深海沉積物連續保壓取芯海底鑽機及作業方法

2023-11-01 10:17:27 1

專利名稱：深海沉積物連續保壓取芯海底鑽機及作業方法
技術領域：
本發明屬於深海勘探技術及海洋工程技術領域，涉及一種深海沉積物連續保壓取芯海底鑽機，本發明還涉及一種深海沉積物連續保壓取芯作業方法。
背景技術：
天然氣水合物(也稱可燃冰)是一種新型能源，主要賦存在海底200m以內的沉積物中，是石油、天然氣的理想的替代能源。目前主要採用地球物理和其它探測方法尋找海底可燃冰，雖能獲取相關信息，但只能提供海底是否存在可燃冰的線索，而不能作為圈定儲量的依據。鑽探取芯獲取可燃冰實物樣品，是圈定其儲量的唯一手段。 採用鑽探取芯的方法可獲取可燃冰實物樣品，對巖芯樣品進行保壓可保證從海底提升到海面的過程中其原位壓力不變，從而防止可燃冰隨壓力降低而氣化揮發。目前獲取沉積物巖芯的主要手段是通過海洋鑽探船、勘察船或通用型海底鑽機。海洋鑽探船、勘察船主要是為勘探海底石油、天然氣的目的設計的，噸位大又漂浮在海面上，下入的鑽杆絕大部分在海水中穿越，僅極少部分鑽入沉積物中實施鑽進、取芯作業，並且每次鑽進僅能獲得一段沉積物巖芯，因此，在鑽取海底沉積物巖芯方面，既費時效率又低，作業費用大，無法進行大面積沉積物巖芯的勘探調查作業。另外，現有的海底鑽機雖因體積小、重量輕，可搭載在普通科考船上，通過科考船上的甲板設備將其下放至海底，在海底進行鑽探作業，效率高、作業費用低，但這類鑽機均屬於以海底硬巖為主要鑽探對象的通用型鑽機，並不能完全適應沉積物的鑽探，而且一次入海也只能鑽取一段沉積物巖芯，不具備一次入海連續多段取芯的能力，尤其是無法對沉積物進行低擾動鑽進取芯作業(對沉積物的擾動可致其泥漿化，無法正常取芯)，再者無法對所獲得的巖芯樣品進行保壓處理，如果多次入海鑽取巖芯，作業費時，費用同樣也很大。因此，這類海底鑽機不能高效的進行沉積物的勘探取樣作業、也無連續取芯並對巖芯保壓的作業能力，同樣無法進行大面積沉積物巖芯的勘探調查作業。

發明內容
本發明的目的是提供一種深海沉積物連續保壓取芯海底鑽機，解決了現有技術無法滿足對海底沉積物低擾動鑽進、一次入海連續多段取芯、對每段巖芯保壓處理的問題。本發明的另一目的是提供一種深海沉積物連續保壓取芯作業方法，解決了現有技術不能高效的進行沉積物的勘探取樣作業、也無連續取芯並對巖芯保壓的作業能力，同樣無法進行大面積沉積物巖芯的勘探調查作業的問題。本發明所採用的技術方案是，一種深海沉積物連續保壓取芯海底鑽機，包括底座，在底座上分別設置有取樣管機械手、多個樁腿、井架、鑽杆機械手、排管架、液壓系統、液壓衝扣鉗、鑽杆卡座及水下控制系統，這些部件一起構成鑽機主體；在底座上固定安裝有主體框架，主體框架的上端與海上平臺的鎧裝吊纜連接；在底座上沿外表面均勻固定設置有多組豎直的樁腿滑槽，每個樁腿滑槽中滑動安裝有一個樁腿，每個樁腿的下端鉸接有一個樁靴，樁靴與樁腿上端外側之間鉸接有翻轉油缸，每個樁腿的上端內側與一個升降油缸鉸接；排管架設置在底座上表面，排管架中排放設置有保壓鑽杆和取樣管，保壓鑽杆排放在外圈，取樣管排放在內圈；在井架中安裝有水下頂驅。本發明所採用的另一技術方案是，一種深海沉積物連續保壓取芯作業方法，利用上述的裝置，按照以下步驟實施步驟I、下入鑽機主體當鑽機主體即將到達海底時，多組樁靴在翻轉油缸的驅動下翻轉到工作位，並接觸到海底；各個樁腿通過升降油缸將鑽機主體升起，通過水平傳感器反饋的信號，水下控制 系統發出控制信號，液壓系統分別控制每個樁腿的升降調節，調平底座；步驟2、鑽進、取芯作業2. I)水下頂驅啟動，水下頂驅的中心管低速正轉，同時水下頂驅以與中心管轉速相關聯的速度邊下降邊鑽進，沉積物通過空心鑽頭進入取芯鑽杆內卡住的取樣管，直至取芯鑽杆完全鑽入海底沉積物，沉積物巖芯全部進入取樣管中，中心管停止轉動；水下頂驅上升拔斷巖芯，繼續上升使取芯鑽杆上端的接頭位於鑽杆卡座之上，閉合鑽杆卡座，水下頂驅緩慢下降，使取芯鑽杆上端接頭坐在鑽杆卡座上；取樣管機械手旋轉至井口位置，其上的繩索取芯工具下放，通過中心管上端的喇叭口進入中心管內，到達取芯鑽杆內的取樣管處，解卡、抓住、並吊起充滿了巖芯的取樣管出中心管；然後取樣管機械手旋轉至排管架上方的定點位置，下放取樣管按照順序進入排管架的空位並排放好，繩索取芯工具鬆開取樣管，提升設定高度後待命，一段巖芯鑽取作業完成；2. 