牙轮式岩石扩孔器的研制与使用

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【摘要】扩孔是水平定向钻穿越施工中的一个重要工序，扩孔器是扩孔的必需工具，岩石地层必须要用岩石扩孔器，目前国内外岩石扩孔器按结构形式不同分为滚刀式和牙轮式两大类，滚刀式只适用于软岩～中硬岩，而牙轮式虽然成本高但其安全性好且适用于各类岩石层。故我们选用牙轮式岩石扩孔器为研制对象，结合本单位水平定向穿越机的性能研制与其相匹配的成套牙轮式岩石扩孔器，通过现场运用发现不足进行改进和完善，并总结出合理的使用方法。

【关键词】水平定向钻；岩石；牙轮式；扩孔器；研制；使用

1. 前言

1.1水平定向钻穿越铺管方法是目前非开挖铺管技术方法中的主流方法，该工艺方法中一般要经历三个阶段：一是导向孔施工，二是一级或多级预扩孔，三是成品管回拖。可以说，导向孔完成后，扩孔是非常关键而且工作量最大的一道工序，扩孔器是扩孔的必需工具，而扩孔的关键则是根据实际条件，选择高效、安全的扩孔器。穿越的地层是复杂多变的不仅有粘土层、砂层，还会有流砂层甚至会遇到岩石层。对于非岩石层普通扩孔器（如：板式扩孔器、桶式扩孔器、流道式扩孔器）就能胜任。以往，岩石层是水平定向穿越施工的，因为普通扩孔器对岩石层无能为力，随着科技的日益进步，国内外相继研制成功了岩石扩孔器。

1.2岩石扩孔器按结构形式不同可分为滚刀式和牙轮式二大类。滚刀式只适用于软岩～中硬岩，不适用于硬岩，不便于反向退出，而牙轮式：强度高、耐磨性好、使用寿命长、安全性好，适用于各种岩石地层，尤其是长距离岩石层穿越的扩孔作业，还便于反向退出。故我们选择牙轮式岩石扩孔器作为研制的对象。

1.3研制牙轮式岩石扩孔器的意义：（1）目前国内水平定向钻岩石层穿越的工作量越来越多。（2）拥有高质量的岩石扩孔器能提升水平定向穿越的实力，在激烈的市场竞争中有一席之地。（3）进口牙轮式岩石扩孔器的成本太高，国内厂家生产的又不能满足我们的使用要求。

2. 牙轮式扩孔器的研制

（1）本公司现有3种型号的水平定向穿越机，奥格HDD330-HD （回拖力200吨），威猛D300×500 （回拖力136吨），威猛D100×120 （回拖力45吨）。根据这一实际情况试制一套奥格HDD330-HD和威猛D300×500通用的岩石扩孔器，设计最大穿越管线762（见图1、图2）。选择石油钻井用三牙轮钻头的牙轮为切削岩石的切削刃，将单个牙轮+牙轮掌的牙轮体作为1个切削刃总成。牙轮以滚压与冲击方式破岩，选用牙轮的牙齿是镶齿，即是将由硬质合金制作的牙齿镶嵌在牙轮壳体上，此牙齿硬度大、耐磨性能好，使用寿命长。缺点是镶齿的质脆，易崩坏及因镶齿不牢而脱落。适用地层为软岩～硬岩，其中岩石硬度在8000 Psi～12000 Psi之间的地层时，选择凿齿状碳化钨合金齿，齿高和齿距可适当放大（HA437型牙轮体就是这种结构），以提高钻进效率。对岩石硬度在12000 Psi以上的地层时，选择圆锥形碳化钨合金齿，齿高和齿距均应变小（HA447L型牙轮体就是这种结构）。当然，选择的齿型还应结合穿越的长度而定。

（2）按扩孔器切削外径的大小确定各种规格，型号在750以下为100mm定一级，型号在750以上为50mm定一级。初定型号为：410，490，550，650，750，800，850，900，950，1000，1050，1100，共12个 型号。

（3）规格在490以下（不含490）选用8 1/2"HA437型牙轮体，规格在490以上选用12 1/4"HA437型牙轮体。选择钻井用钻铤为岩石扩孔器的芯轴。规格在750以下（含750）选用6 1/2 英寸钻铤，规格在750以上（不含750）选用8 1/2 英寸钻铤。与芯轴焊接的主筋板选用30～32mm厚，材质为45钢或16Mn。芯轴上钻泥浆孔为每个泥浆腔4个孔，孔径为16～20mm，一般设2个泥浆腔（牙轮的泥浆腔和扶正板的泥浆腔）。将牙轮+牙轮掌的牙轮体沿圆周均布并与芯轴成10度夹角，根据岩石扩孔器型号来确定牙轮+牙轮掌的牙轮体数量。

