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扩孔器结构设计探讨----张万里

在非开挖水平定向钻进铺管工程中，一般都采用“导向孔钻进→扩孔→管道回拖”施工工艺。在这种“三步法”工艺中，位于第二步工序的扩孔施工，因技术难度低于前道工序，技术风险又低于后道工序，所以在施工时往往得不到足够的重视。但是，在大多数情况下，扩孔都是必不可少的基本工序。特别是对大直径管道铺设，扩孔施工所需的时间和经费，常常会占到全部工程的绝大部分比例，成为最重要、也是最主要的施工工作。
　　扩孔器是扩大导向钻孔直径的专用器具，其技术性能的好坏，直接决定着扩孔施工的效率、效益与安全。在目前的非开挖技术产品市场上，扩孔器的材料种类五花八门、尺寸系列千差万别、品种形式千奇百怪，如何评价其技术性能，科学合理地设计制造或选择应用，这对许多施工单位来说始终是一个重要的难题。笔者试图从扩孔器的工作环境和性能要求出发，对扩孔器的结构设计原理及方法展开讨论，以与同行进行技术商榷。
1扩孔器的工作环境与性能要求
　　1.1扩孔器的工作环境

图1 扩孔器的工作环境
　　扩孔器工作环境如图1a所示。这是一个通孔，扩孔器所需要破碎的是一个环形台阶。
　　从运动学看，扩孔器必须同时要在两种不同直径的孔洞约束下，边回转边沿着已定的直线（入、出口段和水平段等直线段）或曲线钻孔轨迹（造斜段）移动。
　　从静力学和动力学看，扩孔器在工作中的受力情况如图1b所示，其要在钻机一侧的驱动钻杆所传递的轴向回拖力F1和周向回转扭矩M1的带动下，主要克服破碎环形台阶岩土的轴向阻力F'1和回转阻力矩M'1，沿已有钻孔轨迹以加速度a或匀速v运动；在破岩同时，这一运动过程在不同的钻孔轨迹段，由于F1和扩孔器重力W1及浮力W'1、拖带钻杆重力W2及浮力W'2等的影响不同，可能发生偏扩情况，对扩孔轨迹产生影响[1]。
　　另外还有个重要因素要考虑：在这一工作环境下，受钻孔入、出口位置和孔内各流体力学参数的控制，钻孔冲洗介质及其所携带碎屑的运动方向会有所不同。合理的钻孔轨迹设计及扩孔器结构形式，可以在控制流体运动方向上发挥很大作用。
　　1.2扩孔器的性能要求
　　首先，扩孔器应当具备能够破碎岩土的性能。岩土有软有硬，一般把构成地球岩石圈的天然矿物集合体称为岩石[2]，把地球岩石圈风化带的松散岩层称为土壤[3]。通常所说的岩石，往往是固结的、坚硬的岩层；而土壤则是非粘接的、松软的，或者虽然是粘接的，但其粘接强度比矿物颗粒本身强度小得多，一般称为土层。岩层和土层在被外力破碎时反映出显著的特性差异。如：岩层的破碎机理一般是压裂压碎或者磨削，而土层的破碎机理一般是剪切切削，这对选择破碎工艺方法具有决定性作用；岩层的研磨性往往较强，而土层的研磨性则往往较弱，这对扩孔器切削具寿命具有决定性影响。由于非开挖水平定向钻进铺管工程钻遇的地层千差万别，所以对扩孔器的破碎性能要求也是大不相同的，这也就是目前市场上扩孔器的产品种类五花八门的根本原因。要设计或选用扩孔器，首先应当根据钻进地层的岩土硬度（强度）、完整性和研磨性三方面技术指标，对其地层的适应性进行准确评价[4]。
　　这里还需要特别指出：扩孔器所破碎的是“环形台阶”上的岩土，由于已经解除了多向应力状态，岩土的强度与硬度有所降低，与导向孔钻进时的孔底多向应力相比，破碎更较容易，或换句话说，破碎所需的载荷更低。
　　其次，为满足扩孔器运动学要求，扩孔器应能在回转破碎时保证沿已有钻孔轨迹移动，这也是确保对称均匀破碎“环形台阶”，不发生偏心扩孔的必要条件。要满足这一要求，扩孔器必须具备受已有钻孔和扩出新孔约束的性能。
