本发明专利技术公开了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。该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，至少一根钻杆上设置有杆内封堵装置和杆外封堵装置，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。本发明专利技术的作用机理符合含气土层钻孔的灾变规律，设计中充分考虑了含气土的工程特性；施工效率高，布置灵活，适用于各种含气土层的钻孔。整个装置在含气土层的钻孔过程中保证了施工作业的安全，一但发生溢流、井喷现象，可立即阻断路径，保证人员和设施的安全。
【技术实现步骤摘要】
一种含气土层防溢流和井喷的安全钻孔装置及其方法
本专利技术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
，主要用于工程勘察和工程桩施工等方面。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的是：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。本专利技术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。本专利技术的技术方案如下：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。作为本专利技术的进一步改进，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。作为本专利技术的进一步改进，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。作为本专利技术的进一步改进，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。作为本专利技术的进一步改进，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。进一步，所述钻孔方法采用正循环或反循环泥浆护壁的钻孔方式，钻头上方第一根或多根钻杆安装杆外封堵装置和杆内封堵装置，桩架依据含气土层的潜在气压设置安全配重；在钻孔过程中，当钻头穿透土层含气区域时，钻头及第一根钻杆区域水压和气压陡然增加，当压力传感器测试的压力值超过气压设定值时，电子控制单元引发点火器，激发气囊，将钻杆与钻孔之间和钻杆内部空间填充，隔断气体喷发路径；当完成含气区域气体的有效释放后，再卸除气囊气压回收更换钻杆，继续钻孔作业。本专利技术有益效果如下：安全钻孔装置的作用机理符合含气土层钻孔的灾变规律，设计中充分考虑了含气土的工程特性；施工效率高，布置灵活，适用于各种含气土层的钻孔；也可以根据含气土层的气体压力，在钻杆中安装多个封堵装置；上部桩架的荷载配重可根据非饱和土力学计算方法和含气土层的气体压力预先设置。整个装置在含气土层的钻孔过程中保证了施工作业的安全，一但发生溢流、井喷现象，可立即阻断路径，保证人员和设施的安全。附图说明图1是本专利技术含气土层防溢流和井喷的安全钻孔装置的总体结构示意图；图2是本专利技术中设置有封堵装置的钻杆示意图；图3是本专利技术中的杆外封堵装置的剖面结构图；图4是本专利技术中的杆内封堵装置的剖面结构图；图5是本专利技术中封堵装置气囊的工作流程图；图6是本专利技术的工作机理图。图中：1、配重；2、钻头；3、钻杆；4、杆内封堵装置；5、杆外封堵装置；6、压力传感器；7、电子控制单元；8、点火器；9、充气剂；10、气囊；11、气囊盖；12、过滤器；13、总钻杆；14、内外丝扣；15、杆内封堵；16、杆外封堵。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术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3组成的总钻杆13、设置于总钻杆13上端的配重1、设置于总钻杆13下端的钻头2，其结构如图1所示。其中，至少一根钻杆3上设置有杆内封堵装置4和杆外封堵装置5，杆内封堵装置4和杆外封堵装置5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。作为本专利技术的一种优选实施方式，杆内封堵装置4和杆外封堵装置5分别设置于钻杆3的顶端和低端。该设置方式如图2所示。为达到更好的封堵效果，杆内封堵装置4和杆外封堵装置5可以设置于多根钻杆3的底部和顶部。作为本专利技术的一种优选实施方式，杆内封堵装置4的结构如图4所示，包括压力传感器6、电子控制单元7、点火器8、充气剂9、气囊10，压力传感器6的一端延伸至钻杆3内部，另一端与电子控制单元7相连，气囊10的一侧与钻杆3内部气体相接触，另一侧设置有充气剂9。本实施例中，充气剂9具体为叠氮化钠或硝酸铵。当含气土层中的压力值超过临界值时，来自压力传感器6的压力信息触发电子控制单元7控制点火器8动作，引发充气剂9体积膨胀，进而引发气囊10向钻杆3内部膨胀，从而实现钻杆的内部封堵。作为本文档来自技高网...
【技术保护点】
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(3)组成的总钻杆(13)、设置于总钻杆(13)上端的配重(1)、设置于总钻杆(13)下端的钻头(2)，其特征是：至少一根所述钻杆(3)上设置有杆内封堵装置(4)和杆外封堵装置(5)，所述杆内封堵装置(4)和杆外封堵装置(5)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。
【技术特征摘要】
1.一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(3)组成的总钻杆(13)、设置于总钻杆(13)上端的配重(1)、设置于总钻杆(13)下端的钻头(2)，其特征是：至少一根所述钻杆(3)上设置有杆内封堵装置(4)和杆外封堵装置(5)，所述杆内封堵装置(4)和杆外封堵装置(5)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；所述杆内封堵装置(4)包括压力传感器(6)、电子控制单元(7)、点火器(8)、充气剂(9)、气囊(10)，所述压力传感器(6)的一端延伸至钻杆(3)内部，另一端与电子控制单元(7)相连，所述气囊(10)的一侧与钻杆(3)内部气体相接触，另一侧设置有充气剂(9)，当含气土层中的压力值超过临界值时，来自压力传感器(6)的压力信息触发电子控制单元(7)控制点火器(8)动作，引发充气剂(9)体积膨胀，进而引发气囊(10)向钻杆(3)内部膨胀，从而实现钻杆的内部封堵。2.根据权利要求1所述的含气土层防溢流和井喷的安全钻孔装置，其特征是：所述杆内封堵装置(4)和杆外封堵装置(5)分别设置于钻杆(3)的顶端和低端。3.根据权利要求1所述的含气土层防溢流和井喷的安全钻孔装置，其特征是：多根所述钻杆(3)的底部和顶部分别安装杆外封堵装置(5)和杆内封堵装置(4)。4.根据权利要求1或2或3所述的含气土层防溢流和井喷的安全钻孔装置，其特征是：所述杆外封堵装置(5)包括压力传感器(6)、电子控制单元(7)、点火器(8)、充气剂(9)、气囊(10)，所述压力传感器(6)的一端与钻杆(3)外部气体相接触，另一端与电子控制单元(7)相连，所述气囊(10)的一侧与钻杆(3)外部气体相接触，另一侧设置有充气剂(9)，当含气土层中的压力值超过临界值时，来自...
【专利技术属性】
技术研发人员：李雄威，王勇，于常瑶，朱建群，
申请(专利权)人：常州工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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