分体式海洋沉积物深孔钻机及使用方法

摘要

本发明公开了分体式海洋沉积物深孔钻机及使用方法。本发明的分体式海洋沉积物深孔钻机中，承重框架的两侧对称分布两个弹簧滑块；十字形二次起吊支架支撑在承重框架底部；钻机主体顶部液压缸伸出的活塞杆进入承重框架的第一连接孔内；钻机主体底部液压缸伸出的活塞杆进入十字形二次起吊支架的第二连接孔内；钻机主体起吊完成后，牵引头用于起吊十字形二次起吊支架和承重框架。分体式海洋沉积物深孔钻机的使用方法：光电复合缆承重头、钻机主体、十字形二次起吊支架和承重框架的安装；整体下放及钻机工作；钻机上提；牵引头下放；承重框架上提。本发明克服了缆绳承载能力不足和海底取样深度较浅的问题，能取出更多的海洋沉积物。

说明书

技术领域

本发明属于水下钻探技术领域，涉及一种分体式海洋沉积物深孔钻机及使用方法。

背景技术

在勘探开发天然气水合物的各种技术手段中，通常需要对数十米到上百米的沉积物进行钻探取芯，钻探是最直接的技术手段。目前国内的海底取样钻机，适用的海水深度一般不超过100m，且取样只有几十米。由于船只会受到海流和风浪的影响，完成取样后用船上的卷扬机起拔，经常会拉弯岩心管，取不上来海底沉积物样品。对于200米深水钻机，钻机钻进结束后，钻杆内充满了样品，此时重量大大超过钻机整体系统钻进前的重量；另外往上拉的过程中受到水的阻力，大大超过科考船的光电复合缆的承载能力，从而限制了深水钻机的钻探深度和取样能力。

为了提高钻机钻探深度和取出更多的样品，可按照 “整体下放，分段上提”的思路提出技术方案：（1）在钻机系统下放时，钻机主体、承重框架、已经放在钻杆仓内的空钻杆整体下放；（2）在钻机钻进结束后，先把钻机提升至船上，再把承重框架及装满样品的钻杆提升至船上。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种分体式海洋沉积物深孔钻机及使用方法，该分体式海洋沉积物深孔钻机可对海底最深200m的沉积物进行取样。

本发明的分体式海洋沉积物深孔钻机包括光电复合缆承重头、弹簧滑块、钻机主体、承重框架、十字形二次起吊支架、导向轮、零浮力牵引缆、牵引缆张紧系统、限位块、钻杆仓、配重仓、牵引缆张紧系统仓和牵引头；所述承重框架的两侧对称分布两个弹簧滑块，并对称开设两个第一连接孔；所述的十字形二次起吊支架支撑在承重框架底部，并与承重框架的侧部构成滑动副；十字形二次起吊支架的侧面对称开设两个第二连接孔；钻机主体顶部液压缸伸出的活塞杆进入承重框架的第一连接孔内，实现钻机主体与承重框架的固定连接；钻机主体底部液压缸伸出的活塞杆进入十字形二次起吊支架的第二连接孔内，实现钻机主体与十字形二次起吊支架的固定连接；所述的钻机主体起吊完成后，牵引头用于起吊十字形二次起吊支架和承重框架；所述的牵引头由牵引头连接圆盖、U形环、牵引头主体和销组成；所述的U形环固定在牵引头连接圆盖下方；所述的销固定在牵引头主体的销孔中，并与U形环构成转动副；牵引头主体的重心与销的中心重合。

所述的弹簧滑块设置在承重框架上部；弹簧滑块包括弹簧和滑块；所述弹簧的一端与滑块连接，另一端与承重框架连接；所述的滑块限制十字形二次起吊支架向下滑动。

所述的钻机主体包括钻进系统和机械手；所述光电复合缆承重头的下端与钻机主体固定，且船体通过光电复合缆与钻机主体信号连接。

所述的承重框架是一个空心框架，内部放置十字形二次起吊支架和连接钻机主体，其四周分别设置了对称布置且重量相等的两个钻杆仓、对称布置且重量相等的配重仓和牵引缆张紧系统仓。

所述的十字形二次起吊支架与固定在承重框架内的导向柱构成滑动副；所述的限位块固定在承重框架顶部，限制十字形二次起吊支架向上滑动；所述十字形二次起吊支架的顶部和限位块的底部均设有压力传感器，压力传感器与船体信号连接。

