水平定向钻机综合分析

水平定向钻机 (第一部分)
◇徐工研究院 张启君

概述

水平定向钻机是在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施(管道、电缆等)的一种施工机 械，它广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等管线铺设施工中，它适用于沙土、粘土、 卵石等地况，我国大部分非硬岩地区都可施工。工作环境温度为-15℃~+45℃。水平定向钻进技术是 将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方法结合在一起的一项施工新技术，它具有施工速度 快、施工精度高、成本低等优点，广泛应用于供水、煤气、电力、电讯、天然气、石油等管线铺设施工 工程中。水平定向钻进设备，在十几年间也获得了飞速发展，成为发达国家中新兴的产业。目前其发 展趋势正朝着大型化和微型化、适应硬岩作业、自备式锚固系统、钻杆自动堆放与提取、钻杆连接自 动润滑、防触电系统等自动化作业功能、超深度导向监控、应用范围广等特征发展。该种设备一般适 用于管径φ300~φ1200mm的钢管、PE管，最大铺管长度可达1500m，适应于软土到硬岩多种土壤条 件，应用前景广阔。下面因此对水平定向钻的研究意义十分重要！

1 水平定向钻机的相关产品与关键技术及分类

1.1国内外相关产品的发展特点

国内有徐工的ZD1245/ZD1550/ZD2070/ZD25100系列水平定向钻机，ZD系列水平定向钻 机在国内首次采用了电液比例控制技术、机电液一体化PLC控制技术、动力头闭式回路节能、防触电报警等多项先进技术。在钻杆自动装卸钻杆、 自动锚固、自动润滑、自动钻进和回拖、触电保护等方面具有创新点，主要技术性能指标达到了 国外同类产品的先进水平，在提高工作效率，安全防护，减轻劳动强度等方面居国内同类型产品 的领先水平。为目前国内技术最先进，自动化程度最高的钻机。中国地质科学院勘探技术研究所、 连云港黄海机械厂、北京土行孙非挖技术有限公司生产的DDW80、DDW100、DDW200系列水平 定向钻、中联重科、深圳钻通公司生产的ZT10，ZT12、ZT15、ZT20系列水平定向钻。在以上的 国内钻机中目前以徐工的ZD系列水平定向钻机的配备为最好，该系列产品在国内首次采用了电 液比例控制技术、机电液一体化PLC控制技术、动力头闭式回路节能、防触电报警等多项先进技术。 在钻杆自动装卸钻杆、自动锚固、自动润滑、自动钻进和回拖、触电保护等方面领先，主要技术 性能指标达到了国外同类产品的先进水平，在提高工作效率，安全防护，减轻劳动强度等方面居 国内同类型产品的领先水平。国外的Ditch Witch公司是世界上生产非开挖定向钻机较先进的公司，具有先进的控制技术和良好的通讯设备，技术性 能先进、操作性能良好，目前生产的系列产品有JT520、JT920L、JT1720M I、JT4020MI、JT7020MI和广普型钻机JT2720AT、JT4020AT等中小型钻 机。Ditch Witch的钻孔资料处理系统，可进行钻孔轨迹设计，进行相关钻孔数据的记录。其中 DitchWitch公司JT2720/JT2720M、JT4020/JT4020M型定向钻是其在我国销售的主导产品。VERMEER公司是世界上另一非开挖设备的著名生产厂家，其水平定向钻机从迷你型钻机到大型 钻机有多种型号，主要有：PL8000、D7*11A、D10*15A、D16*20A、D18*22、D24*26、D24* 40、D33*44、D40*40、D50*100、D80*120、D100*120、D150*300、D200*300、D300*500等 ；美国CASE公司生产的60系列五种型号，美国凯斯公司是发展水平定向钻产业较晚的公司，产品 有凯斯6010、凯斯6030等型号的新型定向钻，但生产的产品性能先进，尤其是在PLC控制，自动 更换钻杆等方面有其独特的先进性和优越性。其中凯斯6030型定向钻是其在我国销售的主导产 品，主轴最大扭矩5423N.m，主轴三速旋转，最大进给力与回拖力均为13.6T，满载钻杆整机重 量7.8T，可满足一般施工工程的需要。典型的施工工程有上海信息港工程、黄埔江工程等。另外， 生产水平定向钻机的国外公司还有美国的AUGERS公司，INGERSOLL—RAND公司，德国 的FLOWTEX、HUTTE公司，英国的POWERMOLE、STEVE VICK公司，瑞士的TERRA公司，加拿大的UTILX公司和意大利的 TECNIWELL公司等。目前国外水平定向钻的产品大都具有以下几个技术特点：主轴驱动齿轮箱 采用高强度钢体结构，传动扭矩大，性能可靠；全自动的钻杆装卸存取装置；大流量的泥浆供应系统 和流量自动控制装置；先进的液压负载反馈，多种电气逻辑控制系统，高质量的PLC电子 电路系统确保长时间地工作可靠性；高强度整体式钻杆以及钻进和回拖钻具；快速锚固定位 装置；先进的电子导向发射和接收系统。

