CN105986775B - 海洋第四系钻探组合取芯方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涉及钻探技术领域的海洋第四系钻探组合取芯方法，本发明包括以下步骤：1)孔底绳索锤击取芯器进行取芯；2)当孔底绳索锤击取芯器遇到坚硬粘土层时，采用平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器进行取芯；3)打捞平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器；4)当样品是颗粒粒径大于细砂的砂质土层或者样品是砾石土层，且平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器出现报警信号时，重复步骤1)的操作；当样品的颗粒粒径是坚硬粘土层时，且平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器出现报警信号时，则调高取芯器开启压力，采用平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器取芯，再重复步骤3)。本发明互换两种方式取芯工艺，能够达到提高取芯效率的目的。

Description

海洋第四系钻探组合取芯方法

技术领域

本发明涉及钻探技术领域，特别是涉及一种海洋第四系钻探组合取芯方法。

背景技术

抛锚式钻探船对天气反应敏感，钻探施工往往要选择小潮汛和风浪小时，否则需起钻起锚规避。目前国内抛锚式“勘407轮”工程钻探船利用潜孔绳索锤击取芯技术完成了东部陆架区最深科学钻探，钻穿南黄海海底第四系，钻孔水深56m，孔深300m。采用孔底绳索锤击取芯器的工艺在第四系深孔钻探中，也遇到了前所未有的挑战：孔底绳索锤击取芯岩心管在重锤冲击下难以贯入坚硬粘土层，回次无法获取长样品，受其粘性真空吸附影响，孔底绳索锤击取芯岩心管难以拔离地层，钻探取芯效率低下。海洋环境变化多端，深孔钻探效率越低，施工时间越长，施工风险越大。施工期间很有可能因为天气恶劣变化，起钻起锚规避，同时不具备重返孔口技术，避风离开后就会导致前面施工前功尽弃，甚至由于天气原因形成恶性循环。钻探深孔施工十分苛刻，基本要求开孔至终孔一次终孔，而深孔钻探风险大，深孔钻探取芯技术不够成熟。国内大陆钻探项目刚刚启动，后续还有大量深孔要打，还有很多工作要做。根据环境与地质研究需要，地质钻孔往往要打穿第四系，都是深孔。因此对于复杂多变的海洋环境，如何提高深孔钻探的取芯效率，是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明解决的技术问题在于提供一种结构简单，使用方便，能够提高取芯效率的海洋第四系钻探组合取芯方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种海洋第四系钻探组合取芯方法，包括以下步骤：

1)将孔底绳索锤击取芯内管总成用钢丝绳牵引投放到外管总成中，构成孔底绳索锤击取芯器，采用孔底绳索锤击取芯器进行海洋第四系地层锤击取芯；

2)将孔底绳索锤击取芯内管总成拉出，当孔底绳索锤击取芯器遇到坚硬粘土层时，将平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成投放到外管总成中，构成平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器，进行海洋第四系地层随钻回转取芯；

3)打捞平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器；

4)对平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器取出的样品进行判断，当平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器中样品是颗粒粒径大于细砂的砂质土层或者样品是砾石土层，且平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器出现报警信号时，则重复步骤1)的操作；当平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器中的样品的颗粒粒径是坚硬粘土层时，且平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器出现报警信号时，则调高取芯器开启压力，将平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成投放到外管总成中，构成平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器，进行海洋第四系地层随钻回转取芯，再重复步骤3)。

优选地，所述平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成的外径与所述孔底绳索锤击取芯内管总成的外径相等，所述平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成的外径和所述孔底绳索锤击取芯内管总成的外径均与外管总成的内径相适配。

进一步地，所述外管总成的内壁上设有座环；所述平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成包括由上到下依次连接的悬挂机构、平衡波浪升沉机构、调节单动机构；所述悬挂机构包括悬挂接头和悬挂环，所述悬挂环套设在所述悬挂接头的外壁上，所述悬挂环放置于所述座环上，所述悬挂接头的侧壁上设有液体侧部流动通孔；所述平衡波浪升沉机构包括由上到下依次连接的报警堵头短接件、液压筒和挡头，以及由上到下依次连接的活塞总成、中空活塞杆和分水接头；所述报警堵头短接件包括短接件本体，所述短接件本体的中部沿轴向设有堵头本体，所述堵头本体的径向两侧分别设有液体流道，所述短接件本体的上端与所述悬挂接头的下端连接，所述液体流道与所述悬挂接头的中空内腔连通；所述挡头上设有轴向通孔；所述活塞总成设置于所述液压筒的内部且可相对于所述液压筒沿轴向移动，所述活塞总成将所述液压筒分隔为互相不连通的活塞上腔和活塞下腔，所述活塞上腔与所述液体流道连通，所述活塞总成的顶部设有与所述堵头本体相应的滑阀进水通道；所述中空活塞杆穿出所述挡头的轴向通孔，所述中空活塞杆的中空内腔与所述滑阀进水通道连通；所述分水接头与所述调节单动机构连接，所述分水接头上设置有分水侧部通孔，所述分水侧部通孔与所述中空活塞杆的内腔连通；所述中空活塞杆的径向截面为六边形，所述挡头的轴向通孔的径向截面的形状与所述中空活塞杆的径向截面的形状相应；当所述活塞总成达到上行极限位置时，所述分水接头与所述挡头接触，且所述堵头本体伸入所述滑阀进水通道中，此时，产生报警信号；当所述活塞总成达到下行极限位置时，所述活塞总成与所述挡头接触；平衡波浪升沉岩芯管的底端设有回转取芯刀头；所述外管总成的底端设有钻头。

