适配电缆式电动机械钻具的极地钻探护壁设备及施工方法与流程

1.本发明涉及极地钻探钻采技术领域，具体是涉及一种适配电缆式电动机械钻具的极地钻探护壁设备及施工方法。


背景技术：

2.南极洲常年被冰雪覆盖。随着以全球变化为主体的大科学时代的到来，各个国家对于南极的考察内容也从领土、自然资源逐渐进入到基础理论以及科学探索，比如南极冰下地质，中微子探测、高空大气以及现代环境监测等。近年来国际上南极陆基科学考察最引人注目的发现之一就是南极冰下环境的意外发现：在冰盖底部存在着“另一个世界”。比如，冰下环境可为诸多自然科学及跨学科研究提供了特有信息，包括像南极冰盖的形成机制，从而研究古气候变化以及预测未来气候演变规律；探索地球古老生命形态；亦或是研究冰盖底部的褶皱结构，对于这些方面的科学研究最直接最有效的方式就是获得其南极冰层及冰下基岩样品。
3.南极冰心及冰下基岩钻探难度极大，除了恶劣的地表环境，还面临着冰层、冰岩夹层以及基岩层钻进的等各种复杂条件钻探的技术挑战。其一，常规钻探方法难以对冰碛物和液体状态的基底融水进行取心；其二，钻井过程中融化的融水可能会在钻头与冰孔接触的地方再次冻结，严重时可能会发生卡钻等事故；其三，冰层中受到地质作用易形成冰裂隙和破碎带，其会导致钻进过程中钻井液大量流失，极大降低钻进效率；其四，冰层钻进过程中易发生坍塌掉块等事故，严重影响钻进效率，甚至导致后续作业失败。
4.针对上述技术挑战的第一点和第二点，常规地质取心钻探装备由于极地恶劣的气候条件和复杂的冰下环境，已经不适用于极地钻探。目前，国际上普遍使用铠装电缆式电动机械取心钻具进行极地深冰心钻探工作。自1964年arutunoff公司的电动机械钻具经过crrel（美国寒区研究与工程实验室）改进并被用于冰川科学研究后，电缆式电动机械钻具开始更为广泛地应用于极地科学领域。此后包括美国，丹麦，俄罗斯，中国等国家至少研发了8种钻井液孔底循环的电缆式电动机械钻具。而针对挑战的第三点和第四点，国际上普遍采用钻井液循环进行护壁，但也难免会遇到钻井液大量漏失的情况，极地钻探由于其环境的特殊性通常采用的钻井液多为航空煤油和硅油，因此钻井液的大量漏失也会造成施工成本的巨大损失。若采用常规膨胀套管护壁，则需要将钻杆一节节连接将膨胀器下放至需要堵漏的地层，且需要泵送泥浆至膨胀套管内部进行液力膨胀，但这在温度极低，且交通运输不便的极地实施起来极为困难。
5.考虑到极地独特的环境，为节省极地钻探过程中护壁的作业成本，减少钻井液漏失，提高护壁效率，有必要设计一款用于极地钻探护壁的，可以适配铠装电缆钻具的膨胀套管及膨胀器。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出一种适配电缆式电动机械钻具的极地钻探护壁设备及施
工方法。其可以适配铠装电缆电动机械钻具，并采用高压气体对膨胀波纹管进行从加压膨胀的方式，从而大大节省了极地钻探过程中护壁的作业成本，减少钻井液漏失，提高护壁效率，为实现中国的极地科学钻探目标提供了更多技术支撑。
7.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种适配电缆式电动机械钻具的极地钻探护壁设备，包括气泵、高压气体管线、驱动装置、偏心球形胀管器、膨胀波纹管，所述高压气体管线包裹在适配电缆式电动机械钻具的铠装电缆中，工作时，驱动装置的外管上端与适配电缆式电动机械钻具的配重装置连接，驱动装置的外管下端通过过渡接头与膨胀波纹管的上端可拆连接，膨胀波纹管的下端设有下堵头，通过适配电缆式电动机械钻具的铠装电缆将膨胀波纹管下放到极地的漏失地层处时，所述的气泵通过高压气体管线向膨胀波纹管中输入高压气体，在高压气体的作用下，使膨胀波纹管向外膨胀到预设的程度。通过控制电机反向转动，使得驱动装置的外管与过渡接头脱开连接，并断开电磁铁的开关，使得下部的偏心球形胀管器向下落下，直至膨胀波纹管处；所述驱动装置驱动偏心球形胀管器转动，转动的球形胀管器使膨胀波纹管进一步膨胀，至到膨胀波纹管紧贴在漏失地层处的破碎孔壁上。