（4）410扩孔器用4个8 1/2 "牙轮体，490扩孔器用3个12 1/4"牙轮体，550扩孔器用4个12 1/4"牙轮体，650扩孔器用5个12 1/4"牙轮体，750～950扩孔器用6个12 1/4"牙轮体，1000以上扩孔器用7个12 1/4"牙轮体。外筒体选用12～16mm厚，材质为45钢或16Mn。芯轴与主筋板等部件焊接选用E8018电焊条，其余部位焊接选用E5015电焊条。芯轴与主筋板等部件焊接前必须预热，预热温度为350 °C～400 °C，焊完后用岩棉布保温使其缓慢冷却至常温。关键部位：与芯轴焊接部位，与扶正器焊接部位的焊缝必须经探伤检验合格。采用直板式扶正器选用50mm厚，材质为45钢或16Mn。扶正板前端面和上端面上镶YG8或YG6的20合金，合金长25mm。扶正板在扶正筒或芯轴上沿圆周均布，数量由型号来确定。410～550扩孔器用5块，600扩孔器用6块，750扩孔器用8块，800～850扩孔器用9块，900～1000扩孔器用10块，1050～1100扩孔器用11块。扶正器的圆周直径比本型号牙轮+牙轮掌的牙轮体延圆周直径小130～200mm。要清干净2个泥浆腔里的焊渣。

3. 牙轮式岩石扩孔器现场试用进行难点突破

3.1通过4条水道水平钻穿越进行现场试验并完成难点突破。

（1）广东LNG佛山陈村水道水平定向钻穿越，610×15.9的管线长520米其中岩石段长380米、岩石抗压强度60MPa。

（2）广东LNG东江南水平定向钻穿越，762×20.6的管线长900米其中岩石段长780米、岩石抗压强度30～50MPa。

（3）广州市天然气利用工程穿越开泰大道711×17.5的管线长516米其中岩石段长296米、岩石抗压强度45～60MPa，局部80MPa。

（4）广州市天然气利用工程穿越开泰大道508×7.9的管线长516米其中岩石段长298米、岩石抗压强度35～50MPa，局部80MPa。

3.2施工过程中遇到的难点是：（1）岩石扩孔器芯轴与筒体大小头结合处容易产生裂纹甚至断裂。（2）容易卡钻。（3）岩石扩孔器的牙轮容易断裂。（4）岩石扩孔器的牙轮掌背面容易磨损。

3.3针对以上4个难点，我们确定了以下解决方案：

3.3.1针对岩石扩孔器芯轴与筒体大小头结合处容易产生断裂，我们采取的方法是：（1）在岩石扩孔器芯轴与筒体大小头结合处增加5根30mm厚并平缓过度的加强筋来减少应力集中。（2）部件与芯轴焊接时预热温度提高到380 °C～420°C。（3）根据岩石扩孔器的规格和地层情况调整适合的拉力、扭力和旋转速度，避免突然加速。

3.3.2针对容易卡钻。我们采取的方法是：（1）首先打好导向孔，使导向孔平滑。（2）岩石扩孔器要逐级加大，不能跳级。

3.3.3针对岩石扩孔器的牙轮容易断裂。我们采取的方法是：（1）首先通过地层情况选择牙轮体的型号。（2）根据岩石扩孔器的规格和地层情况调整适合的拉力、扭力和旋转速度，尽量减少牙轮与岩石的冲击。

3.3.4针对岩石扩孔器的牙轮掌背面容易磨损。

我们采取的方法是：

（1）对于现有的岩石扩孔器在其牙轮掌背面用材质较硬的E5015焊条堆焊。（2）做岩石扩孔器时改用型号为HA447L的牙轮体，这种牙轮体特点是：A.锥形内排齿，楔形外排齿，并增加齿排数。B.掌背焊扶正块并镶齿。

3.4根据以上的方法改进好的岩石扩孔器和更适合扩孔的操作方法运用到了施工现场，如：湖南湘潭湘江水平定向钻穿越工程，穿越管规格为355.6×9.5 3PE防腐钢管，穿越长度1328米，穿越地层为粘土、砂层、卵石层和岩石层的复合型地层。使用效果良好，扩孔、回拖一次成功。并在此基础上研制成功适用与威猛D100×120穿越机的岩石扩孔器，采用圆套式扶正器和螺旋式扶正器，可以大大减少岩石扩孔器的旋转阻力， 由于采用圆套式扶正器，所以减少一个泥浆腔，只有牙轮体上的喷嘴喷射泥浆。采用4.1英寸钻铤作芯轴。

