采用天然复合泥浆钻探达到泥衣包裹岩芯的钻进取芯设备的制作方法

本发明涉及砂土岩芯样品采取技术领域，具体地说它是采用天然复合泥浆钻探达到泥衣包裹岩芯的钻进取芯设备；更具体地说它是砂土中采用天然复合泥浆钻探达到泥衣包裹砂土岩芯的钻进取芯设备；更具体地说它是实现砂土岩芯样品采取率大幅提高、可达100％，泥衣包裹砂土岩芯样品，使砂土岩芯样品保持砂土原状颗粒级配及结构的钻进取芯设备。

背景技术：

砂类土是第四系地层中常见的一种松散土，具有呈颗粒状、无粘结力、在无围压条件下易散碎、在水力作用下易形成流砂随水流动的特点。砂类土层钻探取芯率不高一直是影响工程钻探质量的主要问题之一，对一些需要研究砂层微观结构的工程，现有工艺和方法很难满足工程要求。

现有砂土岩芯样品采取技术水平较低，砂层岩芯样品采取率一直较低，大多在50％以下，影响砂土分层和地质鉴定准确性。

砂土岩芯样品常常混入泥浆，难以准确判定砂土岩芯样品的颗粒成分，且在钻具内反复扰动，取出的砂土岩芯样品不能反映砂土的原始结构。

技术实现要素：

本发明的目的是提供采用天然复合泥浆钻探达到泥衣包裹岩芯的钻进取芯设备，实现砂土岩芯样品采取率大幅提高、可达100％，砂土岩芯样品外表面被一层泥衣包裹，并使砂土岩芯样品保持砂土原状颗粒级配及结构。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：采用天然复合泥浆钻探达到泥衣包裹岩芯的钻进取芯设备，包括钻杆、岩芯管，其特征在于：位于岩芯管上部的钻杆接头为带弹珠座的接头，弹珠座设置于钻杆接头内；当止水弹珠设置于弹珠座内时，岩芯管上部被封闭；岩芯管两端分别连接岩芯管接头和合金钻头，钻杆一端连接于钻杆接头内，钻杆接头与岩芯管接头连接；

天然复合泥浆经钻杆进入岩芯管，沿岩芯管内壁向下流动，抵达钻头水口后，经钻头水口流出，沿岩芯管外壁与钻孔孔壁返回地面；

天然复合泥浆由水、膨润土、蛋白胨干粉、NaOH组成；水：膨润土：蛋白胨干粉：NaOH等于100：25～40：1.0：0.3～0.75。

在上述技术方案中，沿合金钻头周围均匀开设二条钻头水口；每条钻头水口高度均为2～3cm，钻头水口呈梯形，底部宽度为2cm。

在上述技术方案中，合金钻头上镶焊有四方柱合金，直径91mm的合金钻头镶焊四方柱合金6～8颗；直径110mm的合金钻头镶焊四方柱合金8～10颗；合金钻头采用正斜镶镶焊形式钻头，合金钻头上的四方柱合金向顺时针方向倾斜15°。

在上述技术方案中，水：膨润土：PW干粉：NaOH等于100：35：1.0：0.6。

本发明具有如下优点：

(1)实现砂土岩芯样品外表面被一层泥衣包裹，砂土岩芯样品采取率大幅提高、可达100％，并使砂土岩芯样品保持砂土原状颗粒级配及结构，为分析地层的沉积规律，进行韵律分层并分层提出物理力学参数创造了条件，极大地推动了钻探技术的发展；克服了现有技术砂土岩芯样品采取率不到70％，且不能保持砂土原状颗粒级配及结构的缺点；

(2)在岩芯管上部采用带弹珠座的接头，提钻前，向弹珠座内投入止水弹珠，封闭岩芯管上部，使钻杆内泥浆压力不能传递至岩芯顶面，避免砂土岩芯样品掉落；

(3)对钻孔孔壁起到很好的保护作用，避免砂层钻进过程中经常出现的塌孔现象；

(4)将砂土岩芯样品采取率大幅提高，使孔内泥浆的含砂量降低，降低孔内埋钻事故发生的几率；

(5)对设备性能要求低，便于对现有钻探设备进行改造，便于工人学习掌握，有利于广泛推广应用；

(6)成本较低，熟练应用后，其钻探成本大大低于现有一般钻探工作成本。

附图说明

图1为本发明合金钻头的四方柱合金镶嵌结构示意图。

图2为本发明合金钻头的钻头水口结构示意图。

图3为本发明结构示意图。

图1中，Py表示轴向压力，Px表示回转力，α表示削切角，h表示切入深度，Q表示刃前阻力。

图中1-钻杆,2-钻杆接头,3-弹珠座,4-岩芯管接头,5-岩芯管,6-合金钻头,7-弹珠，8-钻头水口。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：采用天然复合泥浆钻探达到泥衣包裹岩芯的钻进取芯设备，包括钻杆1、岩芯管5，位于岩芯管5上部的钻杆接头2为带弹珠座的接头，弹珠座3设置于钻杆接头2内；当止水弹珠7设置于弹珠座3内时，岩芯管5上部被封闭，使钻杆内泥浆压力不能传递至砂土岩芯样品顶面，避免砂土岩芯样品掉落；岩芯管5两端分别连接岩芯管接头4和合金钻头6，钻杆1一端连接于钻杆接头2内，钻杆接头2与岩芯管接头4连接；

