一种硬岩地层正推动力扩孔装置及工艺技术领域
本发明涉及用于在硬岩地层进行燃气、石油、电力、通信、自来水等各种管线的敷
设的硬岩地层正推动力扩孔装置及工艺。
背景技术
随着水平定向钻施工技术的不断提高，施工范围及涉及领域也逐步扩大，以前施
工仅限于粘土、砂土等地层，发展到岩石、卵石等地层；以前大部分施工在野外，随着导向精
确度、抗干扰能力的提高，市区繁华路段煤气、电力、通讯、天然气等管线也都在使用定向钻
工艺施工，以致该施工工艺在几十年间也获得了飞速发展，全国各地普遍推广，尤其在穿越
河流、山体、公路、铁路等开挖方法无法能及的活动领域。但随着水平定向钻机设备的逐步
增多，施工技术的不断成熟，各地的施工单位也如雨后春笋般涌出，导致竞争越来越激烈，
施工单位的利润也在直线下滑，甚至只要在施工环节中出现问题就会导致亏损。
水平定向钻施工风险最大的在于岩石地层穿越工程，岩石的种类多种多样，其硬
度也不尽相同，在岩石穿越工程中经常出现钻杆断裂，扩孔器掉轮及卡钻现象。
现有技术的硬岩地层扩孔装置为反推扩孔装置，如图1所示，其包括水平定向钻
机、钻杆、扩孔器、钻杆，从出土点安装扩孔器进行扩孔，扩孔方向朝向水平定向钻机。这种
扩孔装置往往存在上述钻杆断裂，扩孔器掉轮及卡钻等故障。
发明内容
本发明的目的在于解决上述技术问题，提出一种硬岩地层正推动力扩孔装置，利
用正推扩孔施工工艺加快岩石地层扩孔速度，降低孔内事故发生概率。
该硬岩地层正推动力扩孔装置包括沿着扩孔方向依次连接的水平定向钻机、钻
杆、螺杆钻具和钻头，其中扩孔方向(钻头前进方向)背离水平定向钻机。
进一步地，钻头为岩石钻头。
进一步地，水平定向钻机包括柴油机、液压泵、液压马达、设备控制系统及机械系
统。
本发明的扩孔装置利用螺杆钻具通过泥浆驱动钻头旋转完成切削扩孔，并可以与
钻机主轴同时旋转提高转速进行复合钻进；同时钻机给钻杆施加推力，沿导向孔进行正推
扩孔，能实现螺杆钻具与钻机转速、扭矩的有效叠加，避免了钻杆因摩擦阻力导致的沿程扭
矩损失。
本发明进一步提供了使用上述硬岩地层正推动力扩孔装置的硬岩地层正推动力
扩孔的工艺，该工艺包括如下步骤：
(A)导向施工：在地面进行导向仪器方位角测量，并将仪器安装在无磁钻铤内部，
每钻进一根钻杆进行数据采集，实时掌握钻头在地下的位置，优选地，干扰较大时，在地面
布设地面信标系统进行纠偏，直至钻进到出土点；
(B)扩孔施工：导向孔钻通之后延钻杆下套管至岩石层，套管直径比最后一级扩孔
直径大(例如10％)，抽出全部钻杆，根据岩石硬度岩性安装(例如311mm或393mm)钻头，扩孔
方向(钻头前进方向)背离水平定向钻机，进行正推扩孔；第一级扩孔完成安装下一级扩孔
钻头，根据上一级扩孔数据来选定下一级扩孔器级差；
扩孔过程中观察进尺速度、推进压力和泥浆排量压力。
本着小级差快速进尺的原则，一般级差不超过200mm。
根据扩孔孔径的增大，螺杆钻具的直径也相应增加，一般配合为172mm螺杆钻具配
241mm和311mm岩石钻头，203mm螺杆钻具配393mm和406mm岩石钻头,244mm螺杆钻具配
445mm、660mm及以上岩石钻头。
(C)管道回拖：扩孔完成后在出土点将螺杆钻具及钻头卸下后，安装普通扩孔器、
分动器、连接管道，将管道回拉至钻机位置处，完成管道的敷设工作。
本发明的优点
本发明提供了一种利用正推动力扩孔施工工艺在硬岩地层进行扩孔的硬岩地层