综合国外水平定向钻机的特点，主要有：

1)中小型定向钻机多采用橡胶履带底盘，具有自行走功能，减小对人行道和草坪的损坏。带钻杆 自动装卸装置，可方便地装卸钻杆，减轻操作者的劳动强度，提高工作效率；大型钻机带随车吊，便 于吊装钻杆；

2)系列化程度高，从2T到600T，适合不同口径和长度，各类地层的施工；具有多种硬岩施工方 法，如泥浆马达、顶部冲击、双管钻进，能进行软、硬岩层的施工。

3)液压系统采用电液比例控制技术，或负荷传感系统，液压元件采用了国际先进成熟的产品；

4)应用先进的PLC控制和电液比例控制技术，主要实现四个方面的自动控制功能：自动钻进，自 动回拖、自动锚固，和行走时的无级变速控制和转向控制，自动化程度高。

5)作业安全和舒适，具有驾驶室，具有无线 (或有线)导向控制系统、地下电缆与管道探测技术、防触电安全保护技术、远程控制紧急停机技术等安全 措施，确保机器和人员的安全。

6)先进的钻进规划设计软件：如VERMEER公司的ATLAS BORE PLANNER软件和美国十方公司的DRILLSMART软件等，专为HDD(水平定向 钻进)施工而开发，可根据施工要求和资料，模拟生成设计施工路线和报告。

国内外同类技术及厂家比较表如表1、表2下：

表1 国内外同类技术比较表

表2 国内外同类厂家比较表

1.2水平定向钻机分类

按照水平定向钻机所提供的推拉力和扭矩的大小，可将定向钻机分为大、中、小型三大类。各类 钻机的主要性能参数和应用范围见表3

表3 水平定向钻机分类

1.3 水平定向钻的关键技术

1.3.1中空动力头

中空动力头的设计的实现：中空动力头是水平定向钻的关键作业部件，其可靠性及质量的好坏将 直接影响整机的正常使用，该部件应实现钻进和输送泥浆的功能，同时要考虑齿轮的润滑，泥浆输送 系统的密封等。动力头一般由低速大扭矩马达驱动减速机，由减速机驱动减速箱机构，由减速箱输出 轴驱动钻杆转动，输出轴中空，输出轴一端接有旋转接头，通过旋转接头注入泥浆。另外目前在国内 市场上12到15吨级的水平定向钻机，进口的主要有美国凯斯公司的6030、威猛公司的D24X40A、沟 神公司的JT2720，国内厂家有北京土行孙的DDW-150、连云港黄海的FDP-15、深圳钻通的ZT-15、徐 工集团的ZD1245等。其国内外动力头性能参数对比见表4 ：从上面的动力头的性能参数对比来看，国内动力头在推拉力、旋转扭矩、转速及泥浆通流 量等参数基本相同，国外各厂家为了适应不同的用户市场，主要参数各有所差别，有的侧重于大的旋 转扭矩，有的侧重于大的推拉力。一般而言，最大输出扭矩的多少决定了钻机扩孔能力的大小，最大 拉力的大小决定了拖拉管道的长度。事实上如果扩孔质量好，钻机不需要很大的拉力就能将管线拉 动。还应清楚动力头采用的中、低速液压马达驱动，驱动方式；目前主要有三种：选用通孔式低速大扭 矩马达直接驱动，泥浆直接从中间通孔输入，输出轴直接连接钻具。此种方式受液压马达的限制，仅 限于小型钻机中应用；选用低速大扭矩液压马达经齿轮箱驱动，根据回转扭矩的需要可以由一个液压 马达驱动，也可以由两个、甚至是三个液压马达驱动。液压马达可以在齿轮箱的前后对称，也可以环 绕输出轴成环形或扇形布置。马达有选用法国波克兰公司的径向柱塞马达，如CASE、威猛的钻机；由于摆线马达价格较低，国内厂家多选用摆线马达。 齿轮箱一般需一级齿轮减速。此种方式应用较普遍；液压马达通过减速机再经齿轮减速箱驱动。液 压马达为高速马达，可以是一个或两个，减速机选用行星齿轮减速机。齿轮箱一般需两级齿轮减速。 由于高速马达、行星减速机比较成熟，二者结合使动力头的转速范围更宽，且其价格和低速大扭矩方 案差不多，径向尺寸相对较小。

