水平定向钻-岩石钻的原理
水平定向钻机工作原理
水平定向钻机工作原理水平定向钻机是一种用于地下水平定向钻孔的专用设备，它的工作原理主要包括钻杆传动系统、液压系统、导向系统和钻头系统。
下面将分别对这几个方面进行介绍。
首先是钻杆传动系统。
水平定向钻机通过钻杆传动系统来实现钻进作业。
钻杆传动系统由钻机主机、减速器、钻杆和钻头组成。
在工作时，钻机主机通过减速器传动钻杆旋转，从而带动钻头进行钻进作业。
这一系统的稳定性和传动效率对于水平定向钻机的工作效果起着至关重要的作用。
其次是液压系统。
水平定向钻机的液压系统主要包括液压泵站、液压缸、液压阀等组成部分。
液压系统通过控制液压泵站的工作，实现对钻机主机、导向系统和钻头的液压驱动，从而保证了钻机的正常工作。
液压系统的稳定性和工作效率对于水平定向钻机的工作安全和效率起着至关重要的作用。
接下来是导向系统。
水平定向钻机的导向系统主要包括导向仪、导向钻头、测斜仪等。
导向系统通过对钻孔方向和倾角的实时监测和控制，保证了钻孔的准确性和稳定性。
导向系统的精度和灵活性对于水平定向钻机的工作质量起着至关重要的作用。
最后是钻头系统。
水平定向钻机的钻头系统主要包括钻头、钻头座、钻头导向装置等。
钻头系统通过对地层的钻进和破碎作业，实现了对钻孔的开拓和加固。
钻头系统的工作效率和耐磨性对于水平定向钻机的工作寿命和效率起着至关重要的作用。
综上所述，水平定向钻机的工作原理主要包括钻杆传动系统、液压系统、导向系统和钻头系统。
这些系统通过各自的作用相互配合，实现了水平定向钻机对地下水平定向钻孔的准确、稳定、高效作业。
希望通过本文的介绍，能够对水平定向钻机的工作原理有一个更加全面和深入的了解。
水平定向钻进硬岩扩孔应用原理分析
５ ２
非开挖技 术 Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｔ ｒ ｅ ｎ ｃ ｈ ｌ ｅ ｓ ｓ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
２ ０ １ ３年 ４月
扩 孔 钻头 牙 轮 与钻 杆具 有 一定 的夹 角 ， 假 设 牙
Ｖ ＝ Ｏ ・ ，
则钻屑体积含量 １ １ 计算公式为 ：
图 ４ 牙轮 扩 孔 时受 力 分 析
设钻杆的角速度为 ，牙轮 自转角速度为 ∞ ，
／
，
一 一 一 一
、
则牙轮的绝对角速度
国 ＝ 乃 Ｔ ＋ ｚ １
Ｉ
或
ｒ ｃ ｏ ｔ
。
（ ２）
式 中 西 为牙 轮锥 角 的一半 。
记 坼 和 Ｐ分别 为拉杆所受 的扭矩 和拉力 ， 则
图 ３ 单 双 齿 交 替 接 接 触 岩 石
根据功率平衡关系（ 略去孑 Ｌ 壁等处的功率消耗 ） 有
Ｍ， ｒ一８Ｐｏ ＝ ０ （ ３ ）
２ ． ３ 牙齿对 地层 的剪切 作用
牙轮钻头除对岩石产生冲击 、压碎作用外 ， 还
把式（ ２ ） 代人 ， 得
— — — 二 － ＝ ８ ｃ ｏ ｔ Ｏ
：
对地层有剪切作用 。 剪切作用主要是通过牙轮在孔 底滚动的同时还伴有牙齿对孔底的滑动来实现的。
拉力扭 矩 模 型建立 ： 基 本 假设 ：
（ Ｉ ４ ） Ｉ
ｒ
此 即定常运转时 ， 扭 矩与回拉力 的关系。通过
实际工程数据推算得 ６ 一般取 ０ ． ０ ２ ６ — ０ ． ０ ４ 。
时 牙齿 与地 层 岩石 之 间相互 作用 的结 果 。
