CN111287743A - 一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进系统及工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进系统及工艺方法，本发明系统包括反循环钻机、钻具、空压机、正反循环远程切换接头、正循环排渣引流装置、正循环排出岩屑样的分离收集装置以及反循环排出岩屑样的分离收集装置，关闭正反循环远程切换接头，关闭双壁钻杆的内管通道，地层水在地底高压空气作用下，经由钻孔孔底依次通过钻孔孔壁与双壁钻杆外壁间隙、正循环排渣引流装置、正循环排出岩屑样的分离收集装置进行地层水排出与监测，开启正反循环远程切换接头，实现干燥岩屑样采集。本发明工艺方法在含水地层钻探采样过程中，利用正循环实现含水地层排水，利用反循环实现干燥岩样采集，在保证返出岩矿样干燥的前提下提高岩样采取率。

Description

一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进系统及工艺 方法

技术领域

本发明涉及钻探技术领域，特别是一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进系统及工艺方法。

背景技术

空气反循环连续取样钻进技术是以连续高效地获取高品质岩屑样为目的的一种钻探技术，其原理是将压缩空气作为冲洗介质从双壁钻杆环状间隙送至孔底，携带岩样从中心通道高速返回地表的钻进工艺方法。因孔底钻具形态结构的特殊设计，压缩空气到达孔底后开始分流，其中绝大部分空气携带孔底钻头即时破碎的岩屑经钻头面通孔进入上部钻具中心通道；一小部分空气由钻杆及孔壁间隙上返，可平衡孔底水压，维持孔底碎岩的干燥作业环境，故理论上空气反循环连续取样钻进工艺碎岩钻进产生干燥且即时上返的岩屑样，空气反循环连续取样钻进样品采取率可达100％，可实时反映孔底岩层状态，经压缩空气强制破碎的全部岩柱(岩屑)经由中心通道上返至地表，避免了围岩的干扰。

但在实际应用中，实钻地层中的地下水情况对空气反循环连续取样钻进样品采取率影响很大，在地下水位以上钻进时：上返岩矿样为干燥样，其采取率可以达90％以上。在地下水位以下钻进时：当实钻地层含少量水时，此时气体压力可与外环水压力达到平衡，在钻进过程钻具上方将形成一圈泥环，这种泥环在一定程度上起到外环间隙密封的作用，进而保持孔底的干燥作业环境，提高了岩样采取率。但当实钻地层地下水位较高时，井底处地层孔隙水压力超过井壁与钻杆间的外环空气压力，在钻进过程中，地下水将涌入孔底，随岩样从钻杆中空通道上返，岩样呈淤泥状，给岩样收集带来极大的困难，且会造成样品污染，部分样品将随地下水流失，其岩样采取率往往较干样钻进时低得多，通常仅为40％－70％，无法满足地质勘查规范对矿样采取率的要求。

目前针对这一现状没有解决方法，通常采用可滤水的布袋作为取样袋接在旋流分离取样器下出口处，返上的淤泥岩矿样在布袋中滤水晒干成为干燥样品后再进行后期处理。这样处理会造成岩矿样随地下水大量流失，采取率过低，且湿岩样处理起来耗时较长，地质人员对于这样的岩矿样很难接受。因此空气反循环连续取样钻进工艺方法在含地下水的地层使用时受到极大的限制。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明目的是为了解决在含水地层利用空气反循环连续取样钻进采样，采取率过低、样品处理困难的问题而提供的一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进系统及工艺方法。

本发明提供的一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进系统，其特征在于：包括反循环钻机、钻具、空压机、正反循环远程切换接头、正循环排渣引流装置、正循环排出岩屑样的分离收集装置、反循环排出岩屑样的分离收集装置；

所述钻具包括从上到下依次设置的钻机动力头、双壁钻杆、贯通式潜孔锤，所述钻机动力头包括进气端、出气端、岩屑样出口端；

所述正反循环远程控制切换接头包括接头外管、接头内管和远程控制阀体，所述接头内管置于所述接头外管内，所述接头内管和所述接头外管的中心线位于同一直线上，所述远程控制阀体用于远程控制接头内管通道的开合；