更进一步地，所述活塞总成包括由上到下依次连接的进水接头、滑阀进出水接头、活塞腔短管和中间转换接头；所述进水接头的中空内腔和所述滑阀进出水接头的中空内腔构成所述滑阀进水通道，所述中间转换接头与所述中空活塞杆连接，所述活塞腔短管的中空内腔分别与所述滑阀进水通道和所述中空活塞杆的中空内腔连通；所述滑阀进出水接头的外壁上套设有密封圈，所述密封圈与所述液压筒的内壁过盈配合。

再进一步地，所述活塞总成还包括设置于所述活塞腔短管的中空内腔中的弹簧腔上接头、弹簧腔下接头、弹簧本体、弹簧座和滑阀本体，所述弹簧腔上接头的上端与所述滑阀进出水接头的下端固定连接，所述弹簧腔上接头的上端设有传动通孔，所述传动通孔的中轴线与所述滑阀进水通道的中轴线共线，所述传动通孔的径向两侧分别设有阀体分水通道，所述阀体分水通道与所述传动通孔连通；所述弹簧腔上接头的下端与所述弹簧腔下接头连接，形成弹簧放置腔，所述弹簧本体、弹簧座和滑阀本体均设置于所述弹簧放置腔中，所述弹簧座卡入于所述弹簧放置腔的底部，所述弹簧本体的下端套设在所述弹簧座上，所述弹簧本体的上端与所述滑阀本体的下端连接，所述滑阀本体的上端穿出所述传动通孔。

再进一步地，所述弹簧腔下接头的下端设有调节通孔；所述活塞腔短管的内腔中还设有调节螺栓，所述调节螺栓从所述调节通孔的底部穿入所述调节通孔中，所述调节螺栓的上端与所述弹簧座的下端接触；步骤4)中所述取芯器开启压力就是钻井液推动活塞总成向下贯入地层所需达到的压力，转动所述调节螺栓使所述弹簧本体的压缩量增大，钻井液推动活塞总成向下移动所需达到的压力随着所述弹簧本体的压缩量增大而变大。

再进一步地，所述弹簧腔下接头的下部设置有阀体导流侧部通孔，所述阀体导流侧部通孔将所述弹簧放置腔与所述活塞腔短管的内腔连通。

更进一步地，所述液压筒的下部设有活塞导流通孔，所述活塞导流通孔将所述活塞下腔与所述外管总成连通。

更进一步地，所述调节单动机构包括芯轴、背帽、中空轴承上接头、轴承套、推力轴承和轴承支套，所述芯轴的上端与所述分水接头螺纹连接，所述背帽套在所述芯轴上且处于所述分水接头的底端，所述背帽与所述芯轴螺纹啮合连接，所述背帽将所述芯轴与所述分水接头固定连接，所述芯轴的下端穿过所述轴承套，所述轴承套通过紧固件与所述芯轴连接，所述中空轴承上接头和所述轴承支套均处于所述轴承套的外部，所述中空轴承上接头处于所述轴承支套的上方，所述推力轴承处于所述中空轴承上接头的内部，所述中空轴承上接头和所述轴承支套均通过所述推力轴承与所述轴承套连接，所述轴承支套的下部与所述平衡波浪升沉岩芯管固定连接；在步骤4)中，当调高取芯器开启压力后，平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器出现报警信号时，将所述背帽松开，旋转所述芯轴，所述芯轴拧进所述分水接头，使所述回转取芯刀头较钻头内缩，之后再拧紧所述背帽，锁紧所述芯轴。

进一步地，所述孔底绳索锤击取芯内管总成包括钢丝绳、重锤、锤头、花管上挡头、花管、锤座单向阀和孔底绳索锤击取芯岩心管，所述花管上挡头、所述花管、所述锤座单向阀和所述孔底绳索锤击取芯岩心管由上到下依次连接，所述重锤的上端和下端分别连接所述钢丝绳和所述锤头，所述重锤伸入所述花管中，所述花管上挡头的内径小于所述花管的内径，且大于所述重锤的直径；所述锤头的外径小于所述花管的内径，且大于所述花管上挡头的内径；卷扬提放所述钢丝绳可带动所述重锤和所述锤头沿着所述花管的轴向移动，所述孔底绳索锤击取芯岩心管的底端设有孔底绳索锤击取芯刀头；当所述锤头锤击所述锤座单向阀时，所述锤座单向阀带动所述孔底绳索锤击取芯岩心管向下移动，所述孔底绳索锤击取芯刀头贯入海洋第四系的土层中；当打捞所述孔底绳索锤击取芯岩心管时，卷扬提升所述重锤，所述花管上挡头卡住所述锤头，所述孔底绳索锤击取芯内管总成被拔离海洋第四系的土层。

如上所述，本发明所述的海洋第四系钻探组合取芯方法，具有以下有益效果：

采用孔底绳索锤击取芯器通过重锤锤击贯入地层，对砂质土层、软塑至硬塑粘土层具有很好取芯效果，但是孔底绳索锤击取芯器对于坚硬粘土层，钻探取芯效率低下，在重锤冲击下孔底绳索锤击取芯刀头难以贯入坚硬粘土层中，回次无法获取长样品，孔底绳索锤击取芯岩心管受坚硬粘土层强粘性真空吸附，难以拔离地层。平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器的工艺特点是：外管总成旋转钻头切削岩屑，泥浆循环冲洗孔底岩屑，回转取芯刀头只下压不转动，挤压修整前方样品进平衡波浪升沉岩芯管，封隔泥浆冲蚀，平衡波浪升沉岩芯管不受坚硬粘土层粘性真空吸附影响，具有较好取芯效果和回次长度。第四系地层软硬变化快，复杂多变，根据不同地层和要求，互换两种方式取芯工艺，能够达到提高取芯质量和效率的目的。

