CN115162986B - 一种波浪平衡绳索取心钻进装置及其钻进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波浪平衡绳索取心钻进装置及其钻进方法，包括悬挑平台、钻机底座、辅助支架、第一定滑轮、第二定滑轮和第一钻杆，所述钻机底座固设于所述悬挑平台的一侧，且所述钻机底座的上表面固设有第一定滑轮和桅杆；所述第二定滑轮设置于所述辅助支架上；所述桅杆上滑移套装有动力头组件；所述动力头组件与第一钻杆螺纹连接，且所述动力头组件连接有第一钢丝绳并依次经过所述第一定滑轮及第二定滑轮后与配重组件连接；所述销孔座与所述动力头组件可拆卸连接。该装置及钻进方法不仅对波浪的反应灵敏，还能够保持钻进压力恒定，使钻头与孔底保持接触，从而有利于维持钻进，提高钻进取心效率和岩心采取率。

Description

一种波浪平衡绳索取心钻进装置及其钻进方法

技术领域

本发明涉及绳索取心钻探技术领域，具体涉及一种波浪平衡绳索取心钻进装置及其钻进方法。

背景技术

绳索取心钻探技术是利用取心钻具钻进一定深度后不提出钻杆柱，而是通过打捞绞车钢丝绳在钻杆内捞取岩心的钻探技术。正常钻进时连接在钻杆柱底部的钻头必须与孔底岩石保持接触。目前，传统的绳索取心钻探技术是针对陆地岩石地层设计的，即在陆地使用时，钻机所处的工作平面绝对高程是固定不变的。而在水域实施地勘钻探作业时，需要借助平台作为工作平面。浮动平台是一种常用的平台，有船舶、油桶筏等形式。受潮汐和波浪影响，浮动平台会产生垂直和水平方向的位移，这对平台上的钻机及其直接驱动的延伸到钻孔内的刚性连接的钻杆、套管等产生非常不利的影响。主要是：正常钻进过程中，钻杆柱与孔底岩石接触，若浮动平台下降，则孔内钻杆柱将承受平台带来的巨大压力，可能压弯或压断钻杆，同时，上顶力可能破坏钻机结构，产生安全风险；若浮动平台瞬间快速上升，则同时带动钻机、钻杆柱上升，使连接在钻杆柱下部的取心钻具提离孔底、卡簧工作、拔断岩心，造成岩心堵塞，导致钻进不能正常进行，增加了取心次数，降低了钻进施工效率。

为解决该问题，在水域浮动平台上开展地勘钻探工作通常使用机械立轴式钻机，配套使用单管钻具或单动双管钻具钻进取心。使用单管钻具钻进结束时采用投卡料的方法卡断岩心，然后提钻获取岩心。使用单动双管钻具时，平台上升将导致岩心被卡断，使钻进不能正常进行。上述两种器具方法操作复杂、耗时长、岩心采取率低。当平台上升或下降时，一般采用拆卸、提钻或加接钻杆的方法应对。但在瞬时风浪较大时，往往来不及操作，很容易造成钻杆、钻机的损坏。若遇持续较大的风浪，则只能提出全部钻杆后停工等待。采用上述设备和方法时，钻进、取心效率均较低，存在安全隐患，遇恶劣天气则停待时间较长。

中国专利公开号为CN202325270U的专利文献，公开了一份名称为“波浪补偿分离式液压钻机”的技术方案，在该技术方案中，包括塔架，其中所述的塔架上活动设有动力头，动力头与钻具连接，动力头通过钢丝绳分别连接有波浪补偿配重箱和卷扬机；在塔架侧边设有驱动装置，驱动装置分别与动力头和卷扬机组连接。该方案通过将动力头与驱动装置分离，通过管路输送动力，通过钢丝绳连接卷扬机组控制升降，通过钢丝绳连接波浪补偿配重箱，勘探作业过程中，波浪补偿配重箱和钻具之间调节为平衡状态后，当波浪影响钻探船上下浮动时，波浪补偿配重箱能够在导轨内自由滑动，动力头、孔底的钻具与孔底之间则保持相对的静止，由配重的上下滑动来补偿钻探船的浮动，达到了波浪补偿的目的，保障了在勘探过程中不会因钻探船受波浪影响而上下浮动造成对孔底土层的扰动。但上述的技术方案仅能通过配重的上下滑动来达到波浪补偿的目的，无法保持钻进压力恒定，使钻头与孔底保持接触，不利于维持钻进，降低了钻进取心效率和岩心采取率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是浮动平台上施工时钻进取心工作效率低的问题，目的在于提供一种波浪平衡绳索取心钻进装置及其钻进方法，平衡或抵消波浪与潮汐对钻杆和钻机结构的不利影响，实现连续、安全、稳定、高效钻进。

