CN108678739A - 一种用于复杂地层的多功能钻具总成及其钻进方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于复杂地层的多功能钻具总成及其钻进方法，其钻具总成包括钻进组件、用于对孔内进行探测的探测组件、用于对孔壁进行修复的孔壁修复组件、用于对钻具进行解卡的钻具解卡组件、控制主机和运载机器人，使用钻进组件进行钻进碎岩与取样，运载机器人可上下滑动地设置在钻杆柱的外壁上，探测组件设置在运载机器人上，并可随着运载机器人沿着钻杆柱的外壁上下运动，控制主机分别与探测组件和运载机器人电连接。本发明具有钻进与取样效率高、地层适应性强、自动化程度高等诸多显著优势，通过探测组件可以在复杂地层中钻进取样的同时对孔内的情况进行探测，从而为正确判断和处理钻孔事故等提供科学、准确和较为全面的技术参数和信息。

Description

一种用于复杂地层的多功能钻具总成及其钻进方法

技术领域

本发明涉及钻探技术领域，尤其涉及一种用于复杂地层的多功能钻具总成及其钻进方法。

背景技术

在钻探作业中钻遇的复杂地层(Complex Strata)，主要是指有碍正常钻进的一些特殊岩性的地层，包括地层松散、胶结不良、软硬互层、吸水膨胀、遇水溶解，或由于地质构造运动而造成的破碎、裂隙、断裂，还有地下水的溶蚀活动等，这些都将给正常的钻探作业带来坍塌、破碎、漏失、涌水、掉块等不利影响。此外，在钻探作业过程中，地下钻孔中的情况在地表不可见，因而无法正确、及时地处理地下孔内出现的钻孔事故。

复杂地层的成因主要包括四种类型：(1)风化作用形成的复杂地层。由于风化作用破坏了坚固岩石颗粒间的联结而使岩石变得疏松，具有较大的缝隙，易于造成孔壁坍塌、掉块与漏失等；(2)流水、沉积作用形成的复杂地层。流砂层、沉积的泥质地层均为流水、沉积作用使岩石胶结不牢而造成孔壁严重的坍塌、缩径等；(3)地质构造运动形成的复杂地层。由于地质构造运动地层受到压力、张力、剪力和扭力等作用，使岩层产生褶皱和断裂等现象，从而形成节理、片理、裂缝、断层等破坏，对于硬或中硬的脆性岩石尤为强烈。由于钻探作业中钻具对孔壁的频繁碰撞和冲洗液循环流动对孔壁的冲刷，易造成孔壁不同程度的坍塌和漏失等；(4)地下水溶蚀作用形成的复杂地层。水化和溶解是地下水溶蚀对岩石的主要破坏作用，易造成孔壁漏失、涌水等复杂问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于复杂地层的多功能钻具总成及其钻进方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于复杂地层的多功能钻具总成，包括钻进组件、用于对孔内进行探测的探测组件、控制主机和运载机器人，所述钻进组件的钻杆柱设置在孔内并延伸至地表，所述钻进组件进行钻进碎岩与取样，并将岩样上返至地表，所述运载机器人可滑动地设置在所述钻杆柱的外壁上，所述探测组件设置在所述运载机器人上，所述运载机器人可带动所述探测组件沿着所述钻杆柱的外壁上下滑动和绕着所述钻杆柱水平周向转动，所述控制主机设置在地面上，且所述控制主机分别与所述探测组件和运载机器人电连接，并可控制所述运载机器人带动所述探测组件上下运动和水平转动。

本发明的有益效果是：本发明的复杂地层的多功能钻具总成，通过所述钻进组件可以对孔内岩土体进行钻进碎岩取样，并将岩样上返至地面，同时通过所述探测组件可以在复杂地层中钻进过程中，对钻孔内的情况进行探测，可使得原本隐蔽不可见的地下钻孔工况可视化，从而为准确掌握钻孔参数、钻孔轨迹纠偏、正确判断和处理钻孔事故等提供科学、准确和较为全面的技术参数和信息，可为钻探作业的顺利实施提供全面、科学的技术保障，具有钻进效率高、地层适应性强、自动化程度高等诸多显著优势。

本发明可广泛应用于包括注浆工程、地质灾害防治工程、非开挖工程、岩土工程、矿产资源勘探与开采等在内的与钻探作业相关的诸多工程技术领域，应用前景十分广阔。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步：所述运载机器人包括环状链条、行走机构和转动机构，所述环状链条环绕设置在所述钻杆柱的外周，所述行走机构设置在所述环状链条的内侧壁上，且所述行走机构与所述钻杆柱的外壁滑动连接，并可驱动所述环状链条带动所述探测组件在所述钻杆柱的外壁上上下运动，所述转动机构设置在所述环状链条的外侧壁上，所述探测组件设置在所述转动机构外壁上，所述转动机构可驱动所述探测组件绕着所述钻杆柱的外壁水平周向转动。

上述进一步方案的有益效果是：通过所述运载机器人可以带动探测组件在所述钻杆柱上上下滑动和水平周向转动，从而实现对孔内不同部位的探测，拆装方便，具有很好的灵活性和适应性。

进一步：所述环状链条包括多个第一链条组件和与所述第一链条组件形状相匹配的多个第二链条组件，所述多个第一链条组件和多个第二链条组件交替首尾连接，并形成闭合环状，所述行走机构设置在所述第一链条组件或所述第二链条组件的内侧壁上，所述转动机构设置在所述第一链条组件或所述第二链条组件的外侧壁上；

所述行走机构包括多个弹簧、多个可自由转动的行走轮以及至少一个驱动所述行走轮转动的第一电机，所述弹簧的一端与对应的所述第一链条组件或所述第二链条组件的内侧壁连接，另一端与对应的所述行走轮连接，所述行走轮与所述钻杆柱的外侧壁滑动连接，所述控制主机与所述第一电机电连接；