天然复合泥浆经钻杆1进入岩芯管5，沿岩芯管5内壁向下流动，抵达钻头水口8后，经钻头水口8流出，沿岩芯管5外壁与钻孔孔壁返回地面；

天然复合泥浆由水、膨润土、蛋白胨干粉、NaOH组成；水：膨润土：蛋白胨干粉：NaOH等于100：25～40：1.0：0.3～0.75。

沿合金钻头6周围均匀开设二条钻头水口8；每条钻头水口8高度均为2～3cm，钻头水口呈梯形(如图2所示)，底部宽度为2cm，避免泥浆冲刷钻头底部砂层，使砂土岩芯样品保持原状结构，并将钻头削切的地层产生的碎屑物质带回地面。合金钻头6上镶焊有四方柱合金，直径91mm的合金钻头6镶焊四方柱合金6～8颗；直径110mm的合金钻头6镶焊四方柱合金8～10颗；合金钻头6采用正斜镶镶焊形式钻头，合金钻头6上的四方柱合金向顺时针方向倾斜15°(如图1、图3所示)。

水：膨润土：PW干粉：NaOH等于100：35：1.0：0.6。

针对不同的砂层，本发明所述的采用天然复合泥浆钻探达到泥衣包裹岩芯的钻进取芯设备分别采用与砂层相适应的钻进参数，使砂土岩芯样品被泥衣包裹；由于合金钻头直径不同施钻的参数也不同，以110mm孔径的合金钻头为实施例的钻进参数如下：

1)松散砂层：泵量20～30(L/min)、钻机立轴转速160～200(转/min)、钻压为5500～9000(N)、钻进速度8～12(cm/min)；

2)中密～密实砂层：泵量25～35(L/min)、钻机立轴转速200～250(转/min)、钻压为6500～11000(N)、钻进速度10～12(cm/min)；

本发明所述的采用天然复合泥浆钻探达到泥衣包裹岩芯的钻进取芯设备的安装方法包括如下步骤：将镶焊合金的合金钻头6进行水口切割，形成钻头水口8，将切割完毕的合金钻头6安装在岩芯管5末端，岩芯管接头4安装于岩芯管5顶部，将带有弹珠座3的钻杆接头2与岩芯管接头4连接，将钻杆1与钻杆接头2连接，完成安装。

本发明所述的采用天然复合泥浆钻探达到泥衣包裹岩芯的钻进取芯设备的钻进取芯方法，包括如下步骤：钻探设备就位、组装；按地层分布情况配制天然复合泥浆；

钻进取芯：

钻孔，根据地层类别，钻探设备按相应的施钻参数钻至进尺1.50m；回次进尺小于或等于2m；每回次前采用泥浆循环钻进至上一回次底部，对上回次钻进深度范围内，采用泥浆进行泥浆护壁；

停泵，停止向孔内输送泥浆，打开回浆阀门，向钻杆1内投入止水弹珠7，封闭岩芯管5上部；使钻杆内泥浆压力不能传递至岩芯顶面，避免岩芯掉落；

烧钻；停泵后进行干钻，开始时采用小转速、小钻压施钻，并尽量减少钻具上下活动的次数，当砂土岩芯样品装满岩芯管，则开大钻机动力系统，采用大钻压，快转速施钻，在短时间内使合金钻头底部和砂土岩芯样品间产生较高的温度，使合金钻头底部和砂土岩芯样品微微烧结在一起，将砂土岩芯样品封闭在岩芯管5内；

提钻；当完成烧钻工序后，进行提钻，即将钻杆、岩芯管5、合金钻头提出孔口；升降钻具动作应平稳，切忌急提急停，防止砂土岩芯样品脱落；

浆压退芯，岩芯管5取出地面后，将砂土岩芯样品取出放置；

岩芯管5倾斜倒置，倒出止水弹珠7；

采用泥浆外部循环系统连接岩芯管5；

用铁锤轻敲合金钻头6周边，震松砂土岩芯样品；

泥浆泵缓慢加压将砂土岩芯样品徐徐压出；

用岩芯托板将砂土岩芯样品按先后顺序，轻放至岩芯箱。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的采用天然复合泥浆钻探达到泥衣包裹岩芯的钻进取芯设备与现有的砂土取芯设备相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：

由上表可知，本发明所述的采用天然复合泥浆钻探达到泥衣包裹岩芯的钻进取芯设备与现有的砂土取芯设备相比，砂土岩芯样品的采取率达100％，砂土岩芯样品中不混入泥浆，取出的砂土岩芯样品能反映砂土的原始结构，对孔壁保护好，无孔壁塌孔发生，由于砂土岩芯样品采取率高，孔内泥浆含砂量低，避免出现埋钻问题。

其它未说明的部分均属于现有技术。