本发明通过下述技术方案实现：

一种波浪平衡绳索取心钻进装置，包括悬挑平台、钻机底座、辅助支架、第一定滑轮、第二定滑轮和第一钻杆，所述钻机底座固设于所述悬挑平台的一侧，且所述钻机底座的上表面固设有第一定滑轮、泥浆泵、打捞绞车、销孔座和桅杆；所述第二定滑轮设置于所述辅助支架上；所述桅杆上滑移套装有动力头组件；所述动力头组件与第一钻杆螺纹连接，且所述动力头组件连接有第一钢丝绳并依次经过所述第一定滑轮及第二定滑轮后与配重组件连接；所述销孔座与所述动力头组件可拆卸连接；所述第一钻杆内侧设置有岩心管。

作为本发明的一种优选技术方案，所述动力头组件包括动力头滑套、油缸、动力头和油缸活塞杆，所述动力头滑套滑移套装于所述桅杆上，且与所述油缸和所述动力头固定连接；所述动力头与所述第一钻杆螺纹连接；所述油缸活塞杆设置于所述油缸中，且所述油缸活塞杆的一端与所述销孔座可拆卸连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述配重组件包括配重和第二钢丝绳，所述配重设有导向孔，所述导向孔中穿有第二钢丝绳，所述第二钢丝绳两端分别固定于所述辅助支架的顶部和所述悬挑平台的上表面。

一种波浪平衡绳索取心钻进方法，应用于一种波浪平衡绳索取心钻进装置，其特征在于，包括：

S1：启动装置，操作动力头组件上紧或卸开第一钻杆；

S2：将第一钻杆逐步下放至孔底后，将动力头组件与销孔座分离；

S3：操作动力头组件驱动第一钻杆转动；

S4：当动力头组件下行至下限位置后，操作动力头组件上行使第一钻杆处于悬空状态；

S5：打捞第一钻杆内的岩心管，取出岩心后再将岩心管投入钻杆内；

S6：在第一钻杆尾部螺纹连接第二钻杆，并重复S3～S5。

作为本发明的一种优选技术方案，所述的S1具体包括：操作油缸带动动力头滑套和动力头上下滑移，操作动力头转动以上紧或卸开第一钻杆。

作为本发明的一种优选技术方案，所述的S2具体包括：将第一钻杆逐步下放至孔底后，将油缸活塞杆和销孔座分离。

作为本发明的一种优选技术方案，所述的S3具体包括：开启泥浆泵向第一钻杆内供钻井液或清水，操作动力头驱动第一钻杆转动。

作为本发明的一种优选技术方案，所述的S4具体包括：当动力头下行至下限位置后，停止动力头转动，将油缸活塞杆和销孔座连接，操作油缸向上行进并使第一钻杆处于悬空状态，所述油缸向上行进的距离大于当时波浪高的最大值的1.1～1.2倍。

作为本发明的一种优选技术方案，所述的S5具体包括：将第一钻杆夹持固定后，卸开动力头与第一钻杆的螺纹连接，操作打捞绞车打捞第一钻杆内岩心管，取出岩心后再将岩心管投入钻杆内。

作为本发明的一种优选技术方案，所述的S6具体包括：操作油缸使动力头上行，在第一钻杆尾部增加第二钻杆，所述第二钻杆的上端与动力头螺纹连接，再将油缸活塞杆和销孔座分离，并重复S3～S5。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1.本发明将油缸、动力头和第一钻杆组成的整体与钻机底座分离，使油缸、动力头和第一钻杆组成的整体部分仅在桅杆上上下自由滑动。并通过设置的配重加压，解决了油缸、动力头和钻杆组成的整体与钻机底座分离后的加压问题，不仅对波浪的反应灵敏，还能够保持钻进压力恒定，使钻头与孔底保持接触，从而有利于维持钻进，提高钻进取心效率和岩心采取率。

2.解决了现有设备体积庞大、笨重、操作不方便的难题，充分发挥出便携式钻机重量轻、操作方便灵敏的优点；

3.降低了安全风险、大大提高了钻进和取心效率、可利用天气变化规律充分利用施工时间，在大风浪恶劣天气前完成钻孔，避免停待造成的不确定影响。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种波浪平衡绳索取心钻进装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种波浪平衡绳索取心钻进方法流程图；

附图中标记及对应的零部件名称：

1-悬挑平台，2-钻机底座，3-第一定滑轮，4-泥浆泵，5-打捞绞车，6-动力头滑套，61-孔眼，7-油缸，8-动力头，81-动力头马达，9-桅杆，10-油缸活塞杆，11-销孔座，12-通孔，13-钻井液池，14-第一钻杆，15-第二钢丝绳，16-第一钢丝绳，17-配重，18-配重导向孔，19-第二定滑轮，20-辅助支架。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例

