本发明涉及用于定向穿越领域的电驱动定向穿越扩孔方法。它解决定向穿越中扩孔动力不足和信号传输失真的难题。其技术方案是：当钻完导向孔后，在出土端卸掉钻头，将浮筒扩孔器接在钻柱的前端，再依次接入电机、动力及信号传输钻柱和电传输输出轴；安装在井底的传感器线路接入动力及信号传输钻柱的线缆回路中；定向钻机通过钻柱给浮筒扩孔器提供拉力，电驱动定向钻机通过动力及信号传输钻柱给电机供电，电机再驱动浮筒扩孔器旋转；泥浆通过钻柱、浮筒扩孔器，并从环空返回到两端泥浆池；传感器实时监控井底工况；当浮筒扩孔器到达入土端后，电驱动定向钻机再回拖至出土端，并替换下一级浮筒扩孔器，实施再次扩孔；重复前面的步骤，直到扩孔结束。
1.电驱动定向穿越扩孔方法，其特征是：在定向穿越施工前，先按照常规定向穿越工程进行准备和工程实施，在进行管子场地或称出土端(B)工作区准备时，在管子场地设置高压柜(19)、变压器(18)、高压开关(17)和动力及信号控制站(16)，并将这些设备依次安装连接好；在钻机场地或称入土端(A)工作区布置一台定向钻机(5)，在管子场地或称出土端(B)布置一台电驱动定向钻机(13)，动力及信号控制站(16)通过动力及信号传输电缆(14)与电驱动定向钻机(13)的电缆入口装置(31)连接；同时，准备好电机(9)和浮筒扩孔器(8)；当按常规方法钻完导向孔后，在出土端(B)卸掉钻头，将浮筒扩孔器(8)接入入土端(A)处钻柱(7)的前端，浮筒扩孔器(8)另一端与电机(9)连接，电机(9)与出土端(B)处动力及信号传输钻柱(11)连接，动力及信号传输钻柱(11)另一端与电驱动定向钻机(13)的电传输输出轴(29)连接；电机(9)上安装的传感器(10)的电路自动接入动力及信号传输钻柱(11)的线缆回路中；在上述设备和仪表连接好后，启动泥浆泵(3)，泥浆泵(3)通过吸液管线(2)从泥浆池A(1a)吸入泥浆，加压后的泥浆通过高压软管(4)注入定向钻机(5)的泥浆旋转接头(22)内，再依次进入齿轮箱(23)、输出轴(25)、钻柱(7)、浮筒扩孔器(8)内，并通过浮筒扩孔器(8)的喷嘴进入环空中，并分别从入土端(A)和出土端(B)流出，进入到泥浆池A(1a)和泥浆池B(1b)中；然后开启定向钻机(5)，并关掉液压马达(24)，进而开启定向钻机(5)的给进系统(20)，给进系统(20)通过入土端(A)处的钻柱(7)给浮筒扩孔器(8)施加一个拉力，同时开启出土端(B)处高压柜(19)、高压开关(17)和动力及信号控制站(16)，高压电源依次通过高压柜(19)、变压器(18)、高压开关(17)、动力及信号控制站(16)、动力及信号传输电缆(14)、电缆入口装置(31)、电传输输出轴(29)、动力及信号传输钻柱(11)，到达电机(9)，并驱动电机(9)旋转，电机(9)旋转带动浮筒扩孔器(8)旋转，并进行扩孔；扩孔过程中，入土端(A)处钻柱(7)拖动浮筒扩孔器(8)、电机(9)和动力及信号传输钻柱(11)整体朝入土端(A)前进，当入土端(A)处钻柱(7)取下一根钻杆(26)时，出土端(B)处就会增加一根动力及信号传输钻杆(27)，继续钻进，如此反复，直至浮筒扩孔器(8)到达入土端(A)；在扩孔过程中，井底传感器(10)将信号传输到动力及信号控制站(16)内，操作者根据浮筒扩孔器(8)的实时工况，实时调整扩孔施工的控制参数，从而控制井眼轨迹；当浮筒扩孔器(8)到达入土端(A)后，通过出土端(B)处电驱动定向钻机(13)回拖孔内装备，此时浮筒扩孔器(8)能实现反向扩孔，进一步修整孔眼，回拖过程中浮筒扩孔器(8)或者不旋转或者保持低速旋转；在回拖过程中，依次在入土端(A)接入钻杆(26)，同时在出土端(B)拆下动力及信号传输钻杆(27)；当浮筒扩孔器(8)回拖到出土端(B)时，依次关闭泥浆泵(3)、动力及信号控制站(16)、高压柜(19)和高压开关(17)，拆下浮筒扩孔器(8)，并用下一级浮筒扩孔器(8)替换，重复前面的步骤，直到扩孔施工结束。