２ ＿ ２ 钻 头 的纵 向振 动及 对地 层 的冲 击 、 压 碎 作用
水平定向钻试钻报告
水平定向钻试钻报告水平定向钻（Horizontal Directional Drilling，简称HDD）是一种先进的钻探技术，它可以在地下钻孔中实现水平或倾斜方向的控制，常用于油田勘探、地质调查、城市建设和水利工程等领域。
本文将详细介绍水平定向钻试钻的原理、工艺流程和应用前景。
一、原理水平定向钻试钻是通过使用钻井设备在地下钻孔中进行钻探，其原理基于以下几个关键要素：1. 钻头：水平定向钻钻头通常由合金制成，具有强大的钻削能力和耐磨性。
钻头通过旋转和推进的方式，切削和破碎地下岩石。
2. 导向系统：水平定向钻的导向系统是实现钻孔方向控制的关键。
它通常由导向钻头、测量仪器和控制系统组成。
导向钻头可以感应地下磁场或电场，并通过传感器将数据传输给控制系统。
控制系统根据接收到的数据，调整钻头的方向和位置，实现水平或倾斜方向的控制。
3. 钻井液：钻井液在水平定向钻过程中起到冷却钻头、清洗钻孔和稳定地层的作用。
钻井液的选择取决于地层条件和钻探要求。
二、工艺流程水平定向钻试钻的工艺流程通常包括以下几个步骤：1. 选址和勘探：根据工程需求，选择合适的钻井点，并进行地质勘探，了解地下地质条件，确定钻孔路径和目标位置。
2. 钻孔准备：在选定的钻井点附近进行基坑开挖，搭建钻井平台和设备，准备钻井液并组装钻具。
3. 钻孔过程：启动钻机，将钻头下入地下，同时注入钻井液进行冷却和清洗。
通过控制系统实时监测钻孔方向和位置，并根据需要调整导向钻头的姿态和推进力度。
4. 钻孔终止：当钻头到达目标位置后，停止钻进，收回钻杆和导向钻头。
5. 完井和后处理：在钻孔完成后，根据需要进行完井工作，如安装套管、注水泥等。
同时进行地质勘探和数据分析，评估钻孔质量和地下地质情况。
三、应用前景水平定向钻试钻技术在各个领域有着广泛的应用前景。
1. 城市建设：水平定向钻试钻可以用于城市地下管道敷设、导线电缆穿越、地铁隧道建设等。
相比传统的开挖施工方式，水平定向钻试钻可以减少对地表的破坏，提高施工效率，降低施工成本。
水平定向钻原理
水平定向钻原理水平定向钻（Horizontal Directional Drilling，简称HDD）是一种现代化的井工技术，它通过利用地下管道进行穿越的方法，从而避免了传统明挖和开挖的繁琐过程。
HDD的应用范围相当广泛，可以用于建设各种类型的地下管道，包括自来水管道、煤气管道、石油和天然气管道，甚至是通信线缆。
HDD的原理非常简单而又巧妙。
首先，需要确定穿越的路径。
这个路径通常会经过地下状况的勘探和分析，以确保能够安全地穿越各种地质层。
然后，会在地面上设置一台名为“钻机”的设备。
这台钻机主要由一个钻头和一根钻杆组成。
钻头是由金属制成的，可以根据需要选择不同的形状和尺寸。
钻杆是一根长长的圆柱体，用于传递钻头的旋转力和推进力。
开始施工时，钻机的钻头会在地面上进行起头钻孔。
通常会选择一块平整的地面作为起点。
一旦钻头进入地下，就会开始进行旋转钻进。
这样，钻头就会不断地穿越地下，一直前进直到到达预定的目的地。
在整个过程中，钻头会通过旋转来切割地下材料，并通过推进力不断向前推进。
为了控制钻孔的方向和角度，操作人员会通过操纵钻机的控制台来调整钻头的角度和朝向。
