CN111734299A - 一种大口径地质钻孔的钻进工艺 - Google Patents

Abstract

一种大口径地质钻孔的钻进工艺，涉及钻进工艺技术领域，钻杆采用多段连接式组合钻杆，组合钻杆的最底端装传扭钻杆，在传扭钻杆的底部装有用于钻芯孔的小钻头，在传扭钻杆的下部套装用于钻进或取芯的大钻头，大钻头与传扭钻杆之间通过传扭机构连接，大钻头完成一次集渣或取芯后，组合钻杆始终置留在孔内，只将大钻头提升至孔外；卸渣或取出岩芯后，重新将大钻头沿组合钻杆下放至孔底，通过传扭机构实现组合钻杆与大钻头同步旋转，进行再次钻进。采用本发明的钻进工艺，大大提高了钻进效率。

Description

一种大口径地质钻孔的钻进工艺

技术领域

本发明涉及钻进工艺技术领域，尤其是一种大口径地质钻孔的钻进工艺。

背景技术

随着现代工业的发展，地质钻孔被越来越广泛地应用，这些钻孔的直径和深度因钻进目的的不同而千变万化，应用于的领域也很多，比如：勘察领域、石油领域、采水领域、桩基础领域、矿山领域（各种用途的井）、污水处理领域（曝气井）等等。一般来讲用于勘察、石油及采水等领域的钻井直径比较小，直径在几百毫米以内，而应用于桩基础、矿山、污水处理等领域的地质钻孔的直径跨度则比较大，直径范围从几百毫米到几千毫米不等，目前已知的用于矿山竖井的钻孔直径已达9米。

地质钻孔在钻进时，可以是全断面钻进也可以是取芯钻进，这与很多因素有关，比如地质勘察孔在钻达目的层时往往需要进行取芯钻进，为的是取出完整的地质样本；而对于石油井及水井来讲，钻进时采用的基本都是全断面钻进方法，因为对于这类直径相对较小的钻孔，进行全断面钻进所需的钻进能力比较容易满足，往往取芯钻进相对会更难，因为取芯钻进需要的钻具和需要采用的钻井工序都相对复杂。

当钻孔直径较大时，如何对地质体形成快速有效的破碎则成为了更为重要的问题，成为了采用取芯钻进还是全断面钻进方法选择的主要依据，比如一个3米直径的硬岩中的钻孔，如果采用取芯钻进，碎岩面积相对于全断面钻进会大幅度减少，钻进效率也会大大地提高。

目前可见的可用于大直径硬岩钻进的钻井设备及钻进工艺多种多样，可用的设备有旋挖钻机、全断面反循环钻机、冲击钻机、潜水钻机以及普通的正循环回转钻机等等，其中目前应用较多的是旋挖钻机和全断面反循环钻机。

（1）旋挖钻机及其回次提升钻进工艺简述：

旋挖钻机最大的优点是采用了伸缩钻杆，伸缩钻杆的使用可以快速地提出孔内的钻头，充分体现了回次提升钻进的高效性；但同时也带来几个方面的非常大的局限性：

1.但当钻孔较深时，钻杆的重量很大，每次提升钻头时都需将钻杆完全提出钻孔，这耗费了大部分的钻机提升力，使的真正用于提升钻渣的提升力非常有限；

2.很难实现对孔底的有效冲洗，业内有很多人试验过多种对孔底进行冲洗的方法，比如气举反循环、孔底机械扰流等，但都因各种局限性而不能达到预想的效果，造成孔底重复破碎严重、钻头与壁之间的摩擦力很大，致使旋挖钻机所提供的钻进扭矩和加压力很大一部分被消耗于孔底重复破碎和钻头与孔壁之间的摩擦，这些都严重影响了旋挖钻机应用于大直径硬岩钻进的效率；

3.再就是受伸缩杆的限制，绝对钻进深度比较小，而且当钻孔深度相对较深时，需要使用的钻杆就变得很长，致使伸缩杆的内层钻杆直径较小，易损坏。

（2）全断面反循环钻机及其全断面破碎反循环钻进工艺简述

全断面反循环钻机的优点是在钻进时使用泵吸反循环或气举反循环清理孔内的钻渣，可以有效的清理孔底，消除因岩粉聚带来的钻具与孔壁的摩擦，其局限性主要表现在以下几个方面：

1.拆装钻具所需的钻井辅助时间非常长，这决定了全断面反循环钻机不可能频繁提钻；

2.当钻孔直径较大且岩石较硬时，对整个孔底进行全断面破碎需要的钻压和扭矩都非常大，就目前在用的全断面反循环钻机来讲，根本无法提供高效破碎所需的扭矩和钻压（包括所能使用的钻铤重量），造成全断面反循环钻机在钻进大直径硬岩时效率非常低，有时甚至很难形成有效进尺。

为此，对大直径钻孔来讲，急需能把以下几种方法结合在一起使用的全新的钻进工艺以大幅提高大直径钻孔，尤其是大直径硬岩钻孔的钻进效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种将旋挖钻进、取芯钻进、对孔底进行有效的冲洗、孔底岩柱截断这四种方法结合在一起，大大提高了钻进效率的大口径地质钻孔的钻进工艺。

