一种高原多年冻土浅钻大口径薄壁抗冻融保芯钻进方法与流程

本发明属于高原冻土地质勘探钻探，具体而言，涉及一种高原多年冻土浅钻大口径薄壁抗冻融保芯钻进方法。

背景技术：

1、青藏高原平均海拔超4500米，冻土层深厚，气候严寒缺氧且干燥，冻融交替现象频繁。1000米以内的浅钻作业是该区域资源勘查、生态监测等工作的核心手段，采用大口径薄壁取芯技术可最大限度保留冻土原状结构。

2、申请号为202110546059.0的发明专利一种深部高温井用欠压复合钻井装置及工艺，主要针对井深≥3000m的深部高温井，通过近钻头减压短节产生局部负压以降低压持效应。但该技术因地层条件差异，并不适用于高原冻土浅钻作业，既未解决泥浆冻堵、孔壁塌缩、冻土热扰动等问题，且设备结构复杂，难以满足高原地区的便携需求。

3、申请号为202511117976.1的发明专利公开了一种硬脆碎复杂地层差动式自收缩取心钻进系统，通过内外筒差动位移触发取心爪锁紧，以提高硬脆碎地层的取心率。但该技术主要面向砂岩、砾岩等常规硬脆碎地层，未考虑冻土冻融特性对孔壁稳定性的特殊影响，缺乏针对低温环境的泥浆优化设计及分段护壁方案。

4、此外，北京探矿工程研究所提出的“高原冻土大口径薄壁取芯工艺”，取芯直径为90-150mm，取芯率＞95%，在取芯器具与液压动力系统方面具有创新。但该技术的泥浆体系未进行低温优化，在-30℃以下易发生冻结；同时，由于采用单一护壁模式，无法适配0-50m松散活动层、50-300m破碎过渡层、300-1000m永久冻土层的差异化需求。此外，其钻具缺乏减震、锁芯等保芯结构，且无泥浆-钻进协同温控机制，钻进过程中的热扰动易导致冻土融化。

5、因此，针对护壁策略单一、泥浆与工艺脱节、低温与热扰动失衡等问题，现急需一种高原多年冻土浅钻大口径薄壁抗冻融保芯钻进方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高原多年冻土浅钻大口径薄壁抗冻融保芯钻进方法，采用“三段分层护壁+弹性保芯钻具+协同温控钻进+配套钻井液”，不仅能适配高原高寒缺氧环境，且操作简便，成功解决了炭质泥岩岩心溶蚀、孔壁垮塌等难题。

2、为实现本发明目的，采用的技术方案为：一种高原多年冻土浅钻大口径薄壁抗冻融保芯钻进方法，包括如下步骤：

3、s1、施工准备：将地层深度分为0-50m冻融活动层、50-300m冻岩破碎过渡层、300-1000m永久冻土层；

4、s2、分段护壁：钻井设备采用先导钻进；钻入地层深度为0-50m的过程中向井内注入添加有封堵剂的抗冻成膜钻井液，使井壁形成刚性护壁；钻入地层深度为50-300m的过程中向井内下入套管，并注入抗冻成膜钻井液固壁；钻入地层深度为300-1000m的过程中向井内预注抗冻成膜钻井液进行原位护壁；

5、s3、分层钻进：在钻井设备上安装弹性保芯钻具，弹性保芯钻具针对0-50m冻融活动层、50-300m冻岩破碎过渡层、300-1000m永久冻土层采用不同钻压和不同钻速进行钻进；

6、s4、保芯提钻与封孔：弹性保芯钻具的钻头达到取芯深度后依次进行：孔内岩屑清除、锁芯操作、低速提钻、取出岩心、封孔。

7、进一步的，在步骤s1中同时进行以下步骤：

8、将施工场地进行整平，并在整平后的地表铺设聚氨酯隔热垫层；

9、抗冻成膜钻井液通过钻井液系统预热至5-8℃，并进行循环。

10、进一步的，钻井液系统包括通过管路依次连通的除砂器、离心机和泥浆罐，且泥浆罐通过管路与钻井设备连通，连接泥浆罐与钻井设备的管路上安装有泥浆泵；泥浆罐内安装有加热器，连接泥浆泵与钻井设备的管路上敷设有自限温电伴热带，且井口的泥浆出口处还安装有温度传感器；钻井液系统还包括控制器，温度传感器输出端与控制器的输入端连接，控制器的输出端分别与加热器、自限温电伴热带的输入端连接。

11、进一步的，步骤s2中的封堵剂包括硅酸盐水泥、2%早强剂、5%防冻剂，且刚性护壁的厚度为50mm。

12、进一步的，步骤s3中弹性保芯钻具的钻进参数分别为：0-50m冻融活动层，钻压5-7kn，转速30-40r/min；50-300m冻岩破碎过渡层，钻压8-10kn，转速40-50r/min；300-1000m永久冻土层，钻压12-14kn，转速50-60r/min；钻进过程中钻井液系统的泵量8-12l/min，钻井液系统的出口温度为3-5℃。