所述正循环排渣引流装置包括孔口套管、孔口环空密封排渣引流装置，所述孔口套管为带有环形凸沿的圆柱形中空管体，所述孔口环空密封排渣引流装置包括上部结构和下部结构，所述上部结构包括锥形胶芯、上部管件，所述锥形胶芯置于所述上部管件内，并通过螺栓安装于法兰，所述法兰与所述上部管件连接，所述下部结构为三通管体，所述三通管体的上部管体与所述上部结构相连，所述三通管体的下部管体与所述孔口套管的环形凸沿通过法兰连接；

所述正循环排出岩屑样的分离收集装置包括正循环排渣管、旋流分离器；

所述反循环排出岩屑样的分离收集装置包括反循环排渣管、旋流分离器；

所述反循环钻机连接所述钻具，所述钻机动力头的进气端通过高压胶管与所述空压机相连，所述钻机动力头的岩屑样出口端与所述反循环排渣管相连，所述反循环排渣管与所述旋流分离器相连，所述钻机动力头的出气端与所述接头外管螺纹连接，所述接头外管另一端与所述双壁钻杆的外杆螺纹连接，在所述接头外管与所述双壁钻杆连接的同一端，所述接头内管与所述双壁钻杆的内杆插入式连接；所述双壁钻杆的内杆、正反循环远程切换接头的接头内管、钻机动力头的岩屑样出口端、反循环排渣管、旋流分离器依次连通组成岩屑样上返收集通道；

所述正循环排渣引流装置套设于所述双壁钻杆外壁的钻孔孔口处，所述孔口套管插入钻孔孔口，所述三通管体的侧向导流管体与所述正循环排渣管相连，所述正循环排渣管与所述旋流分离器相连，钻孔孔壁与所述双壁钻杆外壁间隙组成的通道、所述正循环排渣引流装置与所述双壁钻杆外壁间隙组成的通道、正循环排渣管、旋流分离器依次连通组成地层水排出收集通道。

作为本技术方案的进一步改进，所述远程控制阀体包括球形阀、阀体、阀杆、压盖螺母、执行器，所述球形阀和所述阀体在所述接头内管中，所述球形阀上连接所述阀杆，所述阀杆与所述执行器连接，所述螺母压盖与所述接头外管螺纹连接。

作为本技术方案的进一步改进，所述执行器为电动执行器。

作为本技术方案的进一步改进，在所述钻机动力头的出气端与所述接头外管连接的连接端，所述接头外管为内螺纹，沿所述接头外管的内螺纹末端所在位置设置环状平台，在内螺纹末端对应位置，在所述接头内管外壁同一圆周上均匀分布若干凸起，所述凸起卡接在所述平台表面。

作为本技术方案的进一步改进，所述凸起为长方形，数量为三个，均匀分布在所述接头内管外壁同一圆周上。

作为本技术方案的进一步改进，所述孔口套管内径不小于钻孔孔口直径。

作为本技术方案的进一步改进，所述上部结构与所述下部结构通过快接夹连接。

作为本技术方案的进一步改进，所述法兰与所述上部管件、所述上部结构与所述三通管体的上部管体相连面、所述三通管体下部管件与所述孔口套管的环状凸沿连接面，分别用石棉垫起密封作用。

本发明另外提供了一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进工艺方法，其特征在于：所述工艺方法是将反循环钻机、钻具、空压机、正反循环远程切换接头、正循环排渣引流装置、正循环排出岩屑样的分离收集装置、反循环排出岩屑样的分离收集装置装配连接。

空气反循环连续取样钻进时，开启所述正反循环远程切换接头，所述正反循环远程控制切换接头中的球形阀处于常开状态，开始所述空压机产生压缩空气，压缩空气输出，经由所述钻机动力头、所述正反循环远程控制切换接头进入所述双壁钻杆的环状通道，压缩空气驱动所述贯通式潜孔锤动作，在钻孔底部形成均匀的负压区，通过卷吸作用携带岩屑样向上返，最终经由所述双壁钻杆的内杆、正反循环远程切换接头的接头内管、钻机动力头的岩屑样出口端、反循环排渣管、旋流分离器依次连通组成岩屑样上返收集通道，实现岩屑样的分离和收集；