正推动力扩孔装置，代替了传统的扩孔装置和工艺。能实现马达与钻机转速、扭矩的有效叠
加，避免了钻杆因摩擦阻力导致的沿程扭矩损失，从而解决硬岩、长距离水平定向钻施工中
由于动力不足引起的扩孔效率低、钻杆断脱、扩孔钻头掉轮等问题，以提高扩孔效率，减少
钻杆磨损。同时可使岩石层扩孔效率提高3—5倍，有效降低成本，缩短施工工期。
附图说明
图1为传统扩孔装置结构示意图。
图2为传统扩孔工艺示意图，其中扩孔方向朝向水平定向钻机。
图3为本发明的硬岩地层正推动力扩孔装置的示意图。
图4为本发明正推扩孔工艺示意图。
图5为本发明导向施工示意图。
图6为本发明正推扩孔施工配置图。
附图标记说明
1-水平定向钻机；2-控制室；3-钻杆；4-水泵；5-泥浆混合罐；6-钻屑分离设备；7-
泥浆泵；8-膨润土堆；9-发电机组；10-工具房；11-现场办公室；12-现场办公室；13-泥浆池；
14-泥浆沉淀池。
21-水平定向钻机；22-钻杆；23-扩孔器；24-螺杆钻具；25-钻头。
31-导向钻杆；32-导向仪器；33-导向钻头；34-导向曲线。
具体实施方式
以下结合附图来进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的硬岩地层正推动力扩孔装置包括沿着扩孔方向依次连接的
水平定向钻机21、钻杆22、螺杆钻具24和钻头25，其中扩孔方向(钻头前进方向)背离水平定
向钻机。
通过上述硬岩地层正推动力扩孔装置进行扩孔的方法包括如下步骤：
第一步：导向施工
在地面进行导向仪器方位角测量，并将仪器安装在无磁钻铤内部，每钻进一根钻
杆进行数据采集，实时掌握钻头在地下的位置，干扰较大时，在地面布设地面信标系统进行
纠偏，直至钻进到出土点，导向工艺如图5所示；
第二步：扩孔施工
导向孔(例如用216mm钻头)钻通之后延钻杆下套管至岩石层。套管直径比最后一
级扩孔直径大10％，抽出全部钻杆；
根据岩石硬度岩性安装311mm或393mm钻头，进行正推扩孔。扩孔过程中观察进尺
速度、推进压力和泥浆排量压力；
第一级扩孔完成安装下一级扩孔钻头，根据上一级扩孔数据来选定下一级扩孔器
级差。本着小级差快速进尺的原则，一般级差不超过200mm。
根据扩孔孔径的增大，螺杆钻具的直径也相应增加，一般配合为172mm螺杆钻具配
241mm和311mm岩石钻头，203mm螺杆钻具配393mm和406mm岩石钻头,244mm螺杆钻具配
445mm、660mm及以上岩石钻头。
第三步：管道回拖
扩孔完成后在出土点将螺杆钻具及钻头卸下后，安装普通扩孔器、分动器、连接管
道，将管道回拉至钻机位置处，完成管道的敷设工作。
工艺过程如图4所示。
现场施工如图6所示，由水泵4从水源处抽水至泥浆混合罐5进行泥浆搅拌，泥浆搅
拌合格后通过泥浆泵7将泥浆通过高压泥浆管传输至钻机1、钻机上部钻杆3、动力钻具、钻
头完成扩孔作业，从入土点返出的泥浆返回到泥浆池13，经过沉淀池14泥浆进行沉淀，然后
将沉淀后的泥浆抽入到钻屑分离设备6进行岩屑分离，将泥浆中颗粒大的岩屑分离出来，泥
浆流入到泥浆罐进行重复利用，然后再通过泥浆泵输送泥浆，实现循环工作。
泥浆泵包括柴油机、柱塞泵、与钻机及钻屑分离设备连接的各种管路。泥浆回收装
置包括泥浆罐、钻屑分离设备及连接的管路。
使用本发明的方法进行硬岩地层扩孔，钻杆磨损相比于反推扩孔显著减少，钻孔
使用寿命大幅延长，同时可使岩石层扩孔效率提高多达5倍，有效降低成本，缩短施工工期。