CN112709538A - 一种孔底动力钻进双层隔离套管跟管系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孔底动力钻进双层隔离套管跟管系统及工艺。所述套管跟管系统包括钻具组合和套管组合；所述钻具组合包括自下而上依次连接的钻头、双母转换接头、柔性钻杆、下扶正器、双公转换接头、螺杆马达、螺杆马达提升接头、上扶正器、用于加压钻进的钻铤、钻杆和顶部进水接头。本发明解决了深水环境隔离套管跟管钻进工艺的不足。

Description

一种孔底动力钻进双层隔离套管跟管系统及工艺

技术领域

本发明涉及孔底动力钻进双层隔离套管跟管系统及工艺，特别适用于深水区（100m以上深度）隔离套管跟管钻进。

背景技术

水上钻探施工由于受水位、流速、季节、气象、风浪、潮水、地质等自然条件的影响，其钻探难度比陆上钻探更大。比如：需要在孔位处下入隔离套管，但，水底泥线地层复杂多变，一般分布有堆积物和河流冲积物，容易垮孔，特别是深水区和复杂地层，传统钻探装备和工艺适应性差。

水上钻探与陆上钻探差异较大，水上钻井平台作业空间有限，需要下入双层甚至多层套管，需要起下钻杆、钻具，完成丝扣拧卸以及套管起拔作业等动作。在深水条件下，隔离套管长度大，一般采用大吨位漂浮式移动平台，且对钻探设备和技术要求高。目前深水条件下多采用大型钻机施工，其配套的塔架、回转器、泥浆泵、绞车、驱动动力等模块质量都较大，占用空间也较大。内河水库由于很难找到大型船舶作为水上平台，多采用承载力有限的简易水上漂浮式钻探平台。传统钻机由于自重大，体积大，使船体的有效载荷减少，安全性降低。小型钻机自身重量小，但提升大深度套管的能力有限，均不适合在深水区域进行高效安全的钻探施工。

另外，传统隔离套管跟管钻进工艺一般采用锤击，或超前掏心钻再锤击下入隔离套管，在深水区的隔离套管周围无约束，锤击很容易使隔离套管折断；隔离套管下入后起拔阻力大，起拔困难；回转掏心时钻杆回转，钻杆对隔离套管撞击严重，使隔离套管晃动会折断钻杆，进而损坏隔离套管，使隔离套管丝扣脱扣。因而，传统隔离套管跟管钻进工艺不适合在深水条件钻探作业。

发明内容

针对深水环境隔离套管跟管钻进工艺的不足，本发明旨在提供一种不采用传统钻机，就可在漂浮式平台上进行隔离套管跟管钻进的孔底动力钻进双层隔离套管跟管系统及工艺。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种孔底动力钻进双层隔离套管跟管系统，包括钻具组合和套管组合；其特点是，所述钻具组合包括自下而上依次连接的钻头、双母转换接头、柔性钻杆、下扶正器、双公转换接头、螺杆马达、螺杆马达提升接头、上扶正器、用于加压钻进的钻铤、钻杆和顶部进水接头；

所述套管组合包括自下而上包括管靴和通过接箍相互连接的多节套管；

所述下扶正器和上扶正器用于保障钻具组合同心回转，且所述下扶正器在扩孔钻进阶段始终处于所述套管内；所述顶部进水接头用于送钻并兼做水或泥浆的进入通道；

所述套管组合套设在钻具组合外，所述钻头为双心偏心钻头；所述钻头在工作时可相对所述管靴伸出，且钻头的扩孔直径大于套管的外径。

由此，本发明采用去钻机化设计，平台不设回转器，不安装钻机，通过地表送钻，孔底动力实现钻进，解决了平台上无传统钻机而实现水上平台的高效钻进功能的问题。

所述套管包括依次连接的管靴、至少两根串联的直联套管、套管转换接头、至少一级串联的双公接箍式长套管和接箍、至少一级串联的短套管和接箍。

钻进平台装有升沉补偿装置，以保障套管组合相对静止不动；所述升沉补偿装置设置在深水环境中的浮动式平台，所述隔离套管的上部穿过所述浮动式平台；

位于所述隔离套管两侧的所述浮动式平台上竖直设置两组伸缩缸，两组伸缩缸的活塞杆端部之间水平安装夹持器，所述隔离套管的上部被所述夹持器夹持固定；

当水位上升时，所述浮动式平台上升，所述伸缩缸的活塞杆回缩，使所述隔离套管不被所述浮动式平台上拉；

当水位下降时，所述浮动式平台下沉，所述伸缩缸的活塞杆伸出，使所述隔离套管不被所述浮动式平台压迫。

所述伸缩缸的活塞杆上安装用于检测活塞杆位移的位移传感器，所述深水环境中安装用于检测环境水位的水位传感器，所述位移传感器和所述水位传感器的信号输出线分别接入所述伸缩缸的控制系统中，所述控制系统计算出水位变化值△HS，并判断水位变化值△HS是否超出隔离套管安全形变值，如果水位变化值△HS超出隔离套管安全形变值，则控制所述伸缩缸的活塞杆沿水位变化相反方向运动，且△Hj=△HS，如果水位变化值△HS小于隔离套管安全形变值，则所述伸缩缸的活塞杆的位置保持不变。

