权利要求

1.一种地层钻孔勘察用的防坍塌套管工具，包括套管(1)，其特征在于：所述套管(1)在剩余岩芯外管(2)的内部，所述套管(1)只能相对于剩余岩芯外管(2)向下滑动，不可向上滑动;所述剩余岩芯外管(2)为双层岩芯钻孔工艺的岩芯外管钻具;所述套管(1)的外部固定连接有摩擦胀力环一(3)和摩擦胀力环二(4)，所述摩擦胀力环一(3)在套管(1)顶端口向下较近距离，所述摩擦胀力环二(4)与摩擦胀力环一(3)的设置间距不小于剩余岩芯外管(2)的一个单节长，并不大于剩余岩芯外管(2)的两个单节长，所述套管(1)的外径比剩余岩芯外管(2)的内径小15-30mm;套管(1)总长度比剩余岩芯外管(2)的总长度至少要多出剩余岩芯外管(2)的一个单节长度。

2.根据权利要求1所述的一种地层钻孔勘察用的防坍塌套管工具，其特征在于：所述剩余岩芯外管(2)的底端向下超过易坍塌或缩颈地层(5)的底部边界，并进入下部相对完整地层(6)至少30cm，且剩余岩芯外管(2)顶端露出地面不少于20cm。

3.根据权利要求2所述的一种地层钻孔勘察用的防坍塌套管工具，其特征在于：所述摩擦胀力环一(3)和摩擦胀力环二(4)尺寸规格一致，制作方式相同;所述摩擦胀力环一(3)和摩擦胀力环二(4)由经锯齿状剪切、外掰后的铁皮和包裹的编织物制作，长度为套管的外周长，铁皮剪切部位掰弯外张，外张角度为小于30度的锐角;所述摩擦胀力环一(3)和摩擦胀力环二(4)呈开口向上的喇叭形。

4.根据权利要求1所述的一种地层钻孔勘察用的防坍塌套管工具，其特征在于：所述套管(1)相对于剩余岩芯外管(2)的向下滑动是通过传力杆(7)传递的钻机动力轴的液压压力来实现，所述传力杆(7)的长度比岩芯外管单节长度多出20-30cm，所述传力杆(7)的直径与套管(1)一致。

说明书

技术领域

[0001]本实用新型涉及岩土工程、地质工程、水文地质工程和矿山工程等行业内需要用到钻探施工的技术领域，尤其涉及一种地层钻孔勘察用的防坍塌套管工具。

背景技术

[0002]在岩土工程、地质工程、水文地质工程和矿山工程等行业领域内，钻探成孔施工一直是十分重要的技术手段之一，而套管是辅助钻孔施工的一种重要工器具。在钻孔中下入套管可以辅助支护和加固钻孔壁，能够确保继续向下钻进过程的施工质量，防止塌孔和缩颈的发生，也可以在成孔之后使钻孔更好地服务于孔内取样、探测或注浆等后期工作。特别是在碎石、卵石层、杂填土、淤泥或淤泥质软土、砂、遇水易软化岩层、高地应力岩层等岩土层中成孔时，由于岩土层直立性差，易坍塌或缩颈，套管能否安装成功将直接关系到成孔施工的成败。因此，能在极易坍塌和缩颈地层的钻孔过程中安装好套管是非常值得上述行业研究的一项技术难题。

[0003]目前钻孔内套管的安装根据成孔工艺的不同，一般有两种做法。

[0004]第一种是采用单层岩芯管钻进工艺，是在钻孔深度达到相对完整、稳定的岩层或土层，利用孔内钻具(钻杆、钻管和钻头)先压水洗孔，再拔出孔内所有钻杆钻具，将钢套管往孔内插放。但是安装成功的前提是刚成孔的孔壁为基本稳定，这是存在风险的，因为稳定的岩土层孔壁直立性好、平整、不会在短时间内坍塌，套管安装是没有问题的，可是一旦出现掉块、坍塌或缩颈等异常孔壁情况，套管轻则会歪斜而无法保证垂直度，重则被卡住或因钻孔淤堵而无法下放，套管安装失败。此时只能拔出套管，再下入钻具重新施钻，修复钻孔后，再下套管，费时费力，且容易发生偏斜和坍塌段扩大的风险，甚至发生埋钻事故，一旦钻杆钻具无法取出，该孔将不得不作废。