表4 国内外动力头性能参数对比表

1.3.2导向定位

导向定位检测与控制系统：导向定位检测与控制系统是该钻机的主要辅助作业部件，该部件采用 无线或有线探头发射装置及地面接收显示装置，探测深度一般为10~15M，且可连续显示测量顶角及 钻头面向角。

1.3.3自动装卸装置

钻杆柔性自动装卸装置及控制：该装置可较方便地装卸钻杆，减轻操作者的劳动强度，提高工作 效率。该装置采用柔性进给装置，协调性要求较高。需对钻杆的升降、梭臂的伸缩、动力头的位置、装 卸完成的检测等功能进行逻辑控制，实现多动作间的自动切换，提高整机的机械自动化程度。

1.3.4钻进导向仪

定向钻进导向仪：该装置是一套完整的信息系统。它包括智能型的无线抗干扰双频探头或有线探 头发射装置，手提液晶显示仪及远距离同步显示器，探测深度一般为10~16M，可连续显示钻头的深度、面向角、温度，电池状况等信号。以保证施 工的顺利完成。

1.3.5管线探测仪

地下管线探测仪(探地雷达)；地下管线探测仪是一种重要的辅助探测设备，它由一台发射机和一 台接收机构成。用于探测工作区内的地下管线分布情况，为用户设计钻进轨迹提供重要的参考依据。 目前，国内外普遍采用的探测方式有：激光、GPS、超声波、CT(X光断层扫描)、CCTV同轴电缆可视 化检测、陀螺仪等。进口探测仪采用了双水平线圈和垂直线圈电磁技术、以超声波的形式对地下管线 进行断层扫描，根据多点探测结果可立体地绘制出地下管线分布图。

1.3.6电气系统与液压系统

液压系统的先进性与可靠性：关键件选用国外先进、可靠的液压元件，以确保液压系统的可 靠性。水平定向钻的电气系统主要分为：发动机部分、油门控制、泥浆泵控制、自动润滑控制、地 面行走控制、虎钳控制、钻杆的自动装卸控制、自动钻进控制、动力头双速控制、钻机的故障诊断 功能、防高压电保护、钻进监控等几个部分。电器件一般由左控制台、右控制台、继电器箱、辅 助控制台、设置控制台、行走控制盒、备用控制盒组成。

2 水平定向钻机常用结构

水平定向钻整机主要有底盘、动力头、钻架、发动机系统、钻杆自动存取装置、钻杆自动润滑装 置、虎钳、锚固装置、钻具、液压系统、电气系统及泥浆系统等部件组成。

2.1底盘的结构

水平定向钻机的底盘是指机体与行走机构相连接的部件，它把机体的重量传给行走机构，并缓和 地面传给机体的冲击，保证水平定向钻机行驶的平顺性和工作的稳定性，底盘是水平定向钻机的骨 架，用来安装所有的总成和部件，使整机成为一个整体。水平定向钻机底盘目前的结构一般为液压驱 动，刚性连接式车架，底盘主要包括车架及行走装置，车架为框架焊接结构，上面有发动机、油水散 热器、燃油及液压油箱、操纵装置等的安装支架；底盘的行走装置主要包括驱动轮、导向轮、支重轮、 托链轮、履带总成、履带涨紧装置及行走减速机、纵梁等组成、行走装置中左、右纵梁分别整体焊接 后，与中间整体框架式车架用高强度螺栓连接成为一个整体车架。底盘的车架后端可两个蛙式支腿或 两个垂直的支腿，可有效降低支腿部分重量及简化结构，水平定向钻机工作时支腿支起，增强整车的 稳定性。底盘的行走减速机目前一般用进口的内藏式行星减速机(包括马达)或两点式变量马达减速机， 可进口帝人或其它厂家的产品，行走时能够实现行走快慢双速，输出扭矩大、结构紧凑。底盘的行走 装置主要包括履带张紧装置、 橡胶履带总成、驱动轮、导向轮、支重轮及行走减速机等组成。底盘的 橡胶履带有两种结构方式可选择，一可采用BRIGESTONE公司的整体式橡胶履带；二可采用 BERCO公司的组合式橡胶履带的结构，二者相比前者结构简单，节距较小，车架高度较低，但后者 强度高，可承受更大的载重量，损坏后可以更换，驱动轮、导向轮、支重轮、履带张紧装置都可直接 配套。底盘的履带张紧装置由张紧油缸、张紧弹簧、导向轮、油杯等组成。

