一种适用于海底绳索取心钻机的沉积物取心钻进工艺

摘要

本发明公开了一种适用于海底绳索取心钻机的沉积物取心钻进工艺，其包括以下步骤：1）下钻；2）纯压入抽吸取心钻进；3）单动旋转压入抽吸取心钻进；4）拔心；5）打捞岩心内管；6）扫孔；7）加杆前冲孔；8）下放岩心管；9）加接钻杆；10）加杆后冲孔；11）重复步骤2）‑10），直到钻进取心至给定孔深；12）回收钻杆及绳索取心外管钻具；13）回收海底绳索取心钻机。本发明适用于海底沉积物无泥浆润滑与护壁的钻进取心工况；而且具有低扰动、高取心率的优点，能够更好地适用于远程遥控作业方式。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于海底绳索取心钻机的沉积物取心钻进工艺。

背景技术

海底绳索取心钻机是开展海洋地质研究、矿产资源勘探以及海底工程勘察所必需的大型技术装备。海底绳索取心钻机是指通过铠装脐带缆将钻机本体从母船下放至海底，操作人员在母船甲板上通过远程遥控操作方式进行海底钻探绳索取心作业的一类钻机，与常规陆地钻机或大型海洋钻探船钻机相比其具有功率小、机动性高、取心质量和效率高等优点，在海底沉积物地层取心钻进过程中，海底绳索取心钻机与常规陆地钻机或大型海洋钻探船钻机的绳索取心工艺不同之处在于：

（1）冲洗泥浆，常规陆地钻机或大型海洋钻探船钻机在冲孔过程中均采用泥浆作为冲洗液进行冲孔，泥浆对孔壁具有很好的护壁功能，携带岩粉的能力强。而海底绳索取心钻机由于受钻机尺寸、重量等因素限制，无法携带泥浆及其辅助设备，常常直接采用海水作为冲洗液，这就要求海底绳索取心钻机在冲孔过程中必须采用不同的冲孔模式在达到冲孔效果的同时尽量减少对孔壁的影响。

（2）由于缺少泥浆的护壁，海底绳索取心钻机利用海水进行冲孔后塌孔几率大于常规陆地钻机或大型海洋钻探船钻机，存在新的绳索取心内管下放不到位的风险，且该风险为隐性风险，不易监控和补救，因此，必须在下放新的绳索取心内管和加接钻杆后进行二次冲孔，以确保下一回次正常钻进。

（3）由于海底绳索取心钻机属于远程遥控装置，自动化操作程度较高，一旦出现钻探事故，无法像常规陆地钻机或大型海洋钻探船钻机一样可以人为措施进行干预和处理（如钻杆接卸和绳索取心内管打捞和下放等），使得海底绳索取心钻机的钻探工艺必须确保较高的安全、可靠性。

受海底绳索取心钻机自身性能限制，常规陆地钻机或大型海洋钻探船钻机标准的钻进规程不能完全与海底绳索取心钻机的使用工况相互匹配，必须探索与海底绳索取心钻机性能和作业实际工况相匹配的取心钻进工艺。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种适用于海底沉积物无泥浆润滑与护壁的钻进取心工况；而且具有低扰动、高取心率的优点，能够更好地适用于远程遥控作业方式的海底绳索取心钻机的沉积物取心钻进工艺。

本发明采用的技术方案是：一种适用于海底绳索取心钻机的沉积物取心钻进工艺，其采用的取心装置包括海底绳索取心钻机、多根绳索取心专用钻杆、多根绳索取心内管、绳索取心外管钻具，所述的海底绳索取心钻机上安装有高压海水冲洗泵、海水抽吸缸、冲洗水换向阀，高压海水冲洗泵的出水口和海水抽吸缸的无杆腔入口经冲洗水换向阀与海底绳索取心钻机钻进动力头上的主动钻杆内孔连通，冲洗水换向阀可根据需要切换钻杆内孔分别与高压海水冲洗泵的出水口或海水抽吸缸的无杆腔入口连通，海水抽吸缸的有杆腔则与外部海水连通；海水抽吸缸活塞杆顶端与海底绳索取心钻机推进油缸活塞杆顶端通过绞链连接；绳索取心内管上部有防止绳索取心外管钻具的旋转运动传递至绳索取心内管的轴承组合，底部设有薄壁环形切割刀口，绳索取心内管与绳索取心外管钻具的配合关系为深度超前式配合，绳索取心内管和绳索取心外管钻具钻头中心孔之间留有间隙；

