适用于松散覆盖层的取心钻探跟管装置及取心钻探方法与流程

本发明属于岩心钻探，涉及取心钻探跟管装置及取心钻探方法。

背景技术：

1、第四纪松散覆盖层是典型的力学不稳定地层，胶结性弱，在第四纪松散覆盖层的钻探过程中，缩径、坍塌掉块、卡钻这些孔壁稳定性问题频发，岩心松散且成柱性差，易在管内堆积和被泥浆冲蚀。目前，在第四纪松散覆盖层取心钻探中，针对孔壁稳定性问题的技术主要有泥浆护壁技术和套管护壁技术。

2、泥浆护壁技术中，一方面，通过加重泥浆密度，孔内的液柱压力可以克服地层压力，对孔壁起到支撑作用，有效防止钻孔坍塌；另一方面，泥浆中的黏土分子颗粒能挤入地层裂缝之中，通过黏结作用，将松散的地层牢牢地粘黏在一起，同时，泥浆会在孔壁上形成一层较薄的致密“泥饼”，加固孔壁，防止孔内的自由水向孔壁周围渗透。然而，泥浆护壁技术对设备条件要求高，泥浆材料的成本、配置和废浆处理也对工程的实施提出了更高要求，不适用于深度浅、钻孔数量多以及机台搬迁频繁的的常规取心作业。

3、套管护壁技术中，套管是一种薄壁空心钢护筒，一般在钻成孔以后再下放入孔内，可以防止钻孔缩径、避免孔内液体侵入孔壁，当套管依次通过螺纹连接成柱，下到孔底以后，可以采用直径更小的钻具穿过套管柱继续向下钻进。然而套管护壁技术中常规地质钻机只具有回转给进功能，而套管与孔壁间隙小、摩擦阻力大，套管的下入和起拔往往困难重重，钻进效率低下甚至不能到达设计深度。

技术实现思路

1、为解决背景技术中所述的在第四纪松散覆盖层取心钻探过程中设备条件要求高、施工要求高、套管的下入和起拔困难、钻进效率低下甚至不能到达设计深度的问题，本发明提供适用于松散覆盖层的取心钻探跟管装置及取心钻探方法。

2、本发明的取心钻探跟管装置，包括至少一根套管，所述套管的外侧设置有能夹紧和松开套管的上夹持器和下夹持器，所述上夹持器的底部与压拔液压缸的活塞杆端部固定连接，所述上夹持器沿着夹紧和松开的方向上铰接连接有搓摆液压缸的活塞杆端部；所述套管的上端内侧设置有螺纹连接口，套管的下端外侧设置有与螺纹连接口配合的螺纹。

3、进一步地，所述上夹持器包括上夹持壳体、上夹持液压缸和上夹持卡瓦，所述上夹持壳体设置于套管的外侧，所述上夹持液压缸的缸筒安装于上夹持壳体内并能自由转动，所述上夹持卡瓦与上夹持液压缸的活塞杆端部固定连接，上夹持卡瓦通过上夹持液压缸的驱动从而夹紧和松开套管。

4、更进一步地，所述下夹持器包括下夹持壳体、下夹持液压缸和下夹持卡瓦，所述下夹持壳体设置于套管的外侧，所述下夹持液压缸的缸筒安装于下夹持壳体内并能自由转动，所述下夹持卡瓦与下夹持液压缸的活塞杆端部固定连接，下夹持卡瓦通过下夹持液压缸的驱动从而夹紧和松开套管。

