新型深海自動接杆保壓取樣鑽機及使用方法
2023-09-19 21:49:30
專利名稱：新型深海自動接杆保壓取樣鑽機及使用方法
技術領域：
本發明屬於海洋勘探機械設備技術領域，涉及一種新型深海自動接杆保壓取樣鑽機。
背景技術：
海底擁有大量礦藏資源，海洋資源的開發，特別是深海底賦存的各種礦產資源開發是一個新開發的技術領域。目前深海鑽機或取芯器一般都不能實現在與深海原位基本相同的壓力和溫度條件下對所取巖芯進行保存，當巖芯取回實驗室後，其吸附的生物和化學成分發生了變化，故對這種巖芯所做的一些生化試驗和測試數據將是不精確的。專利200920064592. 8公開了一種海底自動接杆鑽機用旋轉式鑽管存儲機構。該機構將鑽管存儲於分度圓盤存儲架內，通過分度圓盤的定角度旋轉來實現鑽管的取用與回收。該機構結構複雜，且對操作性要求較高，同時受分度圓盤尺寸限制，其存儲鑽管的數量有限，不利於較深孔工況下的鑽進。專利200310107888. 0公開了一種帶預進給和預定位置的深海取芯器，主要由取芯鑽機和預進給預定位裝置組成。取芯鑽機與推進面板連接固定，預推進液壓缸的活塞通過耳環與推進面板連接，利用兩個平行安裝的預推進液壓缸代替機構複雜的機械手臂，該取芯器也不帶保真存儲功能。
發明內容
本發明目的是克服現有技術的不足，提供一種新型深海自動接杆保壓取樣鑽機及其使用方法。新型深海自動接杆保壓取樣鑽機，包括外框架、支撐調平機構、鑽管存儲機構、內襯管存儲機構、含樣內襯管保壓裝配機構、主機械手及鑽機液壓動力控制系統，所述主機械手和含樣內襯管保壓裝配機構一起完成含樣內襯管的保壓裝配過程。所述鑽管存儲機構包括鑽管存儲倉、鑽管控制夾、鑽管斜坡槽、若干鑽管；兩個鑽管存儲倉並排設置，內裝若干鑽管，鑽管存儲倉內最底部的鑽管預先安裝上鑽頭和內襯管；鑽管存儲倉的底部安裝有鑽管控制夾，通過控制機構可以按指令自動放下一個鑽管；其中鑽管斜坡槽利用鑽管的自重，使鑽管從左到右運動，至鑽管運送主機械手，其中在鑽管斜坡槽最右端有一彎道，可以促使運動的鑽管停住，待鑽管運送主機械手抓取。類似的，所述內襯管存儲機構包括內襯管存儲倉、內襯管控制夾、內襯管斜坡槽、若干內襯管；三個內襯管存儲倉並排設置，三個內襯管存儲倉有兩個內襯管存儲倉裝內襯管，第三個內襯管存儲倉置空；內襯管存儲倉的底部安裝有內襯管控制夾，通過控制機構可以按指令自動放下一個內襯管；其中內襯管斜坡槽利用內襯管的自重，使內襯管從左到右運動，至內襯管運送主機械手，其中在內襯管斜坡槽最右端有一彎道，可以促使運動的內襯管停住，待內襯管運送主機械手抓取。所述主機械手包括鑽管運送主機械手、鑽管回收主機械手、內襯管運送主機械手、內襯管回收主機械手及連接件，四個機械手均可實現升降、旋轉、伸縮功能，鑽管運送主機、械手、內襯管運送主機械手分別位於鑽管存儲機構、內襯管存儲機構的底部，且通過升降、旋轉和伸縮後可從鑽管斜坡槽或內襯管斜坡槽抓取鑽管或內襯管；鑽管回收主機械手、內襯管回收主機械手分別位於鑽管存儲機構及內襯管存儲機構的頂部，且通過升降、旋轉和伸縮後抓取含樣內襯管或裝配好的含樣保壓鑽管。所述含樣內襯管保壓裝配機構包括輔助機械手、裝配機械手、保壓蓋、旋蓋機構、保壓蓋存儲機構，和主機械手一同完成內襯管的保壓裝配過程；輔助機械手、裝配機械手均可實現升降、旋轉、伸縮功能；輔助機械手位於深孔鑽 進平臺的同心圓周上，且通過升降、旋轉和伸縮後可從鑽管運送主機械手抓取鑽管；裝配機械手也位於深孔鑽進平臺的同心圓周上，且通過旋轉、伸縮可將保壓蓋套裝在輔助機械手抓取的鑽管處；旋蓋機構安裝於裝配機械手內，通過旋轉一定角度可擰緊保壓蓋；保壓蓋存儲機構位於裝配機械手初始位置附近，分為完全對齊的上下兩個保壓蓋存儲倉，可存儲一定數量的保壓蓋，中間留出一定距離的空間，可放入一段鑽管。所述外框架內還設置有動力頭機構及繩索取芯機構，動力頭機構完成鑽管的下鑽及回收；繩索取芯機構在動力頭機構的配合下完成內襯管的下放及回收。以上所有機構運動所需的能量均由鑽機液壓動力控制系統提供。上述裝置的使用方法包括下鑽及回收和保壓裝配兩個部分，具體步驟如下
I.下鑽及回收過程
I)開始鑽孔前，鑽管和內襯管依次排列並分別存儲於鑽管存儲倉和內襯管存儲倉內。2)開始鑽孔，鑽管控制夾打開，使第一根鑽管順利落入鑽管斜坡槽，鑽管在重力作用下運動至鑽管斜坡槽最右邊彎道處，鑽管運送主機械手抓取鑽管，此時鑽管的兩端由兩個鑽管運送主機械手同時抓取並抬升至適當高度，左側的鑽管運送主機械手移動至鑽管的中心位置固定，另一鑽管運送主機械手鬆開，僅由一個鑽管運送主機械手將鑽管旋轉至豎直狀態，並運送至深孔