这种操纵可以实现水平、垂直或斜向的钻孔。
一旦钻头到达目的地，就会停止钻进并开始进行钻孔的回收。
回收过程通常会使用钻杆的推拉或旋转技术，将钻头从地下拉回地面。
总体而言，水平定向钻的原理是通过钻头的旋转和推进力，在地下穿越各种地质层，从而达到建设地下管道的目的。
它不仅节省了人力和资源，还能够避免对地面和周围环境的破坏，因此被广泛应用于现代工程建设中。
水平定向钻工作原理
水平定向钻工作原理水平定向钻工作原理:水平定向钻是一种用于在地下开采或构筑水平井道或管道的方法。
它与传统的垂直钻井不同，垂直钻井主要是通过钻井设备垂直向下穿透地层，而水平定向钻则是通过将钻孔在一定深度后逐渐倾斜并保持在水平方向进行。
水平定向钻的工作原理可以归纳如下：1. 钻井设计：在进行水平定向钻之前，首先需要进行钻井设计。
设计考虑到需要开采或构筑的井道或管道的具体要求，包括长度、直径、强度等参数。
根据设计要求确定井口的起始点和钻孔路径。
2. 钻头和钻具选择：根据地层情况和设计要求选择合适的钻头和钻具。
钻头通常由硬质合金制成，可以适应不同的地质条件和要求。
3. 钻井设备布置：在开采或施工现场，将钻井设备布置在合适的位置。
设备包括钻井机、吊卡、钻杆等。
4. 钻孔过程：开始钻孔前，通常先进行预钻。
预钻可以将垂直钻井先进行一段距离，以确保钻孔的稳定性。
然后，通过连续推进钻杆，钻孔逐渐倾斜，并最终达到水平方向。
5. 钻进控制：钻进过程中，通过控制钻杆的倾斜和旋转方式来控制钻孔的方向。
通常使用陀螺仪等导向工具来监测和调整钻孔的方向，保持钻孔在水平方向。
6. 钻井液使用：钻井液在水平定向钻中起到冷却钻头、清除废岩和泥浆的作用。
钻井液通过管道输送到钻杆，然后流经钻头冲刷钻孔。
7. 引入套管：在钻进到一定距离后，通常需要引入套管来保持钻孔的稳定性。
套管通过钻杆推入钻孔，并与地层相连接，形成支撑结构。
8. 完井和提取钻杆：当钻孔达到设计要求的长度后，进行完井作业。
完井包括安装套管、封堵井孔和密封地层等。
完成完井后，提取钻杆，并进行后续工程。
综上所述，水平定向钻通过控制钻孔的方向和角度，使钻进的井道或管道能够在地下水平扩展。
它广泛应用于石油和天然气开采、地下基础设施建设等领域。
水平钻机工作原理
水平钻机工作原理
水平钻机是一种用于钻取水平井眼的设备，其工作原理可以简单描述如下：
1. 钻头选型：根据钻井目标和地质条件，选择合适的钻头和钻柱组合。
2. 井下操作：钻柱通过泵送的液压力将钻头推进井眼，同时液压力还能冲刷岩屑和废料。
3. 取土剖面：钻头在地层中旋转，利用强大的摩擦力和旋转力将土壤和岩石层剖面取出。
4. 转运土层：经过旋转和液压力的作用，取出的土壤和岩石层通过泥浆管道传输至地面。
5. 插底井管：当到达一定深度时，需要插入钢管作为井筒的支撑，以保持井眼的稳定性。
6. 持续钻井：以上步骤循环进行，直至完成整个井眼的钻进作业。
水平定向钻机工作原理
水平定向钻机工作原理
水平定向钻机是一种用于在地下水平方向钻探或开采的工具。
其工作原理是利用压力和旋转力来推动钻头进行钻进作业。
首先，水平定向钻机通过液压系统提供高压液压油，通过液压泵将液压油送到主动油缸中。
主动油缸内的压力将活塞向前推动，进而推动伸缩节或推杆将钻头送入地下。
同时，液压系统还提供旋转力，通过液压马达将转矩传递给钻杆和钻头，实现旋转钻进。
