一种过地层空腔带的地质钻探装置及方法与流程

本发明涉及地质勘探，具体涉及一种过地层空腔带的地质钻探装置及方法。

背景技术：

1、钻探是应用较广的地质勘察方法，既适用于可行性研究阶段，也适用于初步勘察阶段、详细勘察阶段，可直接获得岩、土芯，查明地层各岩土层的成分、性质、结构、厚度、基岩面的起伏、地下水的埋深等，同时也可验证物探结果。

2、但在不同地区、不同地层进行钻探过程中，不同程度地出现钻具刺坏、断钻具、卡套管、断套管、断刮刀片、掉牙轮和掉钻头等事故，特别是钻探遇到地下溶洞、岩溶地层时，经常出现钻具突然下落、埋钻或卡钻、钻杆给进力突然下降、冲洗液突然减少、孔内掉块、钻进响声变化等异常现象，导致钻探无法正常进行。此时，在未探明地层构造的情况下，若冒然改换钻址重新钻探，不仅可能会重新遇到上述异常现象，造成钻探失败，更会造成钻探费用增加。

3、现有的地质钻探遇地层空腔时，往往采用下放套管的形式在地层空腔形成套筒帷幕，以保证钻探孔内泥浆正常循环，或放弃已钻钻孔，重新择址下钻。

4、当放弃已钻钻孔时，会造成钻探成本增加，且延误整个工期。当采用套筒时，需对已钻进段钻孔进行扩孔，使钻探成本增加，且因无法精确测量空腔高度，导致套筒长度不够精确，不能直达空腔底部，致使泥浆大量漏失；或因空腔内部不规则，套筒底部不能与空腔底部紧密接触，致使泥浆大量漏失。

5、公开号为[cn117005823a]的专利申请，公开了一种定向钻近距离过采空区裂隙带方法，包括以下步骤：a、钻探施工发生漏失后分析原因确实因钻孔轨迹穿过巷道裂隙带原因，顶漏钻进施工至影响巷道底板下5m后起钻，以充分揭露采空区裂隙；b、起钻后灌注泥浆钻井液，水泥浆及骨料可以进入裂隙空间；c、采用堵漏措施，敞口灌注比重1.5～1.6纯水泥浆液；d、水泥浆静置两小时后继续灌注水泥水泥浆，灌注的同时在孔口投入细沙；e、灌注过程中水泥液面上升到地面孔口，装孔口封闭器压浆，最后拆孔口封闭器进行扫孔，待水泥凝固开始正常钻探施工。该专利申请通过钻孔直接灌注泥浆钻井液，无法控制钻井液扩散流动，所需钻井液较多，凝固较慢，成本不可控。

6、公开号为[cn106761543a]的发明专利申请，公开了一种钻孔通过采空区漏失段的方法，通过钻孔注浆堵漏，所述的注浆堵漏是采用堵漏剂在采空区形成完整的类似岩体；注浆堵漏包括下述方法：1)煤层厚度≤2m的采空区，采用水泥、水玻璃双液浆灌注，在采空区底部形成锥形体；2)煤层厚度2～5m的采空区，以钻孔为中心，采用水泥、水玻璃双液浆灌注，在采空区底部形成半径为5～10m的类似锥状岩体；3)多个煤层叠加厚度或者单个煤层厚度>5m开采后形成的采空区，在采空区底部通过钻孔灌注混合浆液形成固定锥形体。但是由于该发明以以钻孔为中心，采用水泥、水玻璃双液浆灌注，在采空区形成锥状岩体，所需灌注材料较多，成本较高。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种过地层空腔带的地质钻探装置及方法，通过堵漏连接管将囊袋仓与中空钻杆连接，将囊袋布置于囊袋仓，囊袋仓下口连接有空心钻头，将囊袋置入地层空腔，再将细骨料浆液通过空心钻杆内腔注入囊袋，然后通过切袋钻齿切割囊袋，使囊袋从囊袋仓脱离，在底层空降中形成人工帷幕体，保障钻探过程不换孔，仅对钻探路径进行堵漏，使用注浆液较少，成本可控，使得钻杆顺利穿越地层空腔带完成钻探工作，具有结构简单、安装方便、操作便捷的特点。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种过地层空腔带的地质钻探装置，包括堵漏连接管2，所述的堵漏连接管2内壁设置有一圈凸起的卡块3，堵漏连接管2的下口与囊袋仓10的上口固定连接，囊袋仓10的下口与空心钻头6的上口固定连接，空心钻头6下口的外壁上设置有扫孔钻齿7，空心钻头6下口的内壁上设置有切袋钻齿8，所述的堵漏连接管2内设置有束袋环1，束袋环1的下口通过紧固螺栓4将囊袋5的袋口固定，束袋环1为上口大下口小的漏斗状，束袋环1的上口卡在堵漏连接管2内壁的卡块3上，束袋环1的下口穿过堵漏连接管2内壁的卡块3，所述的囊袋5布置于囊袋仓10内。

4、所述的堵漏连接管2、空心钻头6及囊袋仓10均为空心管状，其中，堵漏连接管2和囊袋仓10的外径相同且不小于中空钻杆03的外径，同时不大于空心钻头6的外径。

5、所述的扫孔钻齿7凸出空心钻头6外壁厚度为10～15mm；所述的切袋钻齿8凸出空心钻头6内壁厚度为10～15mm。

6、所述的囊袋5按地层空腔带09高度分为小号、中号和大号。

7、所述的小号囊袋5高度小于1.5m。

8、所述的中号囊袋5高度1.5-3m。

9、所述的大号囊袋5高度大于3m。

10、所述的囊袋仓10内壁上涂有润滑油。

11、一种过地层空腔带的地质钻探方法，包括以下步骤：

12、步骤1：正常地质钻探时，中空钻杆03顶端给进力p，扭矩t保持一定峰值使中空钻杆03正常钻至目标层；当地质钻探参数发生下式中变化时，说明地质钻探钻遇地层空腔带09；