本发明实施例提供了一种波浪平衡绳索取心钻进装置，如图1所示，包括悬挑平台1、钻机底座2、辅助支架20、第一定滑轮3、第二定滑轮19和第一钻杆14，为方便操作，将钻机底座2安装在悬挑平台1上靠近船体甲板的一侧，且所述钻机底座2的上表面固设有第一定滑轮3、泥浆泵4、打捞绞车5、销孔座11和桅杆9；将钻井液池13悬挂设置在悬挑平台1上钻机底座2的后方，钻井液池13用于储存环保型钻井液或清水；将钻机动力机等其他设备安装在悬挑平台1的另一侧；所述第二定滑轮19设置于所述辅助支架20上；所述桅杆9上滑移套装有动力头组件；所述动力头组件与第一钻杆14螺纹连接；将第一钢丝绳16的一端与动力头滑套6上的孔眼61连接，第一钢丝绳16的另一端穿过底座第一定滑轮3后，向上牵引，穿过辅助支架20顶部的第二定滑轮19后，与配重17连接。此时配重17起到对钻杆14加压的作用。调整配重17的重量即可实现对加压压力的调整；将第二钢丝绳15穿过配重17的导向孔18后，再将导向钢丝绳15两端分别固定于辅助支架20顶部和悬挑平台1上；所述销孔座11与所述动力头组件可拆卸连接；所述第一钻杆14内侧设置有岩心管。

其中，所述动力头组件包括动力头滑套6、油缸7、动力头8和油缸活塞杆10，所述动力头滑套6滑移套装于所述桅杆9上，且与所述油缸7和所述动力头8固定连接；所述动力头8与所述第一钻杆14螺纹连接；所述油缸活塞杆10设置于所述油缸7中，且所述油缸活塞杆10的一端与所述销孔座11可拆卸连接。

其中，在动力头8正下方悬挑平台1上设置一个孔径200mm的通孔12,所述第一钻杆穿过所述通孔12与所述动力头组件螺纹连接。所述悬挑平台1长度需满足操作需要，一般不小于4米。悬挑平台1的宽度，即船体一侧向外延伸出去的距离，不小于2米。悬挑平台1周围设置安全护栏。

本发明实施例提供了一种波浪平衡绳索取心钻进方法，如图2所示，应用于一种波浪平衡绳索取心钻进装置，包括：

S1：所有设备、管线连接好后，启动装置，操作油缸7带动动力头滑套6和动力头8上下滑移，操作动力头8转动以上紧或卸开第一钻杆14；

S2：将第一钻杆14逐步下放至孔底后，将油缸活塞杆10和销孔座11分离；此时，动力头滑套6自然地套在桅杆9上，不再受钻机油缸7的约束，动力头8仅起到驱动第一钻杆14转动的作用，油缸7不再起到对第一钻杆14的加压作用。油缸7、动力头滑套6、动力头8及连接在下部受其驱动的第一钻杆14成为一个整体部分，所述整体部分因桅杆9的导向作用处于竖立的状态，不受到波浪或潮汐上下带来的影响。船舶、悬挑平台1、钻机底座2及安装在其上的第一定滑轮3、泥浆泵4、打捞绞车5和桅杆9成为一个整体，会因波浪或潮汐而上下移动。该状态下，悬挑平台1在一定范围的上下活动对第一钻杆14不产生影响；

S3：开启泥浆泵4向第一钻杆14内供钻井液或清水，操作动力头8驱动第一钻杆14转动，第一钻杆14受到配重17的加压作用，即可恒压向下钻进；此时，第一钻杆14柱底部的钻头与孔底岩石持续接触；

S4：当动力头8下行至下限位置后，停止动力头8转动，将油缸活塞杆10和销孔座11连接，操作油缸6向上行进并使第一钻杆14处于悬空状态，所述油缸向上行进的距离大于当时波浪高的最大值的1.1～1.2倍；此时，若悬挑平台1因波浪作用下浮时，由于第一钻杆14处于悬空状态，不与孔底接触，因此不会受到影响；

S5：将第一钻杆14夹持固定后，卸开动力头8与第一钻杆14的螺纹连接，操作打捞绞车5打捞第一钻杆14内岩心管，取出岩心后再将岩心管投入钻杆内；

S6：打捞岩心管结束后，操作油缸6使动力头8上行，在第一钻杆14尾部增加第二钻杆，所述第二钻杆的上端与所述动力头8螺纹连接，再将油缸活塞杆10和销孔座11分离，并重复S3～S5。