其次，水平定向钻机还配备了导向系统，用于控制钻孔的方向。
导向系统包括导向仪和导向钻具。
导向仪是一种装置，通过测量地下磁场或重力场的变化来确定钻孔的方向，并将这些信息传输给钻机控制系统。
导向钻具是一种特殊设计的钻具，可以调整钻杆和钻头的方向，以使钻进路径按照预定的水平方向进行。
最后，钻进过程中，水平定向钻机会持续注入冷却液体，以降低钻头和钻具的温度，并冲洗地层灰尘和碎屑。
冷却液体通过管道系统从钻杆中流入钻头，冷却钻头并将灰尘和碎屑冲刷至地表。
综上所述，水平定向钻机通过液压系统提供推进和旋转力，配备导向系统控制钻孔的方向，并通过冷却液体降低温度和冲洗碎屑。
这种工作原理使得水平定向钻机可以在地下水平方向进行高效而准确的钻进作业。
水平定向钻机工作原理
水平定向钻机工作原理
水平定向钻机是一种用于油气勘探和开采的工程机械设备，它的工作原理是通过将钻头沿着水平方向钻进地下，以实现对地下油气资源的开采。
水平定向钻机的工作原理主要包括三个方面，钻头驱动系统、定向控制系统和钻井液系统。
首先，钻头驱动系统是水平定向钻机的核心部件之一。
它通过驱动钻头旋转和推进，完成对地下岩石的钻进和破碎。
钻头通常由钻杆、钻头和钻头驱动装置组成，钻头驱动装置可以根据需要进行旋转和推进，以实现对地下岩石的钻进和破碎。
这一系统的工作原理是通过驱动装置提供的动力，使钻头旋转和推进，从而完成对地下岩石的钻进和破碎。
其次，定向控制系统是水平定向钻机实现水平钻进的关键。
定向控制系统通过控制钻头的方向，使其在地下形成水平或特定倾斜角度的钻进轨迹。
这一系统通常包括测斜仪、方位仪和控制装置等部件，它的工作原理是通过实时监测钻头的倾斜角度和方位角度，然后通过控制装置对钻头的方向进行调整，从而实现对钻进轨迹的控制。
最后，钻井液系统是水平定向钻机保持钻孔稳定和冷却钻头的
重要系统。
钻井液系统通过向钻孔中注入特定的钻井液，形成一定
的压力和稳定的液体环境，以防止钻孔坍塌和冷却钻头。
这一系统
的工作原理是通过控制钻井液的注入速度和压力，使其形成稳定的
液体环境，同时冷却钻头并将岩屑带出地面。
综上所述，水平定向钻机的工作原理是通过钻头驱动系统实现
对地下岩石的钻进和破碎，通过定向控制系统实现对钻进轨迹的控制，通过钻井液系统保持钻孔稳定和冷却钻头。
这些系统共同作用，使水平定向钻机能够高效、精准地实现对地下油气资源的开采，为
油气勘探和开采提供了重要的技术支持。
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学术论文：水平定向钻岩石钻的原理
作者：刘春海时间：2015年5月20日
单位：十四冶建设集团云南矿业工程有限公司非开挖管道分公司摘要：符合岩石钻的基本条件，岩石钻钻头的工作原理，岩石回扩器的工作原理，岩石钻泥浆的作用，岩石钻的清孔方法。
关键词：泥浆压力钻头三牙轮泥浆动切力τd活塞式清孔孔道上漂的原因
1.前言
非开挖水平定向钻（以下简称非开挖）最早出现在20世纪70年代，80年代末开始传入我国，21世纪初在我国迅速地发展起来，广泛地应用在电力、电信、供水、燃气、污水等等施工当中，用于管道的马路、铁路、河道、山坡等穿越当中。
非开挖之所以能如此快速地发展成为一个新生的行业，它有它自身的优势：安全、快速、质量等，在我国喀斯特地形的西南部-云贵川等地，要使非开挖得以广泛地应用，岩石钻是我们重点研究的项目。
