适用于泥化夹层地层的清水钻进取芯方法与流程

1.本发明涉及水利工程勘探钻具技术领域，尤其是涉及一种适用于泥化夹层地层的清水钻进取芯方法。


背景技术：

2.泥化夹层是原岩中原有薄层含泥质岩层经构造间错动破碎后，在地下水长期物理化学作用下形成的结构疏松、粒间连接软弱且完全泥化的夹层。它的存在，给各类岩体工程的稳定性带来了严重威胁。因此，泥化夹层是重大水利水电工程勘测中的必查项之一。由于水利水电行业的钻探作业过程中不允许使用具有护芯作用的泥浆，只允许清水做为钻进冲洗液，加大了取芯难度。
3.现有常用的泥化夹层清水钻进取芯钻具为单动双管结构，其单动结构多采用多组推力轴承组合方式，易产生岩芯管振动、偏芯、靠壁，岩芯管单动性降低，岩芯对磨等；其次，内管为半合管形式，处于内外管之间环状间隙的冲洗液易沿半合管之间的缝隙进入半合管内部冲刷岩；再次，钻具底部设置一个扩孔器，使得钻具在孔底成单点受力状态，易引起孔底钻具振动；第四，常规单动双管组钻具所选用的钻头，存在冲洗液经过卡簧座后从钻头内流出，易冲蚀进入钻头内或钻头前面泥化基层岩芯的问题；第五，清水作为冲洗液时携粉能力较弱，在采用常规钻具钻取岩芯时易产生埋钻、卡钻事故。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供一种适用于泥化夹层地层的清水钻进取芯方法，具体可采取如下技术方案：本发明所述的适用于泥化夹层地层的清水钻进取芯方法，包括如下步骤：第一步，在遇到泥化夹层地层工况时，将钻具下入孔内，保持钻速150
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450r/min，钻压5
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15kn，泵量70
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150l/min，当钻具进尺达到岩芯衬管长度时，停止钻进，将钻具提至孔外；所述钻具包括依次相连的敞口取粉管、钻杆接头、沉砂套管、四用接头、外管、扩孔器和侧喷pdc钻头，所述四用接头具有上端内腔和下端内腔，所述上端内腔的底部开设有连通沉砂套管和外管的第一水眼，上端内腔中设置有第一单向阀，所述第一单向阀连接有位于沉砂套管内的过滤芯管，所述下端内腔中设置有单动副，所述单动副的另一端与带有第二水眼和第二单向阀的调节组件相连，所述调节组件的下端通过水力退芯接头与内管相连，所述内管中设置有衬管，内管的下端设置有与所述侧喷pdc钻头卡接相连的卡簧座；第二步，通过人工取芯方式或水压取芯方式从钻具中拆卸岩心；所述人工取芯的步骤为：
①
将侧喷pdc钻头、扩孔器、外管的第一短接一同拆解；
②
将卡簧座、内管一同拆解，露出衬管；
③
采用人工抽出衬管，取出岩芯；所述水压取芯的步骤为：
①
拆卸侧喷pdc钻头；
②
拆卸外管、扩孔器；
③
将水力退芯接头与内管、衬管、卡簧座一同拆卸；
④
拆卸卡簧座；
⑤
将水管与水力退芯接头连接起来，利
用水压使岩芯退出内管。
5.所述四用接头的外壁上镶焊有多根纵向设置的硬质合金条，所述硬质合金条的最大外径与所述扩孔器的最大外径一致。
6.所述单动副包括芯轴和与其相连的转动组件，所述转动组件对称设置在所述芯轴两端，每一转动组件均包括用于连接四用接头的下端内腔或调节组件上端的套筒，所述套筒穿设在芯轴上，且套筒和芯轴之间设置有滚动轴承和压力轴承，套筒上开设有位于所述滚动轴承和压力轴承之间的注油孔，套筒靠近滚动轴承的一端通过螺母固定，靠近所述压力轴承的一端通过端盖固定。
7.所述调节组件包括调节螺栓，所述调节螺栓的上端开设有用于连接单动副的螺纹内腔，调节螺栓的下端开设有开口向下的竖直腔，所述竖直腔与水平开设在调节螺栓中部的所述第二水眼相连通，竖直腔的内侧安装有所述第二单向阀，竖直腔的外侧套接有螺纹接头和螺纹定位件。
8.所述外管由第一主管和第一短接螺接而成。
9.所述内管由第二主管和第二短接螺接而成。
10.所述衬管为通过子母扣相连的半合管。
11.所述侧喷pdc钻头包括变径钢管，所述变径钢管的变径处沿竖直方向开设有第三水眼，变径钢管的前端和靠近所述第三水眼处设置有pdc复合片。
