水平定向鉆的基本結(jié)構(gòu)

無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、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

主機的動力系統(tǒng)一般為柴油發(fā)動機。柴油機作為動力源,其功率是衡量鉆機施工能力的指標之一。但在鉆機鉆進回拖過程往往需要鉆機以恒定的荷載運行,因此發(fā)動機的連續(xù)功率顯得更重要。為了降低勞動強度,提高勞動效率,主機一般裝備了鉆桿自動裝卸裝置。鉆進時,鉆機自動從鉆桿箱中移取鉆桿,旋轉(zhuǎn)加接到鉆桿柱上?；赝蠒r,正好相反。有的還裝備了潤滑油自動涂抹裝置,對鉆桿連接頭螺紋的潤滑有助于延長鉆桿的壽命。鉆機在工作中應(yīng)完全固定。如果在鉆進拖拉過程中發(fā)生移動,一方面有可能造成發(fā)動機損壞,另一方面會降低推拉力,造成孔內(nèi)功率損失。目前鉆機都有自動液壓錨固系統(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)當有足夠的強度,以免扭折、拉斷,又要有足夠的柔性,才能鉆出彎曲的孔道。在長距離穿越中,鉆桿的長度直接影響鉆進效率,特別是采用有線導(dǎo)向時,長鉆桿使鉆桿連接次數(shù)減少,將明顯節(jié)約連接時間。鉆孔方向的改變是通過控制鉆頭的方向?qū)崿F(xiàn)的。

鉆頭一般為楔形,在前進過程中,若鉆頭不斷旋轉(zhuǎn),則鉆進軌跡為直線。當鉆頭想繞過障礙物或以一定曲率半徑前進時,鉆頭停止轉(zhuǎn)動,使楔面停留在某一角度再推進。這樣,鉆頭就以與楔面相背的方向前進。鉆頭斜板通常有噴嘴,高速泥漿從噴嘴噴出,對土層進行沖刷。煤氣與熱力對不同土層,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,便于在推進過程改變方向。在較硬的鈣質(zhì)層中,選用較小的鉆頭。而在硬巖鉆進則要選用特殊的鉆頭,如鑲焊小尺寸硬質(zhì)合金鉆頭。

擴孔器種類繁多,不同的擴孔器適用不同土層。如凹槽狀擴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行容易變成球狀;桿狀切割器適用于硬土層、粘土層,而無法在巖石地或卵石地有效運行。

(3) 導(dǎo)向系統(tǒng)

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

(4) 泥漿系統(tǒng)

泥漿系統(tǒng)是保證擴孔以及管道回拖順利進行的重要設(shè)備。膨潤土、水以及添加劑等在泥漿罐里充分攪拌混合后,通過泥漿泵加壓,經(jīng)過鉆桿從鉆具噴嘴噴出,沖刷土層并把鉆屑帶走,起到輔助鉆進的作用。鉆進泥漿可冷卻孔底鉆具,以免鉆具過熱而磨損。鉆進泥漿的另一重要作用是在回拖管道時降低管壁與孔壁之間的摩擦力。在理想狀態(tài)時,管道是懸浮在泥漿中被拉出,因此在實際工程中,若鉆孔成型好時,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、鉆進深度、進出口位置、管道允許彎曲半徑等參數(shù)后,鉆進規(guī)劃軟件可以自動設(shè)計出一條理想的路徑,包括入土角、出土角、每根鉆桿的具體位置等,在實際工程中可以根據(jù)實際情況的調(diào)整。