[0005]第二种是采用双层岩芯管钻进工艺，是直接将岩芯外管作为临时套管使用，待钻孔利用完毕后，再开动钻机拔出并拆卸岩芯外管。该方法需要让钻机原位等待或在后期重新挪来钻机专门拔出岩芯外管，将耽误工期和多耗费人力;且岩芯外管长时间埋在孔内，极有出现拔出困难的情况而损失岩芯外管。所以，对于需要长时间利用的钻孔，该方法是十分不经济的。

[0006]因此，针对以上提出的问题，现提出一种地层钻孔勘察用的防坍塌套管工具。

实用新型内容

[0007]为了弥补以上不足，本实用新型提供了一种地层钻孔勘察用的防坍塌套管工具，旨在改善现有技术中部分装置修复钻孔后，再下套管，费时费力，且容易发生偏斜和坍塌段扩大的风险问题。

[0008]为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

[0009]一种地层钻孔勘察用的防坍塌套管工具，包括套管，所述套管在剩余岩芯外管的内部，所述套管只能相对于剩余岩芯外管向下滑动，不可向上滑动。所述剩余岩芯外管为双层岩芯钻孔工艺的岩芯外管钻具。所述套管的外部固定连接有摩擦胀力环一和摩擦胀力环二，所述摩擦胀力环一在套管顶端口向下20-30cm处，所述摩擦胀力环二与摩擦胀力环一的设置间距不小于剩余岩芯外管的一个单节长，并不大于剩余岩芯外管的两个单节长，所述套管的外径比剩余岩芯外管的内径小15-30mm。套管总长度比剩余岩芯外管的总长度至少要多出剩余岩芯外管的一个单节长度。

[0010]作为上述技术方案的进一步描述：

[0011]所述剩余岩芯外管的外部紧密接触有易坍塌或缩颈地层和相对完整地层。所述剩余岩芯外管为分节组成，节与节之间采用螺纹连接，在逐节上提拆卸剩余岩芯外管之前，所述剩余岩芯外管的外部紧密接触整个易坍塌或缩颈地层，且剩余岩芯外管的底端向下超过易坍塌或缩颈地层的底部边界，并进入下部相对完整地层至少30cm，且剩余岩芯外管顶端露出地面不少于20cm。

[0012]作为上述技术方案的进一步描述：

[0013]所述摩擦胀力环一和摩擦胀力环二尺寸规格一致，制作方式相同。所述摩擦胀力环一和摩擦胀力环二由经锯齿状剪切、外掰后的铁皮和包裹的编织物制作，铁皮厚度0.3-0.6mm，宽度20cm，长度为套管的外周长，编织物厚度0.1mm左右，铁皮剪切部位掰弯外张，外张角度为小于30度的锐角。所述摩擦胀力环一和摩擦胀力环二呈开口向上的喇叭形。

[0014]作为上述技术方案的进一步描述：

[0015]所述套管相对于剩余岩芯外管的向下滑动是通过传力杆传递的钻机动力轴的液压压力来实现，所述传力杆的长度比岩芯外管单节长度多出20-30cm，所述传力杆的直径与套管一致。

[0016]本实用新型具有如下有益效果：

[0017]1、本实用新型中，能够有效解决在碎石、卵石层、杂填土、淤泥或淤泥质软土、砂、遇水易软化岩层、高地应力岩层等易坍塌和缩颈地层中难以下套管的问题。施工工艺稳妥、安全，材料选取简单，步骤清晰，操作简单易行，易于推广，有益效果明显。

[0018]2、本实用新型中，巧妙利用了双层岩芯管钻进工艺的优点，通过本实用新型的安装方法，将岩芯外管对易坍塌或缩颈地层段的临时支护，逐步替代为用套管长期支护。

[0019]3、本实用新型中，能够节省工期，节省人力，节省成本。钻机下完套管即可移位到下一钻孔施工，不需要让钻机原位等待或在后期重新挪来钻机专门拔出岩芯外管。

[0020]4、本实用新型中，非常有助于采用注浆方法进一步加固套管，摩擦胀力环的喇叭形状能够对浆液形成阻隔作用，有助于浆液留存和快速凝固。本实用新型安装的套管经灌浆加固后可以大大延长钻孔的使用寿命，经济效果显著。