2)水下頂驅下部的背鉗夾緊取芯鑽杆上端接頭，頂驅中心管反轉，旋鬆中心管與鑽杆接頭之間的螺紋，中心管停轉，背鉗鬆開，中心管再次反轉、同時水下頂驅上升，旋開接頭螺紋；水下頂驅繼續上升至最高位，鑽杆機械手的手臂伸出至排管架定點位置，卡爪夾緊保壓鑽杆並舉升設定高度、回縮取出保壓鑽杆，旋轉設定角度後再伸出，將保壓鑽杆送至井口，水下頂驅邊正轉邊緩慢下降，與鑽杆機械手夾持的保壓鑽杆上端的接頭聯接、旋上，水下頂驅停止下降、中心管停轉，水下頂驅下部的背鉗夾緊鑽杆上端接頭，中心管再次正轉將此接頭旋緊，中心管停轉，背鉗鬆開；鑽杆機械手的卡爪鬆開保壓鑽杆，回縮、下降、旋轉回安裝位置待命；水下頂驅中心管連同與之聯接好的保壓鑽杆再次邊正轉邊緩慢下降，與鑽杆卡座卡住的取芯鑽杆上端接頭或保壓鑽杆上端接頭聯接、旋上，頂驅停止下降、中心管停轉；液壓衝扣鉗移入到井口位置，背鉗夾緊卡座卡住的取芯鑽杆上端接頭或保壓鑽杆上端接頭，衝扣鉗先反轉至極限位置後再夾緊與取芯鑽杆上端接頭或保壓鑽杆上端接頭聯接的新保壓鑽杆下端接頭；然後，衝扣油缸推動衝扣鉗正轉，旋緊聯接的螺紋，一根新保壓鑽杆聯接完畢；背鉗、衝扣鉗分別鬆開，衝扣鉗轉回原始位，液壓衝扣鉗移出井口位置，排管架步進旋轉設定角度並鎖緊，使下一根保壓鑽杆和取樣管位於待取出的定點位置；2. 3)下放繩索取芯工具，從排管架抓住並吊起取樣管至設定高度，然後旋轉至井口位置水下頂驅中心管上端喇叭口上方，下放取樣管通過喇叭口進入中心管、保壓鑽杆的內腔，直到到達取芯鑽杆內孔中並卡住，繩索取芯工具鬆開取樣管、提出至水下頂驅中心管上端喇叭口上方待命；水下頂驅上升到設定高度，鑽杆卡座打開；
2. 4)水下頂驅啟動，中心管以與下降速度相關聯的低速旋轉，邊下降邊鑽進，直至保壓鑽杆鑽完，沉積物巖芯全部進入取樣管中，頂驅中心管停轉，上提拔斷巖芯，繼續上升使與中心管聯接的鑽杆上端接頭位於鑽杆卡座之上，閉合卡座，水下頂驅緩慢下降，使保壓鑽杆上端接頭坐在卡座上；下放繩索取芯工具，通過中心管喇叭口進入中心管及保壓鑽杆內腔，到達取芯鑽杆內的取樣管處，解卡、抓住、並吊起充滿了巖芯的取樣管出中心管；然後旋轉至排管架上方 的定點位置，下放取樣管至排管架的空位並按照順序排放好，繩索取芯工具鬆開取樣管、並提升設定高度後待命，又一段巖芯鑽取作業完成；排管架步進旋轉設定角度並鎖緊，使下一根保壓鑽杆和取樣管位於待取出的定點位置；2. 5)重複2. I)、2. 2)、2. 3)、2. 4)項操作，直到所有保壓鑽杆依次聯接完、鑽完，所有充滿了巖芯的取樣管依次全部排放在排管架中，取芯作業完成；步驟3、起鑽作業3. I)水下頂驅上升到設定高度，鑽杆卡座打開，水下頂驅繼續上升提出一根保壓鑽杆，並使與之聯接的下一根的保壓鑽杆上端接頭位於鑽杆卡座之上，閉合卡座，水下頂驅緩慢下降，使下一根保壓鑽杆上端的接頭坐在卡座上；液壓衝扣鉗移入到井口位置，背鉗夾緊卡座卡住的保壓鑽杆上端接頭，衝扣鉗夾緊與之聯接的保壓鑽杆的下端接頭；然後，衝扣油缸推動衝扣鉗反轉，旋鬆聯接螺紋；背鉗、衝扣鉗分別鬆開，衝扣鉗轉回原始位，液壓衝扣鉗移出井口位置；水下頂驅中心管反轉、同時上升，旋開接頭螺紋並繼續上升，使中心管聯接的保壓鑽杆下端的接頭下平面提出至卡座卡住的保壓鑽杆上端接頭的上平面之上設定高度，並在中心管聯接的保壓鑽杆下端的接頭上裝上保壓護帽；3. 2)鑽杆機械手由安裝位旋轉至對準井口的位置，手臂伸出至井口並升高，卡爪夾緊保壓鑽杆；水下頂驅下部的背鉗夾緊保壓鑽杆上端的接頭，水下頂驅中心管反轉，旋鬆中心管與保壓鑽杆上端接頭之間的螺紋，中心管停轉，背鉗鬆開，水下頂驅中心管再次反轉、同時上升，旋開接頭螺紋；水下頂驅上升至最高位，中心管下端接頭螺紋的下平面高於保壓鑽杆上端接頭的上平面；鑽杆機械手回縮、旋轉對準排管架定點位置的排放空位、伸出、下降，將保壓鑽杆排放在排管架中；卡爪鬆開、手臂回縮、升高、旋轉對準井口待命；排管架步進旋轉設定角度並鎖緊，使下一根保壓鑽杆排放空位位於定點位置；3. 3)水下頂驅邊正轉邊下降，到達鑽杆卡座卡住的保壓鑽杆上端接頭處再緩慢下降與接頭聯接、旋上，水下頂驅中心管停轉；水下頂驅下部的背鉗夾緊卡座卡住的保壓鑽杆上端接頭，水下頂驅中心管再次正轉，將此接頭旋緊，之後背鉗鬆開；3. 4)重複3. 1),3. 2),3. 3)項操作，直到所有保壓鑽杆依次全部起出，取芯鑽杆與水下頂驅中心管聯接好，水下頂驅上升至入海前的高度，起鑽作業完成；步驟4、保壓作業4. I)取樣管機械手旋轉至排管架上方定點位置，下放其上的繩索取芯工具至排管架上內圈排放的充滿沉積物巖芯的取樣管上端，繩索取芯工具抓住並吊起取樣管，提吊至其下端高於保壓鑽杆上端接頭上平面的位置，取樣管機械手旋轉一個小角度，使取樣管位於排管架外圈排放的保壓鑽杆的上方，下放取樣管入保壓鑽杆中並裝好，繩索取芯工具鬆開取樣管並提出，取樣管機械手旋轉至排管架上方定點位置待命；排管架步進旋轉設定角度並鎖緊，使下一根取樣管和空心的保壓鑽杆位於定點位置；