其中，需要将第一钻杆14和第二钻杆组成的钻杆柱全部提出或下入时，将油缸活塞杆10和销孔座11连接，即可操作油缸7与动力头8配合完成钻杆柱的逐根提出或逐根下放。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种波浪平衡绳索取心钻进方法，其特征在于，所述钻进方法采用了一种波浪平衡绳索取心钻进装置，所述钻进装置包括悬挑平台（1）、钻机底座（2）、辅助支架（20）、第一定滑轮（3）、第二定滑轮（19）和第一钻杆（14），所述钻机底座（2）固设于所述悬挑平台（1）的一侧，且所述钻机底座（2）的上表面固设有第一定滑轮（3）、泥浆泵（4）、打捞绞车（5）、销孔座（11）和桅杆（9）；所述第二定滑轮（19）设置于所述辅助支架（20）上；所述桅杆（9）上滑移套装有动力头组件；所述动力头组件与第一钻杆（14）螺纹连接，且所述动力头组件连接有第一钢丝绳（16）并依次经过所述第一定滑轮（3）及第二定滑轮（19）后与配重组件连接；所述销孔座（11）与所述动力头组件可拆卸连接；所述第一钻杆（14）内侧设置有岩心管；所述动力头组件包括动力头滑套（6）、油缸（7）、动力头（8）和油缸活塞杆（10），所述动力头滑套（6）滑移套装于所述桅杆（9）上，且与所述油缸（7）和所述动力头（8）连接；所述动力头（8）与所述第一钻杆（14）螺纹连接；所述油缸活塞杆（10）设置于所述油缸（7）中，且所述油缸活塞杆（10）的一端与所述销孔座（11）可拆卸连接；

所述钻进方法包括：S1：启动装置，操作动力头组件上紧或卸开第一钻杆（14）；S2：将第一钻杆（14）逐步下放至孔底后，将动力头组件与销孔座（11）分离；S3：操作动力头组件驱动第一钻杆（14）转动；S4：当动力头组件下行至下限位置后，操作动力头组件上行使第一钻杆（14）处于悬空状态；S5：打捞第一钻杆（14）内的岩心管，取出岩心后再将岩心管投入钻杆内；S6：在第一钻杆（14）尾部螺纹连接第二钻杆，并重复S3~S5。

2.根据权利要求1所述的一种波浪平衡绳索取心钻进方法，其特征在于，所述配重组件包括配重（17）和第二钢丝绳（15），所述配重（17）设有导向孔（18），所述导向孔（18）中穿有第二钢丝绳（15），所述第二钢丝绳（15）两端分别固定于所述辅助支架（20）的顶部和所述悬挑平台（1）的上表面。

3.根据权利要求1所述的一种波浪平衡绳索取心钻进方法，其特征在于，所述的S1具体包括：操作油缸（7）带动动力头滑套（6）和动力头（8）上下滑移，操作动力头（8）转动以上紧或卸开第一钻杆（14）。

4.根据权利要求1所述的一种波浪平衡绳索取心钻进方法，其特征在于，所述的S2具体包括：将第一钻杆（14）逐步下放至孔底后，将油缸活塞杆（10）和销孔座（11）分离。

5.根据权利要求1所述的一种波浪平衡绳索取心钻进方法，其特征在于，所述的S3具体包括：开启泥浆泵（4）向第一钻杆（14）内供钻井液或清水，操作动力头（8）驱动第一钻杆（14）转动。

6.根据权利要求1所述的一种波浪平衡绳索取心钻进方法，其特征在于，所述的S4具体包括：当动力头（8）下行至下限位置后，停止动力头（8）转动，将油缸活塞杆（10）和销孔座（11）连接，操作油缸（7）向上行进并使第一钻杆（14）处于悬空状态，所述油缸向上行进的距离大于当时波浪高的最大值的1.1~1.2倍。

7.根据权利要求1所述的一种波浪平衡绳索取心钻进方法，其特征在于，所述的S5具体包括：将第一钻杆（14）夹持固定后，卸开动力头（8）与第一钻杆（14）的螺纹连接，操作打捞绞车（5）打捞第一钻杆（14）内岩心管，取出岩心后再将岩心管投入钻杆内。

8.根据权利要求1所述的一种波浪平衡绳索取心钻进方法，其特征在于，所述的S6具体包括：操作油缸（7）使动力头（8）上行，在第一钻杆（14）尾部增加第二钻杆，所述第二钻杆的上端与所述动力头（8）螺纹连接，再将油缸活塞杆（10）和销孔座（11）分离，并重复S3~S5。

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