本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，本发明是一种大口径地质钻孔的钻进工艺，其特点是，钻杆采用多段连接式组合钻杆，组合钻杆的最底端装传扭钻杆，在传扭钻杆的底部装有用于钻芯孔的小钻头，在传扭钻杆的下部套装用于钻进或取芯的大钻头，大钻头与传扭钻杆之间通过传扭机构连接，大钻头完成一次集渣或取芯后，组合钻杆始终置留在孔内，只将大钻头提升至孔外；卸渣或取出岩芯后，重新将大钻头沿组合钻杆下放至孔底，通过传扭机构实现组合钻杆与大钻头同步旋转，进行再次钻进。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，以上所述的大口径地质钻孔的钻进工艺中：所述传扭机构包括设置在传扭钻杆上的外花键，大钻头上设有套装在组合钻杆上并可沿组合钻杆上下无摩擦滑动的套管，套管的内壁设有与传扭钻杆上的外花键配合的传扭内花键。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，以上所述的大口径地质钻孔的钻进工艺中：在传扭外花键键齿的侧部设有与传扭内花键相对应的加压槽，加压槽的槽口沿着钻杆本体的外壁同旋向设置，加压槽顶部设置为用于压紧传扭内花键的加压台肩。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，以上所述的大口径地质钻孔的钻进工艺中：大钻头通过滑环总成和卷扬机吊装到组合钻杆上，所述滑环总成包括静环和动环，动环下部与大钻头的起吊部固定相连接，动环的顶部固定设有承托部，静环套装在动环上部，静环的底部固定设有与承托部相配合的提拉环，提拉环的内孔壁与动环外壁之间设有防扭间隙，在静环的顶部固定连接有配重环体，配重环体的顶部固定设有两个对称设置的拉升部。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，以上所述的大口径地质钻孔的钻进工艺中：对于覆盖层或极软岩石层的钻进，大钻头采用旋挖钻头，小钻头采用对应覆盖层或极软岩石层钻进小钻头，具体步骤如下，

（1）钻进定位：通过钻机移动，将钻机的钻进中心轴线对准待钻进孔口中心，传扭钻杆的上端和钻机的动力头相接，传扭钻杆的底部安装覆盖层或极软岩石层钻进小钻头，在传扭钻杆上套装旋挖钻头，转动传扭钻杆，使传扭钻杆与旋挖钻头之间的传扭机构连接；

（2）钻进收渣：启动钻机动力头带动旋挖钻头和覆盖层或极软岩石层钻进小钻头同时钻进，旋挖钻头在钻进时收渣；

（3）钻杆连接：当传扭钻杆全部钻入孔内后，并加装钻杆继续钻进；

（4）起钻排渣：在钻进过程中，旋挖钻头收渣后，将传扭钻杆与旋挖钻头之间的传扭机构解锁，通过提升钢丝绳将旋挖钻头沿组合钻杆提升至孔外，通过孔口夹持装置将孔内的组合钻杆夹持住，使其置留孔内，将提出孔口的旋挖钻头下方的两段组合式钻杆的连接处拆卸开，将旋挖钻头从钻杆上卸下并排渣，完成单个回次的旋挖钻进；

（5）重新安装：将旋挖钻头重新沿组合钻杆下放至孔底，并通过传扭机构将其与传扭钻杆相接，并恢复上述两段组合式钻杆的连接，解除孔口装置的夹持；启动动力头，通过组合钻杆重新带动小钻头与旋挖钻头钻进。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，以上所述的大口径地质钻孔的钻进工艺中：对于岩石层的钻进，大钻头采用岩芯钻头和取芯截断钻头，小钻头采用对应岩石层钻进小钻头，具体步骤如下，

（1）更换钻头：将传扭钻杆底部的小钻头更换为岩石层钻进小钻头，在岩芯钻头的上部安装集渣筒，集渣筒为环状筒体，将岩芯钻头和集渣筒套装在组合钻杆上并沿组合钻杆下放至孔底，通过传扭机构将岩芯钻头与传扭钻杆相接；

（2）钻进：启动动力头带动岩芯钻头和岩石层钻进小钻头对岩石层进行钻进；小钻头钻进构成中心导向孔，大钻头钻进构成环状外分割孔，中心导向孔与环状外分割孔之间的岩层形成环状去芯岩柱；

（3）冲洗收渣：在钻进过程中，采用正循环钻进方法钻进，启动冲洗液泵送系统将冲洗液沿钻杆内部下行，泵送的冲洗液依次流经钻杆内部、小钻头底部的出口、组合钻杆与环状去芯岩柱之间的间隙、环状去芯岩柱上端、岩芯钻头筒体内壁与环状去芯岩柱之间的环状间隙、岩芯钻头筒体外壁与孔壁之间的环状间隙、集渣筒与孔壁之间的环状间隙，至集渣筒上端会因流速急降而将所携带的钻渣沉淀在集渣筒完成收渣；

（4）起钻卸渣：将传扭钻杆与岩芯钻头之间的传扭机构解锁，通过提升钢丝绳将岩芯钻头沿组合钻杆提升至孔外，通过孔口夹持装置将孔内的组合钻杆夹持住，使其置留孔内，将提出孔口的岩芯钻头下方的两段组合式钻杆的连接处拆卸开，将岩芯钻头从钻杆上卸下并排渣；

（5）对于整体环状去芯岩柱取芯作业：换装取芯截断钻头，将取芯截断钻头套装在组合钻杆上并沿组合钻杆下放至孔底，通过传扭机构将其与传扭钻杆相接，并恢复上述两段组合式钻杆的连接，解除孔口夹持装置的夹持；启动动力头，通过组合钻杆带动取芯截断钻头底部断岩切削刀具从底部对环状去芯岩柱进行截断切削，取芯完成后，采用步骤（4）中所述的钻杆置留孔内的方式，只将取了岩芯的取芯截断钻头提升至孔外，卸载岩芯；

（6）继续钻进：重新更换岩芯钻头，将安装有集渣筒的岩芯钻头重新沿组合钻杆下放至孔底，并通过传扭机构将岩芯钻头与传扭钻杆相接，启动动力头，通过组合钻杆重新带动小钻头与岩芯钻头钻进；

（7）重复步骤（2）~（6），达到设计的孔深，进行最后一次取芯作业，钻进结束。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，以上所述的大口径地质钻孔的钻进工艺中：中心导向孔的钻进，在步骤（1）中先进行中心导向孔的钻进作业，其具体步骤如下：