4. 2)重複4. I)項操作，直到所有取樣管分別裝入每一個對應的保壓鑽杆中；4. 3)鑽杆機械手旋轉至安裝位，手臂伸出至排管架定點位置，卡爪夾緊已裝好取樣管的保壓鑽杆，並在上端接頭上裝上保壓護堵；鑽杆機械手卡爪鬆開、手臂回縮待命；排管架步進旋轉設定角度並鎖緊，使下一根未安裝保壓護堵的保壓鑽杆位於定點位置；4. 4)重複4. 3)項操作，直到所有保壓鑽杆都安裝好一個保壓護堵，保壓作業完成；步驟5、樁腿通過升降油缸將鑽機主體降下，樁靴在翻轉油缸的驅動下收回到入海前的位置；然後，利用鎧裝吊纜通過主體框架將鑽機主體回收至甲板，全部作業完成。本發明的有益效果是I)結構緊湊、工作可靠、體積小、重量輕，搭載在普通科考船上，通過甲板設備下放·至海底作業，完成作業後回收至甲板，出海作業費用低，主要應用於海底沉積物的鑽探、連續取芯、巖芯保壓等作業及作業方法，可應用於大面積可燃冰的勘探調查作業。2)實現了對沉積物的低擾動旋轉鑽進取芯作業，最大限度避免沉積物泥漿化，取芯率高。3)能夠一次入海連續多段取芯，並對每段沉積物巖芯保壓，比通用型海底鑽機勘探調查作業效率提高數倍至數十倍。


圖I為本發明裝置的局部結構示意圖(帶樁腿、樁靴及主體框架)；圖2為本發明裝置中的鑽機主體4部分結構示意圖(不帶樁腿、樁靴及主體框架)。圖中，I.取樣管機械手、2.繩索取芯工具、3.主體框架、4.鑽機主體、5.樁腿、
6.翻轉油缸、7.樁靴、8.井架、9.水下頂驅、10.取芯鑽杆、11.鑽杆機械手、12.排管架、13.保壓鑽杆、14.取樣管、15.液壓系統、16.液壓衝扣鉗、17.鑽杆卡座、18.升降油缸、19.水下控制系統、20.底座，21.樁腿滑槽。
具體實施例方式參照圖I、圖2，本發明深海沉積物連續保壓取芯海底鑽機的結構是，包括底座20，在底座20上分別設置有取樣管機械手I、多個樁腿5、井架8、鑽杆機械手11、排管架12、液壓系統15、液壓衝扣鉗16、鑽杆卡座17、水下控制系統19，這些部件一起構成鑽機主體4，在底座20上固定安裝有主體框架3，主體框架3為可拆卸式框架結構，用於圍攏在上述的鑽機主體4周圍，主體框架3的下端通過耳扳及銷軸與底座20上表面接耳固定連接，主體框架3的上端與科考船鎧裝吊纜連接(圖I中未畫出)，主體框架3可承受整個深海沉積物連續保壓取芯海底鑽機的所有重力及部分附加載荷，主體框架3兼有保護鑽機主體4中的設備的作用，拆裝方便，便於設備維修。在底座20上沿外表面均勻固定設置有多組豎直的樁腿滑槽21 (可以根據需要設置3-6組),每個樁腿滑槽21中滑動安裝有一個樁腿5,每個樁腿5的下端鉸接有一個樁靴
7,每個樁腿5的上端外側與樁靴7之間鉸接有翻轉油缸6;每個樁腿5的上端內側與一個升降油缸18鉸接，升降油缸18缸體與底座20上表面的安裝座鉸接，樁靴7接地後，升降油缸18的伸縮帶動樁腿5上升、下降，分別實現鑽機主體4的降低調平、上升抬高；
樁靴7在科考船上存放時可以通過翻轉油缸6收起，樁靴7與樁腿5併攏以減少存儲空間，樁靴7在下放到海底時通過翻轉油缸6的伸張驅動翻轉至圖I所示的工作位置，接觸到海底，起到支撐整個底座20的作用，作業完成後，樁腿5回縮、樁靴7迴轉，分別收回到入海前的狀態，隨鑽機一同回收至科考船甲板；在樁靴7上設計有樁靴7拋棄機構，如果樁靴7深陷在海底沉積物中，在翻轉油缸6回縮收回樁靴7的回收力超過設定值時，樁靴7拋棄機構工作，將無法從深陷在海底沉積物中的樁靴7拋棄；在底座20上表面設置的排管架12為迴轉型結構，具有步進旋轉、鎖緊功能，排管架12中排放設置有保壓鑽杆13和取樣管14，保壓鑽杆13排放在外圈，通過鑽杆機械手11進行抓出或放入，取樣管14排放在內圈，通過取樣管機械手I上的繩索取芯工具2進行吊出或吊入；保壓鑽杆13具有鑽杆和巖芯保壓容器兩個功能，使整個鑽機輕型化； 排管架12上部外圈為開口式鑽杆接頭卡槽板，只能卡住保壓鑽杆13的上端接頭而讓保壓鑽杆13的鑽杆部分通過，上部接頭卡槽板與下部上層孔板一道將保壓鑽杆13固定限位；排管架12上部內圈為孔板，與下部上層孔板一道將取樣管14固定限位；排管架12下部下層板為承載板，用於支撐所有保壓鑽杆13和取樣管14。鑽杆機械手11的手臂從安裝位前伸至排管架12，卡爪夾住保壓鑽杆13並舉升設定高度，使保壓鑽杆13上端的接頭脫離排管架12上部卡槽板，下端從排管架12下部上層孔板中提出；然後手臂回縮取出保壓鑽杆13、再旋轉設定角度後再伸出，將保壓鑽杆13送至井口，分別與水下頂驅9中心管下端接頭螺紋和鑽杆卡座17上卡住的井眼中的前一根保壓鑽杆13或取芯鑽杆10的上端接頭螺紋聯接；保壓鑽杆13上下接頭聯接完畢後，鑽杆機械手11卡爪鬆開，再次回縮、下降、旋轉回安裝位置。在取樣管機械手I工作端頭上安裝有繩索取芯工具2，用於在排管架12上方定點位置吊出取樣管14，放入井口處保壓鑽杆13下端聯接的取芯鑽杆10內；以及從井口處保壓鑽杆13下部聯接的取芯鑽杆10內吊出取樣管14,放入排管架12上。取樣管機械手I入海前處於低位，保證在甲板上尺寸最小，到達海底後其上段通過液壓缸或齒輪齒條機構推動或驅動伸出，達到工作高度；繩索取芯工具2通過其中的絞車卷揚，將取樣管14提升至設定高度；然後取樣管機械手I旋轉設定角度，使取樣管14對正井口位置及水下頂驅9中心管上端的喇叭口，下放取樣管14，穿過中心管及其下端聯接的保壓鑽杆13的內腔，直到下放到達聯接在保壓鑽杆13下端的取芯鑽杆10的內孔中，並被卡在其中，在鑽進取芯時收納巖芯；繩索取芯工具