所述夹持器为自重式夹持器；优选所述自重式夹持器包括外壳和一对自重式卡瓦，所述外壳的内腔设置为V型的锥孔，所述锥孔内斜面配合安装所述自重式卡瓦，且两个所述自重式卡瓦相对安装，使两个所述自重式卡瓦中间围合形成套管安装空间。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述的孔底动力钻进双层隔离套管跟管系统的隔离套管跟管工艺，其包括如下步骤：

S1. 套管底部提离孔底一段距离，使套管悬坐在上夹持器上，并通过浮动夹持器称重并记录读数，在松开大钩下钻具组合，准备钻进；

S2. 钻头下放并从管靴伸出，控制大钩绞车送钻，根据钻进速度快慢和套管浮动夹持器的称重来确定跟管距离；

S3. 达到跟管距离后循环清孔，并上提钻头至套管内，钻杆垫叉坐在套管口，卸掉大钩和顶部进水接头，通过辅助卷扬起吊套管短接，使钻杆上穿入套管短接，并下滑至套管口钻杆夹持器上，再装上顶部进水接头和大钩，上拉拉紧大钩，卸掉钻杆垫叉，将套管短接装在套管的上部端口上，卸掉短套管夹板，在浮动夹持器下部空间夹持套管，油缸下行并卸掉浮动夹持器的上夹持器卡瓦，油缸空载上行快接近上止点b位置时，上夹持器盒中加自重式夹持器卡瓦并压紧，然后取出下部夹持器，送套管串下行快到下止点c时，再加下部夹持器并取出上夹持器卡瓦，油缸空载上行，如此循环；

跟到位后取出下部夹持器，此时整个套管重量承担在上夹持器卡瓦上，称重，继续钻进，如此循环；跟管结束时，保证该隔离套管管口坐在上部夹持器卡瓦上。

进一步地，对于复杂地层，则采用第二层或后续多层隔离套管继续跟管钻进；第二级套管的管靴与套管采用直连，直连套管长度按照预计下入地层的深度减去第一级套管已下入地层的深度，再加重合长度，确保第二级接箍套管留在第一级套管内；

跟管前，该级套管应处于悬吊状态，然后准备钻进，组合钻具下钻使钻头超出该级管靴，然后造窝钻进、正常钻进，根据进尺确定跟管距离；

跟管时，先循环清孔，提拉钻头至套管内，并使钻杆接头处于套管的上部端口之上，加钻杆垫叉坐于第二级套管端口上，然后松开大钩，卸掉大钩和顶部进水接头，辅助绞车起吊短套管，加接的套管短接下滑至该级套管口的钻杆垫叉上，在大钩上加接钻具起吊蘑菇头，并上提大钩少许，然后卸掉钻杆垫叉，加接套管并拧紧，继续上提大钩，将钻具起吊蘑菇头上的钢丝绳挂在死绳钩上，再释放大钩，把加接的套管夹板挂绳转挂到大钩上，上提大钩，并卸掉该级套管和隔离套管之间的夹持器，由大钩下放套管实现跟管，当跟管到位后将该级套管夹紧，再次坐在隔离套管口，松大钩，下放钻具至管靴外，继续钻进扩孔，如此循环。

由此，本发明解决了双层套管或多层套管的跟管进工艺问题。

本发明解决了平台上无传统钻机而实现水上平台的高效钻进功能的问题。本发明采用去钻机化设计，平台不设回转器，不安装钻机。采用孔底动力钻进、地表送钻方法，其中钻具组合除采用钻杆+钻铤+扶正器+螺杆马达+扶正器+柔性钻杆+双心钻头的模式外，均设计有切口卡槽，以便于高效起吊、夹持和拧卸。专门设计提升系统包括钻塔和绞车。绞车满足大钩载起拔或下放深水套管功能，具备精确送钻功能，具有起下钻功能。钻塔采用高强度、高净空，满足安全快速提下钻具或套管。工作空间具有防反扭桁架，抵消孔底动力的反扭矩。附属设备除泥浆泵外，还包括高效夹持、拧卸工具和起吊工具等。

本发明钻杆不旋转，也不需要对套管进行锤击，采用双心钻头扩孔、多层套管跟管工艺，隔离复杂地层，优化每级套管尺寸和连接方式，在完成隔水和隔离复杂地层的同时实现多级套管跟管钻进，套管起拔容易。考虑水上平台施工，受水位影响，配套有水位升沉补偿器。水位的变化补偿油缸会相应伸缩，保障套管的相对静止，使管靴始终保持与孔底接触，保护孔壁但又不使套管受压弯曲，本发明是基于升沉补偿装置的双管跟管钻进工艺。双心偏心钻头外径比套管管靴直径略大，当偏心钻头在孔底马达的驱动回转下，其钻孔直径稍大于套管外径，能保障的后续套管的顺利跟进。通过特殊设计的跟管工艺，实现双层或多层套管的跟管，以实现隔离水体和复杂地层的作用。

本发明采用孔底动力驱动钻头回转的方法，既可去钻机化施工，又能达到极高的钻探效率。由于无需钻机，钻探平台具有较小的吃水深度，又具有有良好的稳定性和足够的操作空间。本发明在平台上安装一台送钻绞车，通过孔底螺杆马达带动钻头回转，实现钻进。更为重要的是采用特殊设计（钻孔没有钻机，有升沉补偿装置，双心偏心扩孔钻进都是特殊设计）的跟管钻进工艺，可以在深水区安装隔离套管和复杂地层的隔离套管。全新的跟管工艺能满足双层甚至多层套管的跟管钻进要求。