所述转动机构包括环状传送带和至少一个第二电机，所述环状传送带沿着所述环状链条的外周设置，所述探测组件设置在所述环状传送带的外侧壁上，所述第二电机与所述环状传送带传动连接，并可通过驱动所述环状传送带转动同步带动所述探测组件绕着所述钻杆柱的外壁水平周向转动。

上述进一步方案的有益效果是：通过第一链条组件和第二链条组件组成环状链条，可以使得整个环状链条柔性较好，能够自适应不同形状的钻具需求，具有很好的灵活性和适应性，拆装方便，同时，所述环状链条可以为所述探测组件提供附着载体，便于探测组件对孔内部进行探测。

进一步：所述探测组件包括闭路电视、激光扫描仪、声纳、传感器组件和孔内全景成像仪中的一种或多种，所述闭路电视、激光扫描仪、声纳、传感器组件和孔内全景成像仪均设置在环状传送带上，且所述闭路电视、激光扫描仪、声纳、传感器组件和孔内全景成像仪均与所述控制主机电连接。

上述进一步方案的有益效果是：通过所述探测组件可以对孔内部进行实时探测，获取孔内的各项参数信息，并将孔内的工况可视化，从而为准确掌握钻孔参数、钻孔轨迹纠偏、正确判断和处理钻孔事故等提供科学、准确和较为全面的技术参数和信息，可为钻探作业的顺利实施提供全面、科学的技术保障。

进一步：所述的复杂地层钻进的多功能钻具总成还包括孔壁孔壁修复组件和/或钻具解卡组件，所述运载机器人的数量至少为两个并间隔设置在所述钻杆柱上，所述探测组件、孔壁孔壁修复组件和钻具解卡组件均设置在不同的所述运载机器人上，所述运载机器人可带动对应的所述探测组件、孔壁孔壁修复组件或钻具解卡组件沿着所述钻杆柱的外壁上下滑动，以及绕着所述钻杆柱水平周向转动。

进一步：所述孔壁孔壁修复组件包括注浆泵、喷嘴和搅拌机，所述注浆泵和搅拌机设置在地面上，且所述注浆泵和搅拌机分别与所述控制主机电连接，所述搅拌机内盛有浆液，所述喷嘴设置在对应所述运载机器人的外壁上，所述运载机器人可带动所述喷嘴沿着所述钻杆柱的外壁上下滑动和绕着所述钻杆柱水平周向转动，所述搅拌机、注浆泵和喷嘴依次通过管路连通，经过所述搅拌机混合搅拌后的浆液通过所述注浆泵抽吸至所述喷嘴，并由所述喷嘴喷射至孔壁上。

上述进一步方案的有益效果是：通过所述孔壁修复组件可以在复杂地层钻进过程中，利用喷射的具有加固、堵漏作用的浆液对坍塌、破碎、漏失、卵砾石层、溶穴等复杂地层中孔壁进行原位修复，从而保障钻进成孔的顺利实施。此外，还可利用孔壁孔壁修复组件喷射高压清水清洗欲观测的孔壁位置，从而保障钻孔原位探测的顺利实施。

进一步：所述钻具解卡组件包括多个热熔元件和与所述热熔元件数量相同并一一对应的隔热元件，多个所述热熔元件之间通过电缆串联，且与所述控制主机电连接，所述隔热元件和对应的所述热熔元件设置在对应的所述运载机器人的外壁上，所述运载机器人可带动所述隔热元件和对应的所述热熔元件沿着所述钻杆柱上下滑动和绕着所述钻杆柱水平周向转动，且所述隔热元件位于所述热熔元件与所述运载机器人之间。

上述进一步方案的有益效果是：通过所述钻具解卡组件可以在复杂地层钻进过程中，解决由于孔壁坍塌、掉块或钻遇探头石等造成的卡钻事故，从而保障钻探作业的顺利实施。

进一步：所述用于复杂地层的多功能钻具总成还包括用于对上返至地面的岩样和钻屑进行分离和分类处理的分样组件，所述分样组件设置在地面上，且所述分样组件通过排样管与所述钻进组件连通。

上述进一步方案的有益效果是：通过所述分样组件可以对上返至地面的岩样和钻屑进行分离和分类处理，以便连续获取高质量的岩样，并对岩样进行分类处理，以便后续使用，提高操作效率。

进一步：所述分样组件包括旋流器和分样器，所述旋流器的入料口与所述排样管的一端连通，所述排样管的另一端与所述钻进组件连通，所述旋流器的出料口位于所述分样器的进料口上方，所述分样器的出料口下方设有岩样箱。

上述进一步方案的有益效果是：通过所述旋流器可以将上返至地表的岩样和混合的废气进行分离，并经过所述分样器进行分类处理，以便将不同类别的岩样进行分离，自动化程度高，操作效率较高，并且便于后续使用。

本发明还提供了一种用于复杂地层多功能钻具总成的钻进方法，其采用所述的用于复杂地层的多功能钻具总成，所述方法包括：

所述钻进组件钻进碎岩与取样，并将孔底部产生的岩样和钻屑上返至地面；

所述控制主机控制所述运载机器人带动所述探测组件沿着所述钻杆柱的外壁上下滑动和绕着所述钻杆柱水平周向转动，所述探测组件对孔内进行探测，获取孔内的数据信息，并将所述数据信息实时反馈至所述控制主机。

本发明的复杂地层的多功能钻具总成的钻进方法，通过所述钻进组件可以对孔内岩土体进行钻进碎岩取样，并将岩样上返至地面，同时通过所述探测组件可以在复杂地层中钻进过程中，对孔内的情况进行探测，可使得原本隐蔽不可见的地下钻孔工况可视化，从而为准确掌握钻孔参数、钻孔轨迹纠偏、正确判断和处理钻孔事故等提供科学、准确和较为全面的技术参数和信息，可为钻探作业的顺利实施提供全面、科学的技术保障，具有钻进效率高、地层适应性强、自动化程度高等显著优势。

本发明可广泛应用于包括注浆工程、地质灾害防治工程、非开挖工程、岩土工程、矿产资源勘探与开采等在内的与钻探作业相关的诸多工程技术领域，能够解决关键工程技术难题，应用前景十分广阔。