当所述反循环排出岩屑样的分离收集装置返回岩样上返湿岩样呈淤泥状的固液混合体时，通过远程操作所述正反循环远程控制切换接头，关闭所述正反循环远程切换接头，所述双壁钻杆的内杆通道关闭，岩屑样上返收集通道关闭，操作所述反循环钻机将所述贯通式潜孔锤及所述双壁钻杆下至孔底且锤头处于悬空状态，开启所述空压机产生压缩空气，压缩空气输出，经由所述钻机动力头、通过所述正反循环远程控制切换接头的接头内管与接头外管的环状通道，再进入所述双壁钻杆的环状通道，下至孔底的双壁钻杆排出高压空气，强制排出孔底积存的地下水，地下水由孔底经孔壁和与所述双壁钻杆外壁间形成的外环空间，通过所述正循环排渣引流装置、所述正循环排渣管、所述旋流分离器排出，待正循环排出岩屑样的分离收集装置不再有地下水排出时，远程操作所述正反循环远程控制切换接头，开启所述球形阀，继续钻进孔底采取干燥样品。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明提供的一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进系统及工艺方法，利用正反循环远程切换接头，实现空气正反循环切换，在含水地层钻探采样过程中，利用正循环实现含水地层排水，并利用反循环实现干燥岩样采集，能有效克服空气反循环连续取样钻进工艺方法在含水地层钻进过程中存在的弊端，在保证返出岩矿样干燥的前提下大大提高空气反循环连续取样钻进工艺方法钻取岩矿样的采取率，扩大了空气反循环连续取样钻进工艺方法的使用范围。

附图说明

图1是本发明的反循环钻探系统的结构示意图。

图2为正反循环远程控制切换接头结构示意图。

图3为孔口环空密封排渣引流装置结构示意图。

图4为快接夹接头示意图。

其中：1反循环钻机，2空压机，3孔口环空密封排渣引流装置，4正反循环远程控制切换接头，5旋流分离器，6旋流分离器，7正循环排渣管，8反循环排渣管，9贯通式潜孔锤，10双壁钻杆，11孔口套管，12钻机动力头，3.1三通管体，3.2快接夹，3.3上部管体，3.4锥形胶芯，3.5三通管体侧向导流管体，3.6、3.7、3.8石棉垫，3.9、3.10、3.11法兰连接，4.1接头外管，4.2接头内管，4.3球形阀，4.4阀体，4.5阀杆，4.6压盖螺母，4.7电动执行器，4.8凸起，4.9环状平台。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图4所示，本发明提供一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进系统，包括反循环钻机1、钻具、空压机2、正反循环远程切换接头4、正循环排渣引流装置、正循环排出岩屑样的分离收集装置、反循环排出岩屑样的分离收集装置。

钻具包括从上到下依次设置的钻机动力头12、双壁钻杆10、贯通式潜孔锤9，钻机动力头12包括进气端、出气端、岩屑样出口端；

正反循环远程控制切换接头4包括接头外管4.1、接头内管4.2和远程控制阀体，接头内管4.2置于接头外管内4.1，接头内管4.2和接头外管4.1位于同一中心线上，远程控制阀体用于远程控制接头内管4.2通道的开合；

正循环排渣引流装置包括孔口套管9、孔口环空密封排渣引流装置3，孔口套管9为带有环状凸沿的圆柱形中空管体，孔口环空密封排渣引流装置3包括上部结构和下部结构，上部结构包括锥形胶芯3.4、上部管件3.3，锥形胶芯3.4置于上部管件3.3内，并通过螺栓安装于法兰3.10，法兰3.10与上部管件3.3通过螺栓连接，下部结构为三通管体3.3，上部结构3.3与三通管体的上部管体通过快接夹实现快速连接，三通管体3.3的下部管体与孔口套管9的环形凸沿通过法兰连接；锥形胶芯起到了密封的作用，使得地层水通过正循环排渣引流装置进入正循环排出岩屑样的分离收集装置。