附图说明

图1显示为本实施例中孔底绳索锤击取芯器和平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器没有安装时的结构示意图。

图2显示为本实施例中平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器处于上行极限位置时的结构示意图。

图3显示为本实施例中平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器处于上行极限位置时的放大结构示意图。

图4显示为图2中的A-A向的结构示意图。

图5显示为本实施例中平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器处于下行过程中的结构示意图。

图6显示为图5中B处的放大示意图。

图7显示为本实施例中孔底绳索锤击取芯器的结构示意图。

图8显示为本实施例中孔底绳索锤击取芯器的放大结构示意图。

附图标号说明

100 外管总成

110 座环

120 扶正环

130 弹卡室

140 弹卡挡头

200 平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成

201 平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器

210 悬挂机构

211 悬挂接头

2111 液体侧部流动通孔

212 悬挂环

20 平衡波浪升沉机构

240 报警堵头短接件

241 短接件本体

242 堵头本体

243 液体流道

250 液压筒

251 活塞上腔

252 活塞下腔

253 活塞导流通孔

260 挡头

270 活塞总成

2701 滑阀进水通道

271 进水接头

272 滑阀进出水接头

273 活塞腔短管

2731 调节螺栓

274 中间转换接头

275 密封圈

2751 压环

2761 弹簧腔上接头

2762 弹簧腔下接头

2763 传动通孔

2764 阀体分水通道

2765 弹簧放置腔

2766 调节通孔

2767 阀体导流侧部通孔

277 弹簧本体

278 弹簧座

279 滑阀本体

280 中空活塞杆

290 分水接头

291 分水侧部通孔

220 调节单动机构

221 芯轴

222 中空轴承上接头

2231 轴承套

2232 推力轴承

2233 轴承支套

224 紧固件

225 背帽

226 黄油杯体接头

230 平衡波浪升沉岩芯管

30 打捞机构

40 弹卡机构

41 弹簧销

42 回收管

43 弹簧件

44 弹卡本体

45 第一弹卡销

46 弹卡座

47 弹卡架

48 第二弹卡销

50 回转取芯刀头

60 钻头

71 短连接管

72 单向球阀

300 孔底绳索锤击取芯内管总成

301 孔底绳索锤击取芯器

310 钢丝绳

320 重锤

330 锤头

340 花管上挡头

350 花管

360 锤座单向阀

370 孔底绳索锤击取芯岩心管

371 孔底绳索锤击取芯刀头

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1、图2和图7所示，本实施例的海洋第四系钻探组合取芯方法包括：包括以下步骤：

1)将孔底绳索锤击取芯内管总成300用钢丝绳310牵引投放到外管总成100中，构成孔底绳索锤击取芯器301，采用孔底绳索锤击取芯器301进行海洋第四系地层锤击取芯；

2)将孔底绳索锤击取芯内管总成300拉出，当孔底绳索锤击取芯器301遇到坚硬粘土层时，将平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成200投放到外管总成100中，构成平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201，进行海洋第四系地层随钻回转取芯；

3)打捞平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201；

4)对平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201取出的样品进行判断，当平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201中样品是颗粒粒径大于细砂的砂质土层或者样品是砾石土层，且平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201出现报警信号时，则重复步骤1)的操作；当平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201中的样品是颗粒粒径是坚硬粘土层时，且平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201出现报警信号时，则调高取芯器开启压力，将平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成200投放到外管总成100中，构成平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201，进行海洋第四系地层随钻回转取芯，再重复步骤3)。

由于孔底绳索锤击取芯器301对坚硬粘土层的取芯效率低于平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201，所以在步骤2)中，当孔底绳索锤击取芯器301遇到坚硬粘土层时，将孔底绳索锤击取芯器301替换为平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201。平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201的初始设置中会设定取芯困难的标准，当时平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201取芯困难时，会出现报警信号；由于平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201对颗粒粒径大于细砂的砂质土层或者颗粒是砾石土层的取芯效率低于孔底绳索锤击取芯器301，所以在步骤4)中，当平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201中样品是颗粒粒径大于细砂的砂质土层或者样品是砾石土层，且平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201出现报警信号时，将平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201替换为孔底绳索锤击取芯器301。而在步骤4)中，颗粒粒径是坚硬粘土层时，可调高取芯器开启压力，继续使用平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201取芯。本发明根据不同地层和要求，将两种取芯器进行互换，能够达到提高取芯质量和效率目的。

由于第四系地层软硬变化快，复杂多变，在实际操作中，两种取芯器的互换可根据实际取芯效果确定。

平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成200的外径与孔底绳索锤击取芯内管总成300的外径相等，平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成200的外径和孔底绳索锤击取芯内管总成300的外径均与外管总成100的内径相适配。该结构使本发明只需要采用一个外管总成100，根据不同地层，在该外管总成100中插入相应的平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成200或者孔底绳索锤击取芯内管总成300，进行取芯操作。

如图2至图6所示，外管总成100的内壁上设有座环110和扶正环120；

平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成200包括由上到下依次连接的打捞机构30、弹卡机构40、悬挂机构210、平衡波浪升沉机构20、调节单动机构220和平衡波浪升沉岩芯管230；

悬挂机构210包括悬挂接头211和悬挂环212，悬挂环212套设在悬挂接头211的外壁上，悬挂环212放置于座环110上，悬挂接头211的侧壁上设有液体侧部流动通孔2111；