包括以下步骤：

步骤1：先将多根绳索取心专用钻杆、多根绳索取心内管安放至海底绳索取心钻机储管架上，将1根空的绳索取心内管放入绳索取心外管钻具内，然后将海底绳索取心钻机吊放入水，当海底绳索取心钻机在海底沉积物表面着底后，通过海底绳索取心钻机上的调平支腿对海底绳索取心钻机进行调平和支撑；

步骤2：利用冲洗水换向阀将海水抽吸缸的无杆腔入口与钻杆内孔连通，海底绳索取心钻机采用纯压入抽吸取心模式钻进，由钻进动力头经钻杆和绳索取心外管钻具驱动绳索取心内管前部的薄壁环形切割刀口以恒定的速度切入海底沉积物中，同时海水抽吸缸从钻杆中抽取与进入绳索取心内管的沉积物岩心样品等体积的海水；

步骤3：当钻进动力头的推进力不足以以纯压入方式驱动绳索取心内管前部的薄壁环形切割刀口以恒定的速度切入海底沉积物时，启动钻进动力头，通过钻杆带动绳索取心外管钻具旋转钻进，绳索取心内管保持不旋转切入海底沉积物；

步骤4：在该回次钻进结束后，操作钻进动力头上行，带动钻杆、绳索取心外管钻具以及绳索取心内管上行至卸绳索取心内管位置，拔断沉积物岩心；

步骤5：利用打捞绞车下放打捞器，将装有沉积物岩心样品的绳索取心内管打捞至海底绳索取心钻机上，钻进动力头主动钻杆与下部钻杆卸扣分离并上升至最高位置，将装有沉积物岩心样品的绳索取心内管放至海底绳索取心钻机储管架上；

步骤6：操作钻进动力头主动钻杆与下部钻杆重新连接，利用冲洗水换向阀切换至将高压海水冲洗泵的出水口与钻杆内孔连通，启动高压海水冲洗泵和钻进动力头，利用绳索取心外管钻具进行扫孔，将因采用超前式绳索取心内管形成的孔底台阶扫平；

步骤7：利用高压海水冲洗泵多次冲孔，冲孔是指利用钻进动力头带动钻杆及绳索取心外管钻具从孔底上行1.5m ~ 2.0m后停留20 ~ 30秒，再下行回到孔底；

步骤8：操作钻进动力头主动钻杆与下部钻杆卸扣分离并上升至最高位置，再将1根新的空绳索取心内管下放至绳索取心外管钻具内；

步骤9：再接1根钻杆；

步骤10：利用高压海水冲洗泵进行多次冲孔；

步骤11：步骤7和步骤10择一或二进行；判断钻进取心是否至给定孔深，若到达给定孔深，进行下一步操作，若没有到达给定孔深，则重复步骤2-步骤10，直到钻进取心至给定孔深；

步骤12：回收钻杆及绳索取心外管钻具；

步骤13：回收海底绳索取心钻机。

上述的适用于海底绳索取心钻机的沉积物取心钻进工艺中，所述步骤2中，纯压入速度控制在20 ± 2mm/s。

上述的适用于海底绳索取心钻机的沉积物取心钻进工艺中，所述步骤3中，钻进动力头的推进力为其最大推进力的60 ~ 80%，或推进力为3 ~ 4吨时，启动钻进动力头的旋转驱动功能，转速为30 ~ 150r/min，钻进速度为20±2mm/s。