正循环排出岩屑样的分离收集装置包括正循环排渣管7、旋流分离器6；

反循环排出岩屑样的分离收集装置包括反循环排渣管8、旋流分离器5；

反循环钻机1连接钻具，钻机动力头12的进气端通过高压胶管与空压机2相连，钻机动力头12的岩屑样出口端与反循环排渣管7相连，反循环排渣管7与旋流分离器6相连，钻机动力头12的出气端与接头外管4.1螺纹连接，接头外管4.1另一端与双壁钻杆10的外杆螺纹连接，在接头外管4.1与双壁钻杆10连接的同一端，接头内管4.2与双壁钻杆10的内杆插入式连接，接头内管4.2连接处设有橡皮圈起密封作用，双壁钻杆10的内杆、正反循环远程切换接头的接头内管4.2、钻机动力头的岩屑样出口端、反循环排渣管8、旋流分离器5依次连通组成岩屑样上返收集通道；

正循环排渣引流装置套设于双壁钻杆10外壁的钻孔孔口处，孔口套管9插入钻孔孔口，三通管体的侧向导流管体3.5与正循环排渣管7相连，正循环排渣管7与旋流分离器5相连，钻孔孔壁与双壁钻杆10外壁间隙组成的通道、正循环排渣引流装置与双壁钻杆10外壁间隙组成的通道、正循环排渣管7、旋流分离器6依次连通组成地层水排出收集通道。

如图2所示，远程控制阀体包括：球形阀4.3，阀体4.4，阀杆4.5，压盖螺母4.6，电动执行器4.7，球形阀4.3和阀体4.4在接头内管4.2中，为内管通道的阀门用于控制内管通道的开合；球形阀4.3上连接阀杆4.5，阀杆4.5与电动执行器4.7连接，通过螺母压盖4.6与接头外管4.1螺纹连接形成密封腔体，电动执行器4.7驱动阀杆4.5与球形阀4.3实现远程开合接头内管4.2通道，关闭球阀4.3，关闭双壁钻杆10内管岩样上返通道，通过孔壁与双壁钻杆10外壁间隙形成地层水排出通道，地层水在地底高压空气作用下，通过地层水排出通道、正循环排渣引流装置3、正循环排出岩屑样的分离收集装置实现地层水排出状态监测。

所述电动执行器4.7还可以为气动或液动执行器。

如图1所示，为保证地层水的收集效率，孔口套管9的内径大于钻孔孔口的直径，保证上返地层水可以完全进入孔口环密封排渣引流装置3中。

如图3所示，孔口环空密封排渣引流装置3的上部管件3.3与三通管体3.1通过快接夹3.2连接；锥形胶芯3.4与法兰3.10连接面、上部结构(上部管件3.3)与所述下部结构(三通管体3.1的上部管体)连接面、三通管体3.1下部管件与孔口套管9的环状凸沿连接面，分别用石棉垫起密封作用。

如图4所述，孔口环密封排渣引流装置的上部结构与下部结构通过快接夹实现快速连接，方便胶芯的更换。

本发明提供的一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进工艺方法，可以通过如下操作流程实现：

空气反循环连续取样钻进时，正反循环远程控制切换接头4中的球形阀4.3处于常开状态，空压机2产生压缩空气，压缩空气输出，经由钻机动力头12、正反循环远程控制切换接头4进入双壁钻杆10的环状通道，压缩空气驱动贯通式潜孔锤9动作，在钻孔底部形成均匀的负压区，通过卷吸作用携带岩屑样向上返，最终经由双壁钻杆10的中心通道、正反循环远程控制切换接头4的接头内管4.2、钻机动力头12、反循环排渣管8进入旋流分离器5依次连通组成的岩屑样上返通道，实现岩屑样的分离和收集。