平衡波浪升沉岩芯管230的外壁与扶正环120的内壁接触；

平衡波浪升沉机构20包括由上到下依次连接的报警堵头短接件240、液压筒250和挡头260，以及由上到下依次连接的活塞总成270、中空活塞杆280和分水接头290；报警堵头短接件240包括短接件本体241，短接件本体241的中部沿轴向设有堵头本体242，堵头本体242的径向两侧分别设有液体流道243，短接件本体241的上端与悬挂接头211的下端连接，液体流道243与悬挂接头211的中空内腔连通；挡头260上设有轴向通孔；活塞总成270设置于液压筒250的内部且可相对于液压筒250沿轴向移动，活塞总成270将液压筒250分隔为互相不连通的活塞上腔251和活塞下腔252，活塞上腔251与液体流道243连通，活塞总成270的顶部设有与堵头本体242相应的滑阀进水通道2701；中空活塞杆280穿出挡头260的轴向通孔，中空活塞杆280的中空内腔与滑阀进水通道2701连通；分水接头290与调节单动机构220连接，分水接头290上设置有分水侧部通孔291，分水侧部通孔291与中空活塞杆280的内腔连通；

中空活塞杆280的径向截面为多边形，挡头260的轴向通孔的径向截面的形状与中空活塞杆280的径向截面的形状相应；

当活塞总成270达到上行极限位置时，分水接头290与挡头260接触，且堵头本体242伸入滑阀进水通道2701中；当活塞总成270达到下行极限位置时，活塞总成270与挡头260接触。

本实施例中，悬挂接头211为中空结构，悬挂环212放置于座环110上，悬挂环212与座环110之间没有间隙，液体侧部流动通孔2111处于悬挂环212的上方。

中空活塞杆280的径向截面为多边形，多边形就是由三条或三条以上的线段首尾顺次连接所组成的封闭图形，挡头260的轴向通孔的径向截面的形状与中空活塞杆280的径向截面的形状相应，中空活塞杆280的外壁与挡头260的轴向通孔为间隙配合，中空活塞杆280与挡头260的轴向通孔不会产生相对转动，该结构使外管总成100转动时，平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成200不会随着外管总成100转动。

本实施例中，平衡波浪升沉岩芯管230的底端设置有回转取芯刀头50，外管总成100的底端设有钻头60，该钻头60为三翼硬质合金刮刀钻头。

平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201使用时，活塞总成270可在液压筒250内移动，钻井液通过液压筒250内向活塞总成270产生向下的推力，平衡波浪升沉岩芯管230前方回转取芯刀头50以较小深度微贯入孔底的地层，并且平衡波浪升沉岩芯管230及回转取芯刀头50贯入地层时受到的阻力与活塞总成270向下的推力形成平衡；当钻头60回转进尺，清扫回转取芯刀头50贯入深度周围地层时，平衡打破，回转取芯刀头50随钻头60进尺挤压修整岩芯进平衡波浪升沉岩芯管230，形成动态平衡。活塞总成270在液压筒250内的位置就是活塞总成270在活塞总成270推力与平衡波浪升沉岩芯管230及回转取芯刀头50贯入地层时受到的阻力达到平衡时的位置。外管总成100随波浪升起时，活塞总成270相对液压筒250下沉，钻井液进入液压筒250活塞总成270产生向下的推力，使平衡波浪升沉岩芯管230及回转取芯刀头50保持压紧孔底而不随外管总成100升沉，避免平衡波浪升沉岩芯管230随外管总成100上下窜动，出现磨芯、堵芯的问题，提高了取芯成功率，减少了对岩芯的扰动。

平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201使用时，当活塞总成270达到上行极限位置时，分水接头290与挡头260接触，且堵头本体242伸入滑阀进水通道2701中；当活塞总成270达到下行极限位置时，活塞总成270与挡头260接触；钻井液进入外管总成100的内部，钻井液无法在外管总成100的内壁和悬挂接头211的外壁之间流动，则钻井液通过悬挂接头211的液体侧部流动通孔2111进入悬挂接头211的中空内腔中，之后钻井液流入活塞上腔251、滑阀进水通道2701，再通入中空活塞杆280的中空内腔后，进入分水接头290的分水侧部通孔，随后钻井液流入分水接头290与外管总成100之间的区域；

平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201使用时，回转取芯刀头50挤压修整岩芯进平衡波浪升沉岩芯管230，岩芯卡在平衡波浪升沉岩芯管230或地层过硬时，回转取芯刀头50不能挤压修整岩芯进平衡波浪升沉岩芯管230，活塞总成270向上移动直到处于上行极限位置，报警堵头短接件240堵塞滑阀进水通道2701，则可调高取芯器开启压力，使钻井液推动活塞总成270略微下移，此时，再产生报警信号，通知操作人员打捞取芯器，以判断孔内状况。

中空活塞杆280的径向截面为六边形，挡头260的轴向通孔的径向截面的形状为六边形。该形状既能够防止中空活塞杆280与挡头260的轴向通孔之间形成相对转动，又使中空活塞杆280能够在挡头260的轴向通孔中平稳地移动。

活塞总成270包括由上到下依次连接的进水接头271、滑阀进出水接头272、活塞腔短管273和中间转换接头274；进水接头271的中空内腔和滑阀进出水接头272的中空内腔构成滑阀进水通道2701，中间转换接头274与中空活塞杆280连接，活塞腔短管273的中空内腔分别与滑阀进水通道2701和中空活塞杆280的中空内腔连通；滑阀进出水接头272的外壁上套设有密封圈275，密封圈275与液压筒250的内壁过盈配合。活塞腔短管273的中空内腔提供钻井液流动的空间，活塞总成270内部形成连通中空活塞杆280的中空内腔的通道；密封圈275与液压筒250的内壁过盈配合，密封圈275能够随着进水接头271在液压筒250的内壁中移动。