附图说明

图1为本发明一实施例的用于复杂地层的多功能钻具总成结构示意图；

图2为本发明一实施例的用于复杂地层的多功能钻具总成结构框图；

图3-1为本发明一实施例的单根钻杆的轴测图；

图3-2为本发明一实施例的单根钻杆的俯视图；

图4-1为本发明一实施例的第一链条组件结构示意图；

图4-2为本发明一实施例的第二链条组件结构示意图；

图4-3为本发明一实施例的环状链条展开结构示意图；

图4-4为本发明一实施例的环状链条成环锁合结构示意图；

图4-5为本发明一实施例的行走机构安装在上第一链条组件的结构示意图

图5为本发明一实施例的钻具解卡组件安装在第一链条组件上的结构示意图。

11、钻机，12、空压机，13、升降组件，14、反循环钻头，15、气动潜孔锤，16、钻杆柱，17、多通道气水龙头，18、旋流器，19、分样器，21、电缆，22、热熔元件，23、隔热元件，31、第一链条组件，32、定位孔，33、第二链条组件，34、弹簧，35、行走轮，36、环状传送带；

121、进风高压胶管，131、滑轮，132、钢丝绳，161、锁接头，162、导向滑槽，171、排样管，191、岩样箱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1和图2所示，一种用于复杂地层的多功能钻具总成，包括钻进组件、用于对孔内进行探测的探测组件、控制主机2和运载机器人3，所述钻进组件的钻杆柱16设置在孔内，并延伸至地表，所述钻进组件进行钻进碎岩与取样，并将岩样上返至地表，所述运载机器人3可上下滑动地设置在所述钻杆柱16的外壁上，所述探测组件设置在所述运载机器人3上，所述运载机器人3可带动所述探测组件沿着所述钻杆柱16的外壁上下滑动和绕着所述钻杆柱16水平周向转动，所述控制主机2设置在地面上，且所述控制主机2分别与所述探测组件和运载机器人3电连接，并可控制所述运载机器人3带动所述探测组件上下运动和水平转动。

本发明的多功能钻具总成通过所述钻进组件可以对孔内岩土体进行钻进碎岩取样，并将岩样上返至地面，同时通过所述探测组件可以在复杂地层中钻进过程中，对钻孔内的情况进行探测，可使得原本隐蔽不可见的地下钻孔工况可视化，从而为准确掌握钻孔参数、钻孔轨迹纠偏、正确判断和处理钻孔事故等提供科学、准确和较为全面的技术参数和信息，可为钻探作业的顺利实施提供全面、科学的技术保障，具有钻进效率高、地层适应性强、自动化程度高等诸多显著优势。

本发明可广泛应用于包括注浆工程、地质灾害防治工程、非开挖工程、岩土工程、矿产资源勘探与开采等在内的与钻探作业相关的诸多工程技术领域，应用前景十分广阔。

在上述实施例中，所述钻进组件包括钻机11、空压机12、升降组件13、反循环钻头14、气动潜孔锤15、钻杆柱16和多通道气水龙头17；

所述钻机11和空压机12均设置于地表，所述钻杆柱16和气动潜孔锤15均竖向设置在孔内，所述钻杆柱16的上端伸出孔口，所述钻杆柱16的下端与所述气动潜孔锤15的上端连接，所述运载机器人3可上下滑动地设置在所述钻杆柱16上，所述反循环钻头14设置在孔内底部，且所述反循环钻头14与所述气动潜孔锤15的下端连接，所述钻机11的回转器加持住所述钻杆柱16，并可通过所述钻杆柱16带动所述气动潜孔锤15和反循环钻头14上下运动以对孔底部碎岩钻进及取样，所述多通道气水龙头17设置在所述钻杆柱16的上端，所述升降组件13设置在地面且位于孔口上方，并可在所述钻机11带动所述钻杆柱16上下运动时辅助驱动所述多通道气水龙头17实现升降运动；

所述反循环钻头14上设有若干喷射孔，所述空压机12的出气口、所述多通道气水龙头17的一个通道、所述钻杆柱16的内环状通道、气动潜孔锤15和反循环钻头14的若干喷射孔顺次连通并形成气流通道，所述气动潜孔锤15与反循环钻头14连通，所述反循环钻头14的中心通孔、气动潜孔锤15的中心贯通孔、所述钻杆柱16的中心通道与所述多通道气水龙头17的另一个通道顺次连通并形成回流通道。钻机11通过钻杆柱16和气动潜孔锤15向下驱动反循环钻头14与孔内底部的岩土体抵接，压缩空气从空压机12输出后经多通道水龙头17进入钻杆柱16的内环状通道，并驱动气动潜孔锤15工作，产生沿其轴向的往复冲击作用至所述反循环钻头14，从而实现冲击-回转方式的碎岩钻进，同时驱动所述气动潜孔锤15工作后产生的废气经所述反循环钻头14上的若干喷射孔高速喷出形成气体射流，并在孔内底部和反循环钻头14内部形成负压区，利用气体射流卷吸作用及负压抽吸作用可将位于孔内底部的岩样和钻屑从所述反循环钻头14底部经过气动潜孔锤15的中心贯通孔和钻杆柱16的中心通道，再通过多通道气水龙头上返至地表，具有钻进效率高、地层适应性强等显著优势。

本发明的实施例中，所述升降组件13可以采用卷扬机，所述反循环钻头14优选采用球齿反循环钻头，所述多通道气水龙头17可以采用双通道气水龙头，双通道气水龙头由两端绕过滑轮131的钢丝绳132悬吊，其上下运动或悬停由卷扬机控制，所述控制主机2可以采用PC机或其他适宜的处理器。

实际中，由于多通道气水龙头17的重量较大，需要配合升降组件13来辅助对所述多通道气水龙头13进行升降，使得所述多通道气水龙头13能更加平稳地配合所述钻杆柱16一同升降。