2.2发动机系统的结构

水平定向钻机的发动机系统一般包括发动机、散热器，空滤器，消音器，燃油箱等。一般水平定 向钻机设计时发动机选用国外的John Deere增压水冷发动机或选用美国康明斯公司的增压中冷发动 机，为了适应不同用户的需求，也可选装国内的二汽东风的康明斯发动机及玉柴等厂的发动机。其水 散热器、空滤器等附件选用国产配套件，燃油箱自制。

2.3动力头的结构

水平定向钻的动力头的结构一般由一个高速马达驱动减速机，由减速机驱动动力头，由减速箱输 出轴驱动钻杆转动，输出轴中空。动力头有以下功能：驱动钻杆钻头回转；承受钻进、回拖过程中产 生的反力；泥浆进入钻杆的通道。目前国内水平定向钻的动力头结构基本一样，不同点在于：减速机 的选型不一样：同吨位的水平定向钻选不到完全相同的减速机，所以各厂家的该减速比和性能参数有 所变动。动力头的减速比不一样：由于减速机传动比的改变，所以动力头的减速比也有变动。目前， 动力头的传动方式主要有链传动和齿轮传动；如CASE钻机的动力头的传动方式为链传动：链传动 的优点是结构简单，制造容易，缺点是传动平衡性差、寿命短、输出扭矩小。DITCH WITCH公司钻机的动力头的传动方式为齿轮传动；齿轮传动的优 点是传动平衡、使用寿命长、输出扭矩大；缺点是制造要求精度高。另外动力头推拉装置是动力头回 拉或进给运动的执行机构，一般由一对低速大扭矩马达驱动一对减速机，由减速机驱动链轮链条机 构，由链轮链条机构向动力头提供进给力或回拉力。动力头推拉装置目前各厂家不同，如DITCH WITCH公司的链轮条机构；该机构的优点是工作速度快，工作平稳，结构紧凑，成本适中。缺点是 链轮链条受力较大；CASE公司的链轮链条倍力机构；该机构的优点是链条受力是推拉的一半，工作 平稳；缺点是工作速度慢，结构尺寸大，成本高；国内廊坊双油缸机构。该机构的优点是回拖力大于 钻进力，成本较低；缺点是结构尺寸太大，工作的平稳性差，使用寿命低，不能用于自动化要求高和 自行走的机型上等。

2.4钻杆装卸的结构

目前水平定向钻机钻杆装卸机构 ：该机构一般由钻杆、钻杆箱、钻杆起落、能伸出缩回的梭臂、 钻杆列数自动选择装置等组成。国内外各厂家的结构不尽相同，主要在钻杆的存取、输送上有差别， 有的采用人工存取钻杆，人工装卸钻杆方式作业不仅效率低而且增加了操作人员的劳动强度；有的采 用四连杆机构存取钻杆，但它们普遍利用弹簧的回缩力作为夹紧力，经常出现钻杆脱落等事故，工作 不可靠，不但影响作业效率，而且可能引起已钻孔的坍塌、埋钻等重大事故；有的采用旋转结构输送 钻杆，该机构可较方便地装卸钻杆，减轻操作者的劳动强度，提高工作效率。该机构采用柔性进给装 置，协调性较高。需对钻杆的升降、梭臂的伸缩、动力头的位置、装卸完成的检测等功能进行逻辑控制，实现多动作间的自动切换，控制系统采用先进 的PLC控制；总之，上述的动作过程及逻辑控制基本相似，以DITCH WITCH公司的最为先进，沟神的液压抓手、梭臂液压止动、丝扣油自动涂抹、列 数自动选择装置等功能，已被作为钻杆存取的速度、可靠性、效率方面的行业标准。

2.5虎钳的结构

水平定向钻的虎钳位于钻机的前部，由前、后虎钳组成。前、后虎钳都可由液压油缸径向推动卡 瓦来夹持钻杆，且后虎钳可在液压油缸的作用下与前虎钳产生相对旋转，前后配合以便钻杆拆卸。国 内除沟神公司外各厂家的结构相似，沟神公司的整个虎钳是装在浮动支撑座上，以保护虎钳在钻杆装 卸时免受冲击。

2.6锚固装置的结构

水平定向钻的锚固装置的作用是在作业时对整机起稳定、锚固作用，提高整机作业稳定性，该部 件位于整机的前端。目前各厂家普遍采用的是螺旋钻进机构；用低速大扭矩马达驱动螺旋杆，用液压 油缸施加推、拉力进行钻进或钻出，各厂家在具体结构上略有差别。另外，水平定向钻机锚固装置配 合整机外形的设计上，一般采用了两种方案：地锚阀放在锚固装置，结构布置方便，布管容易；后者 地锚阀另行放置如放在发动机罩内等，但彻底改变了主机的造型和外观。