密封圈275上还设有压环2751，压环2751设置于进水接头271与滑阀进出水接头272的连接处。

活塞总成270还包括设置于活塞腔短管273的中空内腔中的弹簧腔上接头2761、弹簧腔下接头2762、弹簧本体277、弹簧座278和滑阀本体279，弹簧腔上接头2761的上端与滑阀进出水接头272的下端固定连接，弹簧腔上接头2761的上端设有传动通孔2763，传动通孔2763的中轴线与滑阀进水通道2701的中轴线共线，传动通孔2763的径向两侧分别设有阀体分水通道2764，阀体分水通道2764与传动通孔2763连通；

弹簧腔上接头2761的下端与弹簧腔下接头2762连接，弹簧腔上接头2761与弹簧腔下接头2762围成弹簧放置腔2765，弹簧本体277、弹簧座278和滑阀均设置于弹簧放置腔2765中，弹簧座278卡入于弹簧放置腔2765的底部，弹簧本体277的下端套设在弹簧座278上，弹簧本体277的上端与滑阀本体279的下端连接，滑阀本体279的上端穿出传动通孔2763。

活塞腔短管273中的弹簧放置腔2765内的弹簧本体277支撑滑阀本体279，滑阀本体279的上端穿出传动通孔2763且伸入于滑阀进水通道2701中，当钻井液推动滑阀本体279脱离滑阀进水通道2701且滑阀进水通道2701与阀体分水通道2764连通时，钻井液才能进入活塞腔短管273的中空内腔中，滑阀本体279的设置提高了钻井液推动活塞总成270向下移动所需达到的压力。

弹簧腔下接头2762的下端设有调节通孔2766；活塞腔短管273的内腔中还设有调节螺栓2731，调节螺栓2731从调节通孔2766的底部穿入调节通孔2766中，调节螺栓2731的上端与弹簧座278的下端接触；步骤4)中取芯器开启压力就是钻井液推动活塞总成270向下贯入地层所需达到的压力，转动调节螺栓2731使弹簧本体277的压缩量增大，钻井液推动活塞总成270向下移动所需达到的压力随着所述弹簧本体277的压缩量增大而变大。

当转动调节螺栓2731使调节螺栓273向调节通孔2766中移动时，弹簧本体277被压缩，弹簧本体277提供给滑阀本体279的向上的支撑力增大，则钻井液推动活塞总成270向下移动所需达到的压力就增大了，也就是说取芯器开启压力增大了。

弹簧腔下接头2762的下部设置有阀体导流侧部通孔2767，阀体导流侧部通孔2767将弹簧放置腔2765与活塞腔短管273的内腔连通。阀体导流侧部通孔2767将弹簧放置腔2765的中空内腔与活塞腔短管273的中空内腔连通，设置阀体导流侧部通孔2767使弹簧放置腔2765的中空内腔的压力与弹簧放置腔2765的外部的压力接近，使滑阀本体279的移动更稳定、顺畅。

液压筒250的下部设有活塞导流通孔253，活塞导流通孔253将活塞下腔252与外管总成100连通。活塞导流通孔253将活塞下腔252与外管总成100连通，活塞导流通孔253处于挡头260与液压筒250的连接处，活塞导流通孔253的设置使液压筒250的活塞下腔252的压力与液压筒250外部的压力接近，避免中空活塞杆280在下降过程中，活塞下腔252出现压力激动影响活塞总成270在行程内自由移动。

调节单动机构220包括芯轴221、背帽225、中空轴承上接头222、轴承套2231、推力轴承2232和轴承支套2233，芯轴221的上端与分水接头290螺纹连接，背帽225套在芯轴221上且处于分水接头290的底端，背帽225与芯轴221螺纹啮合连接，背帽225将芯轴221与分水接头290固定连接，，背帽225为锁紧螺母，芯轴221的下端穿过轴承套2231，轴承套2231通过紧固件224与芯轴221连接，中空轴承上接头222和轴承支套2233均处于轴承套2231的外部，中空轴承上接头222处于轴承支套2233的上方，推力轴承2232处于中空轴承上接头222的内部，中空轴承上接头222和轴承支套2233均通过推力轴承2232与轴承套2231连接，中空轴承上接头222和轴承支套2233均能够以芯轴221的中轴线作为中心轴相对芯轴221转动，轴承支套2233的下部与平衡波浪升沉岩芯管230固定连接；在步骤4)中，当调高取芯器开启压力后，平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201出现报警信号时，将背帽225松开，旋转芯轴221，芯轴221拧进分水接头290，使回转取芯刀头50较钻头60内缩，之后再拧紧背帽225，锁紧芯轴221。活塞总成270向上移动直到处于上行极限位置时，报警堵头短接件240堵塞滑阀进水通道2701，使回转取芯刀头50较钻头60内缩后，重新将回转取芯刀头50贯入同样的深度，报警堵头短接件240就不堵塞滑阀进水通道2701，从而减少报警的情况，可已进行正常回转取芯。

另外，调节单动机构220避免平衡波浪升沉岩芯管230跟随外管总成100转动，而造成岩芯磨损，同时传递活塞总成270的推力，平衡波浪升沉岩芯管230压紧孔底，同时平衡波浪升沉岩芯管230只下压不转动。