优选地，在上述实施例中，所述运载机器人3包括环状链条、行走机构和转动机构，所述环状链条环绕设置在所述钻杆柱16的外周，所述行走机构设置在所述环状链条的内侧壁上，且所述行走机构与所述钻杆柱16的外壁滑动连接，并可驱动所述环状链条带动所述探测组件在所述钻杆柱16的外壁上上下运动，所述转动机构设置在所述环状链条的外侧壁上，所述探测组件设置在所述转动机构外壁上，所述转动机构可驱动所述探测组件绕着所述钻杆柱16的外壁水平周向转动。通过所述运载机器人3可以带动探测组件在所述钻杆柱16上上下滑动和水平周向转动，从而实现对孔内不同部位的探测，拆装方便，具有很好的灵活性和适应性。

更优选地，所述钻杆柱16的下端设有用于连接所述钻杆柱16和所述气动潜孔锤15的锁接头161，所述钻杆柱16的外侧壁上沿着其轴向方向设有至少一个(当为多个时，优选为沿着所述钻杆柱16的外侧壁周向均匀间隔设置)导向滑槽162，用于嵌固运载机器人3的行走轮35，并提供运载机器人3上下运动的轨道；为了更加可靠地实现对行走轮35地嵌固，该导向滑槽162的截面形状可设为燕尾槽、半圆弧等多种类型，行走轮35也需相应地设置为与之匹配的类型和规格。

实际中,所述钻杆柱由多根钻杆顺次首尾连接形成,如图3-1和图3-2所示，图3-1为本发明一实施例的单根钻杆的轴测图,图3-2为本发明一实施例的单根钻杆的俯视图。

如图4-1和4-2所示，更优选地，在上述实施例中，所述环状链条包括多个第一链条组件31和与所述第一链条组件31形状相匹配的多个第二链条组件33，所述多个第一链条组件31和多个第二链条组件33交替首尾连接，并形成闭合环状，如图4-3和4-4所示，分别为所述环状链条的展开结构示意图和成环锁合结构示意图，所述行走机构设置在所述第一链条组件31或所述第二链条组件33的内侧壁上，所述转动机构设置在所述第一链条组件31或所述第二链条组件33的外侧壁上。

其中，所述第一链条组件31和第二链条组件33上均设有用于串联的定位孔32，并且相邻的所述第一链条组件31和第二链条组件33之间可采用销钉或其它适宜的方式串联为一个柔性环状链条。

如图4-5所示，所述行走机构包括多个弹簧34、多个可自由转动的行走轮35以及至少一个驱动所述行走轮35转动的第一电机，所述弹簧34的一端与对应的所述第一链条组件31或所述第二链条组件33的内侧壁连接，另一端与对应的所述行走轮35连接，所述行走轮35与所述钻杆柱16的外侧壁滑动连接，所述行走轮35嵌固在对应的所述导向滑槽162内，并可沿着所述导向滑槽162上下滑动，所述控制主机2与所述第一电机电连接。

所述转动机构包括环状传送带36和至少一个第二电机，所述环状传送带36沿着所述环状链条的外周设置，所述探测组件设置在所述环状传送带36的外侧壁上，所述第二电机与所述环状传送带36传动连接，并可通过驱动所述环状传送带36转动同步带动所述探测组件绕着所述钻杆柱16的外壁水平周向转动。

比如，所述第二电机的输出轴可以与皮带轮固定连接，所述环状传动带36套接在皮带轮上，所述探测组件设置在环状传动带36上，那么通过第二电机可以实现环状传送带36的转动，进而也就可以带动探测组件的转动。再比如，所述环状传送带36为内侧设有锯齿的齿形同步带，所述第二电机通过设置在所述环状传送带36与所述环状链条之间的齿轮(与所述锯齿相匹配)与所述环状传送带36传动连接，所述第二电机的输出轴与齿轮固定连接，所述齿轮与所述环状传送带36啮合，这样通过第二电机可以实现环状传送带36的转动，进而也就可以带动探测组件的转动。当然也可以采用其他传动方式，这里不再一一列举。

通过第一链条组件31和第二链条组件33组成环状链条，可以使得整个环状链条柔性较好，能够自适应不同形状的钻具需求，具有很好的灵活性和适应性，拆装方便，同时，所述环状链条可以为所述探测组件提供附着载体，便于探测组件对孔内部进行探测。

需要说明的是，由于第一链条组件31具有更宽阔的平面可供利用，因而优先在其两侧面分别固连运载机器人3的行走机构和环状传送带36，环状传送带36在电机的带动下可转动，而后再将探测组件、孔壁修复组件和钻具解卡组件搭载在对应的运载机器人3的环状传送带36上，便可实现它们随着运载机器人3的上下运动，以及通过对应的运载机器人3驱动其各自水平周向转动。

并且，运载机器人3的行走轮35也可换做行走履带；弹簧34的作用一方面是减振，另一方面是使当行走轮35沿着导向滑槽162上下运动过程中，运载机器人3能够适应钻具的不同部位变径时做出相应形变的需要，此外弹簧34的侧向刚度较大，可使运载机器人3搭载探测组件、孔壁修复组件和/或钻具解卡组件运动过程中不至于产生明显的侧向弯曲或变形。

当环状链条闭合成环锁合后，再将转动机构安装固定在环状链条的外侧面；而将行走机构安装固定在链条的内壁，即贴合钻具且行走轮35牢固嵌入导向滑槽162中。

更优选地，在上述实施例中，所述探测组件包括闭路电视、激光扫描仪、声纳、传感器组件(包括角度传感器、温度传感器、液位传感器等)和孔内全景成像仪中的一种或多种，所述闭路电视、激光扫描仪、声纳、传感器组件和孔内全景成像仪均设置在所述环状传送带36上，且所述闭路电视、激光扫描仪、声纳、传感器组件和孔内全景成像仪均与所述控制主机2电连接。通过所述探测组件可以对孔内部进行实时探测，获取孔内部的各项参数信息，并将孔内部的工况可视化，从而为准确掌握钻孔参数、钻孔轨迹纠偏、正确判断和处理钻孔事故等提供科学、准确和较为全面的技术参数和信息，可为钻探作业的顺利实施提供全面、科学的技术保障。