2在取樣管14被卡在取芯鑽杆10的內孔中後鬆開取樣管14，再經絞車提出至水下頂驅9中心管上端喇叭口以上；然後取樣管機械手I旋轉設定角度，使繩索取芯工具2轉動到排管架12上方定點提升位置，等待下一次作業。從取芯鑽杆10的內孔中吊出取樣管14並吊入排管架12的過程為上述過程的逆過程。在井架8中安裝有水下頂驅9，井架8中設置有由軌道槽和導向平面組成的導軌，水下頂驅9通過齒輪齒條機構或油缸驅動的增距機構沿井架8內的導軌上下移動、並精確定位，在井架8的兩根前立柱上配有齒條，齒條與水下頂驅9上的升降液壓馬達或電機驅動的齒輪，組成齒輪齒條副，使得水下頂驅9能夠完成定速下降鑽進作業以及起鑽作業，齒輪齒條副也可替換為油缸驅動的增距升降機構；圖I、圖2中的實施例均為齒輪齒條機構；水下頂驅9的中心管空心軸下端與取芯鑽杆10或保壓鑽杆13通過螺紋聯接，中心管上端設有喇叭口，用於取樣管14以及繩索取芯工具2進入中心管時導向；鑽頭、取芯鑽杆10和保壓鑽杆13 —起組成鑽具，水下頂驅9通過中心管驅動鑽具，旋轉鑽進取芯；井架8能夠支撐水下頂驅9的最大提升載荷，並能夠承受水下頂驅9鑽進時產生的反扭矩。水下頂驅9的中心管空心軸下端與鑽具通過螺紋聯接，水下頂驅9的下部配有背鉗，用於夾持鑽杆上端接頭，使其具有自主旋鬆、旋緊接頭螺紋的功能。液壓衝扣鉗16安裝在井架8的下部、鑽杆卡座17的上方，液壓衝扣鉗16由下部的背鉗、上部的衝扣鉗、夾緊油缸、衝扣油缸和進退油缸等組成，液壓衝扣鉗16的作用是旋鬆或旋緊井口處兩根鑽杆接頭之間的聯接螺紋，液壓衝扣鉗16可移入或移出井口位置。在底座20上的井口位置安裝有鑽杆卡座17，用於在接卸鑽杆時承擔井眼中鑽具的重量，能夠控制開合操作，打開時能使鑽具通過，閉合時能夠卡住鑽杆接頭，使接、卸鑽杆 的作業順利進行。液壓衝扣鉗16的旋鬆作業過程是當鑽杆卡座17卡住井眼中鑽杆上端接頭時，液壓衝扣鉗16移入到井口位置，背鉗夾緊卡座卡住的鑽杆接頭，衝扣鉗夾緊與之聯接的鑽杆接頭；然後，衝扣油缸推動衝扣鉗反轉，旋鬆聯接螺紋；背鉗、衝扣鉗分別鬆開，衝扣鉗轉回原始位，液壓衝扣鉗16移出井口位置；水下頂驅9中心管反轉、同時上升，旋開接頭螺紋。液壓衝扣鉗16的旋緊作業是旋鬆作業的逆過程。液壓系統15用於提供所有液壓設備的液壓驅動力以及控制執行元件所驅動的液壓設備按程序要求動作，完全適應深水作業環境；液壓系統15包括液壓源、控制元件、執行元件、傳感器及管線組成，執行元件安裝在各液壓設備上，分別驅動各液壓設備按要求動作，傳感器反饋各液壓設備狀態的信息，為自動、程序控制提供檢測信號。水下控制系統19，具有上述的所有操作設備的位置和狀態檢測、控制、通訊等功能，用於實現所有操作設備的位置、狀態檢測、自動控制、通訊或甲板遙控，完全適應深水作業環境，是本發明自動控制或甲板遙控的水下控制中心。本發明裝置通過搭載的普通科考船上的甲板設備，通過具有供電、通訊、起吊載荷能力的鎧裝吊纜下放至目標海底進行作業。本發明的深海沉積物連續保壓取芯作業方法，按照以下步驟實施步驟I、下入鑽機主體當鑽機主體4即將到達海底時，4組樁靴7在翻轉油缸6的驅動下翻轉到工作位，並接觸到海底；樁腿5通過升降油缸18將鑽機主體4升起，通過水平傳感器反饋的信號，水下控制系統19發出控制信號，液壓系統15分別控制4組樁腿5的升降調節，調平鑽機主體4的底座20 ；步驟2、鑽進、取芯作業2. I)水下頂驅9啟動，水下頂驅9的中心管低速正轉，同時水下頂驅9以與中心管轉速相關聯的速度邊下降邊鑽進，沉積物通過空心鑽頭進入取芯鑽杆10內卡住的取樣管14 (取芯鑽杆10及一根卡在其中的取樣管14，在鑽機入海前已聯接在水下頂驅9中心管上，鑽機回收時取芯鑽杆10仍舊聯接在中心管上)。直至取芯鑽杆10完全鑽入海底沉積物，沉積物巖芯全部進入取樣管14中，中心管停止轉動；水下頂驅9上升拔斷巖芯，繼續上升使取芯鑽杆10上端的接頭位於鑽杆卡座17之上，閉合鑽杆卡座17，水下頂驅9緩慢下降，使取芯鑽杆10上端接頭坐在鑽杆卡座17上；取樣管機械手I旋轉至井口位置，其上的繩索取芯工具2下放，通過中心管上端的喇叭口進入中心管內，到達取芯鑽杆10內的取樣管14處，解卡、抓住、並吊起充滿了巖芯的取樣管14出中心管；然後取樣管機械手I旋轉至排管架12上方的定點位置，下放取樣管14按照順序進入排管架12的空位並排放好，繩索取芯工具2鬆開取樣管14、提升設定高度後待命，一段巖芯鑽取作業完成；2. 