芯轴221的下方还设置有黄油杯体接头226，黄油杯体接头226固定设置于轴承支套2233的底部，本实施例中，紧固件224为螺母。

调节单动机构220与平衡波浪升沉岩芯管230之间还设置有依次连接短连接管71和单向球阀72。

打捞机构30包括打捞矛头，弹卡机构40包括由上到下依次设置的弹簧销41、回收管42、弹簧件43、弹卡本体44、第一弹卡销45、第二弹卡销48、弹卡座46和弹卡架47，弹卡架47与悬挂接头211连接，打捞矛头与弹簧销41连接。

外管总成100的上端设有弹卡挡头140，外管总成100内部还设有与弹卡本体44相应的弹卡室130。

平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201能够应用于海洋第四系地层的钻探取芯，海洋第四系地层坚硬密实。在平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201使用前，将背帽225松开，由于芯轴221的上端与分水接头290的底端螺纹啮合连接，旋转芯轴221，即芯轴221拧进或者拧出分水接头290，就能够调整回转取芯刀头50与钻头60持平，或者调整回转取芯刀头50较钻头60稍微内缩，之后再拧紧背帽225，锁紧芯轴221，即防止芯轴221与分水接头290连接松动。

在使用平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201取芯时，将平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201投放孔底到位，钻井液使平衡波浪升沉机构20推动平衡波浪升沉岩芯管230前伸，借助活塞总成270的推力，回转取芯刀头50只下压不转动，前伸紧压孔底，回转取芯刀头50紧压孔底，回转取芯刀头50微贯入地层形成封闭空间，避免泥浆冲蚀污染，保持钻井液循环正常，开始转动外管总成100，钻头60进尺，随钻头60进尺挤压修整岩芯进平衡波浪升沉岩芯管230，形成动态平衡。外管总成100随波浪升起时，活塞总成270相对液压筒250下沉，钻井液进入液压筒250活塞总成270产生向下的推力，使平衡波浪升沉岩芯管230及回转取芯刀头50保持压紧孔底而不随外管总成100升起，则平衡波浪升沉机构20平衡了外管总成100升起对平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成200的影响。回转取芯刀头50挤压修整岩芯进平衡波浪升沉岩芯管230，当岩芯卡在平衡波浪升沉岩芯管230，或地层过硬，回转取芯刀头50不能挤压修整岩芯进平衡波浪升沉岩芯管230时，活塞总成270向上移动至上移极限位置，报警堵头短接件240堵塞或者减小滑阀进水通道2701，调高取芯器开启压力，推动活塞总成270略微下移，使钻井液能够从活塞上腔251流动至分水接头290，使钻井液向下提供的压力与地层对回转取芯刀头50向上的作用力平衡，当再次出现报警信号时，操作人员打捞本发明，判断孔内状况，然后根据地层变化，改变参数继续钻进取芯。

平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201取芯过程中，外管总成100随船体升沉时，回转取芯刀头50始终紧压孔底，避免了外管总成100对平衡波浪升沉岩芯管230的影响，提高了取芯成功率，减少了岩芯扰动，有效解决了波浪升沉对海洋第四系钻探取芯的影响。

如图7至图8所示，孔底绳索锤击取芯内管总成300包括钢丝绳310、重锤320、锤头330、花管上挡头340、花管350、锤座单向阀360和孔底绳索锤击取芯岩心管370，花管上挡头340、花管350、锤座单向阀360和孔底绳索锤击取芯岩心管370由上到下依次连接，重锤320的上端和下端分别连接钢丝绳310和锤头330，重锤320伸入花管350中，花管上挡头340的内径小于花管350的内径，且大于重锤320的直径；锤头330的外径小于花管350的内径，且大于花管上挡头340的内径；卷扬提放钢丝绳310可带动重锤320和锤头330沿着花管350的轴向移动，孔底绳索锤击取芯岩心管370的底端设有孔底绳索锤击取芯刀头371；当锤头330锤击锤座单向阀360时，锤座单向阀360带动孔底绳索锤击取芯岩心管370向下移动，孔底绳索锤击取芯刀头371贯入海洋第四系的土层中；当打捞孔底绳索锤击取芯岩心管370时，卷扬提升重锤320，花管上挡头340卡住锤头330，孔底绳索锤击取芯内管总成300被拔离海洋第四系的土层。

本实施例中，花管上挡头340、花管350和重锤320均为圆柱形。

由于孔底绳索锤击取芯内管总成300能够在外管总成100中自由通过，孔底绳索锤击取芯器301取芯时不受外管总成100升沉的影响，所以孔底绳索锤击取芯器301特别适合海水锈蚀恶劣的环境和海洋钻探波浪升沉的环境。孔底绳索锤击取芯器301使用时，卷扬提起重锤320后，再放下重锤320，重锤320在重力作用下向下移动，且重锤320克服钻井液的阻力下落，重锤320下端的锤头330锤击锤座单向阀360，锤座单向阀360带动孔底绳索锤击取芯岩心管370向下移动，孔底绳索锤击取芯刀头371贯入海洋第四系的土层中；当打捞孔底绳索锤击取芯岩心管370时，卷扬提升重锤320，花管上挡头340卡住锤头330，孔底绳索锤击取芯内管总成300被拔离海洋第四系的土层，孔底绳索锤击取芯器301使用时不需要专门的打捞机构。

如图1至图8所示，本发明中，平衡波浪升沉岩芯管230的尺寸与孔底绳索锤击取芯岩心管370的尺寸相同，回转取芯刀头50的尺寸与孔底绳索锤击取芯刀头371的尺寸相同，该结构使平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201和孔底绳索锤击取芯器301能够相互兼容。