①安装集渣筒：在组合钻杆外套装集渣筒，集渣筒包括外筒体和内筒体，集渣筒通过内筒体套装在组合钻杆上，集渣筒的内筒体与组合钻杆之间留有环状冲洗间隙，集渣筒上部设置有与提升钢丝绳连接的提升部，通过提升钢丝绳提吊将集渣筒沿着组合钻杆下放至孔底；启动钻机动力头带动岩石层钻进小钻头向岩石层钻进预设深度的中心导向孔；

②冲洗收渣：启动冲洗液泵送系统将冲洗液沿钻杆内部下行，泵送的冲洗液依次流经钻杆内部、小钻头底部的出口、组合钻杆与导向孔内壁之间的环状间隙、组合钻杆与集渣筒内筒壁之间的环状间隙，至集渣筒上端会因流速急降而将所携带的钻渣沉淀在集渣筒内，完成收渣；

③集渣筒卸渣：采用上述将组合钻杆置留孔内的方式，只提升集渣筒，将集渣筒提升至孔外，将集渣筒与组合钻杆分离并卸渣，

④再重新套装集渣筒，继续钻进中心导向孔，直至完成导向孔预设深度。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，以上所述的大口径地质钻孔的钻进工艺中：步骤①中，在集渣筒外壁上至少对称装有两个与钻孔内径配合的扶正板。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，以上所述的大口径地质钻孔的钻进工艺中：所述岩芯钻头包括筒体，筒体下端沿下边沿一圈设有岩石层钻进钻齿，筒体顶部设有上盖，在上盖的中心处固定设有传扭套，传扭套中固定设有传扭内花键，传扭套的轴线与筒体的轴线共线，在筒体内设有与传扭套下端相连接的密封管，密封管套装在传扭钻杆上；在上盖上固定设有起吊部。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，以上所述的大口径地质钻孔的钻进工艺中：所述取芯截断钻头包括钻头本体，在钻头本体的上部设有提升部，在钻头本体的下部设有刀具向内转动切削岩芯的切削取芯机构；

所述钻头本体包括互相套装的外筒和内筒，内、外筒之间通过轴向传扭结构实现同步转动；在外筒上部的正中间设有用于与钻杆连接并传递扭矩的传扭套；所述提升部设置在外筒上；

所述切削取芯机构包括设在内筒下方的转环，在内筒下部的外周壁上设有一圈环状凸沿，在转环上部的内侧壁上设有一圈与环状凸沿配合的环状凹槽，转环通过环状凹槽与环状凸沿的配合悬挂套装在内筒下部；在转环侧壁上对称的开设有两个切削窗孔，在切削窗孔内分别装有切削机构；

所述切削机构包括一根与内筒铰接的拉杆和一根与转环铰接的推杆，推杆的另一端铰接有切削刀头，切削刀头的切削刃朝向转环的圆心一侧设置，拉杆的另一端在靠近切削刀头处与推杆铰接，拉杆、推杆和刀头形成连杆机构；所述拉杆和推杆均为与转环侧壁弧度相适的弧形杆；

在钻头本体上设有外筒沿内筒上下移动带动转环转动并对称设置的两组钢丝绳扭转机构；

所述钢丝绳扭转机构包括扭转钢丝绳；在内筒环状凸沿上方的外侧壁上对称设有两个导向座，在外筒顶部设有与其中一个导向座对应的涨紧轮，在另一个导向座上方的内、外筒之间设有改变扭转钢丝绳受力方向的缠绕机构；所述缠绕机构包括设在内筒外侧壁上的缠绕座和设在外筒内侧壁上且位于缠绕座下方用于固定扭转钢丝绳的固定机构；由固定机构引出的扭转钢丝绳向上绕过缠绕座后向下经过两个导向座后再向上穿过内、外筒之间的间隙最终与涨紧轮连接；在两个导向座之间的扭转钢丝绳通过夹绳器与转环固定相接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）采用多段连接式钻杆非伸缩杆，多段组合式钻杆连接而成的组合钻杆便于拆装，能够在组合钻杆置留孔内的情况下，提升并卸下大钻头，提高钻进效率；采用回次提升且在提升钻渣时只提升大钻头及大钻头内的钻渣或截断的岩芯，这样可以保留回次提升出渣的高效性和最大限度地提高钻机提升力的利用率；组合钻杆的最下部设计为传扭钻杆，可以传递大扭矩、大拉力且便于拆装；

（2）采用装于组合钻杆下端的小钻头加环形的大钻头两个钻头，大钻头通过传扭机构与钻杆机械锁紧或解锁，拆装方便，能够提高回次提升效率；

（3）组合钻杆内设有冲洗液的流通通道，通过冲洗液泵送系统向孔底泵送冲洗液，通过配合的集渣筒，能对孔底进行冲洗钻进，在孔底实现局部正循环冲洗和钻渣收集，再通过回次提升的方法将在孔底收集的钻渣提出孔外；对孔底进行有效的冲洗，能避免孔底重复破碎、消除大钻头与孔壁之间因岩粉聚集造成的摩擦，使钻机所提供的钻进扭矩和加压力能用于有效的钻进；

（4）在覆盖层或极软岩层中钻进时，通过挤压破碎钻取组合钻杆下部的岩土，将钻渣装入环状的大钻头内，实现在钻杆置留在孔内的情况下提出钻渣，提高回次提升效率；

（5）对岩石层采用取芯钻进，可以最大限度地减少碎岩断面积，使得钻机所能提供的钻压和扭矩能达到高效碎岩所需要的必要值；

采用组合钻杆置留孔内，只提升大钻头的钻进工艺，对整体钻进效率来讲，与孔底岩柱截断次数相互关联，孔底截断次数越少，钻进越高效，但越少次数的孔底截断时岩柱也必然越重，需要的钻机提升钻渣的能力就越大，此时采用只提升大钻头，钻杆置留孔内的工艺可以使钻机最大化地具备提升钻渣的能力，最少次数地进行孔底截断，整体上最大限度地提高钻进效率。