8.进一步地，所述的驱动装置，包括电磁铁、电机、上部联轴器、减速器、下部联轴器、限位环和所述的外管，所述电磁铁设在外管内且靠近外管的上端，用以通过磁吸将电机固定在外管内，电机通过上部联轴器与减速器的输入轴连接，减速器的轴出轴通过下部联轴器与偏心球形胀管器连接，限位环固定在外管内且靠近外管的下端，当电磁铁断电时，电机、上部联轴器、减速器、下部联轴器和偏心球形胀管器一起下落，直到下部联轴器支撑到限位环上，偏心球形胀管器伸入到所述的膨胀波纹管中，电机通过减速器驱动偏心球形胀管器在膨胀波纹管中转动；所述外管下端通过过渡接头与膨胀波纹管的上端螺纹连接，电机反向转动时，使得外管与膨胀波纹管脱开。
9.进一步地，所述外管的上端口处设有上密封堵头，电机的电源线和所述的高压气体管线从上密封堵头中穿过。
10.进一步地，所述膨胀波纹管的长度不小于极地的漏失地层的厚度。
11.进一步地，所述膨胀波纹管是由多节构成，节与节之间采用焊接方式。
12.进一步地，所述膨胀波纹管的外壁上分布有多个三角锥，当膨胀波纹管膨胀后，所述的三角锥楔进冰层中，用以增大与冰层之间的摩擦阻力；所述膨胀波纹管中设有封隔器。
13.进一步地，所述膨胀波纹管的管壁向膨胀波纹管的中心方向凹进去，形成了沿膨胀波纹管的轴线方向布置的长条状凹槽，所述长条状凹槽设有两个，两个长条状凹槽在膨胀波纹管上对称分布。
14.进一步地，所述的膨胀波纹管材质为低合金高强度钢或微合金钢，这种合金钢的特点是：
①
具有良好的塑性变形能力；
②
较高的抗拉强度；
③
较低的屈服强度；
④
较良好的焊接性能；所述下堵头的材质为铝。材质铝便于膨胀波纹管护壁结束后，再次下放铠装电缆钻具能顺利钻穿下堵头，并进行后续的冰层钻进。
15.进一步地，所述适配电缆式电动机械钻具包括依次连接的铠装电缆、电缆连接部件、滑环组件、反扭装置、高压密封舱体和配重装置，所述的铠装电缆内部有若干电源线、信号线及所述的高压气体管线，中间被耐高压耐腐蚀密封尼龙层包裹，外部则有钢丝缠绕；所述的电源线依次穿过电缆连接部件、滑环组件、反扭装置、高压密封舱体及配重装置的内部
通道，一部分电源线连接在所述的电磁铁上，另一部分电源线连接到驱动装置内部的电机上；所述的信号线依次穿过电缆连接部件、滑环组件及反扭装置内部通道，直至连接到高压密封舱体内的多个传感器等电子元器件上；所述的高压气体管线直通到驱动装置的外管中。
16.进一步地，所述的电缆连接部件用以连接铠装电缆的底部，其下部的铠装电缆锁紧装置可将铠装电缆固定加紧的同时也将电源线和信号线从其内部传递到下方；所述的滑环组件内部分上下两部分，中间安装有滚动轴承和圆锥滚子轴承，可以保证滑环组件下部的钻具部分发生转动时，上方的部件不会跟着旋转，以防止造成铠装电缆的缠绕，损伤电缆；所述的反扭装置为了平衡钻进时产生的扭矩，其位于滑环部件的下端，四周通过连杆机构连接4个反扭刀，反扭刀径向伸展的程度可通过下部锁紧螺母和特制弹簧进行调整，所述的反扭刀上下两端都为圆弧状，便于在冰层中上下滑动；所述的高压密封舱体，用于存放钻具内控制和检测系统，内部通过固定机构安装有温度传感器，压力传感器，方位角传感器等多种传感器原件及部分监测孔底状态的装置，其可在30mpa液体环境压力下不发生泄漏，防止钻井液进入对电路板造成破坏，同时也可降低对电子元器件的耐压要求，其信号通过所述的信号线连接，并将信号传输至钻采平台的控制台上；所述的配重装置，内部可以根据需要，添加不同数量的配重块，从而可以调节每次下钻时的最大钻压。
17.本发明的有益效果在于：本专利采用铠装电缆式电动机械钻具和石油钻井膨胀器相结合的结构形式，不再需要将钻杆一节节连接将极地钻探护壁设备下放至需要堵漏的地层，也不需要泵送泥浆至膨胀波纹管内部进行液力膨胀，而是将电动机械钻具的上部与所研制的膨胀器与膨胀套管固定安装之后，通过铠装电缆将整套设备下放至需要堵漏的地层，通过高压气体膨胀膨胀波纹管，以达到初步膨胀的效果。控制电机反向转动，使得驱动装置的外管与过渡接头脱开连接，并断开电磁铁的开关，使得下部的偏心球形胀管器向下落下，直至膨胀波纹管处；通过驱动装置带动偏心球形胀管器旋转，将膨胀波纹管膨胀至紧贴在破碎孔壁上，以达到护壁堵漏的效果，该发明的实施可以节省极地钻探过程中护壁的作业成本，减少钻井液漏失，提高护壁效率，为实现中国的极地科学钻探目标提供了更多技术支撑。
