CN113482602B - 一种超深自平衡随钻原位测试系统及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明通过内置原位测试总成于钻管中，钻管内壁设置定位台阶，原位测试总成设置锁定结构，实现原位测试总成下放至测试深度时锁紧，动力装置在向测试装置施加向下作用力时由钻机自重平衡反作用力，实现自平衡测试。该系统和方法实现不提钻管情况下钻探旋转钻进与原位测试交替进行，通过钻探辅助增大原位测试的应用深度。
Description
技术领域
本发明涉及一种超深自平衡随钻原位测试系统及施工方法，属于原位测试技术领域。
背景技术
岩土勘察原位测试技术能为地下空间工程设计提供可靠的岩土物理力学性质参数，随着深层地下空间开发项目进行，需要通过原位测试手段获取更深的岩土物理力学性质参数。传统的原位测试设备测试深度有限，难以满足深层地下空间开发利用的需求，亟待开发和研究适用于地下深层空间成套原位测试设备装置和施工方法。
发明内容
本发明旨在提出一种超深自平衡随钻触探结构及施工方法，解决以下技术问题：
1)扩大钻管直径使之容纳原位测试总成，在不提钻的情况下，实现钻探旋转钻进与原位测试交替进行，通过钻探辅助原位测试增大应用深度。
2)原位测试总成中的动力装置向下作用于测试装置，提供测试动力，通过定位锁定装置向上的反力传递至钻管，进而通过变径连接装置传递至钻机，由钻机自重平衡荷载，实现自平衡测试。
本发明采取以下技术方案:
一种超深自平衡随钻原位测试系统，包括：与变径接头连接的内部可容纳并支撑原位测试总成1的钻管22；具有主动钻杆21的钻进设备2；用于将主动钻杆21与钻管22连接的可拆卸更换的变径接头24；与所述原位测试总成1连接并可自所述接头处穿入所述钻管22内部的电缆15；设于原位测试总成1上的悬挂定位装置14；可相对于悬挂定位装置14受控径向伸展/收缩的锁定结构；设于钻管22内壁，下端用于抵住所述锁定结构的定位台阶2211。
优选的，还包括电缆收纳装置3、信号接收装置4。
优选的，所述原位测试总成1自下而上包括依次固定连接的测试装置11、原位测试动力装置12、控制及传输装置13、所述悬挂定位装置14和所述电缆15。
进一步的，所述钻进设备2包括所述主动钻杆21、所述钻管22、钻机23、所述变径接头24、卡钳25，所述钻管22包括定位钻管221与常规钻管222，定位钻管221位于最下方，常规钻管222用于接长钻管22，定位钻管221内壁设置所述定位台阶2211，底部外侧壁安装扩孔装置2212。
优选的，所述原位测试动力装置12通过向测试装置11施加向下的作用力，提供测试动力，测试装置11对动力装置有向上的反作用力，反作用力向上传递至悬挂定位装置14，通过定位锁定装置将荷载传递至钻管，进而通过变径连接装置传递至钻机，由钻机自重平衡荷载，实现自平衡测试。
优选的，所述控制及传输装置13连接电缆15，电缆15穿过悬挂定位装置14连接至电缆收纳装置3、信号接收装置4；所述悬挂定位装置14外侧设置锁定结构，控制及传输装置13控制锁定结构的缩放，原位测试总成下放前，锁定结构处于收缩状态，当原位测试总成下放定位钻管221的定位台阶2211处，锁定结构处于伸开锁定状态，当测试结束后，锁定结构再次恢复收缩状态，可将原位测试总成1提出钻管22。
优选的，所述变径接头24包括用于连接钻杆和钻管的闭口变径接头241和开口变径接头242；其中，闭口变径接头241用于旋挖钻进，开口变径接头242用于原位测试时电缆穿越连接至电缆收纳装置。
一种超深自平衡随钻原位测试施工方法，采用上述任意一项所述的超深自平衡随钻原位测试系统，包括以下步骤：
S1.钻孔施工：闭口变径接头241连接钻机23的主动钻杆21底部和钻管22顶部，旋转钻进至原位测试设计标高；
S2.下放原位测试总成：提升钻管22设定距离，卡钳25固定钻管22；拆卸闭口变径接头241，移开钻机23，将原位测试总成1置于钻管22内部，打开电缆收纳装置3下放原位测试总成1至测试装置11抵达原位测试设计标高；控制及传输装置13控制悬挂定位装置14打开锁定结构；