本发明涉及到钻具结构设计，钻具组合的优化，套管跟管程序、螺杆马达和双心偏心钻头的选择，以及起吊工具、夹持和拧卸工具的配套等。

本发明特别针对大水深（100m以上深度）和水下复杂地层条件下的钻探工程。该工艺无需传统钻机，孔底动力驱动双心钻头回转，通过跟管钻进方法下入双层甚至多层套管，以隔离水体和复杂地层，实现后续安全钻进。应用此工艺可以服务于水面上的工程地质勘察、水下锚固工程以及深水区的资源勘探，还可拓展到其他用途。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明与现有的跟管钻进有显著不同，主要针对深水钻探，带有复杂的升沉补偿装置的跟管程序，解决钻进过程中水位变化引起平台上升或下降，平台上升使套管的管靴提离孔底，裸露的孔壁失去保护容易使孔壁坍塌。此时升沉补偿装置下行，让套管管靴保持与孔底接触。当平台下降时，套管受压，套管是长细杆，在自身重量的作用下，套管会发生弯曲甚至折断，此时升沉补偿装置上行，提升同样的高度使套管不完全承受套管自身重量，保证套管管靴与孔底接触的同时又不承受全部套管重力作用，套管保持垂直状态。工艺无需传统钻机，孔底动力驱动双心钻头回转并跟管，可下入双层甚至多层套管，以隔离水体和复杂地层，实现后续安全钻进。应用此工艺可以服务于水上工程地质勘察、水下锚固工程以及深水区的资源勘探，能有效且高效在深水区实施套管隔离钻进，还可拓展到其他用途，因此，具有很好的推广价值。

本发明采用孔底动力驱动钻头回转的方法，既可去钻机化施工，又能达到极高的钻探效率。由于无需钻机，钻探平台具有较小的吃水深度，又具有有良好的稳定性和足够的操作空间。本发明在平台上安装一台送钻绞车，通过孔底螺杆马达带动钻头回转，实现钻进。更为重要的是采用特殊设计的跟管钻进工艺，可以在深水区安装隔离套管和复杂地层的隔离套管。全新的跟管工艺能满足双层甚至多层套管的跟管钻进要求。

本发明涉及到钻具结构设计，钻具组合的优化，套管跟管程序、螺杆马达和双心偏心钻头的选择，以及起吊工具、夹持和拧卸工具的配套等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种实施例的钻具组合示意图；

图2 为本发明一种实施例的跟管钻进套管组合示意图；

图3 为本发明一种实施例第一层隔离套管跟管钻套管的下入程序；

图4 为本发明一种实施例第二层（或后续多层）套管跟管下入程序；

图5为本发明深水钻探隔离套管升沉补偿装置的结构原理示意图；

图6为本发明伸缩缸及夹持器连接结构的立体图；

图7为本发明夹持器的立体结构图；

图8为本发明夹持器的俯视图；

图9为本发明夹持器夹紧状态的A－A剖视图；

图10为本发明夹持器松开状态的A－A剖视图；

图11为本发明一实施例的伸缩缸的液压系统组成结构图，图中箭头表示伸缩缸活塞杆运动方向；

图12为本发明双回路数显表的输入信号连线示意图。

图中：

1-双心钻头；2-隔离套管；3-浮重显示表；4-钻具组合；5-大钩；6-天车；7-顶部进水接头；8-自重式上卡瓦；9-升沉补偿装置；10-垫叉；11-套管接箍；12-套管夹板；13-辅助绞车；14-套管短接；15-补偿器上夹持器盒；16-下夹持器；a-补偿器中位；b-补偿器上位；c-补偿器下位；d-跟管加接长度；21-管靴；22，23-直连套管；24-套管转换接头；25，27，28-双公接箍式长套管；26,29,31,33-接箍；30,32-接箍式短套管；A-跟管钻进阶段；B-隔离水体和复杂地层管端；40-死绳钩；41-起吊蘑菇头；42-第二级隔离套管；43-第一级隔离套管；44-夹持器；45-二级套管接箍；46-钻杆接头；51-钻杆；52-双母转换接头；53-柔性钻杆；54-下扶正器；55-双公转换接头；56-螺杆马达；57-螺杆提升接头；58-上扶正器；59-钻铤；60-双回路数显表；61-套管串夹持空间和钻进操作空间；62-伸缩缸；63-浮动式平台；64-位移传感器；65-泥线； 67-水位传感器；68-控制系统；441-外壳；442-自重式卡瓦； 443-锥孔；444-套管安装空间。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

为了便于描述，各部件的相对位置关系，如：上、下、左、右等的描述均是根据说明书附图的布图方向来进行描述的，并不对本发明的结构起限定作用。

如图3所示，本发明深水区隔离套管跟管钻进方法一实施例包括：

（1）提升系统的设置：

在漂浮式钻探平台上安装钻塔（图中未示），钻塔上安装铰车和多个动滑轮。钻塔具有高强度、高净空，满足安全快速起拔和下放钻具或套管的要求。绞车满足大钩载起拔或下放隔离套管功能，且具备精确送钻功能、起下钻功能。铰车的钢丝绳绕过多个动滑轮从而实现起拔和下放钻具或套管操作。

