hdd水平定向钻机培训讲义

培训讲义一、水平定向钻机第一节设备能力的定义大部分的机器均采用回拖力来衡量设备能力的大小，例如：CASE6030、DitchWitchJT7020、VermeerD55×100、AMERICANAUGERSDD990、北京土行孙DDW320、深圳钻通ZT-35等。进口的设备一般以磅为计量单位，国产机器都以KN来衡量推拉力。除了推拉力，所有的设备还有一个重要的参数——扭矩。在定向钻发展的初期阶段，人们认为设备主要是用来回拖管线，制造厂商会着重宣传机器的推拉力。随着技术的发展，大家都认识到扭矩也是一个重要的因素。因为，在定向钻施工时，主要是靠扭矩来切削地下土层，设备没有合适的扭矩，也同样不能很好地完成工程。因此，对于不同能力的定向钻必须有相互配合的推拉力和扭矩。另外，国外制造的机器都按照标准配备了机载高压泥浆泵，也非常重视机载高压泥浆泵的输送能力。这种配置的出发点在于——认识到泥浆对定向钻施工的重要性：泥浆是一种工具，其在定向钻施工中的重要性—相当于人体的“血液”，其主要目的------减少施工阻力和风险，是发挥定向钻潜力的“酵母”。第二节定向钻的组成定向钻机的主要由以下几部分组成：发动机——为液压系统提供动力；液压泵——为各种动作的提供液压能量；液压马达和液压缸——执行需要的工作动作。在定向钻机中，发动机是设备的主要部分，它的性能好坏直接影响到机器是否能保持良好的工作状态。如果没有足够的功率支持，在施工中遇到较大的阻力时，就会出现发动机不能正常工作甚至熄火的现象。按照要求进行使用、维护和保养，是让发动机延长使用寿命的关键。液压泵是定向钻机中的核心部分，它们为所有的工作提供了动力来源。一般选用二到三个液压泵来分别为不同的工作部分提供高温高压液压油。在定向钻机的施工中，需要实施推拉、旋转、保证高压泥浆的供应以及完成其它的辅助动作（如装卸钻杆、机器行走、地锚固定等）。比较好的定向钻机会设置了三个液压泵来分别满足推拉、旋转、泥浆或辅助动作所需要的动力。液压马达和液压缸是机器上的执行部件，它们可以根据操作者的指令进行需要的动作。液压马达主要实现的是旋转，液压缸执行的是直线运动。液压马达和液压缸通过电—液（或液—液）控制部件与液压泵连接在一起，形成了液压系统。第三节液压系统根据其结构的不同，可以分为两种液压工作系统。一种称为闭路循环系统，另一种称为开路循环系统，它们各自的工作原理如下图。闭路循环系统的主要特点：可以节省发动机输出功率。在闭路系统中运行的高压高温液压油，经过工作会消耗掉一部分能量，这些油在执行部件的出口，相对还是处在具有一定温度和液压闭路循环系统反馈控制线动力输入动力输出液压油箱液压泵液压马达压力的状态。在重新回到液压泵的进口时，只需要通过液压泵增加被消耗的能力部分，就好像加热冷水和温水所烧掉的燃料数量不同一样。与闭路系统不同的是，开路循环系统中的高压高温液压油在工作后会通过液压油冷却器回到油箱。这样，在下一次工作周期开始时，必须通过液压泵再进行加温加压才能继续提供动力。在开路系统中，发动机始终为液压系统消耗一定的功率。第四节定向钻机维护保养各种型号的定向钻机在操作使用说明书中都给出了具体的要求，常见的维护保养规程如下：1．常规例查（每工作10小时或每天）1．检查发动机风扇驱动皮带；2．检查冷却水液位及冷却系统；3．检查燃油箱油位（主机和泥浆混配系统）；4．检查机油油位（主机和泥浆混配系统）；5．检查液压油油位；6．检查推拉驱动链条松紧程度；7．检查、润滑动力虎钳；8．润滑钻杆导向轴承；9．检查所有的连接处、液压接头和螺栓紧固情况。2.日维护保养主机：将钻机冲洗干净。冬季，在机载高压泵、泥浆管和露在外面的钻杆内应打入防冻液。泥浆系统：将其冲洗干净，排放积水（在冬季时，特别要将泥浆泵中的积水排放干净），发动机加罩防雨、防冻。3.正常期限维护保养a．每工作50小时或每周1．检查空滤及空滤指示器并根据需要加以清洁；2．油水分离器排水；3．检查或更换泥浆泵曲轴箱油；4．