5、更进一步地，所述上夹持壳体的外壳底部设置有压拔固定端，所述压拔固定端与压拔液压缸的活塞杆端部固定连接。

6、更进一步地，所述上夹持液压缸的缸筒上设置有搓摆铰接端，所述搓摆铰接端与搓摆液压缸的活塞杆端部铰接。

7、更进一步地，所述搓摆液压缸需提供的最大推力f为：

8、f＝m/lmin，

9、式中，m为套管回转需要克服的最大阻力矩；lmin为搓摆液压缸的活塞杆端部对套管回转中心的力臂最小值。

10、更进一步地，所述搓摆液压缸(5)的活塞杆端部对套管(1)回转中心的力臂最小值lmin为：

11、lmin＝l1·cosβ，

12、式中，l1为搓摆液压缸5的回转中心o1与上夹持器2的回转中心o2之间的距离，；β为力臂与o1o2之间的夹角。

13、本发明还提出了适用于松散覆盖层的取心钻探方法，包括以下步骤：

14、步骤一、动力头固定连接套管的上端，上夹持器处于夹紧套管，下夹持器处于松开状态；搓摆液压缸反复伸缩，搓摆套管，同时压拔液压缸给进，将套管压入地层；当压拔液压缸行至行程终点，搓摆液压缸停止动作，下夹持器夹紧套管，上夹持器松开套管；然后上夹持器空程上行至终点后，上夹持器夹紧套管，下夹持器松开套管，重复上述动作，直至套管的下半部分下入进地层；

15、步骤二、下夹持器夹紧步骤一中的套管，上夹持器松开，对准孔内下入新的套管，动力头回转拧紧，上夹持器夹紧新的套管，动力头反转退回，搓摆液压缸伸缩，将新的套管进一步拧紧在步骤一中的套管上端，下夹持器松开新的套管；

16、步骤三、重复步骤一，完成新的套管的下入，重复步骤二，再加接新的套管，直至取心钻探的所需深度；

17、步骤四、进行取心钻探，套管柱圈套在钻具和钻杆外部，互不干涉，在钻杆的孔口夹持方面，对绳索取心钻杆，通过取心钻探跟管装置的配合实现钻杆的孔口夹持，动力头配合完成钻杆拧卸；

18、步骤五、钻至预定孔深位置，取心完毕，孔内只有套管起到护壁作用时，压拔液压缸下移至行程终点，上夹持器夹紧套管超出孔口部位，下夹持器松开套管，搓摆液压缸伸缩，同时压拔液压缸带动套管上移，压拔液压缸上移至行程终点后，下夹持器夹紧套管，上夹持器松开套管，压拔液压缸空程下行至行程终点，重复前述操作，直至将顶部的单根套管完全拔出。

19、步骤六、顶部的单根套管完全拔出后，上夹持器和下夹持器同时夹紧顶部的单根套管，搓摆液压缸伸缩，动力头正转连接顶部的单根套管，上夹持器松开，动力头反转将顶部的单根套管和孔内的套管分离，上夹持器夹紧，动力头反转卸下顶部的单根套管；

20、步骤七、重复步骤五和步骤六，直至将孔内的套管全部取出，终孔。

21、进一步地，取心钻探时，钻孔的作业和压入套管的作业可分开进行，即先钻孔，后压入套管，跟管装置克服孔壁的摩擦阻力，将套管压入孔内。

22、更进一步地，取心钻探时，下入套管前，在其外壁涂抹润滑脂，压入和起拔套管时，搓摆液压缸反复伸缩，带动套管边回转边压入。

23、本发明与现有技术相比，在套管外侧设置能夹紧和松开套管的上夹持器和下夹持器，通过压拔液压缸实现反复伸缩带动套管上下运动，从而实现套管的起拔或下放，通过搓摆液压缸的反复伸缩带动上夹持器转动，使得上夹持器与下夹持器发生相对角位移，带动套管回转以及实现套管间的螺纹拧卸。本发明的跟管装置安装方便，施工操作简单，可直接从钻机上分配动力也可单独配备动力源，跟管装置安放在动力头和钻孔之间，不会对钻机正常工作造成影响；本发明的跟管装置可根据施工需求选配型号，拓展了钻机的功能和应用场景，钻机压入、起拔套管的能力显著增强，钻机适用的地层范围更广；本发明大幅提高了套管的起拔和下放效率，钻进效率高，并且能到达取心钻探的设计深度，解决了缩径、坍塌掉块、卡钻这些孔壁稳定性问题，实现了第四纪松散覆盖层的安全高效钻进。