2.根据权利要求1所述的定向穿越扩孔方法，其特征是：本扩孔方法的电驱动定向钻机(13)包含有电驱动动力头(28)和给进系统(20)，电驱动动力头(28)是由电传输输出轴(29)、支架(30)和电缆入口装置(31)组成，在支架(30)内安装有轴承，支架旋转轴(30a)安装在支架(30)轴承内，支架旋转轴(30a)两端通过螺纹分别与电传输输出轴(29)和电缆入口装置(31)连接而成，电传输输出轴(29)、支架旋转轴(30a)和电缆入口装置(31)构成一个整体在支架轴承上旋转；本方法的电驱动定向钻机(13)除了电驱动动力头(28)与常规定向钻机的动力头结构和功能不同外，其他结构和功能都相同，可以由任意类型的常规定向钻机改装；本扩孔方法的电驱动动力头(28)的电传输输出轴(29)、支架旋转轴(30a)和电缆入口装置(31)能组合成一个零件或者两个零件实现。
3.根据权利要求1所述的定向穿越扩孔方法，其特征是：所述动力及信号传输钻柱(11)是由一根一根的动力及信号传输钻杆(27)螺纹连接而成，或由能传电的连续油管构成；当动力及信号传输钻柱(11)是传电的连续油管时，地面钻机需替换成连续油管作业车，连续油管内电缆直接与动力及信号传输电缆(14)连接，不需要连接电缆入口装置(31)。
4.根据权利要求1所述的定向穿越扩孔方法，其特征是：当浮筒扩孔器(8)下沉严重时，在动力及信号传输钻柱(11)与电机(9)间增加浮筒稳定器；若泥浆流速不够，在孔内单根动力及信号传输钻杆(27)间安装具有搅拌功能的稳定器。
5.根据权利要求1所述的定向穿越扩孔方法，其特征是：本扩孔方法中的传感器(10)安装位置不局限于电机(9)上，在孔内任意一个装备上均可安装传感器。
电驱动定向穿越扩孔方法
技术领域
[0001] 本发明涉及用于水管、油管、天然气管道安装中管道定向穿越领域的电驱动定向穿越扩孔方法。
背景技术
[0002] 随着管道定向穿越技术的发展，管道穿越的长度越来越长，管径越来越大。如在广东珠海磨刀门水道成功穿越2630m，创造了当时穿越最长世界纪录；在西气东输二线成功穿越管径1219mm，创国内大口径管道定向穿越新纪录。近来，已经提出穿越管径达到1422mm的需求，同时穿越长度也越来越长。
[0003] 在管道穿越领域，水平定向钻技术与盾构、顶管、夯管等非开挖技术相比，具有适应性强、施工周期短等特点，应用范围较广。但随着大管径、长距离、复杂地层等工况的出现，利用地面钻机和钻杆驱动扩孔器进行多级扩孔的水平定向钻作业方式已经变得非常困难，扩孔动力明显不足、效率低、故障率高。解决该问题最有效的方法是利用动力钻具直接驱动扩孔器,但常规井下动力钻具受泥浆、泵阀等配套设施制约，输出功率、扭矩和使用寿命均有限，超常规大功率螺杆钻具、涡轮钻具直径和重量较大，加工制造难度较大，使用维修不便，并且仍然满足不了大孔径扩孔的动力需求。为此，不得不采取多次扩孔的施工工艺与技术，但多次扩孔又带来了孔径不规则、易发生坍塌与卡钻等事故，施工周期太长、成本太高，不能完全满足大孔径、长距离、复杂地质条件下的扩孔工艺技术要求。
[0004] 另外，扩孔过程中的监测信号一般采用无缆式地表定位系统(手持式跟踪仪器)和有缆式定向系统。无缆式地表定位系统易受地质条件和周围电磁信号干扰，信号失真严重。而有缆式定向系统采用的方法是：上扣前将电缆分成和钻杆长度相近的单节，在上扣时将单节电缆与下部已连电缆手动连接，整个电缆浮动在钻杆内部，在卸扣是还需手动将连接好的单节电缆分离。因此，有缆式定向系统每次上卸扣时，电缆连接和拆卸麻烦，增加了非生产性的辅助时间，同时，在钻井过程中电缆易受到泥浆的冲刷，容易断裂，故障率高。
[0005] 因此，本发明针对现有扩孔技术面临的难题，提出了一种新的定向穿越扩孔方法。