上述的适用于海底绳索取心钻机的沉积物取心钻进工艺中，所述步骤5中，打捞绞车下放打捞器时，下放速度为18 ~ 25m/min；打捞绞车和打捞器带绳索取心内管上行时，上行速度为30 ~ 40m/min。

上述的适用于海底绳索取心钻机的沉积物取心钻进工艺中，所述步骤6中，绳索取心外管钻具扫孔速度为20 ~ 25m/min，高压海水冲洗泵的泵量为50 ~ 80L/min，并在孔底停留1 ~ 2min。

上述的适用于海底绳索取心钻机的沉积物取心钻进工艺中，所述步骤7中，当钻孔深度小于10m时，冲孔2 ~ 3次；当钻孔深度为10m ~ 30m时，冲孔3 ~ 4次；当钻孔深度大于30m时，冲孔次数大于5次；下行冲孔时，高压海水冲洗泵的泵量为50 ~ 80L/min，上行冲孔时，高压海水冲洗泵的泵量为100 ~ 150L/min。

上述的适用于海底绳索取心钻机的沉积物取心钻进工艺中，所述步骤10中，当钻孔深度小于10m时，冲孔次数为1 ~ 2次；当钻孔深度为10m ~ 30m时，冲孔次数为2 ~ 3次；当钻孔深度大于30m时，冲孔次数为4次；下行和上行冲孔时高压海水冲洗泵的泵量均为100~ 150L/min。

上述的适用于海底绳索取心钻机的沉积物取心钻进工艺中，所述步骤3中，启动钻进动力头的旋转驱动功能钻进过程中，当钻进动力头推进力减小至小于2吨，或小于其最大推进力的40%时，停止钻进动力头的旋转驱动功能，切换回所述步骤2纯压入抽吸取心模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明适用于无泥浆润滑与护壁的使用工况；

（2）本发明具有低扰动、高取心率的优点，能够更好地适用于远程遥控作业方式。

附图说明

图1是本发明采用的取心装置的结构示意图。

图2是本发明的绳索取心内管的结构示意图。

图中：1-高压海水冲洗泵，2-冲洗水换向阀，3-钻进动力头滑轨架，4-推进油缸，41-推进油缸活塞杆，5-海水抽吸缸，51-海水抽吸缸活塞杆，52-海水抽吸缸活塞，6-底座，7-调平支腿，8-水管，9-打捞钢丝绳，10-打捞绞车，11-钻进动力头，12-打捞器，13-钻进动力头主动钻杆，14-钻杆，15-绳索取心外管钻具，16-绳索取心内管，161-轴承组合，162-薄壁环形切割刀口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明采用的取心装置包括海底绳索取心钻机、多根绳索取心专用钻杆14、多根绳索取心内管16、绳索取心外管钻具15，所述的海底绳索取心钻机上安装有高压海水冲洗泵1、海水抽吸缸5、冲洗水换向阀2，高压海水冲洗泵1的出水口和海水抽吸缸5的无杆腔入口经冲洗水换向阀2与海底绳索取心钻机钻进动力头11上的主动钻杆13内孔连通，冲洗水换向阀2可根据需要切换钻杆14内孔分别与高压海水冲洗泵1的出水口或海水抽吸缸5的无杆腔入口连通，海水抽吸缸5的有杆腔则与外部海水连通；海水抽吸缸活塞杆51顶端与海底绳索取心钻机推进油缸活塞杆41顶端通过绞链连接，以使海水抽吸缸5与海底绳索取心钻机的推进油缸4同步动作；绳索取心内管16上部有防止绳索取心外管钻具15的旋转运动传递至绳索取心内管16的轴承组合161，底部设有薄壁环形切割刀口162，其与绳索取心外管钻具15的配合关系为深度超前式配合，即绳索取心内管16前部从绳索取心外管钻具15钻头中心孔向外伸出一段距离，该距离一般在100~500毫米之间，绳索取心内管16和绳索取心外管钻具15钻头中心孔之间仅留很小的间隙。所述的推进油缸4和海水抽吸缸5安装在底座6上，底座6上安装有钻进动力头滑轨架3，钻进动力头滑轨架3上一侧设有竖直滑轨，所述的钻进动力头11设置在竖直滑轨上，能够沿着竖直滑轨移动，底座6底部设有多个调平支腿7。所述的推进油缸活塞杆41上端处设有两个滑轮，两个滑轮上下设置。所述的钻进动力头滑轨架3的顶部和底部分别设有滑轮；上钢丝绳的一端与钻进动力头滑轨架3的顶部固定连接，另一端依次绕过推进油缸活塞杆41上端的两滑轮中位于上方的一个及钻进动力头滑轨架3的顶部的滑轮与钻进动力头11连接，下钢丝绳的一端与钻进动力头滑轨架3的底部固定连接，另一端依次绕过推进油缸活塞杆41上端的两滑轮中位于下方的一个及钻进动力头滑轨架3的底部的滑轮与钻进动力头11连接。钻进动力头11上设有钻进动力头主动钻杆13，钻进动力头主动钻杆13既可以与钻杆14上端丝扣连接也可以与绳索取心外管钻具15上端丝扣连接，钻杆14下端丝扣可以与绳索取心外管钻具15上端丝扣连接。钻进动力头11上还设有连通钻进动力头主动钻杆13的孔，钻进动力头主动钻杆13内设有打捞器12，钢丝绳的一端与打捞器12连接，另一端穿过钻进动力头11上的孔与打捞绞车连接。