润滑前推进链条导向轮轴；5．润滑后推进链条轴承；6．润滑驱动导向旋转轴；7．检查、润滑履带滚动轴；8．检查履带齿轮箱油位；9．润滑所有控制键活动部位。b.每工作150小时或每月----更换发动机机油和滤清器c．每工作250小时或每三个月1．检查风扇皮带；2．更换液压油滤清器；开路循环系统液压泵液压油箱控制元件液压缸滤清器液压油冷却器3．检查发动机冷却系统；4．检查蓄电池电解液液面；5．检查行星履带驱动齿轮油；6．检查驱动齿轮箱油；d．每工作500小时或半年1．更换泥浆泵曲轴箱油；2．更换发动机燃油滤清器；3．更换水泵曲轴箱油；4．更换驱动齿轮箱油；f．每工作1000小时或一年1．当空滤指示器提示时，更换或者清洗空滤组件；2．更换冷却液；3．更换行星履带驱动齿轮油；4．更换液压油；5．清洁或更换液压油虹吸网滤清器。二、钻具第一节钻头钻头是定向钻施工时的重要工具，它主要在工程开始时进行导向孔作业。根据不同地质情况，可以选择不同的钻头和钻头板。在一般的粘土层和沙土层条件下，选择的是通用钻头（如图2-1）。在岩石层中工作可以使用岩石钻具（如图2-5和图2-6）。1.普通钻头体的结构钻头组件通常由主体、用螺栓固定的钻头板或（和）压板组成。主体内有一个放置可发射无线电信号的控向信号棒的隔舱，泥浆通道用来将泥浆输送到钻头组件的前端，使泥浆形成一定的高压流体喷射出来。为了保证控向信号棒的无线电信号的正常发射，主体上开有电磁通槽，该电磁通槽必须采用具有一定强度的非金属材料进行密封。在使用时，安装完控向信号棒后，必须按照要求做好固定防护，防止在工作中造成丢失控向信号棒。在使用有线控向信号棒时，为了便于安装有线控向信号棒，钻头体采用的是后装式。有线控向信号棒从后部装入，在导线引出端必须存在密封部件，防止泥浆渗入信号棒腔体，造成漏电，影响正常工作。图2-1通用钻头钻头体上的钻头板的功能是在土层中切削出一个允许后续钻杆通过的孔道，以便完成导向孔作业。在工作中，随着钻机动力头的动作，通过钻杆与动力头连接在一起的钻头体会进行相应的工作。如果动力头主轴既进行旋转同时也进行推进，钻头体会基本按照预定的直线方向前进；如果动力头主轴不旋转，通过钻杆推动钻头体前进，由于受到作用在钻头板上的外力作用，钻头板会按照停止的钟面进行角度（方向）的改变。钻头板是钻头体上的一个重要部分。为了更好地进行施工，必须根据不同的土层情况选用不同形式的钻头板。在通常的土层下，基本选择使用平板（具有或没有耐磨合金）式。下图就是部分钻头板的形式。图2-3普通土层中使用的钻头板图2-4硬土层、回填土层中使用的钻头板钻头板的选择不仅考虑其形状而且需要考虑其外型尺寸的大小，选择的原则是：硬土层应该选用倾斜角度和尺寸小的；软土层可以选择倾斜角度和尺寸大的。在硬土层和回填土层中，需要使用镶焊合金刀头的钻头板。发现钻头板磨损严重时，就应该进行更换，否则会降低工作效率。泥浆通道是在制造钻头体时经过专门设计和进行加工形成。它的主要作用是保证泥浆能够通畅地输送到钻头体前端。由于该通道与控向信号棒隔舱靠的很近，因此能够冷却钻头体与地层摩擦产生的热量，保护控向信号棒不会因为温度过高而损坏。在泥浆通道的出口处，可以根据需要加装喷嘴，以便调整泥浆喷射时的压力。每次使用前，必须检查该通道和喷嘴是否畅通，以免因为堵塞造成控向信号棒的烧毁及其他施工事故。2.岩石钻头体在岩石中进行作业，必须采用相应的岩石钻头体（如下图）。图2-5三爪式钻头体图2-6泥浆马达及牙轮钻具这两种钻头体都可以在岩石地层进行作业，在实际工作中如何选择使用哪种形式，取决于设备能力、高压泥浆泵的配置以及配套和施工成本。三爪式钻头体的配套和施工成本较低，工作效率慢。在实际施工时，它的钻进和改变方向完全依靠设备本身的能力（推力和扭矩），可以配备三爪式钻头体的设备能力——推力≥13.33kN（30000Ibs）；主轴输出扭矩≥5423N·m。