2.7导向系统

水平定向钻的目前导向系统有手持式跟踪系统和有缆式导向系统。前者经济，使用方便，但要操 作人员直接到达钻头上方的地面，易受地形、电磁干扰及探测深度的限制，多在中小型钻机上使用； 后者可跨越任意地形，不受电磁干扰，但复杂，使用麻烦，效率低，价格高。目前国内市场上主要有 DCI公司的Digitrak导向装置、雷迪公司的RD386型导向仪等，以DCI的应用最为广泛，精度和数据 处理速度更快，技术较为先进，用户反应较好。

2.8泥浆系统的结构

水平定向钻的泥浆系统由随车泥浆系统与泥浆搅拌系统组成 ；泥浆搅拌系统用于泥浆混配、搅拌、向随车泥浆系统提供泥浆，随车泥浆系统将泥 浆加压，通过动力头、钻杆、钻头打入孔内，以稳定孔壁，降低回转扭矩、拉管阻力，冷却钻头。发 射探头，清除钻进产生的土屑等。随车泥浆泵采用液压马达驱动方式，选用FMC公司的活塞泥浆泵 或国产的衡阳的活塞泥浆泵，最大流量450L/min，泥浆流量大，可确保泥浆要求：泥浆搅拌系统的要求：搅拌系统应具有搅拌快速均匀、提供大流量泥 浆、可调节泥浆配比、搅拌与输送同时进行等功能，搅拌系统装置包括料斗、汽油机泵、搅拌罐、车载 泥浆泵、相关管路等，泥浆搅拌泵可选用日本等公司的产品。泥浆罐容量为500加仑和1000加仑两种 泥浆系统，用户还可选用两个泥浆罐并联，一个搅拌一个供应泥浆。

3 水平定向钻机的施工工艺

水平定向钻机施工工艺顺序是：现场勘察工艺；钻进轨迹设计工艺；钻进先导孔工艺；扩孔铺 管工艺。

3.1现场勘察工艺

3.1.1首先对施工工程及工地的已有相关资料进行查阅，勘察现场。主要检查工地的进场路径、土质 和地层条件、地表地形、有无障碍物、地下管线分布、交通状况、跟踪定位系统的干扰源(如钢筋条， 铁轨等)、供水条件等情况。

3.1.2详细检查施工图纸及作业步骤，确保在回扩钻孔和回拉管线作业中考虑到钻孔孔径会扩大这一影 响因素。检查设计中有关参数，如：开孔倾角、最小深度、最小造斜距离等。

3.1.3与其它公用管线公司联系，让其对地下现有管线进行定位并做上标记。

3.1.4检测回拖材料的重量和刚性，了解该材料弯曲 半径，是否与设计路径有出入。再检查一下是否有合适的回拖器具。

3.1.5做好安全保护措施，如交通管制，紧急救护措施，验明地下危险物，明确划定工地范围，避免围 观者入内。

3.1.6选择开孔、终孔位置时应考虑以下情况

(1)泥浆搅拌站应置于水平位置。应考虑开孔角度会影响钻机的安装、钻杆的弯曲、不会导致泥 浆流出孔外。

(2)必须注意周围的机动车和行人，在开孔、终孔位置周围应留有至少3米的缓冲区。

(3)检查开孔、终孔位置周围是否有足够的空地保证钻杆逐渐弯曲。

(4)考虑荫地、风向、烟雾和场地其它特性。尽量向下坡方向钻孔，以免泥浆倒流。

3.2钻进轨迹设计

导向孔的轨迹一般由三段组成：第一造斜段AB、直线段BC、和第二造斜段CD，如图1所示。

图1 钻进轨迹设计

直线长度是管线穿越障碍物的实际长度，第一造斜段是钻杆进入铺管位置的过渡段，第二造斜段是钻 杆出露地的过渡段。因此，对典型的导向钻进铺管施工，其导向孔的轨迹由以下几个基本参数决定：