附图说明

图1为本发明钻进覆盖层或极软岩石层的结构示意图；

图2为钻进岩石层的结构示意图；

图3为钻进导向孔的结构示意图；

图4为钻机整机结构示意图；

图5为传扭钻杆的结构示意图；

图6为旋挖钻头、岩芯钻头或取芯截断钻头的传扭套的结构示意图；

图7为岩芯钻头结构示意图；

图8为滑环总成的结构示意图；

图9为取芯截断钻头的结构示意图；

图10为图9的俯视图；

图11为切削机构结构示意图；

图12为扭转钢丝绳走向图；

图13为固定机构结构示意图。

图中：a.覆盖层或极软岩石层，b.岩石层；1.组合钻杆，2.大钻头，3.小钻头，4. 提升钢丝绳，5.集渣筒，6.扶正板，7.卷扬机，8.滑轮组，9.传扭钻杆，901.钻杆本体，902.传扭外花键，903.加压槽，904.加压台肩，10.滑环总成，1001. 静环，1002. 动环，1003. 承托部，1004. 提拉环，1005. 配重环体，1006. 拉升部， 1007. 夹板，11.动力头，12. 岩芯钻头，1201. 筒体，1202. 上盖，1204. 传扭内花键，1205. 密封管，1207. 起吊部，13.钻塔，14.取芯截断钻头，1401.外筒，1402.内筒，1404.转环，1405.切削窗孔，1406.拉杆，1407.推杆，1408.切削刀头，1409.扭转钢丝绳，1410.导向座，1411.涨紧轮，1412.缠绕机构，1413.固定机构，1414.加强筋板，1415.提吊孔，1416.夹绳器，1417.楔形孔，1418.楔形块，15.旋挖钻头，16. 传扭套。

具体实施方式

以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

【实施例1】

参照图1，钻杆采用多段连接式组合钻杆1，组合钻杆1的最底端装传扭钻杆9，在传扭钻杆9的底部装有用于钻芯孔的小钻头3，在传扭钻杆9的下部套装用于钻进或取芯的大钻头2，大钻头2与传扭钻杆9之间通过传扭机构连接，大钻头2完成一次集渣或取芯后，组合钻杆1始终置留在孔内，只将大钻头2提升至孔外；卸渣或取出岩芯后，重新将大钻头2沿组合钻杆1下放至孔底，通过传扭机构实现组合钻杆1与大钻头2同步旋转，进行再次钻进。

参照图4-6，所述组合钻杆1由传扭钻杆9及其上部若干组合式钻杆插接组合而成，传扭钻杆9包括钻杆本体901，钻杆本体901插装在大钻头2的传扭套16中，钻杆本体901的底部固定安装有小钻头3。组合式钻杆可以采用一种内锁紧式钻杆，详见申请号为2019207066648的中国专利申请文件。

所述传扭机构包括设置在传扭钻杆9上的外花键，大钻头2上设有套装在组合钻杆1上并可沿组合钻杆1上下无摩擦滑动的套管，套管的内壁设有与传扭钻杆9上的外花键配合的传扭内花键1204。

在传扭外花键902键齿的侧部设有与传扭内花键1204相对应的加压槽903，加压槽903的槽口沿着钻杆本体901的外壁同旋向设置，加压槽903顶部设置为用于压紧传扭内花键1204的加压台肩904。

参照图7，所述钻进的大钻头2采用岩芯钻头12，所述岩芯钻头12包括筒体1201，筒体1201下端沿下边沿一圈设有岩石层钻进钻齿，筒体1201顶部设有上盖1202，在上盖1202的中心处固定设有传扭套16，传扭套16中固定设有传扭内花键1204，传扭套16的轴线与筒体1201的轴线共线，在筒体1201内设有与传扭套16下端相连接的密封管1205，密封管1205套装在传扭钻杆9上；在上盖1202上固定设有起吊部1207。所述传扭套16与筒体1201上盖1202之间固定连接有若干加强筋板1414，加强筋板1414沿圆周方向均匀间隔排列设置，在加强筋板1414上开设有起吊孔构成所述起吊部1207。可设置4块加强筋板1414，在其中两块对称的加强筋板1414上各开设一个起吊孔。

参照图8，大钻头2通过滑环总成10和卷扬机7吊装到组合钻杆1上，所述滑环总成10包括静环1001和动环1002，动环1002下部与大钻头2的起吊部1207固定相连接，动环1002的顶部固定设有承托部1003，静环1001套装在动环1002上部，静环1001的底部固定设有与承托部1003相配合的提拉环1004，提拉环1004的内孔壁与动环1002外壁之间设有防扭间隙，在静环1001的顶部固定连接有配重环体1005，配重环体1005的顶部固定设有两个对称设置的拉升部1006；动环1002的承托部1003也可呈环状设置；配重环体1005用于增加静环1001重量，使静环1001抗扭性更高。在动环1002的底部固定设有两个对称设置的夹板1007，夹板1007中设有夹持间隙，两个夹板1007通过夹持间隙分别夹持在加强筋板1414上，在夹板1007上开设有与起吊孔对应的安装孔，通过螺栓和螺母使动环1002与加强筋板1414固定连接。

组合钻杆1的上端与钻机的动力头11相连接，在钻机本体上固定安装有用于起吊大钻头2的卷扬机7，在钻机的钻塔13顶部安装有与卷扬机7配合使用的滑轮组8，卷扬机7的拉索穿过滑轮组8与配重环体1005的拉升部1006相连接。

