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牙轮式岩石扩孔器研制及使用【摘要】扩孔是水平定向钻穿越施工中的一个重要工序，扩孔器是扩孔的必需工具，岩石地层必须要用岩石扩孔器，目前国内外岩石扩孔器按结构形式不同分为滚刀式和牙轮式两大类，滚刀式只适用于软岩～中硬岩，而牙轮式虽然成本高但其安全性好且适用于各类岩石层。故我们选用牙轮式岩石扩孔器为研制对象，结合本单位水平定向穿越机的性能研制与其相匹配的成套牙轮式岩石扩孔器，通过现场运用发现不足进行改进和完善，并总结出合理的使用方法。 【关键词】水平定向钻；岩石；牙轮式；扩孔器；研制；使用 1. 前言 1.1水平定向钻穿越铺管方法是目前非开挖铺管技术方法中的主流方法，该工艺方法中一般要经历三个阶段：一是导向孔施工，二是一级或多级预扩孔，三是成品管回拖。可以说，导向孔完成后，扩孔是非常关键而且工作量最大的一道工序，扩孔器是扩孔的必需工具，而扩孔的关键则是根据实际条件，选择高效、安全的扩孔器。穿越的地层是复杂多变的不仅有粘土层、砂层，还会有流砂层甚至会遇到岩石层。对于非岩石层普通扩孔器（如：板式扩孔器、桶式扩孔器、流道式扩孔器）就能胜任。以往，岩石层是水平定向穿越施工的禁区，因为普通扩孔器对岩石层无能为力，随着科技的日益进步，国内外相继研制成功了岩石扩孔器。 1.2岩石扩孔器按结构形式不同可分为滚刀式和牙轮式二大类。滚刀式只适用于软岩～中硬岩，不适用于硬岩，不便于反向退出，而牙轮式：强度高、耐磨性好、使用寿命长、安全性好，适用于各种岩石地层，尤其是长距离岩石层穿越的扩孔作业，还便于反向退出。故我们选择牙轮式岩石扩孔器作为研制的对象。 1.3研制牙轮式岩石扩孔器的意义：（1）目前国内水平定向钻岩石层穿越的工作量越来越多。（2）拥有高质量的岩石扩孔器能提升水平定向穿越的实力，在激烈的市场竞争中有一席之地。（3）进口牙轮式岩石扩孔器的成本太高，国内厂家生产的又不能满足我们的使用要求。 2. 牙轮式扩孔器的研制 （1）本公司现有3种型号的水平定向穿越机，奥格HDD330-HD （回拖力200吨），威猛D300×500 （回拖力136吨），威猛D100×120 （回拖力45吨）。根据这一实际情况试制一套奥格HDD330-HD和威猛D300×500通用的岩石扩孔器，设计最大穿越管线762（见图1、图2）。选择石油钻井用三牙轮钻头的牙轮为切削岩石的切削刃，将单个牙轮+牙轮掌的牙轮体作为1个切削刃总成。牙轮以滚压与冲击方式破岩，选用牙轮的牙齿是镶齿，即是将由硬质合金制作的牙齿镶嵌在牙轮壳体上，此牙齿硬度大、耐磨性能好，使用寿命长。缺点是镶齿的质脆，易崩坏及因镶齿不牢而脱落。适用地层为软岩～硬岩，其中岩石硬度在8000 Psi～12000 Psi之间的地层时，选择凿齿状碳化钨合金齿，齿高和齿距可适当放大（HA437型牙轮体就是这种结构），以提高钻进效率。对岩石硬度在12000 Psi以上的地层时，选择圆锥形碳化钨合金齿，齿高和齿距均应变小（HA447L型牙轮体就是这种结构）。当然，选择的齿型还应结合穿越的长度而定。 （2）按扩孔器切削外径的大小确定各种规格，型号在750以下为100mm定一级，型号在750以上为50mm定一级。初定型号为：410，490，550，650，750，800，850，900，950，1000，1050，1100，共12个 型号。 （3）规格在490以下（不含490）选用8 1/2”HA437型牙轮体，规格在490以上选用12 1/4”HA437型牙轮体。选择钻井用钻铤为岩石扩孔器的芯轴。规格在750以下（含750）选用6 1/2 英寸钻铤，规格在750以上（不含750）选用8 1/2 英寸钻铤。与芯轴焊接的主筋板选用30～32mm厚，材质为45钢或16Mn。芯轴上钻泥浆孔为每个泥浆腔4个孔，孔径为16～20mm，一般设2个泥浆腔（润滑牙轮的泥浆腔和润滑扶正板的泥浆腔）。将牙轮+牙轮掌的牙轮体沿圆周均布并与芯轴成10度夹角，根据岩石扩孔器型号来确定牙轮+牙轮掌的牙轮体数量。 （4）410扩孔器用4个8 1/2 “牙轮体，490扩孔器用3个12 1/4”牙轮体，550扩孔器用4个12 1/4”牙轮体，650扩孔器用5个12 1/4”牙轮体，750～950扩孔器用6个12 1/4”牙轮体，1000以上扩孔器用7个12 1/4”牙轮体。外筒体选用12～16mm厚，材质为45钢或16Mn。芯轴与主筋板等部件焊接选用E8018电焊条，其余部位焊接选用E5015电焊条。芯轴与主筋板等部件焊接前必须预热，预热温度为350 °C～400 °C，焊完后用岩棉布保温使其缓慢冷却至常温。关键部位：与芯轴焊接部位，与扶正器焊接部位的焊缝必须经探伤检验合格。采用直板式扶正器选用50mm厚，材质为4