2)水下頂驅9下部的背鉗夾緊取芯鑽杆10上端接頭，頂驅中心管反轉，旋鬆中心管與鑽杆接頭之間的螺紋，中心管停轉，背鉗鬆開，中心管再次反轉、同時水下頂驅9上升，旋開接頭螺紋；水下頂驅9繼續上升至最高位，鑽杆機械手11的手臂伸出至排管架12定點位置，卡爪夾緊保壓鑽杆 13並舉升設定高度、回縮取出保壓鑽杆13，旋轉設定角度後再伸出，將保壓鑽杆13送至井口，水下頂驅9邊正轉邊緩慢下降，與鑽杆機械手11夾持的保壓鑽杆13上端的接頭聯接、旋上，水下頂驅9停止下降、中心管停轉，水下頂驅9下部的背鉗夾緊鑽杆上端接頭，中心管再次正轉將此接頭旋緊，中心管停轉，背鉗鬆開；鑽杆機械手11的卡爪鬆開保壓鑽杆13，回縮、下降、旋轉回安裝位置待命；水下頂驅9中心管連同與之聯接好的保壓鑽杆13再次邊正轉邊緩慢下降，與鑽杆卡座17卡住的取芯鑽杆10上端接頭或保壓鑽杆13上端接頭聯接、旋上，頂驅停止下降、中心管停轉；液壓衝扣鉗16移入到井口位置，背鉗夾緊卡座卡住的取芯鑽杆10上端接頭或保壓鑽杆13上端接頭，衝扣鉗先反轉至極限位置後再夾緊與取芯鑽杆10上端接頭或保壓鑽杆13上端接頭聯接的新保壓鑽杆13下端接頭；然後，衝扣油缸推動衝扣鉗正轉，旋緊聯接的螺紋，一根新保壓鑽杆13聯接完畢；背鉗、衝扣鉗分別鬆開，衝扣鉗轉回原始位，液壓衝扣鉗16移出井口位置，排管架12步進旋轉設定角度並鎖緊，使下一根保壓鑽杆13和取樣管14位於待取出的定點位置；2. 3)下放繩索取芯工具2，從排管架12抓住並吊起取樣管14至設定高度，然後旋轉至井口位置水下頂驅9中心管上端喇叭口上方，下放取樣管14通過喇叭口進入中心管、保壓鑽杆13的內腔，直到到達取芯鑽杆10內孔中並卡住，繩索取芯工具2鬆開取樣管14、提出至水下頂驅9中心管上端喇叭口上方待命；水下頂驅9上升到設定高度，鑽杆卡座17打開；2. 4)水下頂驅9啟動，中心管以與下降速度相關聯的低速旋轉，邊下降邊鑽進，直至保壓鑽杆13鑽完，沉積物巖芯全部進入取樣管14中，頂驅中心管停轉，上提拔斷巖芯，繼續上升使與中心管聯接的鑽杆上端接頭位於鑽杆卡座17之上，閉合卡座，水下頂驅9緩慢下降，使保壓鑽杆13上端接頭坐在卡座上；下放繩索取芯工具2，通過中心管喇叭口進入中心管及保壓鑽杆13內腔，到達取芯鑽杆10內的取樣管14處，解卡、抓住、並吊起充滿了巖芯的取樣管14出中心管；然後旋轉至排管架12上方的定點位置，下放取樣管14至排管架12的空位並按照順序排放好，繩索取芯工具2鬆開取樣管14、並提升設定高度後待命，又一段巖芯鑽取作業完成；排管架12步進旋轉設定角度並鎖緊，使下一根保壓鑽杆13和取樣管14位於待取出的定點位置；2. 5)重複2. 1),2. 2),2. 3),2. 4)項操作，直到所有保壓鑽杆13依次聯接完、鑽完，所有充滿了巖芯的取樣管14依次全部排放在排管架12中，取芯作業完成；步驟3、起鑽作業3. I)水下頂驅9上升到設定高度，鑽杆卡座17打開，水下頂驅9繼續上升提出一根保壓鑽杆13，並使與之聯接的下一根的保壓鑽杆13上端接頭位於鑽杆卡座17之上，閉合卡座，水下頂驅9緩慢下降，使下一根保壓鑽杆13上端的接頭坐在卡座上；液壓衝扣鉗16移入到井口位置，背鉗夾緊卡座卡住的保壓鑽杆13上端接頭，衝扣鉗夾緊與之聯接的保壓鑽杆13的下端接頭；然後，衝扣油缸推動衝扣鉗反轉，旋鬆聯接螺紋；背鉗、衝扣鉗分別鬆開，衝扣鉗轉回原始位，液壓衝扣鉗16移出井口位置；水下頂驅9中心管反轉、同時上升，旋開接頭螺紋並繼續上升，使中心管聯接的保壓鑽杆13下端的接頭下平面提出至卡座卡住的保壓鑽杆13上端接頭的上平面之上設定高度，並在中心管聯接的保壓鑽杆13下端的接頭上裝上保壓護帽；
3. 2)鑽杆機械手11由安裝位旋轉至對準井口的位置，手臂伸出至井口並升高，卡爪夾緊保壓鑽杆13 ;水下頂驅9下部的背鉗夾緊保壓鑽杆13上端的接頭，水下頂驅9中心管反轉，旋鬆中心管與保壓鑽杆13上端接頭之間的螺紋，中心管停轉，背鉗鬆開，水下頂驅9中心管再次反轉、同時上升，旋開接頭螺紋；水下頂驅9上升至最高位，中心管下端接頭螺紋的下平面高於保壓鑽杆13上端接頭的上平面；鑽杆機械手11回縮、旋轉對準排管架12定點位置的排放空位、伸出、下降，將保壓鑽杆13排放在排管架12中；卡爪鬆開、手臂回縮、升高、旋轉對準井口待命；排管架12步進旋轉設定角度並鎖緊，使下一根保壓鑽杆13排放空位位於定點位置；3. 3)水下頂驅9邊正轉邊下降，到達鑽杆卡座17卡住的保壓鑽杆13上端接頭處再緩慢下降與接頭聯接、旋上，水下頂驅9中心管停轉；水下頂驅9下部的背鉗夾緊卡座卡住的保壓鑽杆13上端接頭，水下頂驅9中心管再次正轉，將此接頭旋緊，之後背鉗鬆開；3. 4)重複3. 1),3. 2),3. 