　　第三，为满足扩孔器动力学要求，扩孔器除应当具备以合理载荷获取最佳破碎效果之外，还需具备以最小阻力回转且严格沿着已有钻孔轨迹移动的力学性能。这也就是说，应当尽可能地减少非破碎岩土所需的动力，例如，扩孔器自身由于重力所产生的摩擦力。降低扩孔器自身重力（包括其充满冲洗介质的附加重力），不但有利于降低其回转和移动时的摩擦力，还有利于降低其在直线孔段扩孔时产生的偏扩力。
　　最后，为满足扩孔时的扩孔器冷却和岩土碎屑排出需要，扩孔器还必须具备良好的流体力学特性，以使孔内冲洗介质在满足冷却和排屑需要的同时，能够以最小阻力流动。
　　在控制孔内流体运动方向的问题上，毫无疑问，从钻杆中心送入的冲洗介质最好是从钻机一侧（即导向孔入口）返回，因为这样才可方便地对冲洗介质（特别是冲洗液）进行回收、处理和循环利用。另一方面，在钻孔轨迹近水平的状态下，岩土碎屑在排出过程中无可避免地会沉积在钻孔下帮，返回通道放在扩孔器运动方向之前而不是之后，也有利于扩孔器将这些碎屑进一步破碎和推挤出孔。因此，好的扩孔器应当具备能够在孔内建立临时孔底（类似滑动式止水塞）的功能，以迫使冲洗介质始终向扩孔器回扩运动方向返回。
　　1.3扩孔器的总体结构与功能
　　扩孔器的总体结构，是指扩孔器作为一个孔内钻进单元，其组成整体的各部分的搭配和安排，包括其构成的外部形状、尺寸配比和与前后孔内工具的连接关系等。
　　按照扩孔器性能要求，其首先要有一个具有良好破碎岩土能力的结构装置，在该装置上应当安装有耐磨切削具；为保证扩孔器沿着已有钻孔轨迹前进，其前方应当有一个导向装置，该装置能使扩孔器破碎功能段在回拖钻杆的牵引下严格沿着已有钻孔运动；作为一个孔内钻进单元，扩孔器整体应当是刚性的，按两点确定一条直线的原理，在扩孔器破碎功能段之后，还应当有一个能在新扩成钻孔中起扶正（或稳定）作用的装置。因此，扩孔器在总体结构形状上显然应当是一头小、一头大的塔形结构，其功能相应分成导向、扩孔破碎和扶正三个功能段；在各段尺寸上，为保证导向与扶正的需要，直径应当分别与已有钻孔和新扩成钻孔孔径相适应，长度应当能确保扩孔器即使在沿曲线轨迹运动时，依然能够保持自己的直线状态（与轨迹曲线相切）顺滑自如。
2扩孔器导向段的结构设计
　　前已述及，导向性能对任何扩孔器来说都是必不可少的，但毋庸讳言，当前的水平定向钻进行业，在市售的扩孔器上几乎看不到具有导向段结构设计的产品，这在扩孔器系列产品的第二级以后，更可说是完全未见。究其原因，可能是一些人认为回拖钻杆就是对扩孔器的最好导向，而另一些人则认为扩孔器破碎段结构可以起到导向作用，这也就是大量扩孔器采用锥形、子弹头形等结构的重要原因。其实，观察图1.1所示扩孔器的工作环境，就能很好地解释这些做法是不能避免偏心扩孔现象的。因此，要改变行业的这一现状，必须对扩孔器导向段的设计加以重视。
　　2.1导向段的外形
　　由于导向段只能依靠已有钻孔（导向孔或前级扩孔）的孔璧作为强制导向支撑，所以，导向段外形应当是与钻孔同形状的圆柱形。但是，前已提到，孔内冲洗介质的最佳流动方向应当是向前（扩孔器前进方向），这也就要求导向段结构不能形成对冲洗介质流动的阻挡。这样，导向段的结构型式就最好是由多条轴向布置的翼片组成，这些翼片在回转时形成圆柱形支撑，翼片之间的空间即作为冲洗介质的流通通道。
　　有两种翼片结构可供选型：一是直线形翼片，结构简单，加工容易，成本低廉；二是螺旋型翼片，其导向支撑效果好，如果螺旋升角与冲洗介质的流动速度及钻杆回转转速相适应，排粉效果更佳。另外，为提高导向段的使用寿命，翼片可采用耐磨材料制造，或在它们与孔璧接触处的表面堆焊碳化钨硬质合金粉或镶嵌硬质合金之类的耐磨元件。
　　2.2导向段的结构尺寸
　　导向段的结构尺寸设计主要是确定其直径和长度。