附图说明

[0021]图1为本实用新型提出的一种地层钻孔勘察用的防坍塌套管工具的立体示意图;

[0022]图2为本实用新型提出的一种地层钻孔勘察用的防坍塌套管工具的传力杆的结构示意图;

[0023]图3为本实用新型提出的一种地层钻孔勘察用的防坍塌套管工具的套管和摩擦胀力环的结构示意图;

[0024]图4为本实用新型提出的一种地层钻孔勘察用的防坍塌套管工具的全部拆除剩余岩芯外管后套管支护的结构示意图。

[0025]图例说明：

[0026]1、套管;2、剩余岩芯外管;3、摩擦胀力环一;4、摩擦胀力环二;5、易坍塌或缩颈地层;6、相对完整地层;7、传力杆。

具体实施方式

[0027]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

[0028]参照图1至图4，第一步，下套管1前准备，采用双层岩芯管钻机成孔方式，钻进至设计、规范、标准或技术要求的终孔深度，孔深一般需进入到相对稳定的地层，并达到足够深度。先全部提出岩芯内管和岩芯，再提出部分岩芯外管，留有部分岩芯外管，使得该部分岩芯外管的底部向下超过易坍塌或缩颈地层5底部边缘至少30cm，且该部分岩芯外管的顶端露出地面不少于20cm。留有部分岩芯外管，这里称为剩余岩芯外管2，可根据易坍塌和缩颈地层5的厚度和岩芯外管的节长综合确定。此时，留在钻孔内的剩余岩芯外管2因与钻孔壁之间是紧密接触的状态，岩芯外管较为稳定，不会下落。而易坍塌或缩颈地层5的厚度仍被剩余岩芯外管2支护着，不会发生坍塌或缩颈。

[0029]需要说明的是，在从准备到套管1安装完毕的整个过程，钻机要保持原位不动，采用钻机的液压动力盘主轴的施加上拔旋转动力和垂直下压力。

[0030]第二步，选择和确定套管1的规格尺寸，制作摩擦胀力环。

[0031](1)套管1的规格尺寸

[0032]套管1外径和岩芯外管的内径要匹配，套管1外径比岩芯外管内径及钻头的内径小15-30mm。如：108mm外径、89mm内径的岩芯外管，则选用75mm、70mm、60mm等外径的套管4。

[0033]套管1总长度比上述剩余岩芯外管2的总长度至少要多出剩余岩芯外管2的一个单节长度，如岩芯外管的单节长为1.5m，则套管1总长则比剩余岩芯外管2总长度多1.5m。

[0034]套管1可以逐节接长，一般采用螺纹连接，当易坍塌或缩颈土层段厚度不大时，也可以整个组装好一起下放到岩芯外管内。

[0035](2)制作摩擦胀力环

[0036]套管1与岩芯外管内壁通过摩擦挤压力连在一起，摩擦挤压力由摩擦胀力环一3、摩擦胀力环二4产生。摩擦胀力环由经锯齿状剪切、外掰后的铁皮和包裹的编织物制作，铁皮厚度0.3-0.6mm，宽度20cm，长度为套管1的外周长，编织物厚度0.1mm左右，铁皮剪切部位掰弯外张，外张角度为小于30度的锐角，这样可使铁皮具有弹簧片的作用。

[0037]摩擦胀力环用细钢丝绑扎在套管1上，共有两处，第一处(摩擦胀力环一3)在套管顶端口向下20-30cm处，第二处(摩擦胀力环二4)具体位置在距离套管1顶端口向下2-2.5m位置，具体也可根据需要对套管1的加固深度来调整，但要确保摩擦胀力环二4与摩擦胀力环一3的设置间距不小于剩余岩芯外管2的一个单节长，并不大于剩余岩芯外管2的两个单节长。