S3.安装开口变径接头：原位测试总成下放完毕后，将电缆15从开口变径接头242侧壁狭缝处穿入从接头上端开口引出；对接开口变径接头242和钻管22，转动开口变径接头242使其与钻管22旋接；再将电缆15从上端开口移动至侧壁开口；对接开口变径接头242和钻机主动钻杆21，转动钻机主动钻杆21使其与开口变径接头242旋接。松开卡钳25；
S4.原位测试：动力装置12通过向测试装置11施加向下的作用力，提供测试动力，测试装置11对动力装置有向上的反作用力，反作用力向上传递至悬挂定位装置14，由于定位锁定荷载传递至钻管，进而通过变径连接装置传递至钻机，由钻机自重平衡荷载，实现自平衡测试，测试数据通过电缆15传输至信号接收装置4；
S5.拆解开口变径接头：原位测试完毕后，卡钳25固定钻管22；反转钻机主动钻杆21，拆解主动钻杆21与开口变径接头242连接；将电缆15引至开口变径接头242上端开口，反转开口变径接头242，拆解开口变径接头242与钻管22连接；将电缆15从接头侧面狭缝取出；
S6.接长钻管钻进：提取原位测试总成1，接长钻管22，最下节为定位钻管221，其余接长钻管为常规钻管222，闭口变径接头241连接钻机主动钻杆21与钻管22顶部，松开卡钳25；继续旋转钻进；
S7.重复步骤2～6，直至完成所有深度处随钻原位测试。
本发明的有益效果在于：通过内置原位测试总成于钻管中，钻管内壁设置定位台阶，原位测试总成设置锁定结构，实现原位测试总成下放至测试深度时锁紧，动力装置在向测试装置施加向下作用力时由钻机自重平衡反作用力，实现自平衡测试。该系统和方法实现不提钻管情况下钻探旋转钻进与原位测试交替进行，通过钻探辅助增大原位测试的应用深度。
附图说明
图1是本发明超深自平衡随钻原位测试系统示意图。
图2是原位测试总成结构示意图。
图3是超深自平衡随钻原位测试施工方法的步骤一：钻孔施工的示意图。
图4是超深自平衡随钻原位测试施工方法的步骤二：下放原位测试总成的示意图。
图5是超深自平衡随钻原位测试施工方法的步骤三：安装开口变径接头的示意图。
图6是超深自平衡随钻原位测试施工方法的步骤四：进行原位测试(静力触探)的示意图。
图7是超深自平衡随钻原位测试施工方法的步骤五：拆解开口变径接头的示意图。
图8是超深自平衡随钻原位测试施工方法的步骤六：接长钻管钻进的示意图。
图9是超深自平衡随钻原位测试施工方法的步骤七：重复步骤二至步骤六完成所有深度原位测试的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
本案例具体实施提出一种超深自平衡随钻原位测试系统，如图1～9，该装置具体包括：原位测试总成1、钻进设备2、电缆收纳装置3、信号接收装置4；
如图2，原位测试总成1自下而上依次为测试装置11、动力装置12、控制及传输装置13、悬挂定位装置14、电缆15，各装置采用固定连接。
测试装置11用于静力触探，由探杆和探头组成。
动力装置12采用液压油缸，通过向静探测试装置11施加向下的静压作用力，静力触探探头贯入土层中进行测试。静探测试装置11对动力装置有向上的反作用力，反作用力向上传递至悬挂定位装置14，由于定位锁定荷载传递至钻管，进而通过变径连接装置传递至钻机，由钻机自重平衡荷载，实现自平衡测试。
控制及传输装置13连接电缆15，电缆15穿过悬挂定位装置14连接至电缆收纳装置3、信号接收装置4；所述悬挂定位装置14外侧设置锁定结构，控制及传输装置13控制锁定结构的缩放，原位测试总成下放前，锁定结构处于收缩状态，当原位测试总成下放定位钻管221的定位台阶2211处，锁定结构处于伸开锁定状态，当测试结束后，锁定结构再次恢复收缩状态，可将原位测试总成1提出钻管22。
