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。

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。

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。

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。

本发明有益效果如下：

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。

图1是本发明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是本发明中设置有封堵装置的钻杆示意图；

图3是本发明中的杆外封堵装置的剖面结构图；

图4是本发明中的杆内封堵装置的剖面结构图；

图5是本发明中封堵装置气囊的工作流程图；

图6是本发明的工作机理图。

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。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明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。

作为本发明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。

作为本发明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。

作为本发明的一种优选实施方式，杆外封堵装置5的结构如图3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，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。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外部膨胀，从而实现钻杆的外部封堵。

在气囊10和充气剂9之间还可以设置用于对气体进行过滤的过滤器。在气囊10与外部 气体或内部气体相接触的一侧还可以设置用于临时封闭的气囊盖11。杆内封堵装置4和杆外 封堵装置5通过内外丝扣14与钻杆相连。

本发明一种含气土层防溢流和井喷的安全钻孔方法，包括如下步骤：

1)桩架设置一定安全配重，即在总钻杆的上端设置安全配重，下端设置钻头；依据含气 土层气体压力，换算出井架负重压力，在井架上设置负重；

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；其中，优选 在钻头上方第一根钻杆的底部和顶部，分别安装杆外封堵装置和杆内封堵装置；安装前根据 含气土层气体压力设置点火器点火临界压力值；

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、气囊和气囊盖；封堵装置主体结构为钢制，上下接口内外套丝。出于可靠性考虑，每个 封堵装置可设置两个压力传感器；

4)根据含气土层的复杂性，为提高安全储备，可以选择多根钻杆的底部和顶部，分别安 装杆外封堵装置和杆内封堵装置。

本发明封堵装置气囊的工作流程如图5所示。该钻孔装置的钻孔过程与其它钻孔设备一 致，可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。该方法可为含气土层的钻孔施工作业提供安全保障。

当含气土层气压值较高时，出于安全储备，可在钻孔机械的第二根或多根钻杆的底端和 顶端，也安装杆外封堵装置和杆内封堵装置。为平衡气体溢流、井喷对充气气囊产生的压力， 桩架需设置安全配重；钻孔防护方式适用于正循环和反循环泥浆护壁成孔。

本发明的工作机理如图6所示。当钻头部位气体产生溢流或喷发时，杆外封堵装置和杆 内封堵装置压力传感器处的压力会骤然升高，当压力值超过预设的临界值时，点火器点火， 气体喷发，气囊迅速充气，封堵杆内和杆外通道。溢流、井喷产生的气体压力由封堵装置上 部泥浆压力和钻井井架配重平衡。可防治含气土层气体溢流、井喷引发的灾害。当气体压力 得到有效的释放后，钻孔可恢复施工。

该发明通过封堵装置和配重，解决了防治含气土层钻孔过程中产生的溢流、井喷灾害问 题。适用于各种类型的含气土层，同时布置形式简单，施工操作简便，也可用于浅层气开采， 其工程应用前景广阔。

综上所述，本发明属于含气土层中钻孔防溢流、井喷的安全钻孔新装置和新方法，针对 含气土层钻孔过程中的灾变特性，设计出针对溢流、井喷的安全钻孔装置。在含气土层中开 展工程勘察和工程桩施工，当钻孔过程中遇到气体喷发，该装置可立即启动，阻断气体喷发 路径，防止溢流、井喷引发的工程灾害，降低人员和财产损失。该装置经过改造也可适用于 浅层气的开采。

该发明结合含气土钻孔过程中钻孔灾变的演化过程，由压力传感器经电子控制单元触发 点火器，激发气囊隔断气体喷发路径，防止含气土层气体喷发导致的地基失稳、钻井坍塌， 从而维持钻孔稳定，为浅层气分布地区工程勘察和工程桩施工提供技术支持，同时也可为浅 层气的开采提供有益参考。该方法可为含气土层的钻孔施工作业提供安全保障，适用于浅层 气分布区域，其工程应用前景广阔。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原 则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。