过程中不能检测出卵砾石地层的问题。该发明专利，不能评估卵石地层相对分布问题，因而不能降低遇见高密度卵石地层，同时未能做到实时监测钻进过程的裂纹扩展及塌孔事故。
发明内容
本发明的目的是提供一种地下管线水平定向穿越复杂卵砾石地层的施工方法，其能通过先规划管线轨迹，再钻机打孔，接着扩孔器回拉扩孔，最后管线回拉铺装的方式，达到地下管线在复杂卵砾石地层有效铺装的效果，并且通过特定结构的钻杆联轴器，来实现强度要求更高的卵砾石地层处钻孔操作。本发明具有卵砾石地层位置勘探准确，可以最大程度地避开卵砾石地层，降低不必要的额外的打孔难度，以及在钻孔过程中钻孔强度灵活可调，钻孔整体强度大，能有效穿过卵砾石地层的优点。此外，本发明中的钻杆联轴器，具有连接结构强度大，两段钻杆不易松动打滑，联轴结构组装和拆卸操作简单方便，以及在不得不穿过卵砾石地层时，钻孔强度高，钻孔能力强的突出优点。
本发明解决上述问题采用的技术方案是：一种地下管线水平定向穿越复杂卵砾石地层的施工方法，依次包括以下步骤：
S1、规划管线轨迹，需要通过高密度电法和钻探勘探法勘探卵砾石地层，调整管线轨迹以降低遇见卵砾石地层的概率；
S2、钻机打孔，需要组装合适长度的钻杆，安装合适类型的钻头，按照管线轨迹打通孔道，并在钻孔过程中排出泥浆；
S3、扩孔器回拉扩孔，即采用多级逐段回拉扩孔方式来获得足够用于管线铺装的孔径的孔道；
S4、管线回拉铺装，即牵引回拉管线至打孔入口，完成整个地下管线水平定向安装操作。
进一步优选的技术方案在于：步骤S1中，依据卵砾石地层与土壤层两者之间导电性差异的特点，采用接地电极在地下建立电场、电测仪器观测地表电场变化的方式，获得卵砾石地层分布位置和相对密度的结果。
进一步优选的技术方案在于：步骤S1中，钻探勘探法采用套管方式来保全钻孔孔壁。
进一步优选的技术方案在于：步骤S2中，在卵砾石地层钻孔时采用镶焊小尺寸硬质合金的钻头，钻杆的长度为5-8m，壁厚为8-12mm。
进一步优选的技术方案在于：步骤S3中，回拉扩孔过程中使用高压泥浆喷射孔壁表层使其松散，锥形钻头压实孔壁并将切削土屑携带回地面，压泥浆中添加悬浮剂。
进一步优选的技术方案在于：步骤S4中，回拉铺装操作采用牵引机完成。
一种用于地下管线水平定向穿越复杂卵砾石地层的施工方法的钻杆联轴器，包括与钻杆端头圆筒套接的开槽环体单元，两端分别套接设有所述开槽环体单元的方形柱体单元，插接设置在两个所述方形柱体单元之间并用于对所述开槽环体单元进行防回退限位操作、对所述方形柱体单元进行防旋转限位操作的支撑板单元，所述钻杆端头圆筒端平面上设有用于所述支撑板单元穿过的钻杆螺接孔。
进一步优选的技术方案在于：所述开槽环体单元包括具有方形内环的环体，设置在所述环体侧面上并用于所述钻杆端头圆筒***的圆形环槽，以及设置在所述圆形环槽外侧槽壁上并用于向内夹紧所述钻杆端头圆筒的紧固螺栓；所述方形柱体单元包括***两个所述环体内的方形柱体，分别设置在所述方形柱体两端并用于限位固定所述环体的圆形限位板，以及设置在所述圆形限位板侧边并通过所述支撑板单元的螺栓***方式以用于进行环向限位固定的弧形槽口。
进一步优选的技术方案在于：所述支撑板单元包括卡入***两个所述环体之间的轴向支撑板，分别设置在所述轴向支撑板两个侧平面外侧位置处的轴向板，设置在所述轴向板端面上且卡合固定在所述钻杆端头圆筒凸出端平面上的径向板，设置在所述径向板上且穿过所述钻杆螺接孔后在所述钻杆端头圆筒上限位固定所述支撑板单元和所述方形柱体单元的安装螺栓，以及设置在所述轴向板内侧面上并用于对所述紧固螺栓进行防松开限位操作的矩形槽体。