附图说明
18.利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图：图1是本发明的结构示意图；图2为图1所示的膨胀波纹管的横截面图。
19.图中：1-铠装电缆；2-电缆连接部件；3-弹簧；4-铠装电缆锁紧装置；5-滑环组件；6-反扭装置；7-高压密封舱体；8-配重装置；9-管线；10-冰层；11-密封堵头；12-电磁铁；13-电机；14-上部联轴器；15-减速器；16-下部联轴器；17-偏心球形胀管器；18-过渡接头；19-膨胀波纹管；20-封隔器；21-驱动装置；22-外管；23-漏失地层；24-限位环；25-下堵头；26、三角锥；27、长条状凹槽。
具体实施方式
20.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
21.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上表面”、“下表面”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“正转”、“反转”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为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。
22.如图1所示，一种适配电缆式电动机械钻具的极地钻探护壁设备，包括气泵、高压气体管线、驱动装置21、偏心球形胀管器17、膨胀波纹管19，所述高压气体管线包裹在适配电缆式电动机械钻具的铠装电缆1中，工作时，驱动装置21的外管22上端与适配电缆式电动机械钻具的配重装置8连接，驱动装置的外管22下端通过过渡接头18与膨胀波纹管19的上端可拆连接，膨胀波纹管19的下端设有下堵头25，通过适配电缆式电动机械钻具的铠装电缆将膨胀波纹管下放到极地冰层10以下的漏失地层23处时，所述的气泵通过高压气体管线向膨胀波纹管中输入高压气体，在高压气体的作用下，使膨胀波纹管19向外膨胀到预设的程度。此时，膨胀波纹管19外壁的静摩擦力也达到一定数值，通过控制电机反向转动，使得驱动装置的外管22与过渡接头18脱开连接；并断开电磁铁12的开关，失去了电磁铁12的磁吸作用，其下部的偏心球形胀管器向下落下，直至膨胀波纹管处；所述驱动装置驱动偏心球形胀管器转动，转动的球形胀管器使膨胀波纹管进一步膨胀，至到膨胀波纹管19紧贴在漏失地层23处的破碎孔壁上。
23.所述的驱动装置，包括电磁铁12、电机13、上部联轴器14、减速器15、下部联轴器16、限位环24和所述的外管22，所述电磁铁设在外管内且靠近外管的上端，用以通过磁吸将电机固定在外管内，电机通过上部联轴器与减速器的输入轴连接，减速器的轴出轴通过下部联轴器与偏心球形胀管器17连接，限位环24固定在外管22内且靠近外管22的下端，当电磁铁12断电时，电机13、上部联轴器14、减速器15、下部联轴器16和偏心球形胀管器17一起下落，直到下部联轴器16支撑到限位环24上，偏心球形胀管器17伸入到所述的膨胀波纹管19中，电机13通过减速器15驱动偏心球形胀管器17在膨胀波纹管19中转动；所述外管22下端通过过渡接头18与膨胀波纹管19的上端螺纹连接，电机13反向转动时，使得外管22与膨胀波纹管19脱开。所述外管22的上端口处设有上密封堵头11，电机13的电源线和所述的高压气体管线从上密封堵头11中穿过。
24.所述膨胀波纹管19的长度不小于极地的漏失地层23的厚度，所述膨胀波纹管是由多节构成，节与节之间采用焊接方式。
25.所述膨胀波纹管19的外壁上分布有多个三角锥26，当膨胀波纹管19膨胀后，所述的三角锥26楔进冰层中，用以增大与冰层之间的摩擦阻力；所述膨胀波纹管19中设有封隔器20，所述膨胀波纹管19的管壁向膨胀波纹管的中心方向凹进去，形成了沿膨胀波纹管的轴线方向布置的长条状凹槽27，所述长条状凹槽27设有两个，两个长条状凹槽27在膨胀波纹管19上对称分布。所述的膨胀波纹管材质为低合金高强度钢或微合金钢，这种合金钢的特点是：