采用本发明的取芯发放，能够将平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201和孔底绳索锤击取芯器301根据不同土层和要求进行互换，由于两种取芯器共用一个外管总成100，所以本方法能够实现不起钻互换。本发明的两种取芯器均不受外管总成100随船体升沉影响，能适用于缺乏有效升沉、整套钻具会随船体在海面波动升降起伏或钻头与孔底猛烈冲击的恶劣钻探取芯环境。

本发明综合了平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器201和孔底绳索锤击取芯器301两种工艺的特点，根据地层将两种取芯器互换，达到提高海洋第四系地层深孔钻探取芯效率目的。

综上，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种海洋第四系钻探组合取芯方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将孔底绳索锤击取芯内管总成(300)用钢丝绳(310)牵引投放到外管总成(100)中，构成孔底绳索锤击取芯器(301)，采用孔底绳索锤击取芯器(301)进行海洋第四系地层锤击取芯；

2)将孔底绳索锤击取芯内管总成(300)拉出，当孔底绳索锤击取芯器(301)遇到坚硬粘土层时，将平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成(200)投放到外管总成(100)中，构成平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器(201)，进行海洋第四系地层随钻回转取芯；

3)打捞平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器(201)；

4)对平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器(201)取出的样品进行判断，当平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器(201)中样品是颗粒粒径大于细砂的砂质土层或者样品是砾石土层，且平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器(201)出现报警信号时，则重复步骤1)的操作；当平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器(201)中的样品的颗粒粒径是坚硬粘土层时，且平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器(201)出现报警信号时，则调高取芯器开启压力，将平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成(200)投放到外管总成(100)中，构成平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器(201)，进行海洋第四系地层随钻回转取芯，再重复步骤3)。

2.根据权利要求1所述的海洋第四系钻探组合取芯方法，其特征在于：所述平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成(200)的外径与所述孔底绳索锤击取芯内管总成(300)的外径相等，所述平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成(200)的外径和所述孔底绳索锤击取芯内管总成(300)的外径均与外管总成(100)的内径相适配。

3.根据权利要求2所述的海洋第四系钻探组合取芯方法，其特征在于：

所述外管总成(100)的内壁上设有座环(110)；

所述平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯内管总成(200)包括由上到下依次连接的悬挂机构(210)、平衡波浪升沉机构(20)、调节单动机构(220)；

所述悬挂机构(210)包括悬挂接头(211)和悬挂环(212)，所述悬挂环(212)套设在所述悬挂接头(211)的外壁上，所述悬挂环(212)放置于所述座环(110)上，所述悬挂接头(211)的侧壁上设有液体侧部流动通孔(2111)；

所述平衡波浪升沉机构(20)包括由上到下依次连接的报警堵头短接件(240)、液压筒(250)和挡头(260)，以及由上到下依次连接的活塞总成(270)、中空活塞杆(280)和分水接头(290)；

所述报警堵头短接件(240)包括短接件本体(241)，所述短接件本体(241)的中部沿轴向设有堵头本体(242)，所述堵头本体(242)的径向两侧分别设有液体流道(243)，所述短接件本体(241)的上端与所述悬挂接头(211)的下端连接，所述液体流道(243)与所述悬挂接头(211)的中空内腔连通；所述挡头(260)上设有轴向通孔；

所述活塞总成(270)设置于所述液压筒(250)的内部且可相对于所述液压筒(250)沿轴向移动，所述活塞总成(270)将所述液压筒(250)分隔为互相不连通的活塞上腔(251)和活塞下腔(252)，所述活塞上腔(251)与所述液体流道(243)连通，所述活塞总成(270)的顶部设有与所述堵头本体(242)相应的滑阀进水通道(2701)；所述中空活塞杆(280)穿出所述挡头(260)的轴向通孔，所述中空活塞杆(280)的中空内腔与所述滑阀进水通道(2701)连通；所述分水接头(290)与所述调节单动机构(220)连接，所述分水接头(290)上设置有分水侧部通孔(291)，所述分水侧部通孔(291)与所述中空活塞杆(280)的内腔连通；

所述中空活塞杆(280)的径向截面为六边形，所述挡头(260)的轴向通孔的径向截面的形状与所述中空活塞杆(280)的径向截面的形状相应；

当所述活塞总成(270)达到上行极限位置时，所述分水接头(290)与所述挡头(260)接触，且所述堵头本体(242)伸入所述滑阀进水通道(2701)中，此时，产生报警信号；当所述活塞总成(270)达到下行极限位置时，所述活塞总成(270)与所述挡头(260)接触；

平衡波浪升沉岩芯管(230)的底端设有回转取芯刀头(50)；所述外管总成(100)的底端设有钻头(60)。

4.根据权利要求3所述的海洋第四系钻探组合取芯方法，其特征在于：

所述活塞总成(270)包括由上到下依次连接的进水接头(271)、滑阀进出水接头(272)、活塞腔短管(273)和中间转换接头(274)；所述进水接头(271)的中空内腔和所述滑阀进出水接头(272)的中空内腔构成所述滑阀进水通道(2701)，所述中间转换接头(274)与所述中空活塞杆(280)连接，所述活塞腔短管(273)的中空内腔分别与所述滑阀进水通道(2701)和所述中空活塞杆(280)的中空内腔连通；所述滑阀进出水接头(272)的外壁上套设有密封圈(275)，所述密封圈(275)与所述液压筒(250)的内壁过盈配合。

