CN110029646A - 一种井下式静力触探系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下式静力触探系统，包括探头、探杆、钻头、钻杆、贯入机构、油线分离器、承重头、脐带缆、轴向定位器及测速机构，钻杆底端设有钻头，内部设有探杆，探杆底端连接探头，顶端连接贯入机构，贯入机构顶端连接油线分离器，油线分离器顶端通过承重头与脐带缆固定连接，贯入机构上设有轴向定位器，钻杆内壁开设有与轴向定位器配合的定位槽。采用该静力触探系统，以钻探平台为触探基准，将深层静力触探探头沿钻杆的中间孔放下，启动贯入系统，在取得一个行程内的数据后利用钻头将已经测试过的土层扫去，同时启动泥浆泵，将钻杆中的泥沙清洗干净，如此循环能够使静力触探试验不受深度及地层的影响。

Description

一种井下式静力触探系统

技术领域

本发明涉及静力触探技术领域，具体涉及一种井下式静力触探系统。

背景技术

井下式海底静力触探(Downhole CPT)系统是一种对海底土体进行深层探测的原位测试设备，利用配套的海洋钻机、海底土体静力触探设备对海底土体的物理力学性质进行原位测试，进而评价海底土体工程地质特性和稳定性的一种海底工程地质原位探测技术。通过该技术，可以获得海底土的锥尖阻力、侧壁摩擦力、孔隙水压力及其随深度变化曲线，进而通过计算获得土的物理力学参数，是海底工程稳定性评价中具有高精度、高灵敏度的原位测试评价方法。

发明内容

本发明提供一种井下式静力触探系统，使静力触探试验不受深度及地层的影响。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种井下式静力触探系统，包括探杆、探头、贯入机构、油线分离器、承重头、脐带缆、轴向定位器及测速机构，所述探杆底端与探头连接，顶端与贯入机构连接，贯入机构顶端与油线分离器连接，油线分离器顶端通过承重头与脐带缆固定连接，贯入机构上设置有轴向定位器。

作为上述方案的优选，还包括钻头、钻杆，所述探杆、探头、贯入机构、油线分离器、及承重头设于钻杆内，钻杆底端设有钻头，钻杆内壁开设有与轴向定位器配合的定位槽。

作为上述方案的优选，所述贯入机构为液压缸，所述液压缸包括液压缸筒、活塞杆、活塞，液压缸筒为两端开口设置，开口处通过端盖封闭，且端盖上开设有能够与活塞杆配合的通孔，活塞杆能移动地穿设于液压缸筒内，活塞固定于活塞杆下部且位于液压缸筒内，活塞与液压缸筒的内壁之间、活塞与活塞杆的连接处、及液压缸筒的端盖处均设置有密封组件，活塞杆的顶端与油线分离器固定连接，底端与探杆固定连接，所述液压缸底端设有背压阀和单向阀。

作为上述方案的优选，所述轴向定位器套设于活塞杆外侧，位于液压缸筒与油线分离器之间，轴向定位器上端设有锁紧套，轴向定位器上部设置为倒锥形，下部设置为锥形，下部锥形段的上端设有能够与定位槽配合的定位台阶，轴向定位器内部设有弹性元件。

作为上述方案的优选，所述探杆、活塞杆、油线分离器内部均设有供数据线穿过的数据线孔，所述油线分离器内部设有油管。

作为上述方案的优选，所述活塞杆内部安装有油线分离管，油线分离管外壁与活塞杆内壁之间一个环形空腔，环形空腔上下两端分别设有进油口和出油口，所述进油口能够与油线分离器内的油管下端口连通。

作为上述方案的优选，所述测速机构包括测速计、滚筒，所述滚筒安装在钻杆的顶端，滚筒顶端安装有测速计，测速计包括两个测速轮，脐带缆绕过滚筒后由测速计的两个测速轮中间穿过。

作为上述方案的优选，所述测速机构包括滚轮、磁感应器，滚轮和磁感应器安装在活塞上，滚轮外圆上均匀间隔安装有多个磁铁。

作为上述方案的优选，所述测速机构还包括连杆、扭簧，滚轮安装在连杆上，连杆通过一根轴与活塞侧壁连接，且连杆能够绕着该轴转动，连杆上设置有扭簧，扭簧的两端分别与活塞和连杆固定连接，磁感应器固定安装在连杆上，并通过数据线与脐带缆连接。