3)項操作，直到所有保壓鑽杆13依次全部起出，取芯鑽杆10與水下頂驅9中心管聯接好，水下頂驅9上升至入海前的高度，起鑽作業完成；步驟4、保壓作業4. I)取樣管機械手I旋轉至排管架12上方定點位置，下放其上的繩索取芯工具2至排管架12上內圈排放的充滿沉積物巖芯的取樣管14上端，繩索取芯工具2抓住並吊起取樣管14，提吊至其下端高於保壓鑽杆13上端接頭上平面的位置，取樣管機械手I旋轉一個小角度，使取樣管14位於排管架12外圈排放的保壓鑽杆13的上方，下放取樣管14入保壓鑽杆13中並裝好，繩索取芯工具2鬆開取樣管14並提出，取樣管機械手I旋轉至排管架12上方定點位置待命；排管架12步進旋轉設定角度並鎖緊，使下一根取樣管14和空心的保壓鑽杆13位於定點位置；4. 2)重複4. I)項操作，直到所有取樣管14分別裝入每一個對應的保壓鑽杆13中；4. 3)鑽杆機械手11旋轉至安裝位，手臂伸出至排管架12定點位置，卡爪夾緊已裝好取樣管14的保壓鑽杆13，並在上端接頭上裝上保壓護堵；鑽杆機械手11卡爪鬆開、手臂回縮待命；排管架12步進旋轉設定角度並鎖緊，使下一根未安裝保壓護堵的保壓鑽杆13位於定點位置；4. 4)重複4. 3)項操作，直到所有保壓鑽杆13都安裝好一個保壓護堵，保壓作業完成；步驟5、所有樁腿5通過各自的升降油缸18將鑽機主體4降下，所有樁靴7在翻轉油缸6的驅動下收回到入海前的位置(收起與樁腿5靠近的摺疊位置)；如某個樁靴7深陷在海底沉積物中無法脫離時將被拋棄；然後，科考船甲板設備利用鎧裝吊纜通過主體框架3將本發明的鑽機主體4回收至甲板，全部作業完成。
本發明的深海沉積物連續保壓取芯海底鑽機及作業方法，設置有以下部件，包括可在低擾動旋轉鑽進取芯作業中採用旋轉速度與下降速度相關聯驅動鑽具的水下頂驅；可支撐頂驅提升的最大載荷及承受頂驅鑽井時的反扭矩並對頂驅升降進行驅動導向的井架；可排放取樣管、保壓鑽杆並具有步進旋轉、鎖緊功能的排管架；可容納沉積物巖芯的取樣管；即可作為鑽進時的鑽杆又可作為巖芯保壓容器的保壓鑽杆；可水平伸縮、垂直升降、定角度旋轉的鑽杆機械手；入海後可升起上臂、具有定角度旋轉、通過繩索取芯工具抓取或鬆開取樣管的取樣管機械手；可支撐井眼中鑽具重量的開合式鑽杆卡座；可對井口位置鑽杆接頭進行旋緊、旋鬆作業並可進入或退出井口位置的液壓衝扣鉗；4組或多組可翻轉、可升降、樁靴可丟棄的樁腿；提供全部液壓設備驅動力、程序控制各液壓設備動作的液壓系統；具有所有設備的位置和狀態檢測、自動控制、通訊或甲板遙控等功能的水下控制系統。本發明裝置，可搭載在普通科考船上，通過甲板設備的鎧裝纜下放至海底，在一次 下入海底就位後，對海底沉積物進行低擾動鑽進和連續多段取芯，同時對每段巖芯進行保壓處理等作業，待作業完成後，通過鎧裝纜將其回收至甲板，結構緊湊、工作可靠、體積小、重量輕、工作效率高、低擾動、取芯率高。
權利要求
1.一種深海沉積物連續保壓取芯海底鑽機，其特徵在於包括底座(20)，在底座(20) 上分別設置有取樣管機械手(I)、多個樁腿(5)、井架(8)、鑽杆機械手(11)、排管架(12)、液壓系統(15)、液壓衝扣鉗(16)、鑽杆卡座(17)及水下控制系統(19)，這些部件一起構成鑽機主體(4)；在底座(20)上固定安裝有主體框架(3)，主體框架(3)的上端與海上平臺的鎧裝吊纜連接；在底座(20)上沿外表面均勻固定設置有多組豎直的樁腿滑槽(21)，每個樁腿滑槽(21)中滑動安裝有一個樁腿(5)，每個樁腿(5)的下端鉸接有一個樁靴(7)，樁靴(7)與樁腿(5)上端外側之間鉸接有翻轉油缸(6)，每個樁腿(5)的上端內側與一個升降油缸(18)鉸接;排管架(12)設置在底座(20)上表面，排管架(12)中排放設置有保壓鑽杆(13)和取樣管(14 )，保壓鑽杆(13 )排放在外圈，取樣管(14 )排放在內圈；在井架(8)中安裝有水下頂驅(9)。
2.根據權利要求I所述的深海沉積物連續保壓取芯海底鑽機，其特徵在於所述的鑽杆機械手(11)用於對排管架(12)中的保壓鑽杆(13)進行取出和放入，以及將保壓鑽杆(13)送至井口及移出；所述的取樣管機械手(I)用於在排管架(12)上方定點位置吊出取樣管(14)，放入井口處保壓鑽杆(13)下端聯接的取芯鑽杆(10)內；以及從井口處保壓鑽杆(13)下部聯接的取芯鑽杆(10)內吊出取樣管(14),放入排管架(12)上。
3.根據權利要求I所述的深海沉積物連續保壓取芯海底鑽機，其特徵在於所述的排管架(12)為迴轉型結構，排管架(12)上部外圈為開口式鑽杆接頭卡槽板，排管架(12)上部內圈為孔板，排管架(12)下部下層板為承載板，用於支撐所有保壓鑽杆(13)和取樣管(14)。
4.根據權利要求I所述的深海沉積物連續保壓取芯海底鑽機，其特徵在於所述的水下頂驅(9)的中心管空心軸下端與取芯鑽杆(10)或保壓鑽杆(13)通過螺紋聯接，中心管上端設有喇叭口，水下頂驅(9)的下部配有背鉗。
5.根據權利要求I所述的深海沉積物連續保壓取芯海底鑽機，其特徵在於所述的液壓衝扣鉗(16)安裝在井架(8)的下部、鑽杆卡座(17)的上方，液壓衝扣鉗(16)包括下部的背鉗、上部的衝扣鉗、夾緊油缸、衝扣油缸和進退油缸組成。