参照图1，对于覆盖层或极软岩石层的钻进，大钻头2采用旋挖钻头15，小钻头3采用对应覆盖层或极软岩石层钻进用小钻头3，具体步骤如下，

（1）钻进定位：通过钻机移动，将钻机的钻进中心轴线对准待钻进孔口中心，传扭钻杆9的上端和钻机的动力头11相接，传扭钻杆9的底部安装覆盖层或极软岩石层钻进小钻头3，在传扭钻杆9上套装旋挖钻头15，转动传扭钻杆9，使传扭钻杆9与旋挖钻头15之间的传扭机构连接；

（2）钻进收渣：启动钻机动力头11带动旋挖钻头15和覆盖层或极软岩石层钻进小钻头3同时钻进，旋挖钻头15在钻进时收渣；

（3）钻杆连接：当传扭钻杆9全部钻入孔内后，通过钻机的孔口夹持工具将传扭钻杆9夹持住并使其置留孔内，旋挖钻头15由提升钢丝绳4吊住，卸开传扭钻杆9上端与钻机动力头11的连接处，移开钻机动力头11，让出传扭钻杆9，在传扭钻杆9的上端加装第二根组合式钻杆，再移近动力头11，将与传扭钻杆9相接的第二根组合式钻杆的上端与动力头11相接，启动动力头11，由组合钻杆1带动旋挖钻头15和小钻头3继续向下钻机；钻杆加装：当第二根组合式钻杆全部钻入孔内后，采用上述步骤（3）所述方式不断加装第三根、第四根、第五根…组合式钻杆，直至组合钻杆1长度满足钻进深度；

（4）起钻排渣：在钻进过程中，旋挖钻头15收渣后，将传扭钻杆9与旋挖钻头15之间的传扭机构解锁，通过提升钢丝绳4将旋挖钻头15沿组合钻杆1提升至孔外，通过孔口夹持装置将孔内的组合钻杆1夹持住，使其置留孔内，将提出孔口的旋挖钻头15下方的两段组合式钻杆的连接处拆卸开，将旋挖钻头15从钻杆上卸下并排渣，完成单个回次的旋挖钻进；

（5）重新安装：将旋挖钻头15重新沿组合钻杆1下放至孔底，并通过传扭机构将其与传扭钻杆9相接，并恢复上述两段组合式钻杆的连接，解除孔口装置的夹持；启动动力头11，通过组合钻杆1重新带动小钻头3与旋挖钻头15钻进。

参照图2对于岩石层的钻进，大钻头2采用岩芯钻头12和取芯截断钻头14，小钻头3采用对应岩石层钻进小钻头3，具体步骤如下，

1）更换钻头：将传扭钻杆9底部的小钻头3更换为岩石层钻进小钻头3，在岩芯钻头12的上部安装集渣筒5，集渣筒5为环状筒体，将岩芯钻头12和集渣筒5套装在组合钻杆1上并沿组合钻杆1下放至孔底，通过传扭机构将岩芯钻头12与传扭钻杆9相接；

（2）钻进：启动动力头11带动岩芯钻头12和岩石层钻进小钻头3对岩石层进行钻进；小钻头3钻进构成中心导向孔，大钻头2钻进构成环状外分割孔，中心导向孔与环状外分割孔之间的岩层形成环状去芯岩柱；

（3）冲洗收渣：在钻进过程中，采用正循环钻进方法钻进，启动冲洗液泵送系统将冲洗液沿钻杆内部下行，泵送的冲洗液依次流经钻杆内部、小钻头3底部的出口、组合钻杆1与环状去芯岩柱之间的间隙、环状去芯岩柱上端、岩芯钻头12筒体1201内壁与环状去芯岩柱之间的环状间隙、岩芯钻头12筒体1201外壁与孔壁之间的环状间隙、集渣筒5与孔壁之间的环状间隙，至集渣筒5上端会因流速急降而将所携带的钻渣沉淀在集渣筒5完成收渣；

（4）起钻卸渣：将传扭钻杆9与岩芯钻头12之间的传扭机构解锁，通过提升钢丝绳4将岩芯钻头12沿组合钻杆1提升至孔外，通过孔口夹持装置将孔内的组合钻杆1夹持住，使其置留孔内，将提出孔口的岩芯钻头12下方的两段组合式钻杆的连接处拆卸开，将岩芯钻头12从钻杆上卸下并排渣；

（5）对于整体环状去芯岩柱取芯作业：换装取芯截断钻头14，将取芯截断钻头14套装在组合钻杆1上并沿组合钻杆1下放至孔底，通过传扭机构将其与传扭钻杆9相接，并恢复上述两段组合式钻杆的连接，解除孔口夹持装置的夹持；启动动力头11，通过组合钻杆1带动取芯截断钻头14底部断岩切削刀具从底部对环状去芯岩柱进行截断切削，取芯完成后，采用步骤（4）中所述的钻杆置留孔内的方式，只将取了岩芯的取芯截断钻头14提升至孔外，卸载岩芯；

（6）继续钻进：重新更换岩芯钻头12，将安装有集渣筒5的岩芯钻头12重新沿组合钻杆1下放至孔底，并通过传扭机构将岩芯钻头12与传扭钻杆9相接，启动动力头11，通过组合钻杆1重新带动小钻头3与岩芯钻头12钻进；

（7）重复步骤（2）~（6），达到设计的孔深，进行最后一次取芯作业，钻进结束。

参照图3，中心导向孔的钻进，在步骤（1）中先进行中心导向孔的钻进作业，其具体步骤如下：

①安装集渣筒5：在组合钻杆1外套装集渣筒5，集渣筒5包括外筒体和内筒体，集渣筒5通过内筒体套装在组合钻杆1上，集渣筒5的内筒体与组合钻杆1之间留有环状冲洗间隙，集渣筒5上部设置有与提升钢丝绳4连接的提升部，通过提升钢丝绳4提吊将集渣筒5沿着组合钻杆1下放至孔底；启动钻机动力头11带动岩石层钻进小钻头3向岩石层钻进预设深度的中心导向孔；