在进行方向调整时，应该采用定向（或称“扇面”）切削，这种工作方式的操作步骤是，在需要改变方向的方位一定范围内来回进行反复的切削。例如：如果在12点钟进行上抬操作（即要求增加钻进角度）。第一步，在钻头脱离岩石的情况下，先将钟面调整到9点钟；第二步，向钻头施加一定的推力（根据岩石的强度确定推力的大小）；第三步，在推力存在的条件下，旋转钻头到3点钟；第四步，撤回钻头。而后重复进行上面的操作步骤，直到完成需要的角度改变为止。在实际操作中，必须考虑到钻杆所能承受的弯曲，不能采取在短距离内就完成大角度的改变要求，这样会造成钻杆的损坏。在直线钻进时，与普通钻头体一样进行工作，关键在于根据岩石的硬度，选取适当的钻进压力和扭矩。如果两者匹配不恰当，会造成合金刀头的快速磨损或损坏。泥浆马达及牙轮钻具的配套和施工成本较高，工作效率较快。在实际施工时，它的钻进和改变方向完全不仅依靠设备本身的能力（推力和扭矩），而且需要大流量的泥浆。从图17-6左图中可以看到泥浆马达和牙轮钻具的装配情况。需要说明的是泥浆马达本身在某个方向上弯曲形成一个很小的角度（≤3°），该弯曲方向与控向信号棒所要求的钟面（12点钟）一致。泥浆马达的工作原理是：将具有一定压力和流量的泥浆转变为驱动钻头旋转的机械能量。在要求直线钻进时，除了钻杆旋转外，泥浆马达也会带动安装在一起的钻头旋转。在需要改变方向时，调整泥浆马达的弯曲指向到指定的钻进钟面，停止钻杆的旋转并在钻杆上施加相应的推力，依靠高压泥浆驱动泥浆马达带动牙轮钻具旋转切削岩石，随着该方向上的岩石逐渐被切削，就会造成方向的改变。在使用泥浆马达时，应该做到逐步缓慢地进行方向的改变，否则会造成泥浆马达非正常磨损或产生卡钻事故。因为，泥浆马达的直径比钻杆大，在较短的距离内无法产生弯曲变形，需要切削出使得泥浆马达和钻杆都能通过的孔道。在实际操作中应该采用逐步改向的方法，需要根据泥浆马达弯曲部分的长度控制需要改变方向的距离，而且改变的距离要比泥浆马达弯曲部分的长度短，例如：泥浆马达弯曲部分长度是0.5米，每次只能切削0.2米∽0.3米，当这一段孔道被切削出来后，必须采用保持直线钻进方式工作0.3米∽0.4米，然后再继续进行改变方向的操作，如此反复进行，直到该段改向操作全部完成。两种岩石钻头体上的硬质合金刀头需要根据岩石的硬度选择，选择的要求是：岩石硬度大，硬质合金刀头应该短。使用中应该经常检查硬质合金刀头的磨损情况，及时更换磨损严重的硬质合金刀头。第二节钻杆钻杆的作用类似于汽车的驱动轴，它将旋转扭矩和推拉力从钻机传递给钻头体或回扩器，是水平定向钻施工中最昂贵的钻进工具之一。钻杆的示意结构如图2-7。图2-7钻杆结构示意图进行HDD施工时，钻杆必须有足够的直径和截面尺寸，目的在于：1.最大程度地减少不必要的偏移以形成较好的直线孔道，易于铺设管线。2.防止像弹簧过度扭转以便进行有效的传递扭矩，保证。3.有效传递变向所需的推力和回扩（拖管）的拉力。4.提供一条有效通道使钻头、回扩器或泥浆马达获得足量的泥浆。由于各生产厂家采用的钢材和加工的工艺不同，因此，在使用任何一种型号、规格的钻杆前，必须详细了解该种钻杆的允许使用强度和弯曲半径。只有正确使用并且及时进行维护保养，才可以延长钻杆的使用寿命。在使用钻杆时需要注意以下几点：1.每次钻进，务必适时变换钻杆箱中钻杆的位置，这样能确保每根钻杆在一定时间内有相同的累计进尺，使整个钻杆串可同时报废更换。2.只能使用高品质的丝扣润滑脂保护钻杆的螺纹接头。3.不准使用虎钳夹持钻杆管身，只允许夹持钻杆的镦锻部位。4.定期对钻杆进行检查。钻杆为什么会损伤：在工作中的钻杆经常处在一种既受到拉伸（或压缩）又受到旋转时产生的扭矩作用。推进和回拉时，作用于钻杆上的应力使钻杆串处于压缩（拉伸）状态。由于钻杆串在地下处在弯曲状态，在旋转工作中，每根钻杆杆体都会反复受到拉伸和压缩的交变应力的影响，频率达到每分钟150次。钻杆在何处损坏：管身---大多数钻杆在钻杆的管身处断裂。钻杆接头部位。如果过度弯曲持续的时间过长，公螺纹端的螺纹根部会产生疲