本发明的步骤如下：

步骤1：下钻。先将多根绳索取心专用钻杆、多根绳索取心内管安放至海底绳索取心钻机储管架上，将1根空的绳索取心内管16放入绳索取心外管钻具15内，然后将海底绳索取心钻机吊放入水，当海底绳索取心钻机在海底沉积物表面着底后，通过海底绳索取心钻机上的调平支腿7对海底绳索取心钻机进行调平和支撑。

步骤2：纯压入抽吸取心钻进。海底钻机采用纯压入抽吸取心模式钻进，利用冲洗水换向阀2将海水抽吸缸5的无杆腔入口与钻杆14内孔连通，由钻进动力头11经钻杆14和绳索取心外管钻具15驱动绳索取心内管16前部薄壁环形切割刀口162以20±2mm/s的速度切入海底沉积物中，同时海水抽吸缸5从钻杆14中抽取与进入绳索取心内管16的沉积物岩心样品等体积的海水。

步骤3：单动旋转压入抽吸取心钻进。当钻进动力头11的推进力不足以以纯压入方式驱动绳索取心内管16前部薄壁环形切割刀口162以合理的速度切入海底沉积物时，即钻进动力头11的推进力为其最大推进力的60 ~ 80%，或推进力为3 ~ 4吨时，在保持钻进动力头11向下推进的同时，启动钻进动力头的旋转驱动功能，转速为30 ~ 150r/min，钻进速度为20±2mm/s，通过钻杆14带动绳索取心外管钻具15旋转，并利用绳索取心内管16上部的轴承组合161保持绳索取心内管16不旋转同时切入海底沉积物。

启动钻进动力头11的旋转驱动功能钻进过程中，当钻进动力头11推进力减小至小于2吨，或小于其最大推进力的40%时，停止钻进动力头11的旋转驱动功能，切换回所述步骤2纯压入抽吸取心模式。

步骤4：拔心。在该回次钻进结束后，操作钻进动力头11上行，带动钻杆14、绳索取心外管钻具15以及绳索取心内管16上行至卸绳索取心内管位置，同时拔断沉积物岩心。

步骤5：打捞岩心内管。利用打捞绞车10下放打捞器12，将绳索取心外管钻具15内的装有沉积物岩心样品的绳索取心内管16打捞至海底绳索取心钻机上，钻进动力头主动钻杆13与下部钻杆14卸扣分离并上升至最高位置，利用机械手将装有沉积物岩心样品的绳索取心内管16放至海底绳索取心钻机储管架上；打捞绞车10下放打捞器12时，下放速度为18~ 25m/min；打捞绞车10和打捞器12带绳索取心内管16上行时，上行速度为30 ~ 40m/min。