5.根据权利要求4所述的海洋第四系钻探组合取芯方法，其特征在于：

所述活塞总成(270)还包括设置于所述活塞腔短管(273)的中空内腔中的弹簧腔上接头(2761)、弹簧腔下接头(2762)、弹簧本体(277)、弹簧座(278)和滑阀本体(279)，所述弹簧腔上接头(2761)的上端与所述滑阀进出水接头(272)的下端固定连接，所述弹簧腔上接头(2761)的上端设有传动通孔(2763)，所述传动通孔(2763)的中轴线与所述滑阀进水通道(2701)的中轴线共线，所述传动通孔(2763)的径向两侧分别设有阀体分水通道(2764)，所述阀体分水通道(2764)与所述传动通孔(2763)连通；

所述弹簧腔上接头(2761)的下端与所述弹簧腔下接头(2762)连接，形成弹簧放置腔(2765)，所述弹簧本体(277)、弹簧座(278)和滑阀本体(279)均设置于所述弹簧放置腔(2765)中，所述弹簧座(278)卡入于所述弹簧放置腔(2765)的底部，所述弹簧本体(277)的下端套设在所述弹簧座(278)上，所述弹簧本体(277)的上端与所述滑阀本体(279)的下端连接，所述滑阀本体(279)的上端穿出所述传动通孔(2763)。

6.根据权利要求5所述的海洋第四系钻探组合取芯方法，其特征在于：

所述弹簧腔下接头(2762)的下端设有调节通孔(2766)；

所述活塞腔短管(273)的内腔中还设有调节螺栓(2731)，所述调节螺栓(2731)从所述调节通孔(2766)的底部穿入所述调节通孔(2766)中，所述调节螺栓(2731)的上端与所述弹簧座(278)的下端接触；

步骤4)中所述取芯器开启压力就是钻井液推动活塞总成(270)向下贯入地层所需达到的压力，转动所述调节螺栓(2731)使所述弹簧本体(277)的压缩量增大，钻井液推动活塞总成(270)向下移动所需达到的压力随着所述弹簧本体(277)的压缩量增大而变大。

7.根据权利要求5所述的海洋第四系钻探组合取芯方法，其特征在于：所述弹簧腔下接头(2762)的下部设置有阀体导流侧部通孔(2767)，所述阀体导流侧部通孔(2767)将所述弹簧放置腔(2765)与所述活塞腔短管(273)的内腔连通。

8.根据权利要求3所述的海洋第四系钻探组合取芯方法，其特征在于：所述液压筒(250)的下部设有活塞导流通孔(253)，所述活塞导流通孔(253)将所述活塞下腔(252)与所述外管总成(100)连通。

9.根据权利要求3所述的海洋第四系钻探组合取芯方法，其特征在于：

所述调节单动机构(220)包括芯轴(221)、背帽(225)、中空轴承上接头(222)、轴承套(2231)、推力轴承(2232)和轴承支套(2233)，所述芯轴(221)的上端与所述分水接头(290)螺纹连接，所述背帽(225)套在所述芯轴(221)上且处于所述分水接头(290)的底端，所述背帽(225)与所述芯轴(221)螺纹啮合连接，所述背帽(225)将所述芯轴(221)与所述分水接头(290)固定连接，所述芯轴(221)的下端穿过所述轴承套(2231)，所述轴承套(2231)通过紧固件与所述芯轴(221)连接，所述中空轴承上接头(222)和所述轴承支套(2233)均处于所述轴承套(2231)的外部，所述中空轴承上接头(222)处于所述轴承支套(2233)的上方，所述推力轴承(2232)处于所述中空轴承上接头(222)的内部，所述中空轴承上接头(222)和所述轴承支套(2233)均通过所述推力轴承(2232)与所述轴承套(2231)连接，所述轴承支套(2233)的下部与所述平衡波浪升沉岩芯管(230)固定连接；在步骤4)中，当调高取芯器开启压力后，平衡波浪升沉的第四系回转绳索取芯器(201)出现报警信号时，将所述背帽(225)松开，旋转所述芯轴(221)，所述芯轴(221)拧进所述分水接头(290)，使所述回转取芯刀头(50)较钻头(60)内缩，之后再拧紧所述背帽(225)，锁紧所述芯轴(221)。

10.根据权利要求2所述的海洋第四系钻探组合取芯方法，其特征在于：所述孔底绳索锤击取芯内管总成(300)包括钢丝绳(310)、重锤(320)、锤头(330)、花管上挡头(340)、花管(350)、锤座单向阀(360)和孔底绳索锤击取芯岩心管(370)，所述花管上挡头(340)、所述花管(350)、所述锤座单向阀(360)和所述孔底绳索锤击取芯岩心管(370)由上到下依次连接，所述重锤(320)的上端和下端分别连接所述钢丝绳(310)和所述锤头(330)，所述重锤(320)伸入所述花管(350)中，所述花管上挡头(340)的内径小于所述花管(350)的内径，且大于所述重锤(320)的直径；所述锤头(330)的外径小于所述花管(350)的内径，且大于所述花管上挡头(340)的内径；卷扬提放所述钢丝绳(310)可带动所述重锤(320)和所述锤头(330)沿着所述花管(350)的轴向移动，所述孔底绳索锤击取芯岩心管(370)的底端设有孔底绳索锤击取芯刀头；当所述锤头(330)锤击所述锤座单向阀(360)时，所述锤座单向阀(360)带动所述孔底绳索锤击取芯岩心管(370)向下移动，所述孔底绳索锤击取芯刀头贯入海洋第四系的土层中；当打捞所述孔底绳索锤击取芯岩心管(370)时，卷扬提升所述重锤(320)，所述花管上挡头(340)卡住所述锤头(330)，所述孔底绳索锤击取芯内管总成(300)被拔离海洋第四系的土层。