需要指出的是，本发明的实施例中，闭路电视用于高清动态拍摄孔内的工况，并将画面实时传输至地表控制主机2的显示屏；激光扫描采用三维激光扫描仪(当然也可以采用二维激光扫描仪),用于对钻孔内壁进行三维的激光扫描，可准确掌握孔壁形状、规格、变形等；声呐用于在淹没状态下对孔壁形状、变形等检测，尤其适用于孔内涌水的工况；角度传感器用于实时检测钻具倾角，间接了解钻孔倾角和弯曲状态；温度传感器用于实时检测孔内温度梯度值，为机具和钻孔液等能够正常工作提供保障，同时也有助于及时发现地温异常的区域；液位传感器用于实时检测孔内液位高度，以掌握孔壁漏失或涌水情况；孔内全景成像仪用于对孔内情况进行全景静(动)态高清拍摄，并可生成静态360°展开柱状图和动态影像，可观测孔壁岩土体的各种特征和细观现象，并实时检测钻孔深度、方位等，可为决策提供科学、准确和较为全面的数据资料。

所述探测组件可以在复杂地层中钻进过程中，对孔内的情况进行探测，可得到包括：钻孔深度、钻孔顶角和方位角、孔壁情况(包括孔壁完整性，孔壁漏失/破碎的类型、位置和大小等)、孔内温度、孔内液位高度等在内的诸多数据资料，可使得原本隐蔽不可见的地下钻孔工况可视化，从而为准确掌握钻孔参数、钻孔轨迹纠偏、正确判断和处理钻孔事故等提供科学、准确和较为全面的技术参数和信息，可为钻探作业的顺利实施提供全面、科学的技术保障。

所述控制主机2可对探测组件中所涉及到的探测组件和传感器组件进行操控，同时反馈至地表并实时显示、存储、分析相应的数据信息(图像和数据资料)，通过人工智能对数据信息进行分析处理，得出结论，并为决策者提供客观、全面、科学的解决方案或建议；此外，由地表控制主机操控的运载机器人3可沿着在钻进组件中的钻具外壁上设置的导向滑槽162上下自由运动，并且通过运载机器人3带动探测组件水平周向转动，探测组件、孔壁修复组件和钻具解卡组件均可搭载在运载机器人3上，从而实现它们沿着钻杆柱16外壁在孔内自由且可控的上、下运动，以实现各个组件的功能，从而全面保障在复杂地层中钻探作业的顺利实施。

利用控制主机2可对运载机器人3的动作进行人为操控，使其沿着导向滑槽162上下自由滑动，且所述运载机器人3可以带动设置在其外壁的探测组件水平周向转动等。控制主机2和运载机器人3之间需用电缆21连接，为确保作业过程中的安全可靠，电缆21可采用铠装电缆或其它适宜的缆线；电缆21由多股组成，其兼具供电、控制、数据信号传输等多种功能。这里,运载机器人3除了可以采用有线控制的方式外，还可采用无线遥控的方式对其进行操控。

可选地，在上述实施例中，所述的复杂地层钻进的多功能钻具总成还包括孔壁修复组件和/或钻具解卡组件，所述运载机器人3的数量至少为两个并间隔设置在所述钻杆柱16上，所述探测组件、孔壁修复组件以及钻具解卡组件均设置在不同的所述运载机器人3上，所述运载机器人3可带动对应的所述探测组件、孔壁修复组件或钻具解卡组件沿着所述钻杆柱16的外壁上下滑动，以及绕着所述钻杆柱16水平周向转动。

具体地，当复杂地层钻进的多功能钻具总成包括所述探测组件以及所述孔壁修复组件或钻具解卡组件时，所述运载机器人3的数量大于等于两个即可，所述探测组件设置在其中一个所述运载机器人3上，所述孔壁修复组件或钻具解卡组件设置在另一个所述运载机器人3上；当复杂地层钻进的多功能钻具总成包括探测组件以及所述孔壁修复组件和钻具解卡组件时，所述运载机器人3的数量大于等于三个即可，所述探测组件、孔壁修复组件以及钻具解卡组件一一对应地设置在所述运载机器人3上。

其中，所述孔壁修复组件包括注浆泵、喷嘴和搅拌机，所述注浆泵和搅拌机设置在地面上，且所述注浆泵和搅拌机分别与所述控制主机2电连接，所述搅拌机内盛有浆液，所述喷嘴设置在对应所述运载机器人3的环状传送带36的外壁上，所述运载机器人3可带动所述喷嘴沿着所述钻杆柱16的外壁上下滑动和绕着所述钻杆柱16水平周向转动，所述搅拌机、注浆泵和喷嘴依次通过管路连通，经过所述搅拌机混合搅拌后的浆液通过所述注浆泵抽吸至所述喷嘴，并由所述喷嘴喷射至孔壁上。通过所述孔壁修复组件可以在复杂地层钻进过程中，利用喷射的具有加固、堵漏作用的浆液对坍塌、破碎、漏失、卵砾石层、溶穴等复杂地层中孔壁进行原位修复，从而保障钻进成孔的顺利实施。此外，还可利用孔壁修复组件喷射高压清水清洗欲观测的孔壁位置，从而保障钻孔原位探测的顺利实施。

这里，按照一定比例将喷射注浆用的浆材、水和外加剂等分别加入搅拌机内，并搅拌支撑浆液。所述浆材包括水泥浆、水泥砂浆、地质聚合物、聚氨酯、水泥-水玻璃浆，以及其它适宜喷射注浆原位修复孔壁的浆材。浆材、水和外加剂等在搅拌机内按一定比例配置搅拌，而后经注浆泵抽吸，在经过高压胶管输送至所述喷嘴，并最终由喷嘴出口高速喷出进行喷射注浆作业；喷嘴需固定安装在运载机器人3的环状传送带上，便可随着运载机器人3沿着钻具外壁上设置的导向滑槽162在钻孔中上下运动，并且通过运载机器人3带动喷嘴水平周向转动，喷嘴的一端连接输送高压浆液的高压胶管；由于喷嘴可以上下运动和水平周向转动，因而喷射浆液的方向和位置也是可以根据需要变化的。