当反循环排出岩屑样的分离收集装置返回岩样上返湿岩样呈淤泥状的固液混合体时，通过远程操作所述正反循环远程控制切换接头4，关闭球形阀4.3，双壁钻杆10的内杆通道关闭，岩屑样上返收集通道关闭，此时可将反循环转换为正循环钻进方式，通过反循环钻机1将贯通式潜孔锤9及双壁钻杆10下至孔底且锤头处于悬空状态，空压机2产生压缩空气，压缩空气输出，经由钻机动力头12、通过正反循环远程控制切换接头4的接头内管4.2与接头外管4.1的环状通道，再进入双壁钻杆10的环状通道，下至孔底的双壁钻杆10排出高压空气，强制排出孔底积存的地下水，地下水由孔底经孔壁和与双壁钻杆10外壁间形成的外环空间，通过正循环排渣引流装置、正循环排渣管7、旋流分离器排出6，待正循环排出岩屑样的分离收集装置中旋流分离器6下出料口处不再有地下水排出时，远程操作正反循环远程控制切换接头4，开启球形阀4.3，此时将正循环转换为反循环取样钻进方式(由于正循环钻进时高压气体全部进入双壁钻杆10及孔壁的外环空间，当正反循环远程控制切换接头4中球形阀4.3处于关闭状态时外环空间空气压力提高，且因排水后含水层中孔隙水减少水头压力降低，此时孔底气体压力与外环水压力恢复平衡)，继续钻进孔底仍可维持干燥状态，继续反循环取样钻进可提高岩矿样品采取率且获取干燥样品。

本发明工艺方法在含水地层钻探采样过程中，利用正循环实现含水地层排水，并利用反循环取样钻进实现干燥岩样采集，在保证返出岩矿样干燥的前提下大大提高钻取岩矿样的采取率。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进系统，其特征在于：包括反循环钻机、钻具、空压机、正反循环远程切换接头、正循环排渣引流装置、正循环排出岩屑样的分离收集装置、反循环排出岩屑样的分离收集装置；

所述钻具包括从上到下依次设置的钻机动力头、双壁钻杆、贯通式潜孔锤，所述钻机动力头包括进气端、出气端、岩屑样出口端；

所述正反循环远程控制切换接头包括接头外管、接头内管和远程控制阀体，所述接头内管置于所述接头外管内，所述接头内管和所述接头外管的中心线位于同一直线上，所述远程控制阀体用于远程控制接头内管通道的开合；

所述正循环排渣引流装置包括孔口套管、孔口环空密封排渣引流装置，所述孔口套管为带有环形凸沿的圆柱形中空管体，所述孔口环空密封排渣引流装置包括上部结构和下部结构，所述上部结构包括锥形胶芯、上部管件，所述锥形胶芯置于所述上部管件内，并通过螺栓安装于法兰，所述法兰与所述上部管件连接，所述下部结构为三通管体，所述三通管体的上部管体与所述上部结构相连，所述三通管体的下部管体与所述孔口套管的环形凸沿通过法兰连接；

所述正循环排出岩屑样的分离收集装置包括正循环排渣管、旋流分离器；

所述反循环排出岩屑样的分离收集装置包括反循环排渣管、旋流分离器；

所述反循环钻机连接所述钻具，所述钻机动力头的进气端通过高压胶管与所述空压机相连，所述钻机动力头的岩屑样出口端与所述反循环排渣管相连，所述反循环排渣管与所述旋流分离器相连，所述钻机动力头的出气端与所述接头外管螺纹连接，所述接头外管的另一端与所述双壁钻杆的外杆螺纹连接，在所述接头外管与所述双壁钻杆连接的同一端，所述接头内管与所述双壁钻杆的内杆插入式连接；所述双壁钻杆的内杆、正反循环远程切换接头的接头内管、钻机动力头的岩屑样出口端、反循环排渣管、旋流分离器依次连通组成岩屑样上返收集通道；