(1)穿越起点B₁；

(2)穿越终点C₁；

(3)铺管深度h；

(4)第一造斜段的曲率半径R₁；

(5)第二造斜段的曲率半径R₂。

R₁和R₂主要由钻杆的曲率半径和待铺设管线 的允许弯曲半径决定。一般取R₁≥1200d，R ₂≥1200D，d和D分别为钻杆和待铺设管线的直径(mm)。

以上五个参数确定后，其它各项参数均可用作图法或计算法来确定。

(1)作图法：如图1所示，确定B₁和C₁ 项，按 铺管深度h即可确定直线段BC，其长度为L。作半径为R ₁的圆与直线BC相切于B点，与B₁C ₁的延长线相交于A点，该圆在A点的切线与AB₁ 的夹角为入射角α₁(入口倾角)。AB₁ 的长度即为造斜段距离L₁。用类似的方法可画出CD，并可求出出口倾角 α₂和造斜距离L₂。

(2)计算法：由下述公式分别计算出α₁、α ₂、L₁和L₂。

L₁＝[h(2R₁－h)]^1/2

α₁＝2arctg[h/(2R₁－h)] ^1/2

L₂＝[h(2R₂－h)]^1/2

α₂＝2arctg[h/(2R₁－h)] ^1/2

由作图法和计算法得出各参数之后， 还应考虑其它因素对入口倾角和出口倾角的限制。钻机倾角的可调范围是限制入口倾角的主要因素，一般钻机的倾角可在10 ^o~45^o之间调节。对小直径的钢管，考虑到管道的焊接问题，出口倾角 α₂一般应控制在0^o~15^o 内；对于PE和PVE管一般控制在0^o~30^o 以内。对大口径钢管，因弯曲半径α₂太大，L ₂增大，一方面使导向孔距离增长，另一方面也浪费管材， 因此一般用下管工作坑来代替第二造斜段。

总之，设计钻进轨迹时要考虑工程要求、地层条件、钻杆的最小曲率半径、管线的允许曲率半径、 施工现场的条件、铺管深度等多方面因素，最后设计出最佳的轨迹曲线，有条件的还可利用现有的设 计规划软件进行优化设计。

3.3钻进先导孔

首先调整钻进倾角，下固地锚，钻进时同时驱动泥浆泵泵送泥浆，以供钻进护壁、钻头散热需要。 钻进导向是通过地表接收器接收无线探头体内的探测头发出的信号，测出钻头位置。需要调整方向时， 动力头停止旋转，调整倾斜钻头板的方向朝所需方向，只进给而不旋转，此时地面接收器接收信号， 监视进给方向，待方向正确后，继续钻进，整个钻进过程可多次调整方向，直至钻进结束。

3.4扩孔铺管

钻进结束后，根据铺管直径及种类的不同，换上不同的回扩钻头，一次或多次回扩，直至达到所 需孔径。最后一次回扩时，通过万向节与铺管相连，边回扩边拖管直至铺管结束。如图2所示：

图2 扩孔铺管

3.5泥浆用量的经验估算方法

任何一种型号的定向钻机所配置泥浆泵流量是一定的，在钻进时，泥浆用量相对较少，可调整 泥浆泵在小流量状态；在回扩或回拖过程中，由于钻孔直径较大，所需泥浆量相对较多。泥浆泵要调整为大流量。操作者应掌握合适的钻进或回扩速 度，以保证有足够的泥浆，形成良好的钻孔。国外有关泥浆公司对此进行了量化，总结出一套泥浆 用量的经验公式，用户可根据该公式进行初步计算每分钟泥 浆用量、回拖用时、工程所用泥浆总量等相关参数：

用Q表示泥浆用量(升/米)，用D表示回扩头直径(米)，则每米泥浆用量可以按以下公式计算：

Q＝(D²/13)×K×10⁴

K表示一个系数，通常在2~5之间，根据土质条件的不同从中选择，如：在粘性土壤中K 取2~3，而在砂石或泥浆漏失严重的地质条件下， K取4~5。

以上计算值为初步估算值，实际应用时泥浆用量比估算值稍大。

3.6钻液的配置原则

钻液的配置取决于钻孔时所面临的土壤状况。通常将土壤分为粗土和细土，粗土一般没有吸水 性，可以使水自由流过颗粒，它一般包括砂土和砾石，细土一般包括粘土和页岩，它可阻止水渗透到 地层，吸水膨胀。但是，实际施工时所面临的土质界限并不明显，可能变化很大或多种土质混合出 现，因此，没有哪一种钻液在任何土质中都是最好的，只能配置较好的钻液。大致的原则是，在粗土 中使用膨润土，在细土中使用聚合物。有时，甚至同一个工程中使用多种钻液。下面是国外某公司生 产的膨润土产品混合配比表5，仅供参考。