作为上述方案的优选，所述测速机构包括磁致位移传感器，磁致位移传感器固定在活塞内，磁致位移传感器的波导管伸入至探杆内部，磁环固定安装在液压缸的下端盖上。

由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：

采用该井下式静力触探系统，以钻探平台为触探基准，将深层静力触探探头沿钻杆的中间孔放下，启动贯入系统，在取得一个行程内的数据后利用钻头将已经测试过的土层扫去，同时启动泥浆泵，将钻杆中的泥沙清洗干净，再次将深层静力触探探头沿钻杆的中间孔放下，取得下一个行程内的数据，使静力触探试验不受深度及地层的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例一的整体结构示意图；

图2为本发明活塞杆与油线分离器的安装示意图；

图3为本发明脐带缆与油线分离器的安装示意图；

图4为本发明的局部放大图；

图5、图6为本发明实施例二的结构示意图；

图7为本发明实施例三的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：如图1至图4所示，本实施例提供一种井下式静力触探系统，包括钻头1、探头2、探杆3、液压缸4、活塞5、活塞杆6、轴向定位器7、数据线8、油线分离器9、承重头10、脐带缆11、滚筒12、测速计13、钻杆14、定位槽15。

探杆3底端与探头2连接，为方便安装，在探头2与探杆3之间可以设计带有正反牙的过渡接头，探杆3顶端与贯入机构连接，贯入机构顶端与油线分离器9连接，油线分离器9顶端与承重头10固定连接，承重头10套设在脐带缆11外侧，并与脐带缆11固定连接，贯入机构上设置有轴向定位器7。

探头2、探杆3、液压缸4、活塞5、活塞杆6、轴向定位器7、数据线8、油线分离器9和承重头10整体作为静力触探执行部分，设于钻杆14内部，钻杆14底端设有钻头1，钻杆14内壁开设有与轴向定位器7配合的定位槽15。

贯入机构为液压缸4，所述液压缸包括液压缸筒、活塞杆6、活塞5，液压缸筒为两端开口设置，开口处通过端盖封闭，且端盖上开设有能够与活塞杆配合的通孔，活塞杆6能移动地穿设于液压缸筒内，活塞5固定于活塞杆6下部且位于液压缸筒内，活塞5与液压缸筒的内壁之间、活塞5与活塞杆6的连接处、及液压缸筒的端盖等处均设置有密封组件，活塞杆6的顶端与油线分离器9固定连接，底端与探杆14固定连接，所述液压缸4底端设有背压阀402和单向阀403。

轴向定位器7套设于活塞杆6外侧，位于液压缸筒与油线分离器9之间，轴向定位器7上端设有锁紧套72，轴向定位器7上部设置为倒锥形，下部设置为锥形，下部锥形段的上端设有能够与定位槽15配合的定位台阶71，轴向定位器7内设有弹性元件。

探杆3、活塞杆6、油线分离器9内部均设有供数据线8穿过的数据线孔，或者探杆3、活塞杆6、油线分离器9均可以设计为中空结构，内部穿设数据线8，所述油线分离器9内部设有油管901。

活塞杆6内部安装有油线分离管601，油线分离管601外壁与活塞杆6内壁之间一个环形空腔602，环形空腔上下两端分别设计有进油口605和出油口604，所述进油口605能够与油线分离器9内的油管901下端口连通。

脐带缆11包括承重部分、线缆部分、油管部分，脐带缆11上的线缆111与数据线8接通，接头做密封处理，脐带缆11上的油管112与油线分离器9上的油管901上端接口连通。

本实施例中，测速机构包括测速计13和滚筒12，所述滚筒安装在钻杆14的顶端，测速计13安装在滚筒12顶端，测速计13采用现有技术，包括两个测速轮，所述脐带缆11绕过滚筒12后由测速计的两个测速轮中间穿过。脐带缆11在滚筒12上绕几周，能够减小静力触探执行部分和脐带缆11对测速计13夹紧力的影响。