所述的导向轮把牵引缆张紧系统引出的零浮力牵引缆导向到十字形二次起吊支架中心孔内，并与钻机主体连接。

所述的牵引缆张紧系统包括蓄电池、电机、减速机构、转轮、排缆系列和张紧机构；电机与船体信号连接；所述的蓄电池给电机供电，电机经减速机构驱动转轮，排缆系列和张紧机构张紧零浮力牵引缆；零浮力牵引缆被钻机主体上拉状态下，电机发电并将电能存储于蓄电池。

所述的钻杆仓在钻机取样前放置空的钻杆，在钻机取样后放置装满样品的钻杆；所述的牵引缆张紧系统仓放置牵引缆张紧系统和零浮力牵引缆，配重仓是配重放置仓；所述的配重仓和牵引缆张紧系统仓保持整个钻机系统平衡。

所述的牵引头下放时，牵引头连接圆盖与光电复合缆承重头固定，牵引头主体的一端与零浮力牵引缆固定；牵引缆张紧系统将零浮力牵引缆、牵引头和光电复合缆承重头一起牵引至十字形二次起吊支架的中心孔内。

本发明的分体式海洋沉积物深孔钻机使用方法，具体步骤如下：

步骤1.船上安装。

    1）光电复合缆承重头的下端与钻机主体固定，承重框架内依次放入十字形二次起吊支架和钻机主体；

    2）钻机主体通过顶部液压缸伸出的活塞杆进入承重框架的第一连接孔，实现钻机主体与承重框架的固定；

    3）钻机主体通过底部液压缸伸出的活塞杆进入十字形二次起吊支架的第二连接孔，实现钻机主体与十字形二次起吊支架的固定；

    4）牵引缆张紧系统引出的零浮力牵引缆通过导向轮引到十字形二次起吊支架的中心孔，并与钻机主体连接。

    步骤2.整体下放及钻机工作。钻机工作过程中，机械手将钻杆仓内的钻杆安装在钻机主体上，钻机钻进结束后，装满样品的钻杆通过机械手重新放置在钻杆仓内。

    步骤3.钻机上提准备。

    1）钻进结束，钻机主体起吊前，牵引缆张紧系统启动，把零浮力牵引缆张紧；

    2）船上通过光电复合缆给钻机主体信号，收回钻机主体顶部液压缸的活塞杆，钻机主体与承重框架脱离；

    3）钻机主体起吊，十字形二次起吊支架顺着导向柱上拉，承重框架的限位块和弹簧滑块把十字形二次起吊支架限制在承重框架的上部；

    4）船上得到限位块上的压力传感器发出的限位信号后，收回钻机主体底部液压缸的活塞杆，钻机主体与十字形二次起吊支架脱离。

    步骤4.钻机上提。

    1）钻机主体起吊到船上的过程中，零浮力牵引缆被钻机主体上拉，牵引缆张紧系统中的电机相当于发电机，发电并将电能存储于蓄电池；

    2）钻机主体到达船上后，人工拆开光电复合缆承重头与钻机主体，并把牵引头连接在光电复合缆承重头和零浮力牵引缆之间。

    步骤5.牵引头下放。

    1）在牵引缆张紧系统带动下，零浮力牵引缆、牵引头、光电复合缆承重头一起被牵引至十字形二次起吊支架的中心孔内；

    2）牵引头连接圆盖接触到十字形二次起吊支架时，十字形二次起吊支架上的压力传感器将压力信号传给牵引缆张紧系统，牵引缆张紧系统中的电机接到信号停止工作，并反转几圈，松开零浮力牵引缆；

    3）没有零浮力牵引缆拉力，牵引头主体重力及水浮力作用下以销为中心保持水平状态；

    步骤6.承重框架上提。

光电复合缆承重头上提，牵引头以及承重框架一起上提。

本发明的有益效果：

1、本发明下放时，钻机主体、承重框架、放在钻杆仓内的空钻杆整体下放；在钻机钻进结束后，先把钻机提升至船上，再把承重框架及装满样品的钻杆提升至船上。

2、具有轻微张紧功能的牵引缆张紧系统能把牵引头及光电复合缆承重头一起牵引至十字形二次起吊支架的中心孔内。

3、牵引头设计：如果没有牵引绳拉力，牵引头主体以销为中心保持水平，如果存在牵引绳拉力，牵引头主体向下并保持垂直状态。

4、本发明能在深海工作，可对海底200m深的沉积物取芯，所采用的“整体下放，分段上提”方法克服了缆绳承载能力不足的问题，能取出更多的海洋沉积物。

 5、本发明适合于各类软岩层的钻探取芯，如沉积物、土壤、冻土、冰，尤其适合于沉积物的钻探取芯。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的A-O-B剖视图；