表5 某国产品品牌膨润土产品混合配比表

水平定向钻机(第二部分)
◇徐工研究院 张启君 郑 华 陈 慧

概述

水平定向钻机底盘易出现的“问题”，表现为整机行走时，导向轮、驱动轮、支重轮与履带链轨 之间发生非正常摩擦，影响履带的使用寿命。水平定向钻机的履带与上述“三轮”间都有侧隙，正常 情况下，水平定向钻机的履带与”三轮“之间会发生正常摩擦，但不会发生“问题“。造成“问题” 的根本原因是：履带不能正确的卷绕；“三轮”的中心面不重合。

1 水平定向钻机导向轮引起的“问题”

水平定向钻机导向轮是行走装置的重要零件，其安装位置的正确与否对行走装置的寿命有很大的 影响。在正常情况下，履带应在导向轮中间卷绕，除了在转弯时有短暂侧移外，履带一般不会侧滑。 但是，如果导向轮出现歪斜，履带将受到一个朝向不歪斜方向的分力作用，使其产生轴向移动，从而 出现“问题”现象。导向轮倾斜的方向不同，引起导向轮“问题”的位置也不同，如果导向轮在水平 面内发生倾斜，将在导向轮的前方产生“问题”；若在垂直面内发生倾斜，通常是在导向轮的上、下方发生“问题”，严重时能引起前部支重轮掉边；当 两种倾斜同时存在时，就会发生“八字形问题”现象。由此可见，导向轮安装位置的正确与否，对履 带是否“问题”有很大的影响。

影响水平定向钻的导向轮安装位置的因素主要是：

(1)导向轮轴两端安装销的圆孔中心线对称度超差，装配后造成导向轮纵向中心线与履带架纵向 中心线不重合。

(2)导向轮轴两端安装销的圆孔中心线不平行，造成导向轮安装后倾斜。

另外，导向轮若有加工缺陷也会引起“问题”，如：导向轮中间台肩加工时产生轴向偏移；两边滚 道直径不同，使两边履带的拉紧力不同，履带易迁移，滚道母线与履带销轴线不平行，从而使履带局 部侧滑。

2 水平定向钻机支重轮引起的“问题”

水平定向钻机支重轮的作用是将机器的重量传递给履带。在机器行驶过程中，它除了沿履带的轨面滚动外，还要夹持履带，不让它横向滑脱；在机器转向时，它又要使履带在地面上横向滑移。支重 轮分单边、双边两种，以ZD1245型水平定向钻的为例，共有18个支重轮，均为单边支重轮。多个 单边支重轮共同形成一条滚道，履带在轨道上滚动。当轨道母线与驱动轮中心线及导向轮中心线 不重合时，将导致支重轮“问题”。

水平定向钻的支重轮“问题”的原因主要是：

(1)支重轮固定螺栓松动，造成支重轮轴向位置变动或发生歪斜。

(2)支重轮的中间凸缘加工时产生了偏移。

(3)滚道母线与履带销轴线不平行使履带侧滑。

(4)支重轮两边滚道直径不同。

(5)支重轮加工时，滚道轴向尺寸过小，使其与履带的间隙小于导向轮与履带的间隙，引起“问 题”

3水平定向钻机驱动轮引起的“问题”

水平定向钻的驱动轮与履带之间的侧隙最大，一般不会发生“问题”，但如果其中心线与导向轮、 支重轮的中心线不重合时也会引起履带的“问题”。

水平定向钻机驱动轮“问题”的主要原因有：

(1)齿箱座安装孔定位面与驱动轮轴向中心线的垂直度超差，造成驱动轮中心线与履带架纵向 中心线不垂直。

(2)齿箱座轴向尺寸加工时超差，引起驱动轮安装不到位，使其中心线与履带架纵向中心线不 重合。

4水平定向钻机履带架变形引起的“问题”

水平定向钻机履带架是焊接而成的矩形框架结构。“四轮”和缓冲装置都安装于其上。履带架 变形将破坏“三轮”与驱动轮的位置关系，从而引起“问题”

水平定向钻的履带架变形引起的“问题”的主要原因是：

(1)履带架弯曲。履带架弯曲包括其水平面内和垂直平面内的弯曲；从对整机使用的影响来看， 水平面内的弯曲对“问题”影响最大，同时还会引起整机跑偏。

(2)履带架前开裆变形。一是向外分开，二是开裆歪斜。

5水平定向钻的磨损及其他原因引起的“问题”

水平定向钻的车架的工作环境恶劣并承受较大的外力，故容易出现磨损。引起“问题”的主要原 因有：

(1)车架安装面与履带架配合表面帖合不好，破坏了履带架与车架的垂直度。

(2)整机使用过程中有异物夹在导向轮与履带架之间，致使导向轮无法进行调整。

总之，引起水平定向钻机“问题”的原因是非常复杂的，不但要重视加工、装配过程中的问题， 更应该在使用中经常对行走部件进行不定期的检查、调整，以防止“问题”的发生。即：检查水平 定向钻机导向轮外缘与履带架之间的间隙，达不到要求时要进行相应的调整；调整水平定向钻机托链 轮的轴向位置；检查水平定向钻的导向轮与履带架之间是否有异物等。