步骤6：扫孔。操作钻进动力头主动钻杆13与下部钻杆14重新连接，利用冲洗水换向阀2切换至将高压海水冲洗泵1的出水口与钻杆14内孔连通，启动高压海水冲洗泵1和钻进动力头11旋转钻进功能，利用绳索取心外管钻具15进行扫孔，绳索取心外管钻具15扫孔速度为20 ~ 25m/min，高压海水冲洗泵1的泵量为50 ~ 80L/min，并在孔底停留1 ~ 2min。

步骤7：加杆前冲孔。利用高压海水冲洗泵1进行多次冲孔，冲孔即利用钻进动力头11带动钻杆14及绳索取心外管钻具15从孔底上行1.5m ~ 2.0m后停留20 ~ 30秒，再下行回到孔底；当钻孔深度小于10m时，冲孔次数为2 ~ 3次；当钻孔深度为10m ~ 30m时，冲孔次数为3 ~ 4次；当钻孔深度大于30m时，冲孔次数大于5次。下行冲孔时，高压海水冲洗泵的泵量为50 ~ 80L/min，上行冲孔时，高压海水冲洗泵的泵量为100 ~ 150L/min。

步骤8：下放岩心管。操作钻进动力头主动钻杆13与下部钻杆14卸扣分离并上升至最高位置，在机械手、打捞器12和打捞绞车11的配合下将1根新的空绳索取心内管16下放至绳索取心外管钻具15内。

步骤9：加接钻杆。再接1根新钻杆14。

步骤10：加杆后冲孔。再次利用高压海水冲洗泵1进行大流量反复多次冲孔，即利用钻进动力头11带动钻杆14及绳索取心外管钻具15从孔底上行1.5m ~ 2.0m后停留20 ~30秒，再下行回到孔底；当钻孔深度小于10m时，冲孔次数为1 ~ 2次；当钻孔深度为10m ~30m时，冲孔次数为2 ~ 3次；当钻孔深度大于30m时，冲孔次数为4次；绳索取心外管钻具15下行和上行冲孔时高压海水冲洗泵1的泵量均为100 ~ 150L/min。

步骤11：步骤7和步骤10择一或二进行，即根据需要只保留步骤7和步骤10中的一个；或者保留步骤7和步骤10；判断钻进取心是否至给定孔深，若到达给定孔深，进行下一步操作，若没有到达给定孔深，则重复步骤2-步骤10，直到钻进取心至给定孔深；

步骤12：回收钻杆和绳索取心外管钻具。操作钻进动力头11上行，带动钻杆14、绳索取心外管钻具15上行至卸钻杆14位置，操作钻进动力头主动钻杆13与下部钻杆14卸扣分离并上升至最高位置，利用机械手将钻杆14放至海底绳索取心钻机储管架，再操作钻进动力头11下行与下一根钻杆14连接，然后再操作钻进动力头11上行，带动钻杆14、绳索取心外管钻具15上行至卸钻杆14位置，操作钻进动力头主动钻杆13与下部钻杆14卸扣分离并上升至最高位置，利用机械手将钻杆14放至海底绳索取心钻机储管架，如此反复操作，直至全部钻杆14回收完毕，再操作钻进动力头11下行与绳索取心外管钻具15连接，操作钻进动力头11带动绳索取心外管钻具15上行至卸绳索取心外管钻具15位置，操作钻进动力头主动钻杆13与下部绳索取心外管钻具15卸扣分离并上升至最高位置，利用机械手将绳索取心外管钻具15放至海底绳索取心钻机储管架上。

步骤13：回收海底绳索取心钻机。将海底绳索取心钻机回收至水面母船上。