图3为本发明的钻机主体起吊后的结构示意图；

图4为本发明二次起吊时牵引头与十字形二次起吊支架装配前的示意图；

图5为本发明二次起吊时牵引头与十字形二次起吊支架装配后的示意图；

图6-1为本发明中十字形二次起吊支架的剖视图；

图6-2为本发明中十字形二次起吊支架的结构示意图；

图7-1为本发明中牵引头的结构示意图；

图7-2为图7-1的左视图；

图7-3为图7-1的C-C剖视图；

图8-1为本发明的牵引头被牵引至十字形二次起吊支架中心孔前的示意图；

图8-2为本发明的牵引头被牵引至十字形二次起吊支架中心孔且牵引头连接圆盖贴紧十字形二次起吊支架的示意图；

图8-3为本发明的牵引头被牵引至十字形二次起吊支架中心孔后牵引头主体保持水平的示意图；

图8-4为本发明的牵引头被牵引至十字形二次起吊支架中心孔后牵引头主体贴紧十字形二次起吊支架的示意图。

图中：1、光电复合缆承重头，2、弹簧滑块，3、钻机主体，4、承重框架，5、十字形二次起吊支架，6、导向轮，7、零浮力牵引缆，8、牵引缆张紧系统，9、导向柱，10、限位块，11、第一连接孔，12、钻杆仓，13、配重仓，14、牵引缆张紧系统仓，15、第二连接孔，16、牵引头，17、牵引头连接圆盖，18、U形环，19、牵引头主体，20、销。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图6-1、图6-2、图7-1、图7-2和图7-3所示，分体式海洋沉积物深孔钻机，包括光电复合缆承重头1、弹簧滑块2、钻机主体3、承重框架4、十字形二次起吊支架5、导向轮6、零浮力牵引缆7、牵引缆张紧系统8、导向柱9、限位块10、钻杆仓12、配重仓13、牵引缆张紧系统仓14和牵引头16；承重框架4的两侧对称分布两个弹簧滑块2，并对称开设两个第一连接孔11；十字形二次起吊支架5支撑在承重框架4底部，并与承重框架4的侧部构成滑动副；十字形二次起吊支架5的侧面对称开设两个第二连接孔15；钻机主体3顶部液压缸伸出的活塞杆进入承重框架的第一连接孔内，实现钻机主体3与承重框架的固定连接；钻机主体3底部液压缸伸出的活塞杆进入十字形二次起吊支架的第二连接孔内，实现钻机主体3与十字形二次起吊支架的固定连接；钻机主体3起吊完成后，牵引头16用于起吊十字形二次起吊支架和承重框架；牵引头16由牵引头连接圆盖17、U形环18、牵引头主体19和销20组成；U形环18固定在牵引头连接圆盖17下方；销20固定在牵引头主体19的销孔中，并与U形环18构成转动副。

光电复合缆承重头1的下端与钻机主体3固定；光电复合缆承重头1采用现有技术，如专利号为201410168230.9的专利。

如图3所示，弹簧滑块2设置在承重框架4上部。光电复合缆承重头起吊钻机主体和十字形二次起吊支架5过程中，当十字形二次起吊支架接触到限位块10时，弹簧滑块2的滑块在弹簧作用下弹出，并限制十字形二次起吊支架向下滑动。

钻机主体3包括钻进系统和机械手，实现钻杆下钻和起钻功能。

承重框架是一个空心框架，内部可以依次放置十字形二次起吊支架和连接钻机主体，其四周分别设置了对称布置且重量相等的两个钻杆仓12、对称布置且重量相等的配重仓13和牵引缆张紧系统仓14，从而保证承重框架起吊平衡；整体钻机系统下放及工作时，十字形二次起吊支架放置在承重框架下部，其上方放置钻机主体；深海钻进结束，钻机主体起吊前，船上通过光电复合缆给钻机主体信号，收回钻机主体顶部液压缸的活塞杆，钻机主体与承重框架脱离，钻机起吊。

图2、3、6-1和6-2所示，十字形二次起吊支架在整体钻机系统下放及工作时，钻机主体通过底部液压缸伸出的活塞杆进入十字形二次起吊支架的第二连接孔，实现二者的固定连接；钻机主体起吊时，十字形二次起吊支架与固定在承重框架4内的导向柱9构成滑动副，顺着导向柱9上拉，然后被固定在承重框架顶部的限位块10、弹簧滑块的滑块限制在承重框架的顶部；导向柱在十字形二次起吊支架向上运动过程中，起导向作用；限位块在十字形二次起吊支架向上运动过程中，限制十字形二次起吊支架继续运动，确保十字形二次起吊支架和钻机主体脱离。船上得到限位块上的压力传感器发出的限位信号后，收回钻机主体底部液压缸的活塞杆，钻机主体与十字形二次起吊支架脱离。