进一步优选的技术方案在于：所述环体的外环面为圆形，所述紧固螺栓上套接设有橡胶圈，所述圆形限位板的厚度加所述圆形环槽的开槽深度与所述钻杆端头圆筒的开槽深度相等，所述轴向支撑板的厚度与两个所述环体相近侧面之间的距离相等，三个所述轴向支撑板组成一个完整的圆形，所述轴向板的内环面贴合设置在所述环体的外环面上，所述径向板的内侧面贴合设置在所述钻杆端头圆筒的端头平面上，钻杆主体的直径小于所述钻杆端头圆筒的内径。
附图说明
图1为本发明中施工方法的步骤操作名称流程图。
图2为本发明中卵砾石地层的勘探方法流程图。
图3为本发明中钻杆联轴器的使用示意图。
图4为本发明中开槽环体单元的位置结构示意图。
图5为本发明中支撑板单元的结构示意图。
图6为本发明中方形柱体单元的位置结构示意图。
具体实施方式
以下所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明的范围进行限定。
实施例：如附图1、2、3、4、5以及附图6所示，一种地下管线水平定向穿越复杂卵砾石地层的施工方法，其特征在于依次包括以下步骤：
S1、规划管线轨迹，需要通过高密度电法和钻探勘探法勘探卵砾石地层，调整管线轨迹以降低遇见卵砾石地层的概率；
S2、钻机打孔，需要组装合适长度的钻杆，安装合适类型的钻头，按照管线轨迹打通孔道，并在钻孔过程中排出泥浆；
S3、扩孔器回拉扩孔，即采用多级逐段回拉扩孔方式来获得足够用于管线铺装的孔径的孔道；
S4、管线回拉铺装，即牵引回拉管线至打孔入口，完成整个地下管线水平定向安装操作。
步骤S1中，依据卵砾石地层与土壤层两者之间导电性差异的特点，采用接地电极在地下建立电场、电测仪器观测地表电场变化的方式，获得卵砾石地层分布位置和相对密度的结果。
在本实施例中，所述高密度电法为现有的勘探方法，电场的构建，以及电场变化的监测和分析方法均按照现有方法进行。
步骤S1中，钻探勘探法采用套管方式来保全钻孔孔壁。
在本实施例中，钻探勘探法采用的套管为现有金属材质的套管，用于加固孔壁，避免孔壁塌方，所述套管的使用方法安装现有的套管保全孔壁的方式来进行。
步骤S2中，在卵砾石地层钻孔时采用镶焊小尺寸硬质合金的钻头，钻杆的长度为5-8m，壁厚为8-12mm。
在本实施例中，在卵砾石地层钻孔时，所述钻头需要进行强化，即采用现有的镶或焊有小尺寸硬质合金头的钻头，以保证在质地较硬的卵砾石地层处可以有效进行钻孔操作。
步骤S3中，回拉扩孔过程中使用高压泥浆喷射孔壁表层使其松散，锥形钻头压实孔壁并将切削土屑携带回地面，压泥浆中添加悬浮剂。
在本实施例中，回拉扩孔过程中的泥浆在扩孔前端可以喷射孔壁表层，使得土屑掉落，以降低扩孔的阻力，而当扩孔钻头进行经过后，泥浆就被压实在孔壁上了，以降低后续孔壁塌陷、掉落的概率。
步骤S4中，回拉铺装操作采用牵引机完成。
在本实施例中，所述管线的牵引铺装方法，按照现有铺装要求进行，所述牵引机为现有结构的牵引机设备。
施工方法中其它未提及部分，均按照现有工艺标准进行。
一种用于地下管线水平定向穿越复杂卵砾石地层的施工方法的钻杆联轴器，包括与钻杆端头圆筒11套接的开槽环体单元1，两端分别套接设有所述开槽环体单元1的方形柱体单元2，插接设置在两个所述方形柱体单元2之间并用于对所述开槽环体单元1进行防回退限位操作、对所述方形柱体单元2进行防旋转限位操作的支撑板单元3，所述钻杆端头圆筒11端平面上设有用于所述支撑板单元3穿过的钻杆螺接孔12。
在本实施例中，所述开槽环体单元1是联轴器直接连接钻杆的部位，所述方形柱体单元2用于起到主要的旋转扭力传递作用，最后是所述支撑板单元3其具有以下几个优点：
第一，在两个所述开槽环体单元1之间进行支撑，和所述方形柱体单元2一起顶住钻孔前进的阻力；