所述正循环排渣引流装置套设于所述双壁钻杆外壁的钻孔孔口处，所述孔口套管插入钻孔孔口，所述三通管体的侧向导流管体与所述正循环排渣管相连，所述正循环排渣管与所述旋流分离器相连，钻孔孔壁与所述双壁钻杆外壁间隙组成的通道、所述正循环排渣引流装置与所述双壁钻杆外壁间隙组成的通道、正循环排渣管、旋流分离器依次连通组成地层水排出收集通道。

2.根据权利要求1所述的一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进系统，其特征在于：所述远程控制阀体包括球形阀、阀体、阀杆、压盖螺母、执行器，所述球形阀和所述阀体在所述接头内管中，所述球形阀上连接所述阀杆，所述阀杆与所述执行器连接，所述螺母压盖与所述接头外管螺纹连接。

3.根据权利要求3所述的一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进系统，其特征在于：所述执行器为电动执行器。

4.根据权利要求1所述的一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进系统，其特征在于：在所述钻机动力头的出气端与所述接头外管连接的连接端，所述接头外管为内螺纹，沿所述接头外管的内螺纹末端所在位置设置环状平台，在内螺纹末端对应位置，在所述接头内管外壁同一圆周上均匀分布若干凸起，所述凸起卡接在所述平台表面。

5.根据权利要求4所述的一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进系统，其特征在于：所述凸起为长方形，数量为三个，均匀分布在所述接头内管外壁同一圆周上。

6.根据权利要求1所述的一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进系统，其特征在于：所述孔口套管内径不小于钻孔孔口直径。

7.根据权利要求1所述的一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进系统，其特征在于：所述上部结构与所述下部结构通过快接夹连接。

8.根据权利要求1所述的一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进系统，其特征在于：所述法兰与所述上部管件、所述上部结构与所述三通管体的上部管体相连面、所述三通管体下部管件与所述孔口套管的环状凸沿连接面，分别用石棉垫起密封作用。

9.用权利要求1-8任意一项所述的一种用于含水地层的空气反循环连续取样钻进系统的工艺方法，其特征在于：所述工艺方法是将反循环钻机、钻具、空压机、正反循环远程切换接头、正循环排渣引流装置、正循环排出岩屑样的分离收集装置、反循环排出岩屑样的分离收集装置装配连接；

空气反循环连续取样钻进时，开启所述正反循环远程切换接头，所述正反循环远程控制切换接头中的球形阀处于常开状态，开始所述空压机产生压缩空气，压缩空气输出，经由所述钻机动力头、所述正反循环远程控制切换接头进入所述双壁钻杆的环状通道，压缩空气驱动所述贯通式潜孔锤动作，在钻孔底部形成均匀的负压区，通过卷吸作用携带岩屑样向上返，最终经由所述双壁钻杆的内杆、正反循环远程切换接头的接头内管、钻机动力头的岩屑样出口端、反循环排渣管、旋流分离器依次连通组成岩屑样上返收集通道，实现岩屑样的分离和收集；

当所述反循环排出岩屑样的分离收集装置返回岩样上返湿岩样呈淤泥状的固液混合体时，通过远程操作所述正反循环远程控制切换接头，关闭所述正反循环远程切换接头，所述双壁钻杆的内杆通道关闭，岩屑样上返收集通道关闭，操作所述反循环钻机将所述贯通式潜孔锤及所述双壁钻杆下至孔底且锤头处于悬空状态，开启所述空压机产生压缩空气，压缩空气输出，经由所述钻机动力头、通过所述正反循环远程控制切换接头的接头内管与接头外管的环状通道，再进入所述双壁钻杆的环状通道，下至孔底的双壁钻杆排出高压空气，强制排出孔底积存的地下水，地下水由孔底经孔壁和与所述双壁钻杆外壁间形成的外环空间，通过所述正循环排渣引流装置、所述正循环排渣管、所述旋流分离器排出，待正循环排出岩屑样的分离收集装置不再有地下水排出时，远程操作所述正反循环远程控制切换接头，开启所述球形阀，继续钻进孔底采取干燥样品。

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