①
具有良好的塑性变形能力；
②
较高的抗拉强度；
③
较低的屈服强度；
④
较良好的
焊接性能；所述下堵头的材质为铝。材质铝便于膨胀波纹管护壁结束后，再次下放铠装电缆钻具能顺利钻穿下堵头25，并进行后续的冰层钻进。
26.所述适配电缆式电动机械钻具包括依次连接的铠装电缆1、电缆连接部件2、滑环组件5、反扭装置6、高压密封舱体7和配重装置8，所述的铠装电缆1内部有若干电源线、信号线及所述的高压气体管线，中间被耐高压耐腐蚀密封尼龙层包裹，外部则有钢丝缠绕；所述铠装电缆内的管线9包括高压气体管线、电源线和信号线，其中，电源线依次穿过电缆连接部件2、滑环组件5、反扭装置6、高压密封舱体7及配重装置8的内部通道，一部分电源线连接在所述的电磁铁12上，另一部分电源线连接到驱动装置21内部的电机13上；所述的信号线依次穿过电缆连接部件2、滑环组件5及反扭装置6内部通道，直至连接到高压密封舱体7内的多个传感器等电子元器件上；所述的高压气体管线直通到驱动装置的外管22中。
27.进一步地，所述的电缆连接部件2用以连接铠装电缆的底部，其下部的铠装电缆锁紧装置4可将铠装电缆固定加紧的同时也将电源线和信号线从其内部传递到下方，铠装电缆锁紧装置4上顶压有弹簧3；所述的滑环组件5内部分上下两部分，中间安装有滚动轴承和圆锥滚子轴承，可以保证滑环组件下部的钻具部分发生转动时，上方的部件不会跟着旋转，以防止造成铠装电缆的缠绕，损伤电缆；所述的反扭装置6为了平衡钻进时产生的扭矩，其位于滑环部件的下端，四周通过连杆机构连接4个反扭刀，反扭刀径向伸展的程度可通过下部锁紧螺母和特制弹簧进行调整，所述的反扭刀上下两端都为圆弧状，便于在冰层中上下滑动；所述的高压密封舱体7，用于存放钻具内控制和检测系统，内部通过固定机构安装有温度传感器，压力传感器，方位角传感器等多种传感器原件及部分监测孔底状态的装置，其可在30mpa液体环境压力下不发生泄漏，防止钻井液进入对电路板造成破坏，同时也可降低对电子元器件的耐压要求，其信号通过所述的信号线连接，并将信号传输至钻采平台的控制台上；所述的配重装置8，内部可以根据需要，添加不同数量的配重块，从而可以调节每次下钻时的最大钻压。
28.利用本专利适配电缆式电动机械钻具的极地钻探护壁设备进行护壁的施工方法，具体包括以下步骤：步骤1、首先进行测井，确定漏失位置和井眼尺寸；步骤2、根据漏失地层的厚度，通过焊接的方式制作相应长度的膨胀波纹管；步骤3、然后开始安装钻具及设备，安装时，首先将铠装电缆1与电缆连接部件2上的铠装电缆锁紧装置4固定锁紧；然后依次安装滑环组件5、反扭装置6、高压密封舱体7、配重装置8、驱动装置21、偏心球形胀管器17和膨胀波纹管19；步骤4、将整套设备安装好后，将设备通过铠装电缆1下放穿过冰层10直至漏失地层23；步骤5、气泵通过向铠装电缆1中的高压气体管线输送高压气体，将下部的膨胀波纹管19进行加压膨胀，待膨胀到一定压力后，通过上提铠装电缆1观察和求取膨胀波纹管19的静摩擦力；步骤6、控制电机13反向转动，使得驱动装置21的外管22与过渡接头18脱开连接；步骤7、将钻具上提一定距离后，断开电磁铁12的开关，失去了电磁铁12的磁吸作用，其下部的电机13、上部联轴器14、减速器15、下部联轴器16和偏心球形胀管器17向下落下，直至下部联轴器16的一端坐落到驱动装置外管内部的限位环24上；
步骤8、控制电机13正向转动，带动下面的偏心球形胀管器17跟着旋转，随着偏心球形胀管器17的旋转作用，已经膨胀一定程度的膨胀波纹管进一步膨胀，且内壁变得相对光滑平顺；步骤9、待将膨胀波纹管达到预定直径后，通过提升铠装电缆1将整套设备提至地表，并将设备下部的驱动装置21及偏心球形胀管器17拆除，替换成电缆式电动机械钻具原有的钻具和钻头，待钻头钻透膨胀波纹管下端的下堵头25后，便可以继续开展钻进作业。
29.此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。