3.5这套岩石扩孔器用于山东省胶州市胶西镇围岭河穿越，穿越457×9.5的3PE防腐钢管加一根121×6的光缆套管，穿越长度228米，穿越地层为粘土、砂层和岩石层的复合型地层。使用效果良好，扩孔、回拖一次成功。

4. 总结出牙轮式岩石扩孔器使用方法

4.1岩石扩孔器的选择要点。

（1）根据穿越地层的类型选择岩石扩孔器：穿越地层的类型是正确选择岩石扩孔器的尺寸和型式的重要因素，软岩地层扩孔时允许使用更大直径的扩孔器和更少的扩孔次数，相邻两级扩孔器的尺寸差距也可以更大，级差100～150mm；硬岩地层扩孔时要求的扩孔直径变化不能太大，级差50～100mm并采取多次扩孔的方式，以达到最佳的扩孔效率及钻屑的顺利排出。

（2）水平定向钻穿越是一项高风险的行业，稍有不慎，随时都会有险情发生。为达到单次扩孔时中途更换扩孔器或卡钻时解卡的需要，岩石扩孔器本体的设计还应考虑具备反向退出钻孔的功能。扩孔的主要目的是清除孔道内的钻屑，而不仅仅是切下钻屑，因此在选择扩孔器时，我们希望产生的钻屑足够小，能使泥浆悬浮钻屑并顺利排出到地表。

4.2岩石扩孔器的操作控制要点。

岩石扩孔器操作控制的主要参数是钻机施加给扩孔器的推拉力（反向扩孔时为拉力，正向扩孔时为推力）、转速以及扩孔期间泥浆的泵送量，其控制要点如下：

（1）不同直径和不同形式的岩石扩孔器对钻压的要求也各不相同，尤其是在长距离岩石层扩孔期间，一定要控制合理的拉力和扭矩，以避免扩孔器的过度磨损造成严重后果。大多数岩石层扩孔事故都是因为过度追求扩孔速度，施加的钻压过大造成的。

（2）转速是进行岩石扩孔施工的另一个重要控制参数，这里所指的转速是钻机驱动钻杆、带动扩孔器旋转的转速，转速的调整主要与岩石的硬度有关。软岩石扩孔时，当扩孔器直径≤750时，推荐转速不应超过60rpm；当扩孔器直径大于750时，推荐转速不应超过40rpm。硬岩钻进时，转速应相应减小，一般为10～40rpm。过低的转速会降低扩孔效率，不够经济；过高的转速会引起扩孔器的非正常磨损，甚至造成扩孔事故。

（3）岩石扩孔操作应遵循的一个重要原则是：需破碎的岩石越硬，需要的钻压就越大，要求的钻速也就越低。同时应注意，相同的钻机钻速条件下，直径不同的扩孔器产生的效果是不相同的，扩孔器直径越大，外边缘的线速度也就越大，磨损也越严重。

（4）进行岩石层扩孔时，保证泥浆的泵送量同样也很关键，此时泥浆的主要作用是冷却扩孔器和携带钻屑。泥浆的实际泵送量应根据每级扩孔产生的钻屑量和泥浆的携带能力进行计算后确定，一般不应低于1m3/min。

（5）扩孔器进岩石层的施工方法：当岩石扩孔器从软土层进入岩石层或从软岩层进入硬岩层时，操作要点是首先放慢扩孔速度，降低钻压，待扩孔器本体完全进入岩石层或硬岩层后再加大钻压。如果此过程中施加的钻压过大，就很可能造成卡钻，从而损坏扩孔器，或者至少缩短了扩孔器轴承的寿命。

5. 岩石扩孔器需要完善的地方

5.1岩石扩孔器的牙轮掌背面容易磨损问题没有完全解决，下一步改进的方法：（1）尽量增加单个扩孔器的牙轮体数量。（2）到牙轮钻头生产厂家订制牙轮掌背面镶齿强化且焊扶正块并镶齿（型号：HA447GL）。

5.2奥格HDD-330和威猛DD300×500穿越机通用岩石扩孔器的直板式扶正器改为圆套式，从而大大减小扭矩，取消扶正器的泥浆腔（见图1）。

5.3着手大规格岩石扩孔器的研制（见图2）。