②冲洗收渣：启动冲洗液泵送系统将冲洗液沿钻杆内部下行，泵送的冲洗液依次流经钻杆内部、小钻头3底部的出口、组合钻杆1与导向孔内壁之间的环状间隙、组合钻杆1与集渣筒5内筒1402壁之间的环状间隙，至集渣筒5上端会因流速急降而将所携带的钻渣沉淀在集渣筒5内，完成收渣；

③集渣筒5卸渣：采用上述将组合钻杆1置留孔内的方式，只提升集渣筒5，将集渣筒5提升至孔外，将集渣筒5与组合钻杆1分离并卸渣，

④再重新套装集渣筒5，继续钻进中心导向孔，直至完成导向孔预设深度。

步骤①中，在集渣筒5外壁上至少对称装有两个与钻孔内径配合的扶正板6。

参照图9，结合图10，所述取芯截断钻头14包括钻头本体，在钻头本体的上部设有提升部，在钻头本体的下部设有刀具向内转动切削岩芯的切削取芯机构；

所述钻头本体包括互相套装的外筒1401和内筒1402，内、外筒之间通过轴向传扭结构实现同步转动；在外筒1401上部的正中间设有用于与钻杆连接并传递扭矩的传扭套16；所述提升部设置在外筒1401上；

所述切削取芯机构包括设在内筒1402下方的转环1404，在内筒1402下部的外周壁上设有一圈环状凸沿，在转环1404上部的内侧壁上设有一圈与环状凸沿配合的环状凹槽，转环1404通过环状凹槽与环状凸沿的配合悬挂套装在内筒1402下部，转环1404可以相对于内筒1402转动；在转环1404侧壁上对称的开设有两个切削窗孔1405，在切削窗孔1405内分别装有切削机构；

参照图11，所述切削机构包括一根与内筒1402铰接的拉杆1406和一根与转环1404铰接的推杆1407，推杆1407的另一端铰接有切削刀头1408，切削刀头1408的切削刃朝向转环1404的圆心一侧设置，拉杆1406的另一端在靠近切削刀头1408处与推杆1407铰接，拉杆1406、推杆1407和刀头形成连杆机构；所述拉杆1406和推杆1407均为与转环1404侧壁弧度相适的弧形杆；非工作状态下，拉杆1406、推杆1407和刀头都收纳于转环1404的切削窗孔1405内。

在钻头本体上设有外筒1401沿内筒1402上下移动带动转环1404转动并对称设置的两组钢丝绳扭转机构；

参照图12，所述钢丝绳扭转机构包括扭转钢丝绳1409；在内筒1402环状凸沿上方的外侧壁上对称设有两个导向座1410，在外筒1401顶部设有与其中一个导向座1410对应的涨紧轮1411，在另一个导向座1410上方的内、外筒之间设有改变扭转钢丝绳1409受力方向的缠绕机构1412；所述缠绕机构1412包括设在内筒1402外侧壁上的缠绕座和设在外筒1401内侧壁上且位于缠绕座下方用于固定扭转钢丝绳1409的固定机构1413；由固定机构1413引出的扭转钢丝绳1409向上绕过缠绕座后向下经过两个导向座1410后再向上穿过内、外筒之间的间隙最终与涨紧轮1411连接；在两个导向座1410之间的扭转钢丝绳1409通过夹绳器1416与转环1404固定相接。

所述提升部包括对称设在传扭套16两侧的加强筋板1414，加强筋板1414将外筒1401的上端面与传扭套16的外圆周面之间固定连接，在两个加强筋板1414上开设有两个对称设置的提吊孔1415。

所述夹绳器1416设有绳槽，在两个导向座1410之间的扭转钢丝绳1409穿设在绳槽中。

参照图13，所述固定机构1413包括设在外筒1401内壁下端部上的上小下大竖向设置的楔形孔1417，在楔形孔1417内设有与楔形孔1417配合的楔形块1418，扭转钢丝绳1409绕过楔形块1418固定装在楔形孔1417中。

所述轴向传扭结构包括竖向设置在内筒1402外壁上的键槽和插接在键槽内的传扭键，内、外筒1401之间通过键槽与传扭键插接套装。

外筒1401上方设有涨紧轮1411安装座，在安装座上设有销孔，涨紧轮1411通过定位销与外筒1401上的销孔定位安装。涨紧轮1411上设有穿绳孔，扭转钢丝绳1409的一端插入涨紧轮1411的穿绳孔内，通过螺栓压紧连接。

取芯截断钻头14的工作原理：

本取芯钻头通过外部钻机的钻杆提供扭矩，例如上述的内锁紧式钻杆。扭转钢丝绳1409的两端与外筒1401连接，扭转钢丝绳1409的中间绕过内筒1402并和转环1404固定相接。

当钻取时，从钻头底部向上看，钻杆驱动外筒1401顺时针旋转，内筒1402通过轴向传扭结构实现同向转动，当钻杆往下对外筒1401加压，外筒1401相对于内筒1402向下移动，并抽动扭转钢丝绳1409，楔形孔1417与缠绕座之间的扭转钢丝绳1409受向下的拉力，由缠绕座改变扭转钢丝绳1409的受力方向，缠绕座与其下方的导向座1410之间的扭转钢丝绳1409受向上的拉力，两个导向座1410之间的扭转钢丝绳1409产生以图1的主视方向上向右的拉力，内筒1402不动，扭转钢丝绳1409拉动转环1404相对于内筒1402在图10的俯视方向上做逆时针转动，转环1404转动带动推杆1407将刀头推出，实现对岩芯的切割。