13、

14、式中，p为中空钻杆03顶端给进力，单位为n；t为中空钻杆03顶端扭矩，单位为n.m；q出为由钻孔内循环回地面的泥浆量，单位为m3；

15、步骤2：对步骤1中进入地层的每根中空钻杆03标号，当中空钻杆03给进力p＝0，扭矩t＝0，钻孔内无返回地面泥浆时，停钻测量入孔第ni根钻杆露在钻孔外高度hi；再继续空钻或顶水钻进；当中空钻杆前段钻头接触到空腔底部时，中空钻杆给进力p，扭矩t出现规律性低峰值波动，停钻测量入孔第nn根钻杆露在钻孔外高度hn，按下式计算空腔带高度h：

16、h＝hi+(n+1)hw-hn，

17、式中，h为地层空腔带09高度，单位为m；hi为第i根钻杆外露在地面长度，单位为m；hw为标准钻杆长度，单位为m；hn为第n根钻杆外露在地面长度，单位为m；n为从第ni根至第nn根中空钻杆下放入钻孔的标准根数，n＝0,1,2...；

18、步骤3：完成上述步骤2后，提出中空钻杆03，通过堵漏连接管2安装地质钻探装置，重新下钻进入地层空腔带09，至空心钻头6下端距离地层空腔带09底200～300mm时停止下放；

19、步骤4：完成上述步骤3后，通过中空钻杆03的中间空腔，向地层空腔带09注细骨料浆液，细骨料浆液到达地层空腔带09内的地质钻探装置后，囊袋5在注浆压力和细骨料浆液重力双重作用下，从囊袋仓10脱出，吊挂在地层空腔带09内；细骨料浆液首先横向外溢淌至囊袋5，在囊袋5约束下，缓慢提升中空钻杆03至空心钻头6进入钻孔内200～300mm，细骨料浆液在囊袋仓10内竖向向上堆积直至进入钻孔凝固后，与地层空腔带09内的岩体紧密接触，在地层空腔带09形成不规则空腔人工帷幕体，中空钻杆03提升速度按下式计算：

20、

21、式中，v为中空钻杆03提升速度，单位为m/min；h为地层空腔带09高度，单位为m；s为中空钻杆03空腔断面面积，单位为m2；v为囊袋5体积，单位为m3；λ为体积系数，当囊袋5为小号时，λ＝0.65～0.75；当囊袋5为中号时，λ＝0.75～0.85；当囊袋5为大号时，λ＝0.85～1；

22、步骤5：完成上述步骤4后，旋转钻具，通过空心钻头6下口的内壁上设置的切袋钻齿8完成对囊袋5薄弱带11的切割，使囊袋5从囊袋仓10脱离；

23、步骤6：完成上述步骤5后，提出钻具，冲洗钻具，等候囊袋5内充填的细骨料浆液凝固后，更换钻进钻头，钻进钻头钻至步骤4中人工帷幕体层，在地层空腔带09内切屑人工钻体，即凝固的细骨料浆液，正常钻进，以保证泥浆正常循环，将骨料渣、岩屑携带至地面。

24、所述的步骤1中，若地层空腔带09内无地下水，中空钻杆03给进力p、扭矩t突降为0或钻孔泥浆不循环，继续旋转中空钻杆03空钻至地层空腔带09底；若地层空腔带09内存在地下水，中空钻杆03给进力p突为0、扭矩t大幅突降或钻孔泥浆不循环时，继续顶水钻进至地层空腔带09底。

25、所述的步骤2中，地层空腔带09若为不规则空间，中空钻杆03给进力p，扭矩t出现规律性低峰值波动现象，即中空钻杆给进力稳定至某一量值或在某一量值附近波动变化时，表明中空钻杆已到达地层空腔带09底部。

26、所述的步骤3中，根据计算的地层空腔带09高度，选择与地层空腔带09高度h对应型号的地质钻探装置安装在中空钻杆03下方端头。

27、所述的步骤4中，细骨料浆液应为速凝型浆液，初凝时间为2～3小时，终凝时间小于10小时。

28、所述的步骤5中，旋转钻具时，中空钻杆03不再施加给进力p。

29、相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

30、1.本发明通过中空钻杆03将细骨料浆液注入囊袋5，囊袋5受重力作用从囊袋仓10中脱出，置于地层空腔带09中，人工形成与空腔紧急接触的可靠、有限人工帷幕体，可有效解决钻探过程中钻具突然下落、钻杆给进力突然下降、泥浆漏失不循环等异常现象导致的钻探失败技术难题，无需更换钻孔，降低成本的同时提升了工作效率。

31、2.本发明采用堵漏连接管2与中空钻杆03连接，安装方法简便、快速，安装过程不需额外增加人员、设备，保障了钻探工作顺利推进，同时降低成本。

32、3.本发明装置部件采用空心管、方法中物料为细骨料浆液，造价低廉，易得，适用于生产作业。

33、综上所述，本发明装置结构简单、成本低，方法操作简便，效率高，在降低成本、简化操作的同时，提高工作效率，适用于地质钻探作业。