第二，进一步限制所述方形柱体单元2旋转，保证扭力传递的有效性；
第三，对开槽环体单元1的螺接紧固作用进行加固，毕竟如果所述开槽环体单元1处松动，那么后续所有限位、连接作用都是无效的。
所述开槽环体单元1包括具有方形内环的环体101，设置在所述环体101侧面上并用于所述钻杆端头圆筒11***的圆形环槽102，以及设置在所述圆形环槽102外侧槽壁上并用于向内夹紧所述钻杆端头圆筒11的紧固螺栓103；所述方形柱体单元2包括***两个所述环体101内的方形柱体201，分别设置在所述方形柱体201两端并用于限位固定所述环体101的圆形限位板202，以及设置在所述圆形限位板202侧边并通过所述支撑板单元3的螺栓***方式以用于进行环向限位固定的弧形槽口203。
在本实施例中，所述紧固螺栓103呈三列、每列两个的方式排布，在所述钻杆端头圆筒11外环面紧固，所述紧固螺栓103***端上设置高强度橡胶，以保证摩擦紧固的强度，而所述圆形限位板202则用于保证所述环体101与所述方形柱体201的整体性。
所述支撑板单元3包括卡入***两个所述环体101之间的轴向支撑板301，分别设置在所述轴向支撑板301两个侧平面外侧位置处的轴向板302，设置在所述轴向板302端面上且卡合固定在所述钻杆端头圆筒11凸出端平面上的径向板303，设置在所述径向板303上且穿过所述钻杆螺接孔12后在所述钻杆端头圆筒11上限位固定所述支撑板单元3和所述方形柱体单元2的安装螺栓304，以及设置在所述轴向板302内侧面上并用于对所述紧固螺栓103进行防松开限位操作的矩形槽体305。所述环体101的外环面为圆形，所述紧固螺栓103上套接设有橡胶圈，所述圆形限位板202的厚度加所述圆形环槽102的开槽深度与所述钻杆端头圆筒11的开槽深度相等，所述轴向支撑板301的厚度与两个所述环体101相近侧面之间的距离相等，三个所述轴向支撑板301组成一个完整的圆形，所述轴向板302的内环面贴合设置在所述环体101的外环面上，所述径向板303的内侧面贴合设置在所述钻杆端头圆筒11的端头平面上，钻杆主体13的直径小于所述钻杆端头圆筒11的内径。
在本实施例中，所述安装螺栓304用于在所述钻杆端头圆筒11上安装固定整个所述支撑板单元3，使得整个所述支撑板单元3在两个钻杆主体13之间固定不动，所述支撑板单元3自身也具有一定的联轴传递扭力作用，而且所述环体101的方形内环即使被所述方形柱体201磨平了，失去方形孔对方形柱的限位作用了，也可以通过所述安装螺栓304在所述弧形槽口203处的卡合作用来实现环向限位效果，因此最终赋予所述钻杆联轴器限位结构寿命长的优点，而且整体结构的拆装难度也适中，在卵砾石地层钻孔的使用环境下，需要相对频繁地更换、检修联轴器，这就体现其使用便捷性了。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种修改。这些都是不具有创造性的修改，只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (8)
1.一种地下管线水平定向穿越复杂卵砾石地层的施工方法，其特征在于依次包括以下步骤：
S1、规划管线轨迹，需要通过高密度电法和钻探勘探法勘探卵砾石地层，调整管线轨迹以降低遇见卵砾石地层的概率；
S2、钻机打孔，需要组装合适长度的钻杆，安装合适类型的钻头，按照管线轨迹打通孔道，并在钻孔过程中排出泥浆；
S3、扩孔器回拉扩孔，即采用多级逐段回拉扩孔方式来获得足够用于管线铺装的孔径的孔道；