钻进设备2包括钻杆21、钻管22、钻机23、变径接头24、卡钳25，所述变径接头24包括闭口变径接头241和开口变径接头242，用于连接钻杆和钻管，闭口变径接头241用于旋挖钻进，开口变径接头242用于原位测试时电缆穿越连接至电缆收纳装置。
钻管22内部空间能容纳原位测试总成1，钻管22包括定位钻管221与常规钻管222，定位钻管221位于最下方，常规钻管222用于接长钻管，定位钻管221内壁设置定位台阶2211，底部外侧壁安装扩孔装置2212。
本案例具体实施提出一种超深自平衡随钻原位测试施工方法：
如图3，步骤一：钻孔施工。闭口变径接头241连接钻机23的主动钻杆21底部和钻管22顶部，旋转钻进至原位测试设计标高。
如图4，步骤二：下放原位测试总成。提升钻管22一定距离，卡钳25固定钻管22。拆卸闭口变径接头241，移开钻机23，将原位测试总成1置于钻管22内部，打开电缆收纳装置3下放原位测试总成1至静探测试装置11抵达静探测试设计标高。控制及传输装置13控制悬挂定位装置14打开锁定结构。
如图5，步骤三：安装开口变径接头。原位测试总成下放完毕后，将电缆15从开口变径接头242侧壁狭缝处穿入从接头上端开口引出(如图5①)。对接开口变径接头242和钻管22，转动开口变径接头242使其与钻管22旋接。再将电缆15从上端开口移动至侧壁开口。对接开口变径接头242和钻机主动钻杆21，转动钻机主动钻杆21使其与开口变径接头242旋接(如图5②)。松开卡钳25。
如图6，步骤四：静力触探测试。动力装置12通过向静探测试装置11施加向下的静压作用力，静力触探探头贯入土层中进行测试。静探测试装置11对动力装置有向上的反作用力，反作用力向上传递至悬挂定位装置14，由于定位锁定荷载传递至钻管，进而通过变径连接装置传递至钻机，由钻机自重平衡荷载，实现自平衡测试，测试数据通过电缆15传输至信号接收装置4。
如图7，步骤五：拆解开口变径接头。静探测试完毕后，卡钳25固定钻管22。反转钻机主动钻杆21，拆解主动钻杆21与开口变径接头242连接(如图7①)。将电缆15引至开口变径接头242上端开口，反转开口变径接头242，拆解开口变径接头242与钻管22连接(如图7②)。将电缆15从接头侧面狭缝取出。
如图8，步骤六：接长钻管钻进。提取原位测试总成1，接长钻管22，最下节为定位钻管221，其余接长钻管为常规钻管222，闭口变径接头241连接钻机主动钻杆21与钻管22顶部，松开卡钳25。继续旋转钻进。
如图9，步骤七：重复步骤二至步骤六完成所有深度静探测试。
以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。
Claims (7)
1.一种超深自平衡随钻原位测试施工方法，其特征在于：
超深自平衡随钻原位测试系统包括：
与变径接头（24）连接的内部可容纳并支撑原位测试总成（1）的钻管（22）；
具有主动钻杆（21）的钻进设备（2）；
用于将主动钻杆（21）与钻管（22）连接的可拆卸更换的所述变径接头（24）；
与所述原位测试总成（1）连接并可自所述变径接头（24）处穿入所述钻管（22）内部的电缆（15）；
设于原位测试总成（1）上的悬挂定位装置（14）；
可相对于悬挂定位装置（14）受控径向伸展/收缩的锁定结构；
设于钻管（22）内壁，下端用于抵住所述锁定结构的定位台阶（2211）；
施工方法包括以下步骤：
S1.钻孔施工：闭口变径接头（241）连接钻机（23）的主动钻杆（21）底部和钻管（22）顶部，旋转钻进至原位测试设计标高；
S2.下放原位测试总成：提升钻管（22）设定距离，卡钳（25）固定钻管（22）；拆卸闭口变径接头（241），移开钻机（23），将原位测试总成（1）置于钻管（22）内部，打开电缆收纳装置（3）下放原位测试总成（1）至测试装置（11）抵达原位测试设计标高；控制及传输装置（13）控制悬挂定位装置（14）打开锁定结构；
