(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210934232.9 (22)申请日 2022.08.04 (71)申请人 中国地质调查局长 沙自然资源综合 调查中心 地址 410600 湖南省长 沙市宁乡市城郊街 道学府路258号 (72)发明人 潘德元　王杰　方国庆　贺前平　 蔡隽　李毅　刘文辉　张昭　 任宝峰　宋佳坤　徐兵　邝高怀　 杨久成　陈成　叫武军　 (74)专利代理 机构 长沙智勤知识产权代理事务 所(普通合伙) 43254 专利代理师 曾芳琴 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01)G06F 30/20(2020.01) E21B 47/04(2012.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于能量法的跟管钻 进最大深度计算方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于能量法的跟管钻进 最大深度计算方法， 涉及到岩土钻掘工程领域。 本方法， 能够有效确定潜孔锤跟管钻进的最大深 度； 本方法采用材料力学能量法理论， 当跟管钻 进至最大深度时， 冲击功全部用于克服地层摩 阻， 而地层摩阻表现为套管的应变能变化； 其次 采用能量法理论对跟管钻进至最大深度时的冲 击功与套管的应变能转化提出假 设条件； 然后根 据地层与套管的接触模式和相对运动方式对地 层摩阻力进行取值； 应变能与冲击能均是某个时 刻的增量参数， 无需考虑钻压、 扭矩、 浮力、 套管 自重等参数， 只涉及到套管尺寸和材质、 地层与 套管的动摩阻力、 以及冲击器额定冲击能量等固 有参数， 能够排除其他参数干扰， 大大提高计算 结果的可靠性。 权利要求书2页 说明书8页 附图1页 CN 115270346 A 2022.11.01 CN 115270346 A 1.一种基于能量法的跟管钻进最大深度计算方法， 其特征在于， 应用于空气锤跟管钻 进系统； 所述系统包括套管、 管靴、 冲击器、 潜孔锤； 所述管靴连接于所述套管的底部， 所述 潜孔锤设置于管靴， 所述潜孔锤的锤头伸出管靴， 所述冲击器用于冲击潜孔锤以作用于锤 头实现钻进； 所述方法， 包括： 基于能量法， 获取套管由冲击器做功而引起的应变能变化值的计算公式， 并标记为第 一公式， 其中， 潜孔锤在跟管钻进至最大深度时， 冲击器的冲击功全部转化为套 管弹性变形 的应变能， 且当跟管钻进至最大深度后， 在冲击器未进行冲击做功时， 套管受到的钻压、 浮 力、 自重、 地层摩擦力作用， 处于力学平衡状态， 此时的地层摩擦力为静摩阻， 当冲击器施加 冲击功W后， 套管受地层摩擦作用产生应变， 其应变能增量为ΔVE， 此时的地层摩擦力为动 摩阻， 由功能转换原理可知W与ΔVE相等； 根据钻探的地层岩性得到侧阻力荷载； 基于所述侧阻力荷载和所述第一公式得到跟管钻进的最大深度。 2.根据权利要求1所述的一种基于能量法的跟管钻进最大深度计算方法， 其特征在于， 所述第一公式为： 式中， W潜孔锤的单次冲击功， 由潜孔锤的机械额定性能决定， 单位为J； ΔVE为套管由冲 击器做功而引起的应变能变化值， 单位为 J； 套管柱受到的外阻力随钻进深度而变化， E为套 管的弹性模量； A为套管的截面面积； Q(x)为在同一地层中不同钻进深度x处跟管所受到的 侧阻力荷载， l 为跟管钻进深度。 3.根据权利要求2所述的一种基于能量法的跟管钻进最大深度计算方法， 其特征在于， 所述根据钻探的地层岩性得到侧阻力荷载， 包括： 基于土力学、 顶管和沉井技术规范得到跟管受到的侧阻力荷载， 其中， 所述侧阻力荷载 的计算公式如下： Q＝u∑qsi·li    (2)， 式中： Q为跟管的侧阻力荷载； u为套管的外壁周长； qsi为第i段土层对跟 管的侧阻力值； li为套管进入第i段土的层长 。 4.根据权利要求2所述的一种基于能量法的跟管钻进最大深度计算方法， 其特征在于， 所述根据钻探的地层岩性得到侧阻力荷载， 还 包括： 对侧阻力值的取值采用现场试验并结合其他原位测试成果或经验参数估算等方法确 定。 5.根据权利要求3所述的一种基于能量法的跟管钻进最大深度计算方法， 其特征在于， 钻遇相同地层时， 所述基于所述侧阻力荷载和所述第一 公式得到跟管钻进的最大深度的计 算公式为： 式中， lmax为跟管钻进的最大深度。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115270346 A 26.根据权利要求3所述的一种基于能量法的跟管钻进最大深度计算方法， 其特征在于， 所述基于所述侧阻力荷载和所述第一公式得到跟管钻进的最大深度， 还 包括： 获取跟管钻进的地层数量 n， 以及在第n层的钻进深度x； 直接求得第1到n ‑1层地层的侧阻力值所产生的套管的应 变能变化 值。 7.根据权利要求6所述的一种基于能量法的跟管钻进最大深度计算方法， 其特征在于， 所述直接求得第1到n ‑1层地层的侧阻力值所产生的套管的应 变能变化 值， 之后还 包括： 基于公式(1)和公式(2)计算得到x； 比较x值与第n层地层厚度ln的大小； 当x≤ln时， 计算步骤结束， 求得最大钻进深度； 当x≥ln时， 继续设最大钻进至第n+1层地层进行计算， 直至x小于所对应的地层厚度。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115270346 A 3