以下，我们针对一个典型的案例：清镇市清纺区消水洞疏通工程非开挖岩石钻专项工程为例，展开我们的研究。
2.符合岩石钻的基础条件
2.1工程概述
清镇市清纺区消水洞疏通工程非开挖岩石钻专项工程位于
贵州省清镇市清纺区，计划回拖DN1000PE管。
需穿越一座
小山，进出水口分别在山谷的两边，山谷与山顶的最大落差
是-21米，穿越长度约200米，该地段为典型的云贵川喀斯特地貌。
2.2开工前勘探
为保证工程顺利进行，节约施工成本，开工前甲方必须提供穿越线路的工程地质钻探报告，地质报告必须按《市政工程勘察规范》（CJJ56-94）有关规定执行：勘探孔沿管线中线布置，钻探点间距小于50米，钻探深度为管道设计深度以下1至3米。
进行勘探的主要原因分析（云贵川喀斯特地貌涵洞较多）：
如上图，如果穿越轨迹线上有3米以上的涵洞存在，穿越钻头会因为自重的原因从而造成钻头卡钻、钻头偏离原设计涵洞轨迹线等致命因素。
后果分析：穿越轨迹线不能满足设计要求、钻头回拖时被石
头卡死无法抽出。
2．3甲方必须提供进水口及出水口的高程数据
如图所示，进水口高程H1，出水口高程H2,水平距离L。
根
据两点的高程差及水平距离求出流水坡度i：
i=（H1-H2）/L（坡度百分比）
2．4机械设备的选择
2.4.1根据回拖力选择机械
根据现流行的计算回拖力的三种办法（ASTM计算回拖
力、净浮力计算回拖、荷拱土压力计算回拖力）计算
回拖力，取其最大值作为选择机械的第一依据。
2.4.2 根据该地区的地质特点（喀斯特地形中世纪玄武岩石，
硬度大），作为选择机械的第二依据。
机械选择：古登（GD1600）岩石钻机，钻机的主要参数如
下：GD1600岩石钻机最大回拖力3645KN 最大扭矩
104789N.M 入钻角8°-16°最大施工长度2500米施工最大
直径DN1500 整机重量25吨
3.岩石钻头的工作原理
3.1 岩石钻机的调整
根据上述：机械入钻角8°-16°，有可能远大于流水面设计
坡度i，开钻前我们必须采取一些措施以纠正偏差，如下图：
钻机高度比进水口高程H1降低0.5米，则钻机入钻角可调
整为0°到8°间，满足i设计要求。
3.2导向穿越
3.2.1．导向仪选择
根据本地区高程特点：最高点与出水口的高程差约为-21米，高硬度地层钻进速度约3米/小时，总长度L约200米，大约需要工作67小时。
可选择GL700导向仪，其主要参数如下:
金地GL700导向系统抗干扰性强适用于我国地下含矿物质较多的西南部地区进行非开挖钻进工程，使用高能电池可持续工作100小时,最大穿越深度-30米。
其工作界面如下图：
上面中间象钟表一样的用来调节钻头的坡度及水平偏差，右上角为钻头的坡度值（钻头与水平面的夹角百分比）。
以水平面为0%，钻头在水平面上为正，反之为负。
中间两竖夹一杆的用来确定钻头的准确位置。
3.2.2导向穿越
①导向穿越原理
探棒（信号源）发出信号，接收机接到信号，指挥钻机手，操
纵钻头左右上下移动，保证水平位置及入钻坡度满足设计要求。
当钻头旋转前进时，坡度保持不变。
②调控方向原理
穿越过程中，不可避免地因为土质因素（土质软硬分部不均匀）造成钻头左右移动偏离穿越轨迹线或上下移动偏离设计坡度i。
我们必须调整钻头以便及时纠正错误，纠正原理图如下：
以纠正坡度为例