图2 刚性钻具在弯曲孔断的通过性
　　要保证最佳的导向效果，其直径应当与引导孔直径相当，因为这样才能提供可靠的孔壁支撑。但是，考虑减小导向段的摩擦阻力（它是非破碎岩土所需的），并且考虑扩孔器在弯曲轨迹中的运动需求，其应当与引导孔壁之间留有一定间隙。确定这一环状间隙的大小应当根据以下两个因素：
　　●引导孔的孔壁状态（不圆度）和泥皮厚度；
　　●刚性扩孔器在弯曲钻孔轨迹中的通过性。
　　对这种通过性，可参照如图2所示方法计算确定。设一刚性钻具长度为L，直径为D，要确保其在弯曲钻孔中运动（其孔径为D0，弯曲半径为R），其自由通过时的必需间隙为t。R由水平定向钻孔轨迹设计时主要考虑所铺设管道的安全弯曲半径确定。其最大长度可采用以下关系式确定：

　　从式2.1可以看出，扩孔器在弯曲钻孔轨迹中的通过性不但与自身直径大小有关，还与长度有关。同理，导向段的直径确定也与其自身长度有关。导向段的结构尺寸也可采用经验方法确定。导向段长度不宜太长，否则容易在扩孔中发生断裂，一般取200mm左右即可；其直径一般比引导孔直径小10~20mm。
　　这里还需再次强调：扩孔器必须有尺寸系列配套，任何一级扩孔器都必须设计有与前级孔洞相适应的导向段。
　　2.3导向段的水路设计
　　导向段的水路即冲洗介质的流通通道，其设计的主要依据是孔内的流体力学特性。一些人直观地认为，流通通道的断面尺寸越大越好，以为这样才可方便地排出扩孔器破碎段所破碎下来的任何尺寸的碎屑，避免岩粉堆积。从流体力学观点看，这种认识显然是错误的。冲洗介质的排粉能力主要取决于流体的运动速度（即流速）和流体携带碎屑的能力（如结构流）。在水平定向钻进中，由于钻孔轨迹形态决定，其流速不能像垂直钻孔（井）那样以上返流速大于岩屑沉降速度来确定，所以，应在保证孔壁受冲刷破坏不大的条件下，尽可能地提高流速。
　　因此，导向段的流通通道面积不宜大，其对称分布的翼片之间的空间截面尺寸大小，应以扩孔器破碎下来的任何尺寸碎屑都不受重复破碎即可方便排出为准，累计的过流面积应当远小于回拖钻杆与引导钻孔之间的环状空间面积，以保证冲洗介质在导向段的流速数倍于环空流速。当然，为保护孔壁，软地层流速应低，完整硬地层流速可高。
3扩孔器破碎段的结构设计
　　扩孔器破碎段的功能是破碎“环形台阶”上的岩土，设计要求是将得到的能量最大限度地用在破碎上，同时具有尽可能长的工作寿命。这一寿命至少要保证每次扩孔都能够一次回扩完成，因为往往由于地层原因或驱动钻杆方向原因，一般不应在扩孔过程中更换扩孔器。
　　3.1破碎段的外形
　　扩孔器破碎段一般可分成基体和切削具两部分，其外形都是其回转形成的轮廓线形状，它们可以相同，也可不相同。这里主要讨论切削具回转所形成的轮廓线形状。
　　切削具回转所形成的轮廓线可采用如下方法得到：分别以扩孔器轴线和半径线作为纵、横坐标，将扩孔器上的每一片切削具按照其尺寸大小和安装位置重叠投影到同一剖面，其全部切削具（主要是刃部）构成的该剖面轮廓线，即为扩孔器实际破碎段轮廓线，如图3所示。
　　a.平直线形b.阶梯线形c.曲线形