发明内容
[0006] 本发明的目的是：为了解决定向穿越中大管径、长距离、复杂地层等工况时出现的扩孔动力不足、效率低、故障率高等难题，或为了解决定向穿越中信号传输失真或电缆装卸麻烦、易断裂、故障率高等问题，特提出一种电驱动定向穿越扩孔方法。
[0007] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：在定向穿越施工前，先按照常规定向穿越工程进行准备和工程实施，在进行管子场地或称出土端B工作区准备时，在管子场地设置高压柜19、变压器18、高压开关17和动力及信号控制站16，并将这些设备依次安装连接好；在钻机场地或称入土端A工作区布置一台定向钻机5，在管子场地或称出土端B布置一台电驱动定向钻机13，动力及信号控制站16通过动力及信号传输电缆14与电驱动定向钻机13的电缆入口装置31连接；同时，准备好电机9和浮筒扩孔器8；当按常规方法钻完导向孔后，在出土端B卸掉钻头，将浮筒扩孔器8接入入土端A处钻柱7的前端，浮筒扩孔器8另一端与电机9连接，电机9与出土端B处动力及信号传输钻柱11连接，动力及信号传输钻柱11另一端与电驱动定向钻机13的电传输输出轴29连接；电机9上安装的传感器10的电路自动接入动力及信号传输钻柱11的线缆回路中；在上述设备和仪表连接好后，启动泥浆泵3，泥浆泵3通过吸液管线2从泥浆池A1a吸入泥浆，加压后的泥浆通过高压软管4注入定向钻机5的泥浆旋转接头22内，再依次进入齿轮箱23、输出轴25、钻柱7、浮筒扩孔器8内，并通过浮筒扩孔器8的喷嘴进入环空中，泥浆分别从入土端A和出土端B流出，进入到泥浆池A1a和泥浆池B1b中；然后开启定向钻机5，并关掉液压马达24，进而开启定向钻机5的给进系统20，给进系统20通过入土端A处的钻柱7给浮筒扩孔器8施加一个拉力，同时开启出土端B处高压柜19、高压开关17和动力及信号控制站16，高压电源依次通过高压柜19、变压器18、高压开关17、动力及信号控制站16、动力及信号传输电缆14、电缆入口装置31、电传输输出轴29、动力及信号传输钻柱11，到达电机9，并驱动电机9旋转，电机9旋转带动浮筒扩孔器8旋转，并进行扩孔；扩孔过程中，入土端A处钻柱7拖动浮筒扩孔器8、电机9和动力及信号传输钻柱11整体朝入土端A前进，当入土端A处钻柱7取下一根钻杆26时，出土端B处就会增加一根动力及信号传输钻杆
27，继续钻进，如此反复，直至浮筒扩孔器8到达入土端A；在扩孔过程中，井底传感器10将信号传输到动力及信号控制站16内，操作者根据浮筒扩孔器8的实时工况，实时调整扩孔施工的控制参数，从而控制井眼轨迹；当浮筒扩孔器8到达入土端A后，通过出土端B处电驱动定向钻机13回拖孔内装备，此时浮筒扩孔器8能实现反向扩孔，进一步修整孔眼，回拖过程中浮筒扩孔器8或者不旋转或者保持低速旋转；在回拖过程中，依次在入土端A接入钻杆26，同时在出土端B处拆下动力及信号传输钻杆27；当浮筒扩孔器8回拖到出土端B时，依次关闭泥浆泵3、动力及信号控制站16、高压柜19和高压开关17，拆下浮筒扩孔器8，并用下一级浮筒扩孔器8替换，重复前面的步骤，直到扩孔施工结束。
[0008] 本扩孔方法的电驱动定向钻机13包含有电驱动动力头28和给进系统20，电驱动动力头28是由电传输输出轴29、支架30和电缆入口装置31组成，在支架30内安装有轴承，支架旋转轴30a安装在支架30轴承内，支架旋转轴30a两端通过螺纹分别与电传输输出轴29和电缆入口装置31连接而成，电传输输出轴29、支架旋转轴30a和电缆入口装置31构成一个整体在支架轴承上旋转；本方法的电驱动定向钻机13除了电驱动动力头28与常规定向钻机的动力头结构和功能不同外，其他结构和功能都相同，可以由任意类型的常规定向钻机改装；本扩孔方法的电驱动动力头28的电传输输出轴29、支架旋转轴30a和电缆入口装置31能组合成一个零件或者两个零件实现。
