[发明专利]一种含气土层防溢流和井喷的安全钻孔装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含气土层防溢流和井喷的安全钻孔装置及其方法，属于土木工程领域中的施工技术领域，主要用于工程勘察和工程桩施工等方面。

背景技术

含气土层以分布在沼泽湿地、河口、三角洲以及湖泊和海床中的含气沉积物最为常见。土中气体主要源自于有机质在厌氧菌作用下分解形成的生物成因气和深部油气、地幔气以及岩浆造岩运动所产通过渗漏或扩散作用后经向上运移被封闭在浅表土层中的气体，成分以富CH4的有机成因气最为普遍。土中的气相赋存多以游离气泡、溶解气或气水化合物的形式出现。我国的长江三角洲、辽东湾滩海地区、黄河三角洲外海海域、山东半岛滨浅海、南黄海、杭州湾、舟山群岛、长江口、珠江口、东海和南海陆架的地质普查中均发现海床浅部存在浅层气的赋存证据，显示出我国近海海域从北到南分布有大面积的含气土层。但土中蕴含的大量CH4气体也是重要工程灾害源。我国著名的杭州湾跨海大桥在前期勘察过程中也曾出现过海底浅层气井喷导致船损人伤的事故。因此，在含气土层的施工作业会引发工程灾害。湖海底沉积的含气土易触发海岸滑坡、土体液化、基础沉陷、油气井喷、平台倾覆、井壁垮塌、管线断裂等灾害事故，给油气勘探与开发、钻井平台、港口码头、跨海隧道、海底输油管线和通讯电缆等工程建设和近海岸基础设施构成严重威胁，是工程当中，尤其是海洋工程中的重要安全隐患。随着我国大力发展海洋经济以及加强对湿地的综合开发利用，各类基础设施建设陆续会在含气土层地质区域内开展，迫切需要能够在含气土层进行安全钻孔作业的设备。

发明内容

本发明的目的是：提供一种结构简单、便于现场操作、工程造价低廉、符合含气土层安全钻孔的钻孔装置及钻孔方法。本发明充分发挥上覆压力对含气土层溢流、井喷的平衡作用，基于气囊的阻隔，形成具有防护措施的钻孔装置和新方法，符合含气土层钻孔灾变和防护的内在规律。

本发明的技术方案如下：

一种含气土层防溢流和井喷的安全钻孔装置，包括由若干首尾相连的钻杆组成的总钻杆、设置于总钻杆上端的配重、设置于总钻杆下端的钻头，至少一根所述钻杆上设置有杆内封堵装置和杆外封堵装置，所述杆内封堵装置和杆外封堵装置分别用于在含气土层中的压力值超过临界值时封堵钻杆内通道和钻杆外通道。

作为本发明的进一步改进，所述杆内封堵装置和杆外封堵装置分别设置于钻杆的顶端和低端。

作为本发明的进一步改进，多根所述钻杆的底部和顶部分别安装杆外封堵装置和杆内封堵装置。

作为本发明的进一步改进，所述杆内封堵装置包括压力传感器、电子控制单元、点火器、充气剂、气囊，所述压力传感器的一端延伸至钻杆内部，另一端与电子控制单元相连，所述气囊的一侧与钻杆内部气体相接触，另一侧设置有充气剂，当含气土层中的压力值超过临界值时，来自压力传感器的压力信息触发电子控制单元控制点火器动作，引发充气剂体积膨胀，进而引发气囊向钻杆内部膨胀，从而实现钻杆的内部封堵。

作为本发明的进一步改进，所述杆外封堵装置包括压力传感器、电子控制单元、点火器、充气剂、气囊，所述压力传感器的一端与钻杆外部气体相接触，另一端与电子控制单元相连，所述气囊的一侧与钻杆外部气体相接触，另一侧设置有充气剂，当含气土层中的压力值超过临界值时，来自压力传感器的压力信息触发电子控制单元控制点火器动作，引发充气剂体积膨胀，进而引发气囊向钻杆外部膨胀，从而实现钻杆的外部封堵。

一种含气土层防溢流和井喷的安全钻孔方法，其步骤包括：

1)在总钻杆的上端设置安全配重，下端设置钻头；

2)在钻头上方钻杆的底部和顶部，分别安装杆外封堵装置和杆内封堵装置；

3)杆外封堵装置和杆内封堵装置，分别包括压力传感器、电子控制单元、点火器、充气剂、气囊；

杆内封堵装置的压力传感器的一端延伸至钻杆内部，另一端与电子控制单元相连，气囊的一侧与钻杆内部气体相接触，另一侧设置有充气剂，当含气土层中的压力值超过临界值时，来自压力传感器的压力信息触发电子控制单元控制点火器动作，引发充气剂体积膨胀，进而引发气囊向钻杆内部膨胀，从而实现钻杆的内部封堵；

杆外封堵装置的压力传感器的一端与钻杆外部气体相接触，另一端与电子控制单元相连，所述气囊的一侧与钻杆外部气体相接触，另一侧设置有充气剂，当含气土层中的压力值超过临界值时，来自压力传感器的压力信息触发电子控制单元控制点火器动作，引发充气剂体积膨胀，进而引发气囊向钻杆外部膨胀，从而实现钻杆的外部封堵。