一种用于高承压水地层的取芯装置及其取芯方法与流程

本发明涉及一种用于高承压水地层的取芯装置。本发明还涉及用于高承压水地层时的取芯装置的取芯方法。

背景技术：

1、在水利水电、矿山开采、水文地质监测等工程施工时，要对地下的地层状况进行地质勘探，以此分析地层岩性状况，进而为后续工程的顺利进行提供可研依据，钻探取芯作为一种常用的分析地质状况的技术手段被广泛应用在钻探等领域中。在钻探勘察中，高质量的钻孔是确保取芯的关键，但随着钻探深度的增加，地下水的状况愈加复杂，所面临的问题也会越来越复杂。在深部地层勘探施工时，尤其是遇到高承压水地层，会给钻探工作的顺利进行带来巨大的挑战。高承压水地层不同于上层滞水与潜水等地层，前者呈现出水压高与水量大的特征且水头高度多为未知。

2、因此，高承压水地层钻探勘察时，容易出现大量涌水、喷水、套管失控、孔壁崩坍等现象，影响钻探取芯、地层岩性分析工作的顺利进行，不仅造成财力物力的浪费，还对后续的工程建设的顺利推进产生不利影响。

3、此外，在勘探施工现场中，往往根据钻孔的循环泥浆或涌水情况，凭借经验去调整泥浆的比重，较深的钻孔泥浆从底部返回钻孔顶部需要一定时间，这就使得判断具有一定的滞后性。而高承压水地层钻探时，滞后性的可能会错过最佳调整泥浆比重的时机，既而影响钻探取芯的效果。

4、高承压水地层在完成地质勘探的钻孔取芯后，由于承压水层水头与钻孔开口位置的相对高度未知，且高承压水地层钻进取芯难度较大，若忽视对取芯完孔后钻孔的长期稳定性保障问题，随着时间的增加，承压水逐渐外渗，会导致钻孔稳定性逐渐降低，进而导致钻孔崩塌。

5、因此，开发一种保障高承压水地层钻孔取芯的进行，以及取芯完孔后维持钻孔的长期稳定的取芯装置及方法很有必要。

技术实现思路

1、本发明的第一目的是为了提供一种用于高承压水地层时的取芯装置，提高钻孔的质量，保障高承压水地层钻孔取芯的进行，以及取芯完孔后维持钻孔的长期稳定，减少灾害发生。

2、本发明的第二目的是为了提供用于高承压水地层时的取芯装置的取芯方法，该方法应用于钻孔设计深度地层具有较高承压水的水利水电工程、矿山开采、水文地质监测、等地质钻探取芯领域中，可提高钻孔取芯阶段的成孔质量，减少钻孔坍塌、坏孔情况发生的方法；解决高承压水地层的钻心取芯过程中容易产生大量涌水，导致孔璧严重剥落、坍塌与坏孔问题。

3、为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：一种用于高承压水地层时的取芯装置，其特征在于：包括套管结构、套管接头和防止钻杆冒水结构；