水平定向钻机 (第三部分)
◇徐工研究院 张启君

在水平定向钻机施工过程中，需要使用与钻机功率相匹配的泥浆液搅拌装置，对于钻头的钻 进和壳壁的支撑保护有着十分重要的作用。目前，水平定向钻 机泥浆搅拌装置中，膨润土是经罐体上面的料斗而进入搅拌罐内的，泥浆罐内搅拌是 采取电动机带动离心泵来搅拌。在实际工作过程中存在以下问题：（1）加膨润土的料斗过高，故 易造成膨润土的粉末从料斗飞出而伤害操作人员（2）离心泵与罐体的密封结构部分经常泄漏（3） 因罐体内混合液的PH值不断在变化，故造成离心泵要经常更换，而且罐体内的搅拌器更换次数增 加等等。

本文介绍一种新型泥浆搅拌装置，它是一种为水平定向钻提供 钻进所用泥浆的一种新型高效搅拌设备，并可在其它需要用混合配比浆液的场 合使用。

1新型泥浆搅拌装置的结构

该新型搅拌装置结构简单，分为以下几大系统；汽油机泵与搅拌罐间通过软管连接系统，该系 统由汽油机泵、软管、Y型过滤器、弯头等组成，其特点为：汽油机泵不断地将泥浆液通过Y型过滤器 不停地搅拌；罐顶部喷管系统，该系统由内外丝接头、喷管、圆柱连接体、弯头、过滤罩、三通、管 道内文丘里喷嘴、弯头、垫圈、锁紧螺母、塑料管、内衬喷嘴组成，内外丝接头固定在喷管上，喷管固 定在三通上，弯头、过滤罩固定在圆柱连接体上，圆柱连接体固定在三通上，内衬喷嘴固定在管道内文 丘里喷嘴上，管道内文丘里喷嘴、弯头固定在塑料管上，垫圈、锁紧螺母固定在搅拌罐上等组成，固 定在搅拌罐的上面，其特点为：一方面对搅拌罐内的混合液不断搅拌，另一方面在系统循环的同时通过罐顶部喷管系统内的文丘里喷嘴而形成的负压，经进料塑料软管将膨润土自动吸入搅拌罐内，可迅 速完成搅拌罐内泥浆的配比要求；下部喷管系统，该系统由罐内文丘里喷嘴、加强筋、罐内喷嘴、内 锁紧螺母、软垫圈、外锁紧螺母、弯头、水管、外垫圈组成，其特点为：罐内文丘里喷嘴焊在加强筋 上，由大小头、直圆管、管径扩大管组成，罐内喷嘴一端焊在加强筋上，另一端固定在内锁紧螺母 上，其头端为大小头，内锁紧螺母、软垫圈、外锁紧螺母、外垫圈固定在搅拌罐上，水管固定在弯头 上，弯头固定在外锁紧螺母上。

2新型泥浆搅拌装置的结构的工作原理

先将水通过加水口10注入罐内，汽油机泵将水从底部胶管1吸入并打入进水胶管3，经Y型过 滤器5过滤，分为两路：一路经罐顶部喷管系统9
从罐体11顶部喷下；另一路经四通阀14和胶管15从底部喷管系统2喷出，以此可大大地增加搅拌效 率；同时罐顶部喷管系统9利用系统内的文丘里喷嘴产生的负压将膨润土从塑料管7内吸入并与水液 混合搅拌，混合液在罐体11内得到不断循环搅拌，从而达到配制泥浆液的目的。另外，水与膨润土的 配比可通过膨润土的吸入量来控制。一般十分钟左右即可完成1700L液体的配制。

3结束语

本新型泥浆搅拌装置是克服了膨润土粉末的飞出；解决了离心泵与罐体的密封结构部分经常漏液 而造成环境污染的问题；离心泵和罐体内的搅拌器要经常更换时间延长的问题。该装置具有制浆快速 高效，自动化程度高，可提供不同配比的泥浆液等特点，经过生产试制、型式试验和工业试验，取得 较好的效果，达到了预期的设计目的。

新型泥浆搅拌装置视图

(去掉件1、件12、件13及相关管路)

新型泥浆搅拌装置左视图

底部喷管系统

罐顶部喷管系统

工程建设机械2005.NO.12