钻具组合及双心偏心钻头钻进，如图1所示，钻具组合包括依次连接的双心偏心钻头1、双母转换接头52、柔性钻杆53、下扶正器54、双公转换接头55、螺杆马达56、螺杆马达提升接头57、上扶正器58、钻铤59、钻杆51、顶部进水接头7，且双心偏心钻头1、双母转换接头52、柔性钻杆53、下扶正器54、双公转换接头55、螺杆马达56、螺杆马达提升接头57、上扶正器58、钻铤59、钻杆51、顶部进水接头7的提升和夹持部位分别设置切口，并配有可插入所述切口的垫叉10，垫叉10上设置提手，以便于钻具组合各部件的提升、下放和拧卸。

双心偏心钻头1通过隔离套管内下入，伸出管靴后可偏心钻进和扩孔，扩孔直径大于隔离套管外径，便于跟管（隔离套管顺利跟进钻孔）；柔性钻杆53便于保证双心偏心钻头1顺利穿过或回缩进管靴，且易于形成大的扩孔直径；螺杆马达提升接头57便于提高螺杆马达56的提升和拧卸效率；钻铤59用于加压钻进；下扶正器54和上扶正器58用于保障钻具组合同心回转的同时有利于延长螺杆马达56使用寿命，扩孔钻进阶段下扶正器58始终处于隔离套管内，保障孔内安全；顶部进水接头7是水或泥浆进入通道，同时起大钩悬挂送钻作用。

双心偏心扩孔钻头：用于钻进地层，形成比管靴更大直径的孔径，保证套管顺利跟进钻孔。双母接头用于连接钻头和柔性钻杆。柔性钻杆：保证偏心扩孔钻头顺利穿过或回缩进管靴。

提升和夹持部位采用特别设计的切口，便于钻具的提升、下放和拧卸。双心偏心钻头通过套管内下入，伸出管靴后可偏心钻进和扩孔，扩孔直径大于套管外径，便于跟管；柔性钻杆便于钻头在套管内通过，且易于形成大的扩孔直径；提升马达转换接头便于提高螺杆马达的提升和拧卸效率；钻铤用于加压钻进；扶正器保障钻具同心回转的同时有利于延长马达使用寿命，扩孔钻进阶段下扶正器始终处于套管内，保障孔内安全；顶部进水接头是水或泥浆进入通道，同时起大钩悬挂送钻作用。

（2）套管组合：如图2所示, 隔离套管2包括依次连接的管靴21、直连套管22，23、套管转换接头24（（接箍型转直连型））、双公接箍式长套管25，27,28及多个跟管短接（接箍26,29,31,33+短套管30,32），其中直连套管22,23至少有两根，双公接箍式长套管25包括经第一接箍连接的多根接箍式套管，跟管短接包括第二接箍与短套管的组合。

管靴保护套管切入地层的同时，便于双心偏心钻头的伸出和缩回（需要设计和管靴刃口的角度）；直连套管22,23由于没有接箍易于跟管钻进，总长度大于所需钻进的复杂地层或隔离地层；接箍式套管采用标准的API石油套管扣型，在深水区具有较高的强度和刚度；短套管和接箍用于跟管阶段的短距离跟管，便于操作。

（3）起吊、夹持和拧卸工具：

起吊工具：提引器、套管蘑菇头（带拧卸切口+对穿棒孔）。

夹持工具：钻杆垫叉、套管垫叉（管体和接箍变径台阶处）、API钻铤安全卡瓦、套管夹板、跟管用钻杆夹板，以及双层自重式卡瓦（配合浮动式夹持器）。

拧卸工具：链钳、自由钳、搓动用大绳、动力钳等。

（4）跟管程序

①隔离套管下入深水和跟管钻进程序

由于水位变幅的影响，漂浮式钻探平台上装有用于保障隔离套管2相对静止不动的升沉补偿装置9。隔离套管2包括一层、两层、三层或更多层套管组合。在本实施例中，以两层套管组合为例说明隔离套管2下入深水和跟管钻进程序。

隔离套管下入深水湖底和跟管钻进程序

由于水位变幅的影响，钻进平台装有升沉补偿装置，以保障隔离套管相对静止不动。第一级隔离套管跟管钻进过程是基于有孔口升沉补偿装置的跟管过程。套管下入程序和跟管钻进程序如下：

第一层隔离套管下入程序和跟管钻进程序如下：

A．测水深，计算并确定套管组合的长度和跟管长度节数。套管用来隔离深水和覆盖层，其下入长度是由许多根同直径的短套管组成的。第一次下入长度和水深深度相同，再往下进入地层后就只能一点一点往下跟进。

B．直连套管下入程序：蘑菇头单节起吊→取出浮动式夹持器的上层和下层卡瓦→使夹持器上夹持框盒处于油缸行程的中间位→送套管进入孔口→下放→管口至上夹持盒→下入自重式上卡瓦→自重夹持→增加套管安全卡瓦→ 卸蘑菇头→起吊下一根套管→人工对扣→拧紧→起吊上提少许→松卡瓦→取出卡瓦→下放→座卡（如此循环）……→加装接箍转换接头→进入接箍式套管串下入程序；