[0009] 动力及信号传输钻柱11是由一根一根的动力及信号传输钻杆27螺纹连接而成，或由能传电的连续油管构成；当动力及信号传输钻柱11是传电的连续油管时，地面钻机需替换成连续油管作业车，连续油管内电缆直接与动力及信号传输电缆14连接，不需要连接电缆入口装置31。当浮筒扩孔器8下沉严重时，在动力及信号传输钻柱11与电机9间增加浮筒稳定器；若泥浆流速不够，在孔内单根动力及信号传输钻杆27间安装具有搅拌功能的稳定器。
[0010] 本扩孔方法中的传感器10安装位置不局限于电机9上，在孔内任意一个装备上均可安装传感器。
[0011] 本发明的有益效果是：(1)本电驱动定向穿越扩孔方法能提供大功率，从而减少扩孔次数，提高成孔质量，减少时间，降低施工事故；(2)本方法能保持扩孔功率恒定输出、效率高，同时利用近扩孔器传感器和随钻测量以提高成孔质量，减少施工事故；(3)本方法能实现随钻测量，以方便实现自动化技术，实现智能控向、智能扩孔、远程控制；(4)本方法能够反向扩孔，进一步修整孔眼，提高成孔质量，能降低定向穿越对钻机回转扭矩的要求。
附图说明
[0012] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0013] 图1为本发明的电驱动定向穿越扩孔方法的具体实施方式的结构示意图。
[0014] 图2为本扩孔方法的地面动力及控制装备15平面布局图。
[0015] 图3为本扩孔方法的定向钻机5结构示意图。
[0016] 图4为本扩孔方法的电驱动定向钻机13结构示意图。
[0017] 图中：1a、泥浆池A；1b、泥浆池B；2、吸液管线；3、泥浆泵；4、高压软管；5、定向钻机；6、上一级孔眼；7、钻柱；8、浮筒扩孔器；9、电机；10、传感器；11、动力及信号传输钻柱；12、本级孔眼；13、电驱动定向钻机；14、动力及信号传输电缆；15、地面动力及控制装备；16、动力及信号控制站；17、高压开关；18、变压器；19、高压柜；20、给进系统；21、动力头；22、泥浆旋转接头；23、齿轮箱；23a、齿轮箱输入轴；23b、齿轮箱输出轴；24、液压马达；25、输出轴；26、钻杆；27、动力及信号传输钻杆；28、电驱动动力头；29、电传输输出轴；30、支架；30a、支架旋转轴；31、电缆入口装置；A、入土端；B、出土端。
具体实施方式
[0018] 根据图1、图2、图3和图4所示，穿越地层为硬岩地层，预定管径48″，假设扩孔方案为97/8″钻头打导向孔，依次进行l71/2″、26″、30″、36″”、42″和48″级扩孔。现以第一级扩孔为例，说明本发明的定向穿越扩孔实施方法。在定向穿越施工前，先按照常规定向穿越工程进行准备和工程实施，在进行管子场地或称出土端B工作区准备时，在管子场地设置高压柜19、变压器18、高压开关17和动力及信号控制站16，将这些设备依次安装调试好，并用高压电缆连接好；在钻机场地或称入土端A工作区布置一台定向钻机5，在管子场地布置一台电驱动定向钻机13，通过动力及信号传输电缆14将动力及信号控制站16与电驱动定向钻机13的电缆入口装置31连接起来，连接方式可以采用螺纹式或插拔式；同时，准备好电机9和浮筒扩孔器8，其电机9上安装有测量钻头的位置、深度、顶角、方位角、工具面向角、温度等参数的传感器10；当按常规方法钻完导向孔后，在出土端B处卸掉钻头，将l71/2″浮筒扩孔器8接入入土端A处钻柱7的前端，l71/2″浮筒扩孔器8另一端与电机9螺纹连接，电机9再与出土端B处动力及信号传输钻柱11螺纹连接，动力及信号传输钻柱11另一端与电驱动定向钻机
