水平定向钻机的基本结构：
(1) 主机
主机的动力系统一般为柴油发动机。柴油机作为动力源,其功率是衡量钻机施工能力的指标之一。但在钻机钻进回拖过程往往需要钻机以恒定的荷载运行,因此发动机的连续功率显得更重要。为了降低劳动强度,提高劳动效率,主机一般装备了钻杆自动装卸装置。钻进时,钻机自动从钻杆箱中移取钻杆,旋转加接到钻杆柱上。回拖时,正好相反。有的还装备了润滑油自动涂抹装置,对钻杆连接头螺纹的润滑有助于延长钻杆的寿命。钻机在工作中应完全固定。如果在钻进拖拉过程中发生移动,一方面有可能造成发动机损坏,另一方面会降低推拉力,造成孔内功率损失。目前新钻机都有自动液压锚固系统,靠自身功率把锚杆钻入土层,在干燥土层一般用直锚杆,在潮湿土层用螺旋锚杆。
(2) 钻具
钻杆应当有足够的强度,以免扭折、拉断,又要有足够的柔性,才能钻出弯曲的孔道。在长距离穿越中,钻杆的长度直接影响钻进效率,特别是采用有线导向时,长钻杆使钻杆连接次数减少,将明显节约连接时间。钻孔方向的改变是通过控制钻头的方向实现的。
钻头一般为楔形,在前进过程中,若钻头不断旋转,则钻进轨迹为直线。当钻头想绕过障碍物或以一定曲率半径前进时,钻头停止转动,使楔面停留在某一角度再推进。这样,钻头就以与楔面相背的方向前进。钻头斜板通常有喷嘴,高速泥浆从喷嘴喷出,对土层进行冲刷。煤气与热力对不同土层,应选用不同的钻头。如在较软的粘土中,一般选用较大尺寸的钻头,便于在推进过程改变方向。在较硬的钙质层中,选用较小的钻头。而在硬岩钻进则要选用特殊的钻头,如镶焊小尺寸硬质合金钻头。
扩孔器种类繁多,不同的扩孔器适用不同土层。如凹槽状扩孔器适用于沙地和含有岩石的紧密沙地,而在粘性高的粘土中运行容易变成球状;杆状切割器适用于硬土层、粘土层,而无法在岩石地或卵石地有效运行。
(3) 导向系统
导向系统包括无线导向系统和有线导向系统。无线导向系统由手持式地表探测器和装在钻头里的探头组成。探测器通过接收探头发射的电磁波信号判断钻头的深度、楔面倾角等参数,并同步将信号发射到钻机的操作台显示器上,以便司钻及时调整钻进参数以控制钻进。在穿越河流、湖泊时,由于地面行走困难或钻孔深度太深,电磁波信号难以接收,就须使用有线导向系统。探头通过钻杆后接电缆把信号传给操作台, 由于电缆须由人工通过钻杆一根根搭接起来,因此有线导向仪的使用将相当耗费时间。
(4) 泥浆系统
泥浆系统是保证扩孔以及管道回拖顺利进行的重要设备。膨润土、水以及添加剂等在泥浆罐里充分搅拌混合后,通过泥浆泵加压,经过钻杆从钻具喷嘴喷出,冲刷土层并把钻屑带走,起到辅助钻进的作用。钻进泥浆可冷却孔底钻具,以免钻具过热而磨损。钻进泥浆的另一重要作用是在回拖管道时降低管壁与孔壁之间的摩擦力。在理想状态时,管道是悬浮在泥浆中被拉出,因此在实际工程中,若钻孔成型好时,管道所需的拉力往往比预料的要小得多。水平定向钻管孔直径一般比较大,孔壁稳定性差,而钻进泥浆凝固后,可以起到稳定孔壁的作用。
(5) 智能辅助系统
钻机的智能辅助系统近几年发展很快。在预先输入地下管线及障碍物位置、钻杆类型、钻进深度、进出口位置、管道允许弯曲半径等参数后,钻进规划软件可以自动设计出一条理想的路径,包括入土角、出土角、每根钻杆的具体位置等,在实际工程中可以根据实际情况的调整。