松卡瓦套管才能往下放，夹紧状态就是防止套管往下掉。上卡瓦是自重式的，如果不取出来，松开后卡瓦在重力作用下自动下滑又夹紧套管，所以过程中要取出上卡瓦。下卡瓦是液压的，液压松开后不需要取出。

C．接箍式隔离套管串下入程序：同上，但不需要上安全卡瓦，采用套管垫叉。

D．碰底识别和操作：当整个套管长度接近水深时，大钩载荷减小和起吊钢丝绳松弛。此时应根据实际，调整最上部跟管套管的长度，尽量使套管口能坐持在夹持器上卡瓦上。配备大钩称重表和夹持器浮动称重装置（油缸和液压锁之间装有压力表），便于判定下管阻力和跟管阻力。长套管自重较大，依靠自身重力作用可以进入一定深度的覆盖层，基本上不用锤击震入工艺。当称重显示套管重量小于浮重时，可以判断套管底部已经承受了部份重量，说明管靴已经进入较密实的覆盖层，这时候需要启动跟管钻进程序。

E．跟管钻进程序，如图3和4所示。

套管底部提离孔底一段距离，使套管悬坐在上夹持器上→浮动夹持器称重并记录读数→松开大钩→进入钻进状态→钻具组合→下钻具→准备钻进

钻头下放，出管靴21，开泵造窝钻进→正常钻进→控制大钩绞车送钻→根据钻进速度快慢和套管浮动夹持器称重来确定跟管距离。

当钻进速度较快，说明地层比较容易钻进，这时候称重重量应该接近浮重，跟管距离可以由现场长套管的长度来确定(如3.0m或4.0m)。当钻进速度较慢时，说明地层比较密实，称重重量小于浮重较多，跟管距离可以由现场短套管长度确定（如0.5m,1.0m）

达到跟管距离→循环清孔→上提钻头1至套管2内→钻杆垫叉10坐在套管口→卸掉大钩5→卸掉顶部进水接头7→辅助卷扬13起吊套管短接14→钻杆上穿入套管短接14，并下滑至套管口钻杆夹持器440上→装上顶部进水接头7→装上大钩5→上拉拉紧大钩（拉住钻杆4）→卸掉钻杆垫叉10→将套管短接14拧紧在套管2的上部端口上→卸掉短套管夹板12→在浮动夹持器下部空间（下夹持器446）夹持套管2→油缸下行少许并卸掉浮动夹持器9的上夹持器卡瓦8→油缸空载上行快接近上止点b位置时→上夹持器盒15中加自重式夹持器卡瓦8并压紧→取出下部夹持器446→送套管串下行→ 快到下止点c时→再加下部夹持器446→ 取出上夹持器卡瓦8→油缸空载上行→如此循环→跟到位后取出下部夹持器446→此时整个套管重量承担在上夹持器卡瓦8上→称重（称重表3）→继续钻进→如此循环。

跟管结束时，须保证该隔离套管管口坐在上部夹持器卡瓦8上，以保障升沉补偿功能的实现。

②第二层（或多层）套管下入和跟管程序

如果地层很复杂，则采用第二层（至后续多层）隔离套管继续跟管钻进。第二级套管管靴与套管采用直连，直连套管长度按照预计下入地层深度减去第一级套管已下入地层深度，再加少量重合长度，确保第二级接箍套管留在第一级套管内，接箍尽量不进入地层，以减少跟管阻力。上部则采用接箍式连接即可。

二级接箍式套管串下入程序：蘑菇头单节起吊（套管上部加接箍）→第二级套管送入隔离套管内（隔离套管头在浮动夹持器上）→下放→套管接箍至隔离套管口→加套管垫叉→起吊下一单节→人工对扣→拧紧→起吊并上提少许→松开并取出垫叉→下放→座卡（如此循环至孔深）……→进入接箍式套管跟管钻进程序；

跟管钻进程序：如图4所示。

跟管前，该级套管应处于悬吊状态（用垫叉和安全卡瓦悬挂在第一级隔离套管上并居中）→准备钻进→组合钻具→下钻使钻头超出该级管靴→造窝钻进→正常钻进→根据进尺确定跟管距离；

跟管时：先充分循环清孔→提拉钻具至套管2内，并使钻杆接头处于套管2的上部端口之上，便于加垫叉→加钻杆垫叉10坐于第二级套管42端口上→松开大钩5→卸掉大钩5→卸掉顶部进水接头7→辅助绞车13起吊短套管（套管夹板12夹住接箍下台阶，用钢绳起吊） →加接的套管短接14下滑至该级套管口的钻杆垫叉10上→在大钩上加接“钻具起吊蘑菇头41” →上提大钩少许→卸掉钻杆垫叉10→加接套管并拧紧→继续上提大钩5→将钻具起吊蘑菇头41上的钢丝绳挂在死绳钩40上（此时钻具重量由死绳承担）→释放大钩→把加接的套管夹板12挂绳转挂到大钩5上→上提大钩5→卸掉该级套管和隔离套管2之间的夹持器44→由大钩5下放套管2实现跟管→跟管到位后→将该级套管夹紧，再次坐在隔离套管口→松大钩5→游动滑车加提引器上行→装上进水管→下放钻具至管靴1外→继续钻进扩孔→如此循环。