在上述实施例中，所述钻具解卡组件包括多个热熔元件22和与所述热熔元件22数量相同并一一对应的隔热元件23，如图5所示，多个所述热熔元件22之间通过电缆21串联，且与所述控制主机2电连接，所述隔热元件23和对应的所述热熔元件22设置在对应所述运载机器人3的环状传送带36的外壁上，所述运载机器人3可带动所述隔热元件23和对应的所述热熔元件22沿着所述钻杆柱16上下滑动和绕着所述钻杆柱16水平周向转动，且所述隔热元件23位于所述热熔元件22与所述运载机器人3的环状传送带36外表面之间。通过所述钻具解卡组件可以在复杂地层钻进过程中，解决由于孔壁坍塌、掉块或钻遇探头石等造成的卡钻事故，从而保障钻探作业的顺利实施。

本实施例中，所述热熔元件22为由电阻丝等组成的电加热元件，若干个独立的热熔元件22之间用电缆21串联，由于采用柔性设计，因而当首尾的热熔元件由电缆相连后可适应不同的钻具形状和规格，灵活性和适应性很强，且方便拆装；隔热元件23的作用是隔离热能，每个热熔元件22的内侧壁均需固连隔热元件23，且隔热元件23的尺寸在水平方向上大于热熔元件22，但隔热元件23的尺寸在竖直方向上小于热熔元件22，这主要是防止由热熔元件22产生的高温损坏运载机器人3和钻具等，且还要保证由热熔元件22产生的热能可以作用在卡住钻具的岩土体上。隔热元件22固定安装于运载机器人3的环状传送带上，从而带动这个热熔解卡机具上下运动，并且通过运载机器人3带动这个热熔解卡机具水平周向转动。

需要指出的是，实际中，在所述运载机器人3的外壁设置钻具解卡组件时，对应的所述运载机器人3可以不安装转动机构，这种情况下，需要将所述热熔元件22周向均匀布设在所述环状链条的外壁上，使得热熔元件22能在周向方向上对孔壁整周进行均匀加热。

实际中，所述钻具解卡组件还可配套其它适宜的振击机具，振击机具可选用吊锤、振击器等，由振击机具产生的振击力可辅助热熔解卡机具更好地实现钻具解卡功能。

需要指出的是，当所述运载机器人3的数量为多个时，为了鼻尖探测组件、孔壁修复组件和钻具解卡组件之间相互影响，多个所述运载机器人3间隔设置在所述钻杆柱16的外壁上。

可选地，在上述实施例中，所述用于复杂地层的多功能钻具总成还包括用于对上返至地面的岩样和钻屑进行分离和分类处理的分样组件，所述分样组件设置在地面上，且所述分样组件通过排样管171与所述钻进组件连通。通过所述分样组件可以对上返至地面的岩样和钻屑进行分离和分类处理，以便连续获取高质量的岩样，并对岩样进行分类处理，以便后续使用，提高操作效率。

可选地，在上述实施例中，所述分样组件包括旋流器18和分样器19，所述旋流器18的入料口与所述排样管171的一端连通，所述排样管171的另一端与所述钻进组件连通，所述旋流器18的出料口位于所述分样器19的进料口上方，所述分样器19的出料口下方设有岩样箱191。通过所述旋流器可以将上返至地表的岩样和混合的废气进行分离，并经过所述分样器进行分类处理，以便将不同类别的岩样进行分离，自动化程度高，操作效率较高，并且便于后续使用。

本发明还提供了一种用于复杂地层多功能钻具总成的钻进方法，其采用所述的用于复杂地层钻进的多功能钻具总成，所述方法包括：

所述钻进组件钻进碎岩与取样，并将孔底部产生的岩样和钻屑上返至地面；

所述控制主机2控制所述运载机器人3带动所述探测组件在所述钻杆柱16的外周上下运动和水平周向转动，所述探测组件对孔内进行探测，获取孔内的数据信息，并将所述数据信息实时反馈至所述控制主机2。

所述钻进组件碎岩钻进，并将孔底部的岩样上返至地面具体包括：

步骤1)所述钻机11加持所述钻杆柱16带动所述气动潜孔锤15和反循环钻头14向下运动抵住孔内底部的岩土体；

步骤2)所述空压机12输出的压缩空气进入所述钻杆柱16的内环状通道，并驱动所述气动潜孔锤15工作产生沿其轴向的往复冲击作用力至所述反循环钻头14，实现冲击-回转方式的碎岩钻进；

步骤3)驱动气动潜孔锤15工作后产生的废气经所述反循环钻头14上的若干喷射孔高速喷出形成气体射流，并在孔内底部和反循环钻头14内部形成负压区，利用气体射流卷吸作用及负压抽吸作用将位于孔内底部的岩样和钻屑从所述反循环钻头14底部经过气动潜孔锤15的中心贯通孔和钻杆柱16的中心通道，再通过多通道气水龙头上返至地表。

本发明的复杂地层钻进的多功能钻具总成的钻进方法，通过所述钻进组件可以对孔内岩土体进行钻进碎岩取样，并将岩样上返至地面，同时通过所述探测组件可以在复杂地层中钻进过程中，对钻孔内的情况进行探测，可使得原本隐蔽不可见的地下钻孔工况可视化，从而为准确掌握钻孔参数、钻孔轨迹纠偏、正确判断和处理钻孔事故等提供科学、准确和较为全面的技术参数和信息，可为钻探作业的顺利实施提供全面、科学的技术保障，具有钻进效率高、地层适应性强、自动化程度高等显著优势。