13、进一步的，步骤s4中在进行孔内岩屑清除之前，钻井液系统中的钻井液循环10-15min，并在孔内岩屑清除时将泵量降至8l/min。

14、进一步的，步骤s4中在进行锁芯操作时，弹性保芯钻具以0.1m/s上提0.2-0.3m，弹性保芯钻具的内管总成相对弹性保芯钻具的外管总成向上位移，触发弹性保芯钻具的弹簧锁芯卡扣径向伸出并嵌入岩芯表面2-3mm，并在钻机仪表检测到触发弹性保芯钻的悬重增加10-15kn时表示锁芯成功。

15、进一步的，步骤s4中在进行低速提钻时，弹性保芯钻具以0.3m/s提至井口上方并距离井口3m处时暂停1min，并再以0.5m/s将弹性保芯钻具完全提出井口。

16、进一步的，步骤s4中在进行取出岩芯时，先将弹性保芯钻具进行水平放置，卸开弹性保芯钻具的内管总成，将弹性保芯钻具抓取的岩芯顶出，并将岩芯包裹后放入-5℃保温箱。

17、进一步的，步骤s4中在进行封孔时，向井内分层注入防冻封孔液，0-50m冻融活动层、50-300m冻岩破碎过渡层、300-1000m永久冻土层之间均间隔1h。

18、本发明的有益效果是：

19、本发明采用“三段分层护壁+弹性保芯钻具+协同温控钻进+配套钻井液”，不仅能适配高原高寒缺氧环境，而且操作简便，成功解决了炭质泥岩岩心溶蚀、孔壁垮塌等难题。

20、同时，本发明提供的方法已应用于西藏托纳木地区的钻探工程实践，钻进深度为800.3m，施工周期42天，台月效率571.64米，事故率0%，施工效率相较传统钻进方法提升45%以上。

1.一种高原多年冻土浅钻大口径薄壁抗冻融保芯钻进方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的高原多年冻土浅钻大口径薄壁抗冻融保芯钻进方法，其特征在于，在步骤s1中同时进行以下步骤：

3.根据权利要求2所述的高原多年冻土浅钻大口径薄壁抗冻融保芯钻进方法，其特征在于，钻井液系统包括通过管路依次连通的除砂器、离心机和泥浆罐，且泥浆罐通过管路与钻井设备连通，连接泥浆罐与钻井设备的管路上安装有泥浆泵；泥浆罐内安装有加热器，连接泥浆泵与钻井设备的管路上敷设有自限温电伴热带，且井口的泥浆出口处还安装有温度传感器；钻井液系统还包括控制器，温度传感器输出端与控制器的输入端连接，控制器的输出端分别与加热器、自限温电伴热带的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的高原多年冻土浅钻大口径薄壁抗冻融保芯钻进方法，其特征在于，步骤s2中的封堵剂包括硅酸盐水泥、2%早强剂、5%防冻剂，且刚性护壁的厚度为50mm。

5.根据权利要求3所述的高原多年冻土浅钻大口径薄壁抗冻融保芯钻进方法，其特征在于，步骤s3中弹性保芯钻具的钻进参数分别为：0-50m冻融活动层，钻压5-7kn，转速30-40r/min；50-300m冻岩破碎过渡层，钻压8-10kn，转速40-50r/min；300-1000m永久冻土层，钻压12-14kn，转速50-60r/min；钻进过程中钻井液系统的泵量8-12l/min，钻井液系统的出口温度为3-5℃。

6.根据权利要求3或4或5所述的高原多年冻土浅钻大口径薄壁抗冻融保芯钻进方法，其特征在于，步骤s4中在进行孔内岩屑清除之前，钻井液系统中的钻井液循环10-15min，并在孔内岩屑清除时将泵量降至8l/min。

7.根据权利要求3或4或5所述的高原多年冻土浅钻大口径薄壁抗冻融保芯钻进方法，其特征在于，步骤s4中在进行锁芯操作时，弹性保芯钻具以0.1m/s上提0.2-0.3m，弹性保芯钻具的内管总成相对弹性保芯钻具的外管总成向上位移，触发弹性保芯钻具的弹簧锁芯卡扣径向伸出并嵌入岩芯表面2-3mm，并在钻机仪表检测到触发弹性保芯钻的悬重增加10-15kn时表示锁芯成功。

8.根据权利要求3或4或5所述的高原多年冻土浅钻大口径薄壁抗冻融保芯钻进方法，其特征在于，步骤s4中在进行低速提钻时，弹性保芯钻具以0.3m/s提至井口上方并距离井口3m处时暂停1min，并再以0.5m/s将弹性保芯钻具完全提出井口。

9.根据权利要求3或4或5所述的高原多年冻土浅钻大口径薄壁抗冻融保芯钻进方法，其特征在于，步骤s4中在进行取出岩芯时，先将弹性保芯钻具进行水平放置，卸开弹性保芯钻具的内管总成，将弹性保芯钻具抓取的岩芯顶出，并将岩芯包裹后放入-5℃保温箱。

10.根据权利要求3或4或5所述的高原多年冻土浅钻大口径薄壁抗冻融保芯钻进方法，其特征在于，步骤s4中在进行封孔时，向井内分层注入防冻封孔液，0-50m冻融活动层、50-300m冻岩破碎过渡层、300-1000m永久冻土层之间均间隔1h。