如图5－图11所示，升沉补偿装置9包括用于夹持隔离套管2的夹持器44和竖直安装在漂浮式钻探平台上的补偿油缸。

如图5所示，本发明深水钻探隔水套管升沉补偿装置一实施例包括设置在深水环境中的浮动式平台63和隔离套管2。所述隔离套管2的上部穿过所述浮动式平台63，所述隔离套管2的下部管靴21置于泥线65内。所述浮动式平台63上竖直设置两组伸缩缸62，两组伸缩缸62的活塞杆朝上设置，且两组伸缩缸62的活塞杆端部之间水平固定安装夹持器44。夹持器44的中部夹持固定所述隔离套管2。伸缩缸62和夹持器44共同作用以扶正隔离套管2，并承担部分隔离套管2的重力，保障隔离套管2在水下处于拉伸状态。伸缩缸62的行程为隔水套管水位补偿范围，伸缩缸支撑力由隔离套管2的套管串总浮重来确定。

所述伸缩缸62的活塞杆上安装用于检测活塞杆位移的位移传感器64，所述深水环境中安装用于检测环境水位的水位传感器67，所述位移传感器64和所述水位传感器67的信号输出线分别接入所述伸缩缸62的控制系统68中。所述控制系统68内设置隔水套管安全形变值、水位初始值和活塞杆位移初始值。隔水套管安全形变值是在保证隔离套管2安全的前提下避免系统过于频繁启动而设定的。

水位传感器67选用高精度液位传感器，所测位移行程为2000mm，电源+24V供电，输出信号4～20mA，精度等级±0.1%。

位移传感器64选择拉线编码器位移传感器。位移行程1000mm，电源+24V供电，输出信号4～20mA，精度等级±0.1%。

同时，所述位移传感器64和所述水位传感器67的信号输出线分别接入双回路数显表60中，以通过双回路数显表60直接显示水位实时值和位移实时值。双回路数显表60优选采用松野电气生产的DT409双回路数显表，其具有双输入回路（4～20mA输入），供电：交流220V。

为保证夹持器44能被平稳地支撑和移动，两组所述伸缩缸62采用抬轿式对称设置在隔离套管2的两侧，且两组所述伸缩缸62采用同规格的伸缩缸，两组所述伸缩缸62的中间设置为套管串夹持空间和钻进操作空间61。

所述夹持器44优选采用自重式夹持器。所述自重式夹持器包括外壳441和一对自重式卡瓦442。所述外壳441的内腔设置轴向截面为V型的锥孔443，且所述锥孔443内斜面配合安装所述自重式卡瓦442。两个所述自重式卡瓦442相对安装，使两个自重式卡瓦442中间围合形成套管安装空间444。

当水位下降时，隔离套管2的底部管靴21座落至钻孔底部并被钻孔底面支撑，隔离套管2的上部带动自重式卡瓦442沿锥孔443壁面向上滑动，此时自重式卡瓦442自动松开隔离套管2，由于浮动式平台63随着水位下降而下降，自重式卡瓦442自动松开隔离套管2使隔离套管2不会随浮动式平台63下降而下降，从而保护了隔离套管2不受压弯曲。当水位上升时，浮动式平台63随着水位上升而上升，自重式卡瓦442在自身重力作用下沿锥孔443壁面向下滑动，使隔离套管2处于夹紧状态，浮动式平台63带着隔离套管2一起上升，隔离套管2的底部管靴21被提离钻孔底面。即自重式夹持器随着浮动式平台63的上升具有上提卡紧特点，而随着浮动式平台63下降具有自动松弛能力，从而不会造成隔离套管2的压弯。

为保证所述伸缩缸62的活塞杆移动到位后，隔离套管2的安装高度保持稳定，本实施例中，所述伸缩缸62为带液压锁的液压油缸。

本发明使用时，首先使隔离套管2处于安全工作状态，并将伸缩缸62的活塞调整至伸缩缸62的中部，此时通过位移传感器64测得的位移值即为位移初始值，水位传感器67测得的水位值即为水位初始值，然后水位传感器67检测水位实时值，所述控制系统68将所述水位传感器67检测的水位实时值与其存储的水位初始值相减计算得出水位变化值△H_S，并判断水位变化值△H_S是否超出隔水套管安全形变值。如果水位变化值△H_S超出隔水套管安全形变值，则通过控制所述伸缩缸62的上腔或下腔的进出油量而控制伸缩缸62的活塞杆沿水位变化相反方向运动，且伸缩缸62的活塞杆的位移变化值△H_j=△H_S，即：水位上升时，浮动式平台63上升，所述伸缩缸62的上腔进油，活塞杆回缩；水位下降时，浮动式平台63下沉，所述伸缩缸62的下腔进油，活塞杆伸出，从而抵消水位变化引起的浮动式平台63的上下位移，使隔离套管2既不被提离钻孔底部（当水位上升），也不会受压弯曲（当水位下降）。如果水位变化值△H_S小于隔水套管安全形变值，则保持所述伸缩缸62的活塞杆的位置不变，即伸缩缸62的活塞杆的位移变化值△H_j =0。

在本实施例中，150m水深设计隔水套管安全形变值为20mm，隔水套管水位补偿范围和精度为700mm±10mm。为避免伸缩缸62不必要的频繁动作，按下列原则调整伸缩缸62的活塞杆的位移变化值△H_j：

