水平定向鉆的基本結(jié)構(gòu)

無(wú)論是大型還是中小型水平定向鉆, 其基本結(jié)構(gòu)包括主機(jī)、鉆具、導(dǎo)向系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)以及智能輔助系統(tǒng)。

(1) 主機(jī)

主機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)一般為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。柴油機(jī)作為動(dòng)力源,其功率是衡量鉆機(jī)施工能力的指標(biāo)之一。但在鉆機(jī)鉆進(jìn)回拖過(guò)程往往需要鉆機(jī)以恒定的荷載運(yùn)行,因此發(fā)動(dòng)機(jī)的連續(xù)功率顯得更重要。為了降低勞動(dòng)強(qiáng)度,提高勞動(dòng)效率,主機(jī)一般裝備了鉆桿自動(dòng)裝卸裝置。鉆進(jìn)時(shí),鉆機(jī)自動(dòng)從鉆桿箱中移取鉆桿,旋轉(zhuǎn)加接到鉆桿柱上?；赝蠒r(shí),正好相反。有的還裝備了潤(rùn)滑油自動(dòng)涂抹裝置,對(duì)鉆桿連接頭螺紋的潤(rùn)滑有助于延長(zhǎng)鉆桿的壽命。鉆機(jī)在工作中應(yīng)完全固定。如果在鉆進(jìn)拖拉過(guò)程中發(fā)生移動(dòng),一方面有可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞,另一方面會(huì)降低推拉力,造成孔內(nèi)功率損失。目前鉆機(jī)都有自動(dòng)液壓錨固系統(tǒng),靠自身功率把錨桿鉆入土層,在干燥土層一般用直錨桿,在潮濕土層用螺旋錨桿。

(2) 鉆具

鉆桿應(yīng)當(dāng)有足夠的強(qiáng)度,以免扭折、拉斷,又要有足夠的柔性,才能鉆出彎曲的孔道。在長(zhǎng)距離穿越中,鉆桿的長(zhǎng)度直接影響鉆進(jìn)效率,特別是采用有線導(dǎo)向時(shí),長(zhǎng)鉆桿使鉆桿連接次數(shù)減少,將明顯節(jié)約連接時(shí)間。鉆孔方向的改變是通過(guò)控制鉆頭的方向?qū)崿F(xiàn)的。

鉆頭一般為楔形,在前進(jìn)過(guò)程中,若鉆頭不斷旋轉(zhuǎn),則鉆進(jìn)軌跡為直線。當(dāng)鉆頭想繞過(guò)障礙物或以一定曲率半徑前進(jìn)時(shí),鉆頭停止轉(zhuǎn)動(dòng),使楔面停留在某一角度再推進(jìn)。這樣,鉆頭就以與楔面相背的方向前進(jìn)。鉆頭斜板通常有噴嘴,高速泥漿從噴嘴噴出,對(duì)土層進(jìn)行沖刷。煤氣與熱力對(duì)不同土層,應(yīng)選用不同的鉆頭。如在較軟的粘土中,一般選用較大尺寸的鉆頭,便于在推進(jìn)過(guò)程改變方向。在較硬的鈣質(zhì)層中,選用較小的鉆頭。而在硬巖鉆進(jìn)則要選用特殊的鉆頭,如鑲焊小尺寸硬質(zhì)合金鉆頭。

擴(kuò)孔器種類繁多,不同的擴(kuò)孔器適用不同土層。如凹槽狀擴(kuò)孔器適用于沙地和含有巖石的緊密沙地,而在粘性高的粘土中運(yùn)行容易變成球狀;桿狀切割器適用于硬土層、粘土層,而無(wú)法在巖石地或卵石地有效運(yùn)行。

(3) 導(dǎo)向系統(tǒng)

導(dǎo)向系統(tǒng)包括無(wú)線導(dǎo)向系統(tǒng)和有線導(dǎo)向系統(tǒng)。無(wú)線導(dǎo)向系統(tǒng)由手持式地表探測(cè)器和裝在鉆頭里的探頭組成。探測(cè)器通過(guò)接收探頭發(fā)射的電磁波信號(hào)判斷鉆頭的深度、楔面傾角等參數(shù),并同步將信號(hào)發(fā)射到鉆機(jī)的操作臺(tái)顯示器上,以便司鉆及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)以控制鉆進(jìn)。在穿越河流、湖泊時(shí),由于地面行走困難或鉆孔深度太深,電磁波信號(hào)難以接收,就須使用有線導(dǎo)向系統(tǒng)。探頭通過(guò)鉆桿后接電纜把信號(hào)傳給操作臺(tái), 由于電纜須由人工通過(guò)鉆桿一根根搭接起來(lái),因此有線導(dǎo)向儀的使用將相當(dāng)耗費(fèi)時(shí)間。

(4) 泥漿系統(tǒng)

泥漿系統(tǒng)是保證擴(kuò)孔以及管道回拖順利進(jìn)行的重要設(shè)備。膨潤(rùn)土、水以及添加劑等在泥漿罐里充分?jǐn)嚢杌旌虾?通過(guò)泥漿泵加壓,經(jīng)過(guò)鉆桿從鉆具噴嘴噴出,沖刷土層并把鉆屑帶走,起到輔助鉆進(jìn)的作用。鉆進(jìn)泥漿可冷卻孔底鉆具,以免鉆具過(guò)熱而磨損。鉆進(jìn)泥漿的另一重要作用是在回拖管道時(shí)降低管壁與孔壁之間的摩擦力。在理想狀態(tài)時(shí),管道是懸浮在泥漿中被拉出,因此在實(shí)際工程中,若鉆孔成型好時(shí),管道所需的拉力往往比預(yù)料的要小得多。水平定向鉆管孔直徑一般比較大,孔壁穩(wěn)定性差,而鉆進(jìn)泥漿凝固后,可以起到穩(wěn)定孔壁的作用。

(5) 智能輔助系統(tǒng)

鉆機(jī)的智能輔助系統(tǒng)近幾年發(fā)展很快。在預(yù)先輸入地下管線及障礙物位置、鉆桿類型、鉆進(jìn)深度、進(jìn)出口位置、管道允許彎曲半徑等參數(shù)后,鉆進(jìn)規(guī)劃軟件可以自動(dòng)設(shè)計(jì)出一條理想的路徑,包括入土角、出土角、每根鉆桿的具體位置等,在實(shí)際工程中可以根據(jù)實(shí)際情況的調(diào)整。