如上图，当前坡度大于设计坡度，则把钻头方向调控为向上，然后通过高压泥浆冲击钻头前面的三牙轮旋转，磨掉上部分岩石，迫使钻杆往上走，从而减小坡度达到目的。
钻头的造斜角度由以下公式确定：
θ=（4Aбcos(αL^2)-q0*L^3）/(8EJ)
A-钻头板面积α-钻头斜面角L-钻头长б-岩石抗压强度E-弹性模量J-惯性矩
经验可知岩石层里上提的坡度及前进距离的关系为：0.8°/米。
这个上提坡度非常小，所以要及时纠正钻进坡度。
左右方向纠正同理。
3．3测定方法
钻头每前进1米，测定一次水平方向偏差，每前进三米纠正一次钻进坡度。
4.岩石回扩器的工作原理
导向穿越成功，整个工程算成功了80%。
接下来还要进行孔道回扩，逐步把穿越孔道变大到设计要求DN1000。
回扩过程见下图：
通过岩石回扩器合金三牙轮的高度旋转，把岩石磨成沙粒，然后经过高压力的泥浆排出孔外。
扩孔工艺对钻孔轨迹的影响：
在岩石层中扩孔，一般为正向回转式，如不采取措施，钻孔方位基本上向左上偏斜。
原因分析：由于砂砾的重力沉淀和回扩器的离心作用，上下呈上漂趋势，左右呈右偏趋势。
判断孔道偏离原钻孔轨迹线的一般方法：孔内钻杆与钻机钻杆不在同一直线上。
减少偏离的措施：使用高浓度泥浆，利用泥浆的动切力（携屑能力）把沙粒带出孔外；慢速回扩减少回扩器的离心力。
5.岩石钻中泥浆的应用
在岩石钻中，不存在塌孔或失水造壁问题，只要考虑成孔液的流变性即可。
成孔液流动时的剪切应力τ与剪切速率γ之间的关系用流变方程和流变曲线来表达。
流变关系大体上可以分为4种理论流体，即牛顿流体、宾汉流体、幂律流体和卡森流体。
岩石钻中的泥浆符合牛顿流体关系。
岩石钻中，其沙粒间的剪切应力主要由相互无连接力的沙粒微粒及水分子之间的摩擦力构成。
由牛顿流体关系式：
τ=η*γ
可知，反映该类成孔液粘稠度的流变参数是牛顿黏度η。
成孔液的凝胶强度和触变性
一旦成孔液停止流动及静止，便会有或多或少的结构逐渐形成，直至稳定。
我们把成孔液静止时的结构力称为成孔液的凝胶强度，用动切力τd表示。
动切力在这里代表了携屑的能力。
τd为时间T的函数，随时间的增长而增大。
当外加一定的切力使成孔液流动时，结构拆散，流动性增长，这就是成孔液的触变性。
扩器时，我们希望把钻渣悬浮不下沉，然后随泥浆排出孔外，所以泥浆必须要有良好的τd值，为了防止τd变大，扩孔后必须尽快拖管，以便减少回拖力。
使用旋转黏度计测出牛顿黏度η及剪切速率γ即可算出τd值。
6.岩石钻中清孔的方式
清孔原因：孔道有回扩时残留的泥浆混合物。
清孔工序及方法：
6.1先活塞式清孔
扩孔后，将软质的材料包裹在回扩器上，进行“活塞式”推
拉清孔。
可反复多次进行，以保证孔内无障碍。
6.2冲洗孔道
经过第一道工序后，孔道内基本无其他障碍物，为保证孔道
清理彻底，再往孔道内注射高压清水，清洗几遍则基本通畅
无碍。
参考文献
（1）颜纯文，蒋国盛，叶建良。
《非开挖铺设地下管线工程技术——地下工程技术专著》。
上海科学技术出版社，2005年1月1日出版，226页。
（2）乌效鸣，胡郁乐，李粮纲等。
《导向钻进与非开挖铺管技术》。
中国地质大学出版社，2009年9月第三次印刷，175页。
（3）《石油天然气管道穿越工程施工及验收规范【国标】》
（4）《百度文献》
作者信息：
2002年开始从事非开挖，至今13年
现当任十四冶建设集团云南矿业工程有限公司非开挖管道分公司工程师。