当水位上升时，水位变化值△H_S≤20mm时，△H_j=0；

当水位上升时，水位变化值△H_S＞20mm时，△H_j=△H_S；

当水位下降时，水位变化值△H_S≤20mm时，△H_j=0；

当水位下降时，水位变化值△H_S＞20mm时，△H_j=△H_S。

以下以某具体案例阐述本发明的工艺。

某电站水下钻孔施工最大水深大于150m，远超过一般水下钻孔施工水深。水库湖底地质条件复杂，分布有堆积物和河流冲积物。需要穿过表层堆积物和覆盖层总厚度大约30m。要实现深水条件下复杂地层快速安全钻进，该专利采用去钻机化的水上平台均匀送钻、孔底动力驱动、双心偏心钻头跟管钻进工艺钻进方法，跟管钻进钻具组合如图1所示。

图1 跟管钻进钻具组合实例

双层套管跟管钻进采用的两级套管参数分别是：

第一级隔离套管：φ244.5/φ216.8 mm，（壁厚13.84mm通径φ212.8mm，反丝连接）；

第二级技术套管：φ178mm/φ159.4mm（外/内径），壁厚9.19mm，通径156.2mm。

具体跟管钻进程序为：

如图3所示，244.5mm套管达到跟管距离时：循环清孔→上提钻头1至隔离套管2内→钻杆垫叉10坐在套管口→卸掉大钩5→卸掉顶部进水接头7→辅助卷扬13起吊套管短接14→钻杆上穿入套管短接14，并下滑至套管口钻杆夹持器440上→装上顶部进水接头7→装上大钩5→上拉拉紧大钩（拉住钻杆4）→卸掉钻杆垫叉10→将套管短接14拧紧在套管2的上部端口上→卸掉短套管夹板12→在浮动夹持器下部空间（下夹持器446）夹持套管2→油缸下行少许并卸掉浮动夹持器9的上夹持器卡瓦8→油缸空载上行快接近上止点b位置时（类似导杆动作）→上夹持器盒15中加自重式夹持器卡瓦8并压紧→取出下部夹持器446→送套管串下行→ 快到下止点c时→再加下部夹持器446→ 取出上夹持器卡瓦8→油缸空载上行→如此循环→跟到位后取出下夹持块→此时整个套管重量承担在上夹持器卡瓦8上→称重（浮重显示表3）→继续钻进→如此循环。

第二级177.8mm套管跟管钻进程序：如图4所示。

跟管前，177.8mm套管处于悬吊状态（用垫叉和安全卡瓦悬挂在244.5mm隔离套管上并居中）→准备钻进→组合钻具→下钻使钻头超出177.8mm管靴→造窝钻进→正常钻进→根据进尺确定跟管距离；

跟管时：先充分循环清孔→上提钻具至177.8mm套管2之内，并使钻杆接头处于该套管2的上部端口之上，便于加垫叉→加钻杆垫叉10坐于177.8mm套管2端口上→松开大钩→卸掉大钩→卸掉顶部进水接头→辅助绞车13起吊短套管（套管夹板12夹住接箍下台阶，用钢绳起吊） →加接的套管短接下滑至177.8mm套管口的钻杆垫叉10上→在大钩上加接“钻具起吊蘑菇头41” →上拉大钩少许→卸掉钻杆垫叉10→加接套管并拧紧→继续上拉大钩5→将钻具起吊蘑菇头41上的钢丝绳挂在悬挂用死绳钩40上（此时钻具重量由死绳承担）→释放大钩→把加接的套管夹板12挂绳转挂到大钩5上→提拉大钩5→卸掉177.8mm套管和244.5mm隔离套管之间的夹持器44→由大钩下放套管2实现跟管→跟管到位后→将该级套管夹紧，再次坐在隔离套管口→松大钩→游动滑车加提引器上行→装上进水管→下放钻具至管靴外→继续钻进扩孔→如此循环。

以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (7)

1.一种孔底动力钻进双层隔离套管跟管系统，包括钻具组合和套管组合；其特征在于，所述钻具组合包括自下而上依次连接的钻头（1）、双母转换接头（52）、柔性钻杆（53）、下扶正器（54）、双公转换接头（55）、螺杆马达（56）、螺杆马达提升接头（57）、上扶正器（58）、用于加压钻进的钻铤（59）、钻杆（51）和顶部进水接头（7）；

所述套管组合包括自下而上包括管靴（21）和通过接箍相互连接的多节套管；

所述下扶正器（54）和上扶正器（58）用于保障钻具组合同心回转，且所述下扶正器（58）在扩孔钻进阶段始终处于所述套管内；所述顶部进水接头（7）用于送钻并兼做水或泥浆的进入通道；

所述套管组合套设在钻具组合外，所述钻头（1）为双心偏心钻头；所述钻头（1）在工作时可相对所述管靴（21）伸出，且钻头（1）的扩孔直径大于套管的外径。

2.根据权利要求1所述的孔底动力钻进双层隔离套管跟管系统，其特征在于，所述套管（2）包括依次连接的管靴（21）、至少两根串联的直联套管、套管转换接头（24）、至少一级串联的双公接箍式长套管和接箍、至少一级串联的短套管和接箍。

