随着国家经济增长模式整体转变,经济发展重心转移,城市管廊、海绵城市的提出,管道建设将以修建与改建为主,直径(?)580～(?)1016mm管道中硬和硬岩定向穿越将成为今后建设的重点。水平定向穿越因其施工时间短、人员要求少、环境污染小、施工质量高等优点被列为优先采用的技术手段。传统的水平定向扩孔穿越长度受钻杆受力情况、控向能力、钻孔稳定性限制,钻杆寿命低、扩孔时间长、钻进效率低,不适合大口径、长距离穿越。解决传统水平定向穿越扩孔动力不足的最佳方法是采用动力扩孔技术,即采用动力钻具直接与扩孔器相联接的方案,进行动力扩孔。动力扩孔钻具的开发是目前动力扩孔技术的最大难点和关键。根据动力扩孔工艺要求,钻具输出扭矩需达到30kN·m、转速为60rpm以下,但按照石油钻井理论开发的动力钻具结构较长、重量大,超出企业现有加工制造能力,扩孔钻进时出入土困难,现场使用条件要求高,地质适用范围有限,导致该技术难以获得推广实施。为解决这些问题,需要开发一种长度短、输出扭矩大、现场使用方便的动力钻具。为此,本文主要开展了以下几个方面的研究工作:(1)结合典型穿越工程案例,对水平定向穿越工艺进行分析,根据配套设备工作能力,确定了合理的定向穿越动力扩孔工艺参数。(2)针对动力扩孔施工工艺的特点,在螺杆钻具经典理论的基础上,对比了不同规格螺杆钻具机械特性。为进一步减小钻具的重量和长度,编制螺杆马达参数优化程序,优化了(?)343mm螺杆马达参数。(3)除定子橡胶外,对螺杆钻具寿命影响较大的是万向轴,由于花瓣式万向轴重量较大,容易与壳体发生碰撞,设计了球式万向轴,但在受力分析中发现其在轴向冲击和扭转荷载作用下可能会发生压溃变形。因此设计了椭球柱万向轴,解决了定向穿越扩孔时钻具输出扭矩大、起停频繁带来的问题。(4)扩孔钻进、回拖或解卡时,钻具轴承处往往需要承受较大推拉力,对设计出的串轴承进行分析,发现轴承承受轴向拉力有限,在此基础上,首次将交叉圆柱滚子轴承用于动力扩孔钻具,通过不同工况对比分析,验证了其可靠性与安全性,进一步缩短了动力钻具长度。(5)由于新开发的(?)343mm动力钻具输出扭矩大、承受拖拉力高,为保证其安全性,通过不同扣型的抗扭及抗拉强度对比,在偏梯形螺纹扣型及矮牙爱克母螺纹的基础上,对螺纹参数进行优选,保证定子壳体的安全性。本文在水平定向动力钻具技术的基础上,系统设计开发了(?)343mm新型动力钻具,此钻具长度短、重量轻,转速低、扭矩大,现场使用方便,操作灵活,可用于管道穿越工程,对于国内水平定向动力扩孔技术的快速发展具有一定的参考和借鉴意义。