12.本发明提供的适用于泥化夹层地层的清水钻进取芯方法，使用特殊设计的钻具，在进行泥化夹层地层钻进施工中，能够提高泥化夹层取芯率和满足取芯质量的需要，在不要泥浆保护的前提下，实现采取岩芯率达到95%以上的目标。与现有技术对比，其具有以下优点：1）敞口式取粉管和沉砂管的组合设计，能够有效降低钻孔过程时，清水携粉能力不足，造成埋钻、卡钻问题发生的概率；2）侧喷pdc钻头的设计，显著降低了清水对岩芯的冲刷，其不仅可以应用到泥化夹层地层中，还以应用到其它软弱易冲蚀地层中；3）钻具上端安装有扩孔结构的四用接手，与钻具下端扩孔器的组合使用，改变了钻具在孔内的受力结构，增加了钻具的稳定性和导正性；4）采用推力轴承和滚动轴承组成的单动结构，提升了岩芯内管与单动机构的同芯度、单动性；5）钻具采用由外管、内管、衬管构成的三层管结构，其中，内管采用满管结构，可有效避免常规单动双管结构（其内管为半合管机构）中内外管环状间隙的冲洗液对岩芯的冲蚀作用；同时，该钻具外管、内管的下端均设置短接，因此可采用机械出芯的方式，减少了拆卸岩芯的工序，提升了施工效率；6）泥化夹层岩芯上下岩层均有一定强度，选用卡簧卡断岩芯的方式，能够对泥化夹层起到保护作用。
附图说明
13.图1是本发明钻具的结构示意图。
14.图2是图1中四用接头的结构示意图。
15.图3是图1中单动副的结构示意图。
16.图4是图1中调节组件的结构示意图。
17.图5是图1中侧喷pdc钻头的结构示意图。
18.图6是图1中外管的结构示意图。
19.图7是图1中内管的结构示意图。
20.图8是图1中衬管的结构示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的施工过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
22.如图1
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8所示，本发明所述的适用于泥化夹层地层的清水钻进取芯方法，包括如下步骤：第一步，在遇到泥化夹层地层工况时，将钻具下入孔内，保持钻速150
‑
450r/min，钻压5
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15kn，泵量70
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150l/min，当钻具进尺达到岩芯衬管长度时，停止钻进，将钻具提至孔外；上述钻具包括依次螺接相连的敞口取粉管1、钻杆接头2、沉砂套管3、四用接头4、外管5、扩孔器6和侧喷pdc钻头7，上述四用接头4具有上端内腔和下端内腔，其中，上端内腔的底部开设有连通沉砂套管3和外管5的第一水眼401，上端内腔中安装有第一单向阀402，该第一单向阀402连接有位于沉砂套管3内的过滤芯管403，下端内腔中螺接有单动副8，单动副8的另一端依次螺接有调节组件9、水力退芯接头10和内管11，内管11中套接有衬管12，内管11的下端螺接有与侧喷pdc钻头7卡接相连的卡簧座13。
23.上述四用接头4的外壁上镶焊有多根纵向设置的硬质合金条404，该硬质合金条404的最大外径与扩孔器6的最大外径一致。
24.上述单动副8包括芯轴801和两个与其相连的转动组件，转动组件对称设置在801芯轴两端，每一转动组件均包括用于螺接在四用接头4下端内腔中或调节组件9上端内腔中的套筒802，套筒802穿设在芯轴801上，且套筒802和芯轴801之间安装有滚动轴承803和压力轴承804，套筒802上开设有位于滚动轴承803和压力轴承804之间的注油孔805，套筒802靠近滚动轴承803的一端通过螺母806、垫片807固定，靠近压力轴承804的一端通过端盖808固定，端盖808和芯轴801之间安装有油封809。
25.上述调节组件9包括调节螺栓901，调节螺栓901的上端开设有用于连接单动副8的螺纹内腔，调节螺栓901的下端开设有开口向下的竖直腔，竖直腔与水平开设在调节螺栓901中部的第二水眼902相连通，竖直腔的内侧安装有第二单向阀903，竖直腔的外侧套接有螺纹接头904和螺纹定位件905。
26.上述外管5由第一主管501和第一短接502螺接而成；内管11由第二主管111和第二短接112螺接而成；衬管12为通过子母扣相连的半合管。
27.上述侧喷pdc钻头7包括变径钢管701，变径钢管701的变径处沿竖直方向开设有第三水眼702，变径钢管701的前端和靠近第三水眼702处均匀镶嵌有多个pdc复合片703。
28.第二步，通过人工取芯方式或水压取芯方式从钻具中拆卸岩心：
人工取芯的步骤为：
①
将侧喷pdc钻头7、扩孔器6、外管5的第一短接502一同拆解；
②
将卡簧座13、内管11一同拆解，露出衬管12；
③
采用人工抽出衬管12，取出岩芯。
29.水压取芯的步骤为：
①
拆卸侧喷pdc钻头7；
②
拆卸外管5、扩孔器6；
③
将水力退芯接头10与内管11、衬管12、卡簧座13一同拆卸；
④
拆卸卡簧座13；
⑤
将水管与水力退芯接头10连接起来，利用水压使岩芯退出内管11。
30.需要说明的是，在本发明的描述中，诸如“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系的术语是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。