6.根據權利要求I所述的深海沉積物連續保壓取芯海底鑽機，其特徵在於所述底座(20)上的井口位置安裝有鑽杆卡座(17)，鑽杆卡座(17)打開時能使鑽具通過，鑽杆卡座(17)閉合時能夠卡住鑽杆接頭。
7.—種深海沉積物連續保壓取芯作業方法，其特徵在於，利用權利要求I到6任一裝置，按照以下步驟實施步驟I、下入鑽機主體當鑽機主體(4)即將到達海底時，多組樁靴(7)在翻轉油缸(6)的驅動下翻轉到工作位，並接觸到海底；各個樁腿(5)通過升降油缸(18)將鑽機主體(4)升起，通過水平傳感器反饋的信號，水下控制系統(19)發出控制信號，液壓系統(15)分別控制每個樁腿(5)的升降調節，調平底座(20);2步驟2、鑽進、取芯作業 . 2.I)水下頂驅(9)啟動，水下頂驅(9)的中心管低速正轉，同時水下頂驅(9)以與中心管轉速相關聯的速度邊下降邊鑽進，沉積物通過空心鑽頭進入取芯鑽杆(10)內卡住的取樣管(14)，直至取芯鑽杆(10)完全鑽入海底沉積物，沉積物巖芯全部進入取樣管(14)中，中心管停止轉動；水下頂驅(9)上升拔斷巖芯，繼續上升使取芯鑽杆(10)上端的接頭位於鑽杆卡座(17)之上，閉合鑽杆卡座(17)，水下頂驅(9)緩慢下降，使取芯鑽杆(10)上端接頭坐在鑽杆卡座(17)上；取樣管機械手(I)旋轉至井口位置，其上的繩索取芯工具(2)下放，通過中心管上端的喇叭口進入中心管內，到達取芯鑽杆(10 )內的取樣管(14 )處，解卡、抓住、並吊起充滿了巖芯的取樣管(14)出中心管；然後取樣管機械手(I)旋轉至排管架(12)上方的定點位置，下放取樣管(14)按照順序進入排管架(12)的空位並排放好，繩索取芯工具 (2)鬆開取樣管(14)，提升設定高度後待命，一段巖芯鑽取作業完成； .2.2)水下頂驅(9)下部的背鉗夾緊取芯鑽杆(10)上端接頭，頂驅中心管反轉，旋鬆中心管與鑽杆接頭之間的螺紋，中心管停轉，背鉗鬆開，中心管再次反轉、同時水下頂驅(9)上升，旋開接頭螺紋；水下頂驅(9)繼續上升至最高位，鑽杆機械手(11)的手臂伸出至排管架(12)定點位置，卡爪夾緊保壓鑽杆(13)並舉升設定高度、回縮取出保壓鑽杆(13)，旋轉設定角度後再伸出，將保壓鑽杆(13)送至井口，水下頂驅(9)邊正轉邊緩慢下降，與鑽杆機械手(11)夾持的保壓鑽杆(13)上端的接頭聯接、旋上，水下頂驅(9)停止下降、中心管停轉，水下頂驅(9)下部的背鉗夾緊鑽杆上端接頭，中心管再次正轉將此接頭旋緊，中心管停轉，背鉗鬆開；鑽杆機械手(11)的卡爪鬆開保壓鑽杆(13)，回縮、下降、旋轉回安裝位置待命；水下頂驅(9)中心管連同與之聯接好的保壓鑽杆(13)再次邊正轉邊緩慢下降，與鑽杆卡座(17)卡住的取芯鑽杆(10)上端接頭或保壓鑽杆(13)上端接頭聯接、旋上，頂驅停止下降、中心管停轉；液壓衝扣鉗(16)移入到井口位置，背鉗夾緊卡座卡住的取芯鑽杆(10)上端接頭或保壓鑽杆(13)上端接頭，衝扣鉗先反轉至極限位置後再夾緊與取芯鑽杆(10)上端接頭或保壓鑽杆(13)上端接頭聯接的新保壓鑽杆(13)下端接頭；然後，衝扣油缸推動衝扣甜正轉，旋緊聯接的螺紋，一根新保壓鑽杆(13)聯接完畢；背鉗、衝扣鉗分別鬆開，衝扣鉗轉回原始位，液壓衝扣鉗(16)移出井口位置，排管架(12)步進旋轉設定角度並鎖緊，使下一根保壓鑽杆(13)和取樣管(14)位於待取出的定點位置； . 2.3)下放繩索取芯工具(2)，從排管架(12)抓住並吊起取樣管(14)至設定高度，然後旋轉至井口位置水下頂驅(9 )中心管上端喇叭口上方，下放取樣管(14 )通過喇叭口進入中心管、保壓鑽杆(13)的內腔，直到到達取芯鑽杆(10)內孔中並卡住，繩索取芯工具(2)鬆開取樣管(14)、提出至水下頂驅(9)中心管上端喇叭口上方待命；水下頂驅(9)上升到設定高度，鑽杆卡座(17)打開； . 2.4)水下頂驅(9)啟動，中心管以與下降速度相關聯的低速旋轉，邊下降邊鑽進，直至保壓鑽杆(13)鑽完，沉積物巖芯全部進入取樣管(14)中，頂驅中心管停轉，上提拔斷巖芯，繼續上升使與中心管聯接的鑽杆上端接頭位於鑽杆卡座(17)之上，閉合卡座，水下頂驅(9)緩慢下降，使保壓鑽杆(13)上端接頭坐在卡座上；下放繩索取芯工具(2)，通過中心管喇叭口進入中心管及保壓鑽杆(13)內腔，到達取芯鑽杆(10)內的取樣管(14)處，解卡、抓住、並吊起充滿了巖芯的取樣管(14)出中心管；然後旋轉至排管架(12)上方的定點位置，下放取樣管(14)至排管架(12)的空位並按照順序排放好，繩索取芯工具(2)鬆開取樣管(14)、並提升設定高度後待命，又一段巖芯鑽取作業完成； 排管架(12)步進旋轉設定角度並鎖緊，使下一根保壓鑽杆(13)和取樣管(14)位於待取出的定點位置； .2.5)重複2. I)、2. 2)、2. 3)、2. 