工作时，先将测速计13测速轮的夹紧力调小，脐带缆11的尾端缠绕在绞车上，再穿过测速计13，在滚筒12上绕几周后与承重头10连接。将探头2、探杆3、液压缸4、活塞5、活塞杆6、轴向定位器7、数据线8、油线分离器9和承重头10整体作为静力触探执行部分放到钻杆14内部，尾端由脐带缆11拉着，滚筒12和测速计13安装在钻杆14顶端，通过绞车对脐带缆11进行释放，将静力触探执行部分从钻杆14内部往下放，当轴向定位器7运动到定位槽15位置处时，轴向定位器7的锥形段在内部弹性元件的压力作用下张开，并卡在定位槽15里面，使轴向定位器7不能在探头反力的作用下向上运动，此时静力触探执行部分释放到位，静力触探执行部分底端也刚好到达钻头上方无法继续下落。

释放到位后，先通过绞车将钻杆14内部的脐带缆11拉直，然后调紧测速计13的夹紧力，使得脐带缆11的上下移动能够带动测速计13上的两个测速轮转动，由于脐带缆11已经在滚筒12上绕了几周，测速计13的夹紧力不需要很大就能够使脐带缆11在自重下不坠落，然后绞车放松测速计13与绞车之间的脐带缆11，从脐带缆11上的油管为液压缸的上腔供液压油，从脐带缆11油管出来的液压油，通过油线分离器9内部的油管901由进油口605进入油线分离管601与活塞杆之间的环形空腔内，液压油从出油口604出来后推动活塞5往下运动，液压缸4的下腔充入的是水或泥浆液，通过背压阀402排出。轴向定位器7锥形段上端的定位台阶71与定位槽15侧壁相抵，使得轴向定位器7卡在定位槽15内，无法向上移动，而轴向定位器7的下端抵住液压缸筒，能够使液压缸筒无法向上移动，进而为液压缸4提供反力，活塞5只能带着探杆3和探头2往下运动，同时带动油线分离器9、承重头10和脐带缆11一起往下运动，脐带缆11带动测速计13的测速轮转动，使得测速计13能够检测出探头2的贯入速度，当液压缸4的单个贯入行程到位时，油线分离器9运动至轴向定位器7，并对其进行推压，使得轴向定位器7在外力作用下收缩，从定位槽15里脱离，同时轴向定位器7上端的锁紧套72在油线分离器9的作用下向下移动，并套在轴向定位器7上部倒锥形段外侧，使得轴向定位器7向内收缩进而从定位槽里脱落，这时再通过绞车带动脐带缆11将静力触探执行部分从钻杆14中收上来，然后从单向阀403接口充入水或泥浆液，将活塞5推向液压缸4的顶端。

静力触探执行部分回收到位后，用钻头1将做过静力触探部分的土层钻掉，同时启动泥浆泵，将钻杆中的泥沙清洗干净，然后再进行静力触探，如此循环能够将静力触探做的很深，使静力触探试验不受深度及地层的影响。

为防止轴向定位器7失灵或油线分离器9无法运动到位导致静力触探执行部分无法回收问题的发生，当脐带缆11受到向上的拉力大于贯入机构最大设计贯入力时，轴向定位器7在脐带缆11的拉动下破坏掉，进而从定位槽15里脱离。

滚筒12的转轴可以进行能够转动和无法转动之间的切换，当静力触探执行部分释放到位，利用测速计13对探杆3和/或探头2进行贯入位移和贯入速度检测时，需要滚筒12克服静力触探执行部分和脐带缆11的重力，此时滚筒12的转轴切换到无法转动状态，滚筒12停止转动；在静力触探执行部分下放和回收的过程中，滚筒12的转轴切换到能够转动状态。

实施例二：如图5、图6所示，与实施例一基本相同，所不同的是：本实施例中，测速机构包括滚轮、磁铁、磁感应器、连杆和扭簧，替换实施例一中的滚筒和测速计，滚轮501和磁感应器502安装在活塞5上，滚轮501外圆上均匀间隔安装有磁铁，滚轮501安装在连杆上，连杆通过一根轴与活塞5连接，且连杆能够绕着该轴转动，连杆上设置有扭簧，扭簧的两端分别与活塞和连杆固定连接，扭簧用于对连杆始终施加向液压缸内壁方向旋转的力，扭簧压着连杆，连杆压着滚轮501，使滚轮501弹性的贴在液压缸内壁上，磁感应器502固定安装在连杆上，通过数据线8与脐带缆11连接，磁感应器可以为干簧管MKA-20101。活塞5在液压缸4内部运动的时候带动滚轮501沿着液压缸内壁转动，滚轮501转动的时候其上面的磁铁会使磁感应器502产生感应信号，磁感应器502将感应信号通过线缆传输至数据线，数据线8通过脐带缆11将感应信号传输至地面检测设备，地面检测设备通过感应信号计算出探头2的贯入速度和深度。