图3切削具环状孔底击碎图
　　由前面图1可知，扩孔器所需要破碎的仅是一个“环形台阶”。因此，如图3a所示的切削具回转所成平直线型轮廓线最短，也即其破碎量最小、能量利用率最高。如果扩孔器级差大，采用如图3b所示的阶梯式轮廓线也能具有良好的性能。而采用图3c所示的曲线（如回转为球头形、子弹头形等曲线形）或斜直线（回转为锥形）则造成许多环状面积上的破碎工作量并不是扩大孔径所必须的，这既无谓地增加了能量消耗，也大大增加了切削具的磨料消耗。遗憾的是，目前国内外许多扩孔器都采用了这样的结构设计。造成这一现象的原因，笔者分析，可能是一些人出于提高切削具强度和耐磨寿命的考虑，而另一些人则是想象这样的轮廓线在松软地层中会起到所谓“挤扩”的效果。
　　其实，无论扩孔器破碎段的基体外形采用何种轮廓线形状(包括锥形、球头形、子弹头形、抛物线形等形状)，只要正确地选用切削具形状和科学地合理布置切削具，都能容易地做到使所有切削具回转形成的轮廓线，达到图3a和图3b所示的平直线或阶梯折线两种最佳轮廓线形状。
　　3.2切削具的布置
　　用于不同地层的扩孔器，其选用的切削具材料和形状不同，安装位置与安装方法也不相同。所以，每一种扩孔器都有自身切削具布置要求。但是，与所有钻头切削具一样，扩孔器的切削具布置也应遵守以下原则：
　　①切削具必须充满破碎段轮廓线，不能留有空白，并且应有足够的重叠。
　　②最好让每颗切削具破碎岩石工作量相同，即做到等磨损。
　　③切削具（或切削具组）之间应当留有足够间隙，便于冷却和岩粉排出，避免重复破碎。
　　④前切削具为后切削具创造更多的自由面，有利于碎岩。
　　3.3破碎段的结构尺寸
　　切削具破碎段是在“环形台阶”上工作，其小端尺寸显然受引导孔直径限制，而大端尺寸则受所需要铺设的管道直径或分级扩孔直径限制。
　　对多级扩孔来说，要确定终级扩孔器的直径比较容易，因为它与欲铺设管道的直径密切相关。规范规定，前者与后者的直径比关系为1.2~1.5[6]；专题研究也证明，这一比值并不是一个简单的经验数据，而是有充足的理论依据[7]。另外，有人进一步提出，可考虑钻孔长度因素，具体细化在此比值范围内的经验定值方法[8]，这一方法的实质是考虑钻孔清洁度和弯曲强度对拉管阻力的影响，实践中具有一定的参考价值。
　　但是，对多级扩孔的中间级扩孔器直径确定却较为困难，因为目前我们还提不出科学的扩孔系列分级级差理论。这个问题的复杂性不但与钻进地层的软硬多样性有关，还与岩土破碎的不均匀性相关。长期以来，一些人主张为加工制造方便，扩孔器直径系列应采用等直径差分级；另一些人却主张为追求破碎效率，采用等破碎面积差分级；还有人主张充分发挥钻机的能力，采用等扭矩原理进行级差分级-[9]。我们相信，随着研究工作的不断深入，找到最科学合理的扩孔级差系列分级方法已经指日可待了。
　　3.4破碎段的水路设计
　　扩孔器破碎段的水路设计，也就是冲洗介质在破碎段的流动方向、路径和流通断面结构尺寸的设计问题。
　　前已提到，冲洗介质在孔内的最佳流动方向，应当是向着钻机一侧（即导向孔入口）方向，所以，其在破碎段的流向也应当是从大端流向小端。其流动路径，也就只能在切削具安装的空位之间。
　　对于其流通断面的结构尺寸设计，也同样应遵循前面导向段水路设计的两条原则，即：流通断面结构尺寸的下限，应当大于扩孔器破碎下来的任何尺寸碎屑；其上限，应当满足累计的过流面积小于导向段的流通通道面积。这样做的理由，还是尽力减少重复破碎，尽量提高流动速度，最终达到提高效率、减少扩孔器的泥包问题。
　　回顾国内外扩孔器的发展进程，可清楚地证明这些设计理念的正确性：水平定向钻进的发展初期，扩孔器水路设计千差万别，评价各有千秋；但近年来如图4和5所示的“流道式”扩孔器大行其道，其它流道类型扩孔器市场已日益萎缩。

图4 硬地层用流道式扩孔器

图5 软地层用流道式扩孔器

4扩孔器扶正段的结构设计
　　根据前面的相关论述，我们可以得出这样的设计理念：扩孔器扶正段的功能应当有两个，一是在新扩成钻孔中对扩孔器破碎段起扶正（或稳定）作用；二是在孔内建立类似滑动式止水塞的临时孔底，以迫使冲洗介质始终向扩孔器回扩运动方向返回。
　　4.1扶正段的外形
　　从满足扶正的功能来看，其设计原理也应与导向段外形设计一样，即圆柱形。为节省材料和减小摩擦磨损，宜采用多条轴向布置的直线形或螺旋形翼片结构。同样，为提高扶正段的使用寿命，圆柱或翼片的外表面也可采用堆焊碳化钨硬质合金粉或镶嵌硬质合金之类的耐磨元件。
　　为满足其形成人工孔底的功能，无论是整圆柱形还是由翼片构成的圆柱，其靠近破碎段一侧的端部，应当是一块圆形的整片式封底。
　　4.2扶正段的结构尺寸
　　扶正段与导向段共同组成控制破碎功能段的两个支点。扶正段直径和长度，完全可以采用前面导向段相同的设计计算方法，只是在应用式2.1时，可以对扶正段单独计算，亦可将扩孔器作为扶正段等径的整体进行计算。
　　同样，其结构尺寸也可采用经验方法确定：长度一般取300~500mm左右；直径一般比扩孔器大端直径小10~20mm。为保证其形成止水塞的临时孔底，最好在其端部采用直径稍大的橡胶或其它柔性材料。
　　4.3扶正段的水路设计
　　对于要形成止水塞临时孔底的扩孔器，其扶正段应当没有大量的流体流动，故也就无需水路的设计了。钻孔内的水位或沿扶正段轴向漏失的冲洗介质，可对扶正段起到足够的冷却和润滑作用。如需采用向钻孔出口方向的冲洗循环方式，则扶正段的水路设计比照前面导向段设计方法即可，当然，此时应当在导向段一端形成止水塞的临时孔底。
　　4.4带挤压护壁功能的扩孔器扶正段设计
　　在软土及松散地层中，已有的扩孔器普遍存在自身不具备导向能力、可能使钻孔扩偏的问题；还存在扩孔器只具有使钻孔扩大能力，而不具备保护孔壁的护壁能力。