4、多个套管结构通过套管接头纵向连接；

5、钻杆由上至下穿过套管结构、套管接头，下端与防止钻杆冒水结构连接；

6、防止钻杆冒水结构位于岩芯管上方；

7、防止钻杆冒水结构上设置泥浆进孔和排水孔；泥浆进孔呈垂直布置、且与岩芯管连通；排水孔呈水平布置、且与岩芯管连通；

8、泥浆孔单向阀门位于泥浆进孔下端、且位于泥浆进孔与岩芯管的连通处；

9、出水孔单向阀门设置在排水孔出口端、且位于防止钻杆冒水结构侧壁上；

10、水压传感器设置在排水孔的出口端、且位于出水孔单向阀门内侧。

11、在上述技术方案中，套管结构上端的连接处设置外螺纹、下端的连接处设置内螺纹；

12、防水条位于套管结构内，且设置在套管结构上、下两端连接处的内侧；

13、支撑装置设置在套管结构的外侧壁上。

14、在上述技术方案中，支撑装置与套管结构的夹角α小于0度；

15、支撑装置有多个；多个支撑装置间隔设置在套管结构的外侧壁上。

16、在上述技术方案中，多个套管结构的内径由上至下依次递减。

17、在上述技术方案中，套管接头呈上下两端开口的中空阶梯型管结构；

18、套管接头的上端接头内径大于下端接头内径；

19、套管接头的上端接头口设置外螺纹、下端接头口设置内螺纹；

20、胶条位于套管接头内，且分别位于套管接头的上、下端接头口内侧；

21、钻杆接头位于套管接头内、且位于套管接头的上端接头与下端接头的连接处。

22、为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：所述的用于高承压水地层时的取芯装置的取芯方法，其特征在于：包括如下步骤，

23、步骤一：确定钻孔开孔位置及方位；

24、根据地质勘察要求，对钻孔现场进行初步平整处理，采用全站仪等仪器测放钻孔方位，并在钻孔孔位及延长线方向共布设3个观测点位，方便工人后续对钻机安装调试测量与操作；

25、步骤二：钻机安装与固定；

26、在确定钻孔开孔位置及方位后，要对钻机进行安装与固定：首先开挖钻机基座基槽，基槽开挖完成经测量检查与设计基槽尺寸无误后，浇筑钻机基座混凝土；考虑到高承压水地层需加强钻机的固定，采用锚杆预埋钻机地脚螺杆(如12根螺杆)，并固定在钢板上；为保证预埋螺杆位置的准确性，将制作好的预埋螺杆安装固定在木模板框架上，并整体放入基槽浇筑，通过水平尺控制基座浇筑过程中平整度；基座浇筑待凝24小时后安装钻机，通过调整回转器角度调整钻孔角度；

27、步骤三：确定开挖预埋钻具的基槽；

28、将开孔短钻具连接到主动钻杆上，找准并标记开孔的具体位置；卸掉开孔钻具，向后移开钻机，开设钻具基槽；

29、步骤四：将钻具浇筑在基槽；

30、将开孔钻具用混凝土浇筑在基槽内，混凝土浇筑过程中，避免对开孔钻具产生撞击；

31、步骤五：钻进取芯；

32、混凝土终凝后钻进取芯，为保证高承压水地层的钻探取芯的顺利，取芯时采用套管程序，增强孔壁的稳定性，针对地下承压水层的变化情况，可采取多开套管的方式进行钻探取芯，不同直径的套管，通过设计的接头进行连接，并对套管接口处进行设计，保障接口的密封性，减小套管内流量；为防止套管贴着管壁，对套管四周进行设计，确保套管稳定性；

33、步骤六：封孔；

34、在钻孔取芯结束后，采用一定粒径级配的骨料进行封孔。

35、在上述技术方案中，为防止钻杆冒水情况的出现，在钻杆与套管接口处设置防冒水装置；

36、在排水孔的出口端水压传感器，在钻进的过程中根据水压的变化情况及时调整泥浆比重，确保钻孔稳定。

37、本发明具有如下优点：

38、本发明公开了一种适用于高承压水地层的钻孔取芯的装置与方法，该方法可以较好的保证在高承压水(所述高承压在0.3mpa以内)地层下钻孔的稳定性，利于钻孔取芯；引入了水压传感器可通过设备实时监测水压状况，及时的调整泥浆的比重，确保较好的平衡地压，达到护壁的效果；并将水压状况、采取的泥浆比重、钻进效果等做好记录，结合后续取芯的岩石强度等力学特性，建立一个多维的数据库。通过机器学习的方式，可以预测水压和泥浆比重近似关系(即，通过水压水压传感器记录钻进过程中的水压，通过钻进的效果调整泥浆的比重，并做好记录；分析取得岩心的力学参数；将水压、泥浆比重、岩心的力学参数统计出来，建立一个数据库；对数据库进行分析；结合地层状况预测承压水钻进过程中泥浆和水压的近似比)。