[0038]具体绑扎方法是：宽20cm、长为套管1外周长的铁皮剪切锯齿状，外掰锐角后，包裹一层编织物，在套管上围绕一周，使用三道细钢丝牢固绑扎，这样，套管1上就稳定缠扰了一圈摩擦胀力环。绑扎后的摩擦胀力环呈外张、开口向上的喇叭形，该形状决定了套管1只可以在一定推力的作用下，相对于岩芯外管内壁或钻孔壁向下滑动，不可以逆向往上滑动。

[0039]摩擦胀力环一3的作用是提供弹性挤压和摩擦功能，不仅可以保证最后一节岩芯外管与套管1脱离之前的有效摩擦力和挤压力，防止套管1从岩芯外管内脱落，还可以借助喇叭形外张作用，在岩芯外管全部上提拆除完毕后，对钻孔壁形成摩擦挤压，此时可以防止套管1相对于钻孔壁下滑脱落。最后，当套管1安装完毕，如需要对套管1和钻孔壁之间的间隙注浆来加固套管1，则可以拆掉摩擦胀力环一3。

[0040]摩擦胀力环二4的作用是除了具摩擦胀力环一3的功能之外，在需要对套管1和钻孔壁之间的间隙注浆来加固套管1时，其外张喇叭状结构还能够承接、兜住绝大部分浆液，便于浆液的留存和凝固，提高加固效果。

[0041]第三步，套管1全部下入岩芯外管内，逐节上提并拆卸岩芯外管，最后钻孔内只留下套管1。套管1下放可采用人工下压或钻机动力轴的液压压力实现。按下列步骤进行：

[0042](1)套管1顶部用传力杆7传递钻机动力轴的液压压力，向下压套管1，直到套管4顶部下行到第一、二节岩芯外管螺纹连接段的下方，以不影响牵引岩芯外管的螺纹脑袋接头的螺纹拧入为原则。传力杆7长度比岩芯外管单节长度大20-30cm。

[0043](2)然后用螺纹脑袋接头连接岩芯外管，钻机动力轴牵动螺纹脑袋接头上提拆卸第一节岩芯外管。

[0044](3)再用传力杆传递钻机动力轴的液压压力，向下压套管1至第二、三节岩芯外管螺纹连接段的下方。

[0045](4)然后用螺纹脑袋接头连接岩芯外管，钻机动力轴牵动螺纹脑袋接头上提拆卸第二节岩芯外管。

[0046](5)重复上述(1)—(4)步骤，持续拆卸岩芯外管，直到剩下最后两节岩芯外管时，不使用传力杆下压套管1，而是直接用螺纹脑袋接头上提并拆卸倒数第二节岩芯外管。

[0047](6)拆卸完倒数第二节岩芯外管后，再下压套管1至倒数第一节岩芯外管顶部螺纹连接段的下方，此时，套管1下部的摩擦胀力环二4与倒数第一节岩芯外管脱离，并弹性张开更大角度，与钻孔壁接触摩擦。

[0048](7)用螺纹脑袋接头连接并上提倒数第一节岩芯外管，因套管下部摩擦胀力环二4的外张喇叭口与钻孔壁的摩擦力较大，使得套管1被钻孔壁的岩土层阻挂住，套管1向上滑动的阻力大，如此时地层发生了坍塌或缩径，则这种阻挂效果更为明显。而套管1上部的摩擦胀力环一3与岩芯外管内壁的摩擦力对倒数第一节岩芯外管的上提并没有太大阻力，此时，在倒数第一节岩芯外管被螺纹脑袋接头连接并旋转上提的过程中，套管1和倒数第一节岩芯外管必然脱离。至此，所有岩芯外管均被拆卸掉，而套管1也留在了钻孔部，正好支护住了易坍塌和缩颈地层段5。

[0049](8)为了确保套管1的稳定，避免下滑，可再用钢丝拴住套管1顶部，如有必要，套管1顶部可以打孔穿钢丝，钢丝拴在砸入孔口周围岩土层的锚钉上，以便对套管1起到悬吊作用，与摩擦胀力环一3、摩擦胀力环二4提供的摩擦力共同使套管1稳定。