技术特征：

1.适用于松散覆盖层的取心钻探跟管装置，包括至少一根套管(1)，其特征在于：所述套管(1)的外侧设置有能夹紧和松开套管(1)的上夹持器(2)和下夹持器(4)，所述上夹持器(2)的底部与压拔液压缸(3)的活塞杆端部固定连接，所述上夹持器(2)沿着夹紧和松开的方向上铰接连接有搓摆液压缸(5)的活塞杆端部，所述套管(1)的上端内侧设置有螺纹连接口，套管(1)的下端外侧设置有与螺纹连接口配合的螺纹。

2.根据权利要求1所述的适用于松散覆盖层的取心钻探跟管装置，其特征在于：所述上夹持器(2)包括上夹持壳体(2.1)、上夹持液压缸(2.2)和上夹持卡瓦(2.3)，所述上夹持壳体(2.1)设置于套管(1)的外侧，所述上夹持液压缸(2.2)的缸筒安装于上夹持壳体(2.1)内并能自由转动，所述上夹持卡瓦(2.3)与上夹持液压缸(2.2)的活塞杆端部固定连接，上夹持卡瓦(2.3)通过上夹持液压缸(2.2)的驱动从而夹紧和松开套管(1)。

3.根据权利要求2所述的适用于松散覆盖层的取心钻探跟管装置，其特征在于：所述下夹持器(4)包括下夹持壳体(4.1)、下夹持液压缸(4.2)和下夹持卡瓦(4.3)，所述下夹持壳体(4.1)设置于套管(1)的外侧，所述下夹持液压缸(4.2)的缸筒安装于下夹持壳体(4.1)内并能自由转动，所述下夹持卡瓦(4.3)与下夹持液压缸(4.2)的活塞杆端部固定连接，下夹持卡瓦(4.3)通过下夹持液压缸(4.2)的驱动从而夹紧和松开套管(1)。

4.根据权利要求2或3所述的适用于松散覆盖层的取心钻探跟管装置，其特征在于：所述上夹持壳体(2.1)的外壳底部设置有压拔固定端(2.4)，所述压拔固定端(2.4)与压拔液压缸(3)的活塞杆端部固定连接。

5.根据权利要求4所述的适用于松散覆盖层的取心钻探跟管装置，其特征在于：所述上夹持液压缸(2.2)的缸筒上设置有搓摆铰接端(2.5)，所述搓摆铰接端(2.5)与搓摆液压缸(5)的活塞杆端部铰接。

6.根据权利要求5所述的适用于松散覆盖层的取心钻探跟管装置，其特征在于：所述搓摆液压缸(5)需提供的最大推力f为：

7.根据权利要求6所述的适用于松散覆盖层的取心钻探跟管装置，其特征在于：所述搓摆液压缸(5)的活塞杆端部对套管(1)回转中心的力臂最小值lmin为：

8.使用权利要求1-7任意一项所述装置的适用于松散覆盖层的的取心钻探方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的适用于松散覆盖层的的取心钻探方法，其特征在于：取心钻探时，钻孔的作业和压入套管1的作业可分开进行，即先钻孔，后压入套管1，跟管装置克服孔壁的摩擦阻力，将套管1压入孔内。

10.根据权利要求9所述的适用于松散覆盖层的的取心钻探方法，其特征在于：取心钻探时，下入套管1前，在其外壁涂抹润滑脂，压入和起拔套管1时，搓摆液压缸5反复伸缩，带动套管1边回转边压入。

技术总结本发明提供了适用于松散覆盖层的取心钻探跟管装置及取心钻探方法，在套管外侧设置能夹紧和松开套管的上夹持器和下夹持器，通过压拔液压缸实现反复伸缩带动套管上下运动，从而实现套管的起拔或下放，通过搓摆液压缸的反复伸缩带动上夹持器转动，使得上夹持器与下夹持器发生相对角位移，带动套管回转以及实现套管间的螺纹拧卸。本发明的跟管装置安装方便，施工操作简单，大幅提高了套管的起拔和下放效率，钻进效率高，并且能到达取心钻探的设计深度，解决了缩径、坍塌掉块、卡钻这些孔壁稳定性问题，实现了第四纪松散覆盖层的安全高效钻进。技术研发人员：姚震桐,胡锦秋,曾立新,周治刚,肖冬顺,项洋,丁晔,王昶宇,黄帆,左勇哲,朱看远,尹燕良受保护的技术使用者：长江岩土工程有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/26