本发明可广泛应用于包括注浆工程、地质灾害防治工程、非开挖工程、岩土工程、矿产资源勘探与开采等在内的与钻探作业相关的诸多工程技术领域，应用前景十分广阔。

优选地，所述钻进组件碎岩钻进，并将孔内底部的岩样上返至地面具体还包括：

步骤4)分样组件对上返至地面的所述岩样和钻屑进行分离和分类处理，并将分离和分类处理后的所述岩样和钻屑转移至岩样箱内。

通过所述分样组件可以对上返至地面的岩样和钻屑进行分离和分类处理，以便连续获取高质量的岩心，并对岩心进行分类处理，以便后续使用，提高操作效率。

可选地，所述用于复杂地层钻进的多功能钻具总成还包括孔壁孔壁修复组件，所述方法还包括：

采用所述孔壁孔壁修复组件喷射浆液，并对处于复杂地层的孔壁进行原位修复。

通过所述孔壁修复组件可以在复杂地层钻进过程中，利用喷射的具有加固、堵漏作用的浆液对坍塌、破碎、漏失、卵砾石层、溶穴等复杂地层中孔壁进行原位修复，从而保障钻进成孔的顺利实施。此外，还可利用孔壁修复组件喷射高压清水清洗欲观测的孔壁位置，从而保障钻孔原位探测的顺利实施。

可选地，所述用于复杂地层钻进的多功能钻具总成还包括钻具解卡组件所述方法还包括：

采用所述钻具解卡组件通过对造成钻具卡钻事故的岩土体进行高温熔融，和/或采用振击器具对钻具进行振击，以对钻具进行原位解卡。

通过所述钻具解卡组件可以在复杂地层钻进过程中，利用热熔元件22通电后产生的高温，可对造成卡钻事故的岩土体进行熔融，从而实现钻具的解卡作业；同时，为辅助热熔解卡机具进行钻具解卡作业，还可使用适宜的振击机具对钻具进行振击，以提高钻具解卡作业的效率，解决由于孔壁坍塌、掉块或钻遇探头石等造成的卡钻事故，从而保障钻探作业的顺利实施。

使用本发明在复杂地层中实施钻探作业时，首先根据施工现场的实际情况做好“三通一平”，即：通水、通电、通路和平整场地；而后将本发明中所涉及的各个设备、机具和材料等运抵施工现场，并做好安装和调试工作，确保它们都能够正常工作和运转。

需要指出的是，在钻探作业过程中，若钻遇复杂地层，出现孔壁不稳定、漏失或涌水等情况，需要对孔壁进行原位修复处理以维持孔壁稳定、防止孔壁漏失或涌水时，则需要用到孔壁孔壁修复组件、地表控制主机2和运载机器人3。与上述钻孔原位探测的作业流程类似，首先还是需要完成运载机器人3的行走机构和转动机构的组装，而后将喷射注浆的核心元件喷嘴安装固定到运载机器人3的环状传送带上，喷嘴的出口朝向孔壁，喷嘴的入口端连接高压胶管，高压胶管的另一端连接置于地表的注浆泵。与此同时，按照一定比例将喷射注浆用的浆材(包括：水泥浆、水泥砂浆、地质聚合物、聚氨酯、水泥-水玻璃浆，以及其它适宜喷射注浆原位修复孔壁的浆材)、水和外加剂等分别加入搅拌机内，并搅拌制成浆液，考虑到搅拌机一次制浆的体积有限，为高喷作业能够连续进行，可将由多次搅拌机拌制而成的浆液置于储浆罐内，注浆泵的吸浆口连接储浆罐的出口，由此注浆泵便可直接从储浆罐内抽吸泵送浆液→高压胶管→喷嘴，浆液流经喷嘴内部流道后从喷嘴出口高速喷出进行喷射注浆作业，喷射到孔壁上的浆液可对松散破碎、漏失或涌水的不良孔壁进行加固和堵漏，从而实现对孔壁的原位修复。喷嘴可随着运载机器人3在孔内上下运动，并且通过运载机器人3带动喷嘴水平周向转动，由此便可根据实际需求对孔壁的不同位置区域进行原位修复作业。

另外，在钻探作业过程中，若钻遇复杂地层，出现钻具被卡住(即通常所说的卡钻事故)时，则需要采用钻具解卡组件、地表控制主机2和运载机器人3。与上述钻孔探测和孔壁修复的作业流程类似，首先还是需要完成运载机器人3的行走机构和转动机构的组装，而后将与第一链条单元31个数相同的热熔元件22和隔热元件23由电缆21串联成环状的热熔解卡机具；其中，隔热元件23的一面固连在运载机器人3的环状传送带上，隔热元件23的另一面固连热熔元件22；至此，热熔解卡机具便可在运载机器人3的带动下在孔内上下运动，并且通过运载机器人3带动这个热熔解卡机具水平周向或转动。利用热熔元件22通电后产生的高温，可对造成卡钻事故的岩土体进行熔融(此过程与热熔钻进的原理基本相同)，从而实现钻具的原位解卡作业；同时，为辅助钻具解卡组件进行钻具解卡作业，还可使用适宜的振击机具对钻具进行振击，以提高钻具解卡作业的效率。

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”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

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不脱离本发明的原理和宗旨的情况下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。

Claims (10)

1.一种用于复杂地层的多功能钻具总成，其特征在于：包括钻进组件、用于对孔内进行探测的探测组件、控制主机(2)和运载机器人(3)，所述钻进组件的钻杆柱(16)设置在孔内并延伸至地表，所述钻进组件进行钻进碎岩与取样，并将岩样上返至地表，所述运载机器人(3)可上下滑动地设置在所述钻杆柱(16)的外壁上，所述探测组件设置在所述运载机器人(3)上，所述运载机器人(3)可带动所述探测组件沿着所述钻杆柱(16)的外壁上下滑动和绕着所述钻杆柱(16)水平周向转动，所述控制主机(2)设置在地面上，且所述控制主机(2)分别与所述探测组件和运载机器人(3)电连接，并可控制所述运载机器人(3)带动所述探测组件上下运动和水平转动。