4)項操作，直到所有保壓鑽杆(13)依次聯接完、鑽完，所有充滿了巖芯的取樣管(14)依次全部排放在排管架(12)中，取芯作業完成； 步驟3、起鑽作業 .3.I)水下頂驅(9)上升到設定高度，鑽杆卡座(17)打開，水下頂驅(9)繼續上升提出一根保壓鑽杆(13)，並使與之聯接的下一根的保壓鑽杆(13)上端接頭位於鑽杆卡座(17)之上，閉合卡座，水下頂驅(9)緩慢下降，使下一根保壓鑽杆(13)上端的接頭坐在卡座上；液壓衝扣鉗(16)移入到井口位置，背鉗夾緊卡座卡住的保壓鑽杆(13)上端接頭，衝扣鉗夾緊與之聯接的保壓鑽杆(13)的下端接頭；然後，衝扣油缸推動衝扣鉗反轉，旋鬆聯接螺紋；背鉗、衝扣鉗分別鬆開，衝扣鉗轉回原始位，液壓衝扣鉗(16)移出井口位置；水下頂驅(9)中心管反轉、同時上升，旋開接頭螺紋並繼續上升，使中心管聯接的保壓鑽杆(13)下端的接頭下平面提出至卡座卡住的保壓鑽杆(13)上端接頭的上平面之上設定高度，並在中心管聯接的保壓鑽杆(13)下端的接頭上裝上保壓護帽； .3.2)鑽杆機械手(11)由安裝位旋轉至對準井口的位置，手臂伸出至井口並升高，卡爪夾緊保壓鑽杆(13);水下頂驅(9)下部的背鉗夾緊保壓鑽杆(13)上端的接頭，水下頂驅(9)中心管反轉，旋鬆中心管與保壓鑽杆(13)上端接頭之間的螺紋，中心管停轉，背鉗鬆開，水下頂驅(9)中心管再次反轉、同時上升，旋開接頭螺紋；水下頂驅(9)上升至最高位，中心管下端接頭螺紋的下平面高於保壓鑽杆(13)上端接頭的上平面；鑽杆機械手(11)回縮、旋轉對準排管架(12)定點位置的排放空位、伸出、下降，將保壓鑽杆(13)排放在排管架(12)中；卡爪鬆開、手臂回縮、升高、旋轉對準井口待命；排管架(12)步進旋轉設定角度並鎖緊，使下一根保壓鑽杆(13)排放空位位於定點位置； .3.3)水下頂驅(9)邊正轉邊下降，到達鑽杆卡座(17)卡住的保壓鑽杆(13)上端接頭處再緩慢下降與接頭聯接、旋上，水下頂驅(9)中心管停轉；水下頂驅(9)下部的背鉗夾緊卡座卡住的保壓鑽杆(13)上端接頭，水下頂驅(9)中心管再次正轉，將此接頭旋緊，之後背鉗鬆開； .3.4)重複3. 1),3. 2),3. 3)項操作，直到所有保壓鑽杆(13)依次全部起出，取芯鑽杆(10)與水下頂驅(9)中心管聯接好，水下頂驅(9)上升至入海前的高度，起鑽作業完成； 步驟4、保壓作業 .4.I)取樣管機械手(I)旋轉至排管架(12)上方定點位置，下放其上的繩索取芯工具(2)至排管架(12)上內圈排放的充滿沉積物巖芯的取樣管(14)上端，繩索取芯工具(2)抓住並吊起取樣管(14)，提吊至其下端高於保壓鑽杆(13)上端接頭上平面的位置，取樣管機械手(I)旋轉一個小角度，使取樣管(14)位於排管架(12)外圈排放的保壓鑽杆(13)的上方，下放取樣管(14)入保壓鑽杆(13)中並裝好，繩索取芯工具(2)鬆開取樣管(14)並提出，取樣管機械手(I)旋轉至排管架(12)上方定點位置待命；排管架(12)步進旋轉設定角度並鎖緊，使下一根取樣管(14)和空心的保壓鑽杆(13)位於定點位置； .4. 2)重複4. I)項操作，直到所有取樣管(14)分別裝入每一個對應的保壓鑽杆(13)中； .4.3)鑽杆機械手(11)旋轉至安裝位，手臂伸出至排管架(12)定點位置，卡爪夾緊已裝好取樣管(14)的保壓鑽杆(13)，並在上端接頭上裝上保壓護堵；鑽杆機械手(11)卡爪鬆開、手臂回縮待命；排管架(12)步進旋轉設定角度並鎖緊，使下一根未安裝保壓護堵的保壓鑽杆(13)位於定點位置； .4.4)重複4. 3)項操作，直到所有保壓鑽杆(13)都安裝好一個保壓護堵，保壓作業完成； 步驟5、樁腿(5)通過升降油缸(18)將鑽機主體(4)降下，樁靴(7)在翻轉油缸(6)的驅動下收回到入海前的位置；然後，利用鎧裝吊纜通過主體框架(3)將鑽機主體(4)回收至甲板，全部作業完成。
全文摘要
本發明公開了一種深海沉積物連續保壓取芯海底鑽機，包括在底座上分別設置有取樣管機械手、多個樁腿、井架、鑽杆機械手、排管架、液壓系統、液壓衝扣鉗、鑽杆卡座及水下控制系統，在底座上固定安裝有主體框架；在底座上設置有多組樁腿及其樁靴，樁靴與樁腿之間鉸接有翻轉油缸，樁腿的上端內側與一個升降油缸鉸接；排管架設置在底座上表面，排管架中排放設置有保壓鑽杆和取樣管，在井架中安裝有水下頂驅。本發明裝置，通過海上平臺的鎧裝纜下放至海底，一次下入海底就位後，對海底沉積物進行低擾動鑽進和連續多段取芯，同時對每段巖芯進行保壓處理等作業，具有結構緊湊、工作可靠、體積小、重量輕、工作效率高、低擾動、取芯率高的特點。
文檔編號E21B25/18GK102913162SQ20121041911
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月26日 優先權日2012年10月26日
發明者王進全, 任克忍, 王兵, 楊紅剛, 魏代鋒 申請人:寶雞石油機械有限責任公司