图6带挤压护壁功能的扩孔器
　　图6所示的带挤压护壁功能的扩孔器（专利号：200910167970.X），其技术核心是使扩孔器自身具有导向能力和挤压护壁能力，它能更好地适应水平定向钻进弯曲轨迹的扩孔工况，减少钻孔偏扩问题；并能够大大提高在软土及松散地层扩孔时的钻孔护壁能力，使孔壁更加光滑、不易坍塌。
　　该型扩孔器的主要结构是在扩孔器的扩孔破碎段之前增加了一个导向头，在其之后增加了一套可调节直径的孔壁挤压滚轮，使用时可根据软地层的可压缩性，实时调节最后的铺管孔成孔直径或扩孔直径。
　　导向头主要由接头1和导向器2组成。接头1用于与钻杆连接，导向器2外表面安装有若干耐磨肋条23，其直径略小于导向孔或前级扩孔器直径，用于导正扩孔器运动轨迹。
　　扩孔头主要由扩孔器壳体6、扩孔翼片22和切削具3等组成。扩孔器壳体6上镶焊若干扩孔翼片22，扩孔翼片22上又镶焊若干切削具3，主要用于切削破碎孔壁岩土。扩孔器壳体6上还开有若干水眼7，用于导出芯轴8上的水眼2的钻进液，对扩孔器进行冷却和冲洗。
　　可变径孔壁挤压装置主要由滚轮14、支架16、定位套17和紧定螺母18、19组成。滚轮14的小轴上安装有滚动轴承（或滑动轴承）13，并有密封压盖15密封润滑。滚轮小轴的两端分别采用铰支轴承安装在扩孔器壳体6的后面和支架16的前面。扩孔器工作时，滚轮既随扩孔头和支架公转，又可绕小轴自转，以滚动挤压孔壁，大大减小挤压摩擦力。支架16为轮辐状（辐条数量与滚轮数量相等）或轮盘状，其中心套筒为六方（或其它多边形），安装在芯轴8的对应六方（或其它多边形）部位，用于可靠传动芯轴8的扭矩。支架16可沿芯轴8轴向滑动，从而可根据土层压缩性调整滚轮组的最大滚压直径。调整时，通过改变定位套17在芯轴8上的轴向位置，并通过定位销钉21销定芯轴8上的若干定位孔而定位。定位套17定位后，采用紧定螺母18和防松螺母19将支架16固定在芯轴8上。扩孔器左端的连接耳11用于连接分动器和钻杆（或成品管道）。
　　5结论
　　经研究分析，水平定向钻进行业目前所用扩孔器存在一些不足，建议在今后的扩孔器设计制造工作中应当注意以下几点：
　　（1）一套扩孔器或组合式扩孔钻具应当同时具备“导向+扩孔破碎+扶正”三个功能；
　　（2）扩孔破碎段的切削具设计布置，应当以大小两孔之间的环状破碎带面积最小为原则，以尽量减少能耗与切削具消耗；
　　（3）为提高钻孔冲洗效果和重复利用冲洗介质，扩孔器最好能在孔内形成移动式阻水装置，以强制冲洗介质向钻机一侧返回；
　　（4）由于扩孔器位于人工孔底，应合理设计冲洗介质的流道尺寸与面积，一方面保证各种尺寸的碎屑不受重复破碎，一方面保证其尽快排出；
　　（5）对常见的软土及松散地层扩孔，建议采用带挤压护壁功能的新型扩孔器。
　　参考文献：
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