3.根据权利要求1所述的孔底动力钻进双层隔离套管跟管系统，其特征在于，钻进平台装有升沉补偿装置，以保障套管组合相对静止不动；所述升沉补偿装置设置在深水环境中的浮动式平台，所述隔离套管的上部穿过所述浮动式平台；

位于所述隔离套管两侧的所述浮动式平台上竖直设置两组伸缩缸，两组伸缩缸的活塞杆端部之间水平安装夹持器，所述隔离套管的上部被所述夹持器夹持固定；

当水位上升时，所述浮动式平台上升，所述伸缩缸的活塞杆回缩，使所述隔离套管不被所述浮动式平台上拉；

当水位下降时，所述浮动式平台下沉，所述伸缩缸的活塞杆伸出，使所述隔离套管不被所述浮动式平台压迫。

4.根据权利要求3所述的孔底动力钻进双层隔离套管跟管系统，其特征在于，所述伸缩缸的活塞杆上安装用于检测活塞杆位移的位移传感器，所述深水环境中安装用于检测环境水位的水位传感器，所述位移传感器和所述水位传感器的信号输出线分别接入所述伸缩缸的控制系统中，所述控制系统计算出水位变化值△H_S，并判断水位变化值△H_S是否超出隔离套管安全形变值，如果水位变化值△H_S超出隔离套管安全形变值，则控制所述伸缩缸的活塞杆沿水位变化相反方向运动，且△H_j=△H_S，如果水位变化值△H_S小于隔离套管安全形变值，则所述伸缩缸的活塞杆的位置保持不变。

5.根据权利要求3所述的孔底动力钻进双层隔离套管跟管系统，其特征在于，所述夹持器为自重式夹持器；优选所述自重式夹持器包括外壳和一对自重式卡瓦，所述外壳的内腔设置为V型的锥孔，所述锥孔内斜面配合安装所述自重式卡瓦，且两个所述自重式卡瓦相对安装，使两个所述自重式卡瓦中间围合形成套管安装空间。

6.一种利用权利要求1-5中任一项所述的孔底动力钻进双层隔离套管跟管系统的隔离套管跟管工艺，其特征在于，包括如下步骤：

S1. 套管底部提离孔底一段距离，使套管悬坐在上夹持器上，并通过浮动夹持器称重并记录读数，在松开大钩下钻具组合，准备钻进；

S2. 钻头下放并从管靴（21）伸出，控制大钩绞车送钻，根据钻进速度快慢和套管浮动夹持器的称重来确定跟管距离；

S3. 达到跟管距离后循环清孔，并上提钻头（1）至套管（2）内，钻杆垫叉（10）坐在套管口，卸掉大钩（5）和顶部进水接头（7），通过辅助卷扬（13）起吊套管短接（14），使钻杆上穿入套管短接（14），并下滑至套管口钻杆夹持器（10）上，再装上顶部进水接头（7）和大钩（5），上拉拉紧大钩，卸掉钻杆垫叉（10），将套管短接（14）装在套管（2）的上部端口上，卸掉短套管夹板（12），在浮动夹持器下部空间夹持套管（2），油缸下行并卸掉浮动夹持器（9）的上夹持器卡瓦（8），油缸空载上行快接近上止点b位置时，上夹持器盒（15）中加自重式夹持器卡瓦（8）并压紧，然后取出下部夹持器（16），送套管串下行快到下止点c时，再加下部夹持器（16）并取出上夹持器卡瓦（8），油缸空载上行，如此循环；

跟到位后取出下部夹持器（16），此时整个套管重量承担在上夹持器卡瓦（8）上，称重，继续钻进，如此循环；跟管结束时，保证该隔离套管管口坐在上部夹持器卡瓦（8）上。

7.根据权利要求6所述的隔离套管跟管工艺，其特征在于，对于复杂地层，则采用第二层或后续多层隔离套管继续跟管钻进；第二级套管的管靴与套管采用直连，直连套管长度按照预计下入地层的深度减去第一级套管已下入地层的深度，再加重合长度，确保第二级接箍套管留在第一级套管内；

跟管前，该级套管应处于悬吊状态，然后准备钻进，组合钻具下钻使钻头超出该级管靴，然后造窝钻进、正常钻进，根据进尺确定跟管距离；

跟管时，先循环清孔，提拉钻头至套管（2）内，并使钻杆接头处于套管（2）的上部端口之上，加钻杆垫叉（10）坐于第二级套管（42）端口上，然后松开大钩（5），卸掉大钩（5）和顶部进水接头（7），辅助绞车（13）起吊短套管，加接的套管短接（14）下滑至该级套管口的钻杆垫叉（10）上，在大钩上加接钻具起吊蘑菇头（41），并上提大钩少许，然后卸掉钻杆垫叉（10），加接套管并拧紧，继续上提大钩（5），将钻具起吊蘑菇头（41）上的钢丝绳挂在死绳钩（40）上，再释放大钩，把加接的套管夹板（12）挂绳转挂到大钩（5）上，上提大钩（5），并卸掉该级套管和隔离套管（2）之间的夹持器（44），由大钩（5）下放套管（2）实现跟管，当跟管到位后将该级套管夹紧，再次坐在隔离套管口，松大钩（5），下放钻具至管靴（1）外，继续钻进扩孔，如此循环。

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