[0050]当需要进一步采用注浆方法进一步加固套管1时，如果顶部摩擦胀力环一3阻碍灌浆，摩擦胀力环一3在孔顶可被人工触及，故可先拆掉或破坏掉摩擦胀力环一3，再向套管1与钻孔壁的间隙灌入速凝水泥浆，进一步加固套管1，注浆时，摩擦胀力环二4的喇叭形状能够对浆液形成阻隔作用，有助于摩擦胀力环二4以上的间隙里的浆液留存和快速凝固。

[0051]工作原理：首先，使用双层岩芯管钻机成孔方式，钻进至设计、规范、标准或技术要求的终孔深度。先全部提出岩芯内管和岩芯，再提出部分岩芯外管，留有部分岩芯外管，使得该部分岩芯外管的底部向下超过易坍塌或缩颈地层5底部边缘至少30cm，且该部分岩芯外管的顶端露出地面不少于20cm。这里称为剩余岩芯外管2。选择和确定套管1的规格尺寸，制作摩擦胀力环。套管1外径和岩芯外管的内径要匹配，套管1外径比岩芯外管内径及钻头的内径小15-30mm。岩芯外管及钻头的内径基本一致，差别一般1-2mm。套管1总长度比上述剩余岩芯外管2的总长度至少要多出一个节长。套管1与岩芯外管内壁通过摩擦挤压力连在一起，摩擦挤压力由摩擦胀力环产生。摩擦胀力环由经锯齿状剪切、外掰后的铁皮和包裹的编织物制作，铁皮厚度0.3-0.6mm，宽度20cm，长度为套管1的外周长，编织物厚度0.1mm左右，铁皮剪切部位掰弯外张，外张角度为小于30度的锐角。摩擦胀力环用细钢丝绑扎在套管1上，共有两处，第一处(摩擦胀力环一3)在套管顶端口向下20-30cm处，第二处(摩擦胀力环二4)具体位置在距离套管1顶端口向下2-2.5m位置。套管1全部下入岩芯外管内，逐节上提并拆卸岩芯外管，最后钻孔内只留下套管1。套管1下放可采用人工下压或钻机动力轴的液压压力实现。

[0052]按下列步骤进行：套管1顶部用传力杆7传递钻机动力轴的液压压力，向下压套管1，直到套管1顶部下行到第一、二节岩芯外管螺纹连接段的下方，然后用螺纹脑袋接头连接岩芯外管，钻机动力轴牵动螺纹脑袋接头上提拆卸第一节岩芯外管。再用传力杆7传递钻机动力轴的液压压力，向下压套管1至第二、三节岩芯外管螺纹连接段的下方。然后用螺纹脑袋接头连接岩芯外管，钻机动力轴牵动螺纹脑袋接头上提拆卸第二节岩芯外管。重复上述步骤，持续拆卸岩芯外管，直到剩下最后两节岩芯外管时，不再使用传力杆下压套管1，而是直接用螺纹脑袋接头上提并拆卸倒数第二节岩芯外管。拆卸完倒数第二节岩芯外管后，再下压套管1至倒数第一节岩芯外管顶部螺纹连接段的下方，此时，套管1下部的摩擦胀力环二4与倒数第一节岩芯外管脱离，并弹性张开更大角度，与钻孔壁接触摩擦。用螺纹脑袋接头连接并上提倒数第一节岩芯外管，因套管1下部摩擦胀力环二4的外长喇叭口与钻孔壁的摩擦力较大，使得套管1被钻孔壁的岩土层阻挂住，套管1向上滑动的阻力大，如此时地层发生了坍塌或缩径，则这种阻挂效果更为明显。而套管1上部的摩擦胀力环一3与岩芯外管内壁的摩擦力对倒数第一节岩芯外管的上提并没有太大阻力，此时，在倒数第一节岩芯外管被螺纹脑袋接头连接并旋转上提的过程中，套管1和倒数第一节岩芯外管必然脱离。至此，所有岩芯外管均被拆卸掉，而套管1也留在了钻孔部，正好支护住了易坍塌和缩颈地层段5。为了确保套管1的稳定，避免下滑，可再用钢丝拴住套管1顶部。如有必要，套管1顶部可以打孔穿钢丝，钢丝拴在砸入孔口周围岩土层的锚钉上。

[0053]最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

说明书附图(4)