在钻进断面范围内设计大小两个钻头，小钻头3固定装在传扭钻杆9的前端，大钻头2为环状结构，可以套装在组合钻杆1外进行杆外单独提升，小钻头3的外径基于组合钻杆1的外径相对固定，小钻头3根据不同的地质情况分为适应覆盖层、软岩层、硬岩层三类钻头，覆盖层小钻头3不设计冲洗液通道，岩石层钻进小钻头3设计有冲洗液通道钻进不同地质层时换用对应的小钻头3钻进。

大钻头2分为有底门钻头、岩芯钻头12、取芯截断钻头14三大类，根据不同的地质情况再细分设计为多种形式。钻进过程中使用的钻压及转速依不同的岩石性质及所使用的钻头而定。

Claims (10)

1.一种大口径地质钻孔的钻进工艺，其特征在于：

钻杆采用多段连接式组合钻杆，组合钻杆的最底端装传扭钻杆，在传扭钻杆的底部装有用于钻芯孔的小钻头，在传扭钻杆的下部套装用于钻进或取芯的大钻头，大钻头与传扭钻杆之间通过传扭机构连接，大钻头完成一次集渣或取芯后，组合钻杆始终置留在孔内，只将大钻头提升至孔外；卸渣或取出岩芯后，重新将大钻头沿组合钻杆下放至孔底，通过传扭机构实现组合钻杆与大钻头同步旋转，进行再次钻进。

2.根据权利要求1所述的大口径地质钻孔的钻进工艺，其特征在于：所述传扭机构包括设置在传扭钻杆上的外花键，大钻头上设有套装在组合钻杆上并可沿组合钻杆上下无摩擦滑动的套管，套管的内壁设有与传扭钻杆上的外花键配合的传扭内花键。

3.根据权利要求2所述的大口径地质钻孔的钻进工艺，其特征在于：在传扭外花键键齿的侧部设有与传扭内花键相对应的加压槽，加压槽的槽口沿着钻杆本体的外壁同旋向设置，加压槽顶部设置为用于压紧传扭内花键的加压台肩。

4.根据权利要求1所述的大口径地质钻孔的钻进工艺，其特征在于：大钻头通过滑环总成和卷扬机吊装到组合钻杆上，所述滑环总成包括静环和动环，动环下部与大钻头的起吊部固定相连接，动环的顶部固定设有承托部，静环套装在动环上部，静环的底部固定设有与承托部相配合的提拉环，提拉环的内孔壁与动环外壁之间设有防扭间隙，在静环的顶部固定连接有配重环体，配重环体的顶部固定设有两个对称设置的拉升部。

5.根据权利要求1所述的大口径地质钻孔的钻进工艺，其特征在于：对于覆盖层或极软岩石层的钻进，大钻头采用旋挖钻头，小钻头采用对应覆盖层或极软岩石层钻进小钻头，具体步骤如下，

（1）钻进定位：通过钻机移动，将钻机的钻进中心轴线对准待钻进孔口中心，传扭钻杆的上端和钻机的动力头相接，传扭钻杆的底部安装覆盖层或极软岩石层钻进小钻头，在传扭钻杆上套装旋挖钻头，转动传扭钻杆，使传扭钻杆与旋挖钻头之间的传扭机构连接；

（2）钻进收渣：启动钻机动力头带动旋挖钻头和覆盖层或极软岩石层钻进小钻头同时钻进，旋挖钻头在钻进时收渣；

（3）钻杆连接：当传扭钻杆全部钻入孔内后，并加装钻杆继续钻进；

（4）起钻排渣：在钻进过程中，旋挖钻头收渣后，将传扭钻杆与旋挖钻头之间的传扭机构解锁，通过提升钢丝绳将旋挖钻头沿组合钻杆提升至孔外，通过孔口夹持装置将孔内的组合钻杆夹持住，使其置留孔内，将提出孔口的旋挖钻头下方的两段组合式钻杆的连接处拆卸开，将旋挖钻头从钻杆上卸下并排渣，完成单个回次的旋挖钻进；

（5）重新安装：将旋挖钻头重新沿组合钻杆下放至孔底，并通过传扭机构将其与传扭钻杆相接，并恢复上述两段组合式钻杆的连接，解除孔口装置的夹持；启动动力头，通过组合钻杆重新带动小钻头与旋挖钻头钻进。

6.根据权利要求1所述的大口径地质钻孔的钻进工艺，其特征在于：对于岩石层的钻进，大钻头采用岩芯钻头和取芯截断钻头，小钻头采用对应岩石层钻进小钻头，具体步骤如下，

（1）更换钻头：将传扭钻杆底部的小钻头更换为岩石层钻进小钻头，在岩芯钻头的上部安装集渣筒，集渣筒为环状筒体，将岩芯钻头和集渣筒套装在组合钻杆上并沿组合钻杆下放至孔底，通过传扭机构将岩芯钻头与传扭钻杆相接；

（2）钻进：启动动力头带动岩芯钻头和岩石层钻进小钻头对岩石层进行钻进；小钻头钻进构成中心导向孔，大钻头钻进构成环状外分割孔，中心导向孔与环状外分割孔之间的岩层形成环状去芯岩柱；

（3）冲洗收渣：在钻进过程中，采用正循环钻进方法钻进，启动冲洗液泵送系统将冲洗液沿钻杆内部下行，泵送的冲洗液依次流经钻杆内部、小钻头底部的出口、组合钻杆与环状去芯岩柱之间的间隙、环状去芯岩柱上端、岩芯钻头筒体内壁与环状去芯岩柱之间的环状间隙、岩芯钻头筒体外壁与孔壁之间的环状间隙、集渣筒与孔壁之间的环状间隙，至集渣筒上端会因流速急降而将所携带的钻渣沉淀在集渣筒完成收渣；