S4、管线回拉铺装，即牵引回拉管线至打孔入口，完成整个地下管线水平定向安装操作；用于地下管线水平定向穿越复杂卵砾石地层的施工方法的钻杆联轴器，包括与钻杆端头圆筒（11）套接的开槽环体单元（1），两端分别套接设有所述开槽环体单元（1）的方形柱体单元（2），插接设置在两个所述方形柱体单元（2）之间并用于对所述开槽环体单元（1）进行防回退限位操作、对所述方形柱体单元（2）进行防旋转限位操作的支撑板单元（3），所述钻杆端头圆筒（11）端平面上设有用于所述支撑板单元（3）穿过的钻杆螺接孔（12）；所述开槽环体单元（1）包括具有方形内环的环体（101），设置在所述环体（101）侧面上并用于所述钻杆端头圆筒（11）***的圆形环槽（102），以及设置在所述圆形环槽（102）外侧槽壁上并用于向内夹紧所述钻杆端头圆筒（11）的紧固螺栓（103）；所述方形柱体单元（2）包括***两个所述环体（101）内的方形柱体（201），分别设置在所述方形柱体（201）两端并用于限位固定所述环体（101）的圆形限位板（202），以及设置在所述圆形限位板（202）侧边并通过所述支撑板单元（3）的螺栓***方式以用于进行环向限位固定的弧形槽口（203）。
2.根据权利要求1所述的一种地下管线水平定向穿越复杂卵砾石地层的施工方法，其特征在于：步骤S1中，依据卵砾石地层与土壤层两者之间导电性差异的特点，采用接地电极在地下建立电场、电测仪器观测地表电场变化的方式，获得卵砾石地层分布位置和相对密度的结果。
3.根据权利要求1所述的一种地下管线水平定向穿越复杂卵砾石地层的施工方法，其特征在于：步骤S1中，钻探勘探法采用套管方式来保全钻孔孔壁。
4.根据权利要求1所述的一种地下管线水平定向穿越复杂卵砾石地层的施工方法，其特征在于：步骤S2中，在卵砾石地层钻孔时采用镶焊小尺寸硬质合金的钻头，钻杆的长度为5-8m，壁厚为8-12mm。
5.根据权利要求1所述的一种地下管线水平定向穿越复杂卵砾石地层的施工方法，其特征在于：步骤S3中，回拉扩孔过程中使用高压泥浆喷射孔壁表层使其松散，锥形钻头压实孔壁并将切削土屑携带回地面，压泥浆中添加悬浮剂。
6.根据权利要求1所述的一种地下管线水平定向穿越复杂卵砾石地层的施工方法，其特征在于：步骤S4中，回拉铺装操作采用牵引机完成。
7.根据权利要求1所述的一种地下管线水平定向穿越复杂卵砾石地层的施工方法，其特征在于：所述支撑板单元（3）包括卡入***两个所述环体（101）之间的轴向支撑板（301），分别设置在所述轴向支撑板（301）两个侧平面外侧位置处的轴向板（302），设置在所述轴向板（302）端面上且卡合固定在所述钻杆端头圆筒（11）凸出端平面上的径向板（303），设置在所述径向板（303）上且穿过所述钻杆螺接孔（12）后在所述钻杆端头圆筒（11）上限位固定所述支撑板单元（3）和所述方形柱体单元（2）的安装螺栓（304），以及设置在所述轴向板（302）内侧面上并用于对所述紧固螺栓（103）进行防松开限位操作的矩形槽体（305）。
8.根据权利要求7所述的一种地下管线水平定向穿越复杂卵砾石地层的施工方法，其特征在于：所述环体（101）的外环面为圆形，所述紧固螺栓（103）上套接设有橡胶圈，所述圆形限位板（202）的厚度加所述圆形环槽（102）的开槽深度与所述钻杆端头圆筒（11）的开槽深度相等，所述轴向支撑板（301）的厚度与两个所述环体（101）相近侧面之间的距离相等，三个所述轴向支撑板（301）组成一个完整的圆形，所述轴向板（302）的内环面贴合设置在所述环体（101）的外环面上，所述径向板（303）的内侧面贴合设置在所述钻杆端头圆筒（11）的端头平面上，钻杆主体（13）的直径小于所述钻杆端头圆筒（11）的内径。
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