实施例三：如图7所示，与实施例一、实施例二基本相同，所不同的是：本实施例中，测速机构采用磁致位移传感器503，磁致位移传感器503固定在活塞5内，磁致位移传感器503的波导管伸入至探杆3内部，磁环504固定安装在液压缸的下端盖上。活塞在运动的过程中，波导管从磁环504中穿过，探杆的贯入位移和速度被磁致位移传感器503检测出来，并通过数据线、脐带缆传输至地面设备。磁致位移传感器的型号为KYDM-L。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种井下式静力触探系统，其特征在于：包括探杆、探头、贯入机构、油线分离器、承重头、脐带缆、轴向定位器及测速机构，所述探杆底端与探头连接，顶端与贯入机构连接，贯入机构顶端与油线分离器连接，油线分离器顶端通过承重头与脐带缆固定连接，贯入机构上设置有轴向定位器。

2.根据权利要求1所述的井下式静力触探系统，其特征在于：还包括钻头、钻杆，所述探杆、探头、贯入机构、油线分离器及承重头设于钻杆内，钻杆底端设有钻头，钻杆内壁开设有与轴向定位器配合的定位槽。

3.根据权利要求2所述的井下式静力触探系统，其特征在于：所述贯入机构为液压缸，所述液压缸包括液压缸筒、活塞杆、活塞，液压缸筒为两端开口设置，开口处通过端盖封闭，且端盖上开设有能够与活塞杆配合的通孔，活塞杆能移动地穿设于液压缸筒内，活塞固定于活塞杆下部且位于液压缸筒内，活塞与液压缸筒的内壁之间、活塞与活塞杆的连接处、及液压缸筒的端盖处均设置有密封组件，活塞杆的顶端与油线分离器固定连接，底端与探杆固定连接，所述液压缸底端设有背压阀和单向阀。

4.根据权利要求3所述的井下式静力触探系统，其特征在于：所述轴向定位器套设于活塞杆外侧，位于液压缸筒与油线分离器之间，轴向定位器上端设有锁紧套，轴向定位器上部设置为倒锥形，下部设置为锥形，下部锥形段的上端设有能够与定位槽配合的定位台阶，轴向定位器内部设有弹性元件。

5.根据权利要求3所述的井下式静力触探系统，其特征在于：所述探杆、活塞杆、油线分离器内部均设有供数据线穿过的数据线孔，所述油线分离器内部设有油管。

6.根据权利要求5所述的井下式静力触探系统，其特征在于：所述活塞杆内部安装有油线分离管，油线分离管外壁与活塞杆内壁之间一个环形空腔，环形空腔上下两端分别设有进油口和出油口，所述进油口能够与油线分离器内的油管下端口连通。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的井下式静力触探系统，其特征在于：所述测速机构包括测速计、滚筒，所述滚筒安装在钻杆的顶端，滚筒顶端安装有测速计，测速计包括两个测速轮，脐带缆绕过滚筒后由测速计的两个测速轮中间穿过。

8.根据权利要求3至6中任一项所述的井下式静力触探系统，其特征在于：所述测速机构包括滚轮、磁感应器，滚轮和磁感应器安装在活塞上，滚轮外圆上均匀间隔安装有多个磁铁。

9.根据权利要求8所述的井下式静力触探系统，其特征在于：所述测速机构还包括连杆、扭簧，滚轮安装在连杆上，连杆通过一根轴与活塞侧壁连接，且连杆能够绕着该轴转动，连杆上设置有扭簧，扭簧的两端分别与活塞和连杆固定连接，磁感应器固定安装在连杆上，并通过数据线与脐带缆连接。

10.根据权利要求3至6中任一项所述的井下式静力触探系统，其特征在于：所述测速机构包括磁致位移传感器，磁致位移传感器固定在活塞内，磁致位移传感器的波导管伸入至探杆内部，磁环固定安装在液压缸的下端盖上。