2.根据权利要求1所述的用于复杂地层的多功能钻具总成，其特征在于：所述运载机器人(3)包括环状链条、行走机构和转动机构，所述环状链条环绕设置在所述钻杆柱(16)的外周，所述行走机构设置在所述环状链条的内侧壁上，且所述行走机构与所述钻杆柱(16)的外壁滑动连接，并可驱动所述环状链条带动所述探测组件在所述钻杆柱(16)的外壁上上下滑动，所述转动机构设置在所述环状链条的外侧壁上，所述探测组件设置在所述转动机构外壁上，所述转动机构可驱动所述探测组件绕着所述钻杆柱(16)的外壁水平周向转动。

3.根据权利要求2所述的用于复杂地层的多功能钻具总成，其特征在于：所述环状链条包括多个第一链条组件(31)和与所述第一链条组件(31)形状相匹配的多个第二链条组件(33)，所述多个第一链条组件(31)和多个第二链条组件(33)交替首尾连接，并形成闭合环状，所述行走机构设置在所述第一链条组件(31)或所述第二链条组件(33)的内侧壁上；

所述行走机构包括多个弹簧(34)、多个可自由转动的行走轮(35)以及至少一个驱动所述行走轮(35)转动的第一电机，所述弹簧(34)的一端与对应的所述第一链条组件(31)或所述第二链条组件(33)的内侧壁连接，另一端与对应的所述行走轮(35)连接，所述行走轮(35)与所述钻杆柱(16)的外侧壁滑动连接，所述控制主机(2)与所述第一电机电连接；

所述转动机构包括环状传送带(36)和至少一个第二电机，所述环状传送带(36)沿着所述环状链条的外周设置，所述探测组件设置在所述环状传送带(36)的外侧壁上，所述第二电机与所述环状传送带(36)传动连接，并可通过驱动所述环状传送带(36)转动同步带动所述探测组件绕着所述钻杆柱(16)的外壁水平周向转动。

4.根据权利要求3所述的用于复杂地层的多功能钻具总成，其特征在于：所述探测组件包括闭路电视、激光扫描仪、声纳、传感器组件和孔内全景成像仪中的一种或多种，所述闭路电视、激光扫描仪、声纳、传感器组件和孔内全景成像仪均设置在所述环状传送带(36)上，且所述闭路电视、激光扫描仪、声纳、传感器组件和孔内全景成像仪均与所述控制主机(2)电连接。

5.根据权利要求1所述的用于复杂地层的多功能钻具总成，其特征在于：还包括孔壁修复组件和/或钻具解卡组件，所述运载机器人(3)的数量至少为两个并间隔设置在所述钻杆柱(16)上；所述探测组件、孔壁修复组件以及钻具解卡组件分别设置在不同的所述运载机器人(3)上，所述运载机器人(3)可带动对应的所述探测组件以及孔壁修复组件和/或钻具解卡组件沿着所述钻杆柱(16)的外壁上下滑动，以及绕着所述钻杆柱(16)水平周向转动。

6.根据权利要求5所述的用于复杂地层的多功能钻具总成，其特征在于：所述孔壁修复组件包括注浆泵、喷嘴和搅拌机，所述注浆泵和搅拌机设置在地面上，且所述注浆泵和搅拌机分别与所述控制主机(2)电连接，所述搅拌机内盛有浆液，所述喷嘴设置在对应所述运载机器人(3)的外壁上，所述运载机器人(3)可带动所述喷嘴沿着所述钻杆柱(16)的外壁上下滑动和绕着所述钻杆柱(16)水平周向转动，所述搅拌机、注浆泵和喷嘴依次通过管路连通，经过所述搅拌机混合搅拌后的浆液通过所述注浆泵抽吸至所述喷嘴，并由所述喷嘴喷射至孔壁上。

7.根据权利要求5所述的用于复杂地层的多功能钻具总成，其特征在于：所述钻具解卡组件包括多个热熔元件(22)和与所述热熔元件(22)数量相同并一一对应的隔热元件(23)，多个所述热熔元件(22)之间通过电缆(21)串联，且与所述控制主机(2)电连接，所述隔热元件(23)和对应的所述热熔元件(22)设置在对应的所述运载机器人(3)的外壁上，所述运载机器人(3)可带动所述隔热元件(23)和对应的所述热熔元件(22)沿着所述钻杆柱(16)上下滑动和绕着所述钻杆柱(16)水平周向转动，且所述隔热元件(23)位于所述热熔元件(22)与所述运载机器人(3)之间。

8.根据权利要求1所述的用于复杂地层的多功能钻具总成，其特征在于：还包括用于对上返至地面的岩样和钻屑进行分离和分类处理的分样组件，所述分样组件设置在地面上，所述分样组件包括旋流器(18)和分样器(19)，所述旋流器(18)的入料口与所述排样管(171)的一端连通，所述排样管(171)的另一端与所述钻进组件连通，所述旋流器(18)的出料口位于所述分样器(19)的进料口上方，所述分样器(19)的出料口下方设有岩样箱(191)。

9.一种用于复杂地层的多功能钻具总成的钻进方法，其特征在于，其采用权利要求1-8任一项所述的用于复杂地层钻进的多功能钻具总成，所述方法包括以下步骤：

所述钻进组件钻进碎岩与取样，并将孔底部产生的岩样和钻屑上返至地面；

所述控制主机(2)控制所述运载机器人(3)带动所述探测组件沿着所述钻杆柱(16)的外壁上下滑动和绕着所述钻杆柱(16)水平周向转动，所述探测组件对孔内进行探测，获取孔内的数据信息，并将所述数据信息实时反馈至所述控制主机(2)。

10.根据权利要求9所述的用于复杂地层的多功能钻具总成的钻进方法，其特征在于，所述用于复杂地层钻进的多功能钻具总成还包括孔壁修复组件和钻具解卡组件；

采用所述孔壁修复组件喷射浆液，并对处于复杂地层的孔壁进行原位修复；

采用所述钻具解卡组件通过对造成钻具卡钻事故的岩土体进行高温熔融，和/或采用振击器具对钻具进行振击，以对钻具进行原位解卡。