S3.安装开口变径接头：原位测试总成下放完毕后，将电缆（15）从开口变径接头（242）侧壁狭缝处穿入从接头上端开口引出；对接开口变径接头（242）和钻管（22），转动开口变径接头（242）使其与钻管（22）旋接；再将电缆（15）从上端开口移动至侧壁开口；对接开口变径接头（242）和钻机主动钻杆（21），转动钻机主动钻杆（21）使其与开口变径接头（242）旋接；松开卡钳（25）；
S4.原位测试：动力装置（12）通过向测试装置（11）施加向下的作用力，提供测试动力，测试装置（11）对动力装置有向上的反作用力，反作用力向上传递至悬挂定位装置（14），由于定位锁定荷载传递至钻管，进而通过变径连接装置传递至钻机，由钻机自重平衡荷载，实现自平衡测试，测试数据通过电缆（15）传输至信号接收装置（4）；
S5.拆解开口变径接头：原位测试完毕后，卡钳（25）固定钻管（22）；反转钻机主动钻杆（21），拆解主动钻杆（21）与开口变径接头（242）连接；将电缆（15）引至开口变径接头（242）上端开口，反转开口变径接头（242），拆解开口变径接头（242）与钻管（22）连接；将电缆（15）从接头侧面狭缝取出；
S6.接长钻管钻进：提取原位测试总成（1），接长钻管（22），最下节为定位钻管（221），其余接长钻管为常规钻管（222），闭口变径接头241连接钻机主动钻杆（21）与钻管（22）顶部，松开卡钳（25）；继续旋转钻进；
S7.重复步骤2~6，直至完成所有深度处随钻原位测试。
2.如权利要求1所述的超深自平衡随钻原位测试施工方法，其特征在于：超深自平衡随钻原位测试系统还包括电缆收纳装置（3）、信号接收装置（4）。
3.如权利要求1所述的超深自平衡随钻原位测试施工方法，其特征在于：所述原位测试总成（1）自下而上包括依次固定连接的测试装置（11）、原位测试动力装置（12）、控制及传输装置（13）、所述悬挂定位装置（ 14） 和所述电缆（ 15） 。
4.如权利要求2所述的超深自平衡随钻原位测试施工方法，其特征在于：所述钻进设备（2）包括所述主动钻杆（21）、所述钻管（22）、钻机（23）、所述变径接头（24）、卡钳（25），所述钻管（22）包括定位钻管（221）与常规钻管（222），定位钻管（221）位于最下方，常规钻管（222）用于接长钻管（22），定位钻管（221）内壁设置所述定位台阶（2211），底部外侧壁安装扩孔装置（2212）。
5.如权利要求3所述的超深自平衡随钻原位测试施工方法，其特征在于：所述原位测试动力装置（12）通过向测试装置（11）施加向下的作用力，提供测试动力，测试装置（11）对动力装置有向上的反作用力，反作用力向上传递至悬挂定位装置（14），通过定位锁定装置将荷载传递至钻管，进而通过变径连接装置传递至钻机，由钻机自重平衡荷载，实现自平衡测试。
6.如权利要求1所述的超深自平衡随钻原位测试施工方法，其特征在于：所述控制及传输装置（13）连接电缆（15），电缆（15）穿过悬挂定位装置（14）连接至电缆收纳装置（3）、信号接收装置（4）；所述悬挂定位装置（14）外侧设置锁定结构，控制及传输装置13控制锁定结构的缩放，原位测试总成下放前，锁定结构处于收缩状态，当原位测试总成下放定位钻管（221）的定位台阶（2211）处，锁定结构处于伸开锁定状态，当测试结束后，锁定结构再次恢复收缩状态，可将原位测试总成（1）提出钻管（22）。
7.如权利要求1所述的超深自平衡随钻原位测试施工方法，其特征在于：所述变径接头（24）包括用于连接钻杆和钻管的闭口变径接头（241）和开口变径接头（242）；其中，闭口变径接头（241）用于旋挖钻进，开口变径接头（242）用于原位测试时电缆穿越连接至电缆收纳装置。
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- 2021-07-22 CN CN202110830491.2A patent/CN113482602B/zh active Active
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