13的电传输输出轴29螺纹连接；当l71/2″浮筒扩孔器8下沉严重时，动力及信号传输钻杆27与电机9间可增加浮筒稳定器；传感器10的电路自动接入到动力及信号传输钻杆27的线缆回路中。在上述设备和仪表连接好后，启动泥浆泵3，泥浆泵3通过吸液管线2从泥浆池A1a吸入泥浆，加压后的泥浆通过高压软管4注入定向钻机5的泥浆旋转接头22内，再依次进入齿轮箱23、输出轴25、钻柱7、l71/2″浮筒扩孔器8内，并通过l71/2″浮筒扩孔器8的喷嘴进入到
9 7/8″导向孔或称上一级孔眼6与钻柱7的环空和第一级l71/2″孔眼或称本级孔眼12与动力及信号传输钻柱11的环空中，泥浆分别从入土端A和出土端B流出，进入到泥浆池A1a和泥浆池B1b中；然后开启定向钻机5，并关掉液压马达24，开启定向钻机5的给进系统20，给进系统20通过入土端A处的钻柱7给l71/2″浮筒扩孔器8施加一个拉力，同时开启出土端B处高压柜19、高压开关17和动力及信号控制站16，高压电源依次通过高压柜19、变压器18、高压开关17、动力及信号控制站16、动力及信号传输电缆14、电缆入口装置31、电传输输出轴29、动力及信号传输钻柱11，到达电机9，并驱动电机9旋转，电机9旋转带动l71/2″浮筒扩孔器8旋转，并进行第一级l71/2″孔眼扩孔；扩孔过程中，入土端A处钻柱7拖动l71/2″浮筒扩孔器8、电机9和动力及信号传输钻柱11整体朝入土端A处前进，当入土端A处钻柱7取下一根钻杆26时，出土端B处就会增加一根动力及信号传输钻杆27，继续钻进，如此反复，直至l71/2″浮筒扩孔器8到达入土端A；在扩孔过程中，井底传感器10通过动力及信号传输钻柱11、电传输输出轴29、电缆入口装置31和动力及信号传输电缆14将信号传输到动力及信号控制站16内，操作者根据l71/2″浮筒扩孔器8的实时工况，实时调整扩孔施工的控制参数，从而控制井眼轨迹；当l71/2″浮筒扩孔器8到达入土端A后，通过出土端B处电驱动定向钻机13回拖孔内装备，此时l71/2″浮筒扩孔器8可以实现反向扩孔，进一步修整孔眼，回拖过程中l71/2″浮筒扩孔器8可以不旋转，也可以保持低速旋转；在回拖过程中，依次在入土端A处接入钻杆26，同时在出土端B处拆下动力及信号传输钻杆27；当浮筒扩孔器8回拖到出土端B时，依次关闭泥浆泵3、动力及信号控制站16、高压柜19和高压开关17，拆下l71/2″浮筒扩孔器8，并用下一级26″浮筒扩孔器8替换，重复前面的步骤，如此重复，直到48”回到出土端B，扩孔施工结束。
[0019] 根据图1、图3和图4所示，其中钻柱7由一根一根的钻杆26螺纹连接而成，动力及信号传输钻柱11主要由一根一根的动力及信号传输钻杆27螺纹连接而成，当浮筒扩孔器8下沉严重时，在动力及信号传输钻柱11与电机9间增加浮筒稳定器；若泥浆流速不够，在孔内动力及信号传输钻杆27间安装具有搅拌功能的稳定器。
[0020] 根据图1和图2所示，本扩孔方法的地面动力及控制装备15主要由高压柜19、变压器18、高压开关17和动力及信号控制站16组成，各装备间采用高压电缆依次连接，动力及信号控制站16为本方法的监控中心。
[0021] 根据图1、图3和图4所示，本扩孔方法的定向钻机5包含有动力头21和给进系统20，动力头21主要由泥浆旋转接头22、齿轮箱23、液压马达24和输出轴25组成，齿轮箱23包含齿轮箱输入轴23a和齿轮箱输出轴23b；液压马达24通过螺纹与齿轮箱输入轴23a连接，齿轮箱输出轴23b两端通过螺纹分别与泥浆旋转接头22和输出轴25连接；在钻导向孔时，液压马达24驱动齿轮箱输出轴23b旋转；当扩孔时，关掉液压马达24，断开齿轮箱输入轴23a与齿轮箱输出轴23b的动力连接，此时电机9带动浮筒扩孔器8、钻柱7、输出轴25和齿轮箱输出轴23b旋转，而齿轮箱输入轴23a不旋转。本方法的定向钻机5除了动力头21的齿轮箱23与常规定向钻机的动力头21的齿轮箱23结构和功能不同外，其他结构和功能都相同，可以由任意类型的常规定向钻机改装。