导向轮6把牵引缆张紧系统8引出的零浮力牵引缆7导向到十字形二次起吊支架中心孔内，并与钻机主体连接。

牵引缆张紧系统8包括蓄电池、电机、减速机构、转轮、排缆系列和张紧机构；蓄电池给电机供电，电机经减速机构驱动转轮，排缆系列和张紧机构具有把零浮力牵引缆张紧的功能；在整体钻机系统下放及工作时，该系统不工作；钻进结束，钻机主体起吊前，该系统启动，张紧零浮力牵引缆；钻机主体起吊到船上的过程中，零浮力牵引缆被钻机主体上拉，整套系统中的电机相当于发电机，发电并将电能存储于蓄电池；钻机主体到达船上后，人工拆开光电复合缆承重头与钻机主体的固定连接，并把牵引头连接在光电复合缆承重头和零浮力牵引缆之间；在牵引缆张紧系统带动下，零浮力牵引缆、牵引头、光电复合缆承重头一起被牵引至十字形二次起吊支架的中心孔内。

钻杆仓在钻机取样前放置空的钻杆，在钻机取样后放置装满样品的钻杆。

配重仓是配重放置仓，作用是与牵引缆张紧系统仓保持重量平衡，使整个钻机系统保持平衡。

    牵引缆张紧系统仓放置牵引缆张紧系统和零浮力牵引缆。

如图4、5、8-1、8-2、8-3和8-4所示，牵引头连接圆盖17与光电复合缆承重头固定，牵引头主体19的一端与零浮力牵引缆固定；牵引头主体19的重心与销20的中心重合；如果没有零浮力牵引缆拉力，牵引头主体以销为中心保持水平；如果存在零浮力牵引缆拉力，牵引头主体与零浮力牵引缆固定端向下并保持垂直状态。

如图1、图2、图3、图4、图5、图8-1、图8-2、图8-3和图8-4所示，分体式海洋沉积物深孔钻机的使用方法，具体步骤如下：

步骤1.船上安装。

    1）光电复合缆承重头1的下端与钻机主体3固定，承重框架内依次放入十字形二次起吊支架和钻机主体；

    2）钻机主体通过顶部液压缸伸出的活塞杆进入承重框架的第一连接孔，实现钻机主体与承重框架的固定；

    3）钻机主体通过底部液压缸伸出的活塞杆进入十字形二次起吊支架的第二连接孔，实现钻机主体与十字形二次起吊支架的固定；

    4）牵引缆张紧系统引出的零浮力牵引缆通过导向轮引到十字形二次起吊支架的中心孔，并与钻机主体连接，如图2所示。

    步骤2.整体下放及钻机工作。钻机工作过程中，机械手将钻杆仓内的钻杆安装在钻机主体上，钻机钻进结束后，装满样品的钻杆通过机械手重新放置在钻杆仓内。

    步骤3.钻机上提准备。

    1）钻进结束，钻机主体起吊前，牵引缆张紧系统启动，把零浮力牵引缆张紧；

    2）船上通过光电复合缆给钻机主体信号，收回钻机主体顶部液压缸的活塞杆，钻机主体与承重框架脱离；

    3）钻机主体起吊，十字形二次起吊支架顺着导向柱上拉，承重框架的限位块和弹簧滑块把十字形二次起吊支架限制在承重框架的上部，如图3所示；

    4）船上得到限位块上的压力传感器发出的限位信号后，收回钻机主体底部液压缸的活塞杆，钻机主体与十字形二次起吊支架脱离。

    步骤4.钻机上提。

    1）钻机主体起吊到船上的过程中，零浮力牵引缆被钻机主体上拉，牵引缆张紧系统中的电机相当于发电机，发电并将电能存储于蓄电池；

    2）钻机主体到达船上后，人工拆开光电复合缆承重头与钻机主体，并把牵引头连接在光电复合缆承重头和零浮力牵引缆之间，如图4所示。

    步骤5.牵引头下放。

    1）在牵引缆张紧系统带动下，零浮力牵引缆、牵引头、光电复合缆承重头一起被牵引至十字形二次起吊支架的中心孔内；

    2）如图8-2所示，牵引头连接圆盖17接触到十字形二次起吊支架时，十字形二次起吊支架上的压力传感器将压力信号传给牵引缆张紧系统，牵引缆张紧系统中的电机接到信号停止工作，并反转几圈，松开零浮力牵引缆；

    3）没有零浮力牵引缆拉力，牵引头主体重力及水浮力作用下以销为中心保持水平状态，如图8-3所示；

    步骤6.承重框架上提。

光电复合缆承重头上提，牵引头以及承重框架一起上提，如图5和8-4所示。