（4）起钻卸渣：将传扭钻杆与岩芯钻头之间的传扭机构解锁，通过提升钢丝绳将岩芯钻头沿组合钻杆提升至孔外，通过孔口夹持装置将孔内的组合钻杆夹持住，使其置留孔内，将提出孔口的岩芯钻头下方的两段组合式钻杆的连接处拆卸开，将岩芯钻头从钻杆上卸下并排渣；

（5）对于整体环状去芯岩柱取芯作业：换装取芯截断钻头，将取芯截断钻头套装在组合钻杆上并沿组合钻杆下放至孔底，通过传扭机构将其与传扭钻杆相接，并恢复上述两段组合式钻杆的连接，解除孔口夹持装置的夹持；启动动力头，通过组合钻杆带动取芯截断钻头底部断岩切削刀具从底部对环状去芯岩柱进行截断切削，取芯完成后，采用步骤（4）中所述的钻杆置留孔内的方式，只将取了岩芯的取芯截断钻头提升至孔外，卸载岩芯；

（6）继续钻进：重新更换岩芯钻头，将安装有集渣筒的岩芯钻头重新沿组合钻杆下放至孔底，并通过传扭机构将岩芯钻头与传扭钻杆相接，启动动力头，通过组合钻杆重新带动小钻头与岩芯钻头钻进；

（7）重复步骤（2）~（6），达到设计的孔深，进行最后一次取芯作业，钻进结束。

7.根据权利要求6所述的大口径地质钻孔的钻进工艺，其特征在于：中心导向孔的钻进，在步骤（1）中先进行中心导向孔的钻进作业，其具体步骤如下：

①安装集渣筒：在组合钻杆外套装集渣筒，集渣筒包括外筒体和内筒体，集渣筒通过内筒体套装在组合钻杆上，集渣筒的内筒体与组合钻杆之间留有环状冲洗间隙，集渣筒上部设置有与提升钢丝绳连接的提升部，通过提升钢丝绳提吊将集渣筒沿着组合钻杆下放至孔底；启动钻机动力头带动岩石层钻进小钻头向岩石层钻进预设深度的中心导向孔；

②冲洗收渣：启动冲洗液泵送系统将冲洗液沿钻杆内部下行，泵送的冲洗液依次流经钻杆内部、小钻头底部的出口、组合钻杆与导向孔内壁之间的环状间隙、组合钻杆与集渣筒内筒壁之间的环状间隙，至集渣筒上端会因流速急降而将所携带的钻渣沉淀在集渣筒内，完成收渣；

③集渣筒卸渣：采用上述将组合钻杆置留孔内的方式，只提升集渣筒，将集渣筒提升至孔外，将集渣筒与组合钻杆分离并卸渣，

④再重新套装集渣筒，继续钻进中心导向孔，直至完成导向孔预设深度。

8.根据权利要求7所述的大口径地质钻孔的钻进工艺，其特征在于：步骤①中，在集渣筒外壁上至少对称装有两个与钻孔内径配合的扶正板。

9.根据权利要求6所述的大口径地质钻孔的钻进工艺，其特征在于：所述岩芯钻头包括筒体，筒体下端沿下边沿一圈设有岩石层钻进钻齿，筒体顶部设有上盖，在上盖的中心处固定设有传扭套，传扭套中固定设有传扭内花键，传扭套的轴线与筒体的轴线共线，在筒体内设有与传扭套下端相连接的密封管，密封管套装在传扭钻杆上；在上盖上固定设有起吊部。

10.根据权利要求6所述的大口径地质钻孔的钻进工艺，其特征在于：所述取芯截断钻头包括钻头本体，在钻头本体的上部设有提升部，在钻头本体的下部设有刀具向内转动切削岩芯的切削取芯机构；

所述钻头本体包括互相套装的外筒和内筒，内、外筒之间通过轴向传扭结构实现同步转动；在外筒上部的正中间设有用于与钻杆连接并传递扭矩的传扭套；所述提升部设置在外筒上；

所述切削取芯机构包括设在内筒下方的转环，在内筒下部的外周壁上设有一圈环状凸沿，在转环上部的内侧壁上设有一圈与环状凸沿配合的环状凹槽，转环通过环状凹槽与环状凸沿的配合悬挂套装在内筒下部；在转环侧壁上对称的开设有两个切削窗孔，在切削窗孔内分别装有切削机构；

所述切削机构包括一根与内筒铰接的拉杆和一根与转环铰接的推杆，推杆的另一端铰接有切削刀头，切削刀头的切削刃朝向转环的圆心一侧设置，拉杆的另一端在靠近切削刀头处与推杆铰接，拉杆、推杆和刀头形成连杆机构；所述拉杆和推杆均为与转环侧壁弧度相适的弧形杆；

在钻头本体上设有外筒沿内筒上下移动带动转环转动并对称设置的两组钢丝绳扭转机构；

所述钢丝绳扭转机构包括扭转钢丝绳；在内筒环状凸沿上方的外侧壁上对称设有两个导向座，在外筒顶部设有与其中一个导向座对应的涨紧轮，在另一个导向座上方的内、外筒之间设有改变扭转钢丝绳受力方向的缠绕机构；所述缠绕机构包括设在内筒外侧壁上的缠绕座和设在外筒内侧壁上且位于缠绕座下方用于固定扭转钢丝绳的固定机构；由固定机构引出的扭转钢丝绳向上绕过缠绕座后向下经过两个导向座后再向上穿过内、外筒之间的间隙最终与涨紧轮连接；在两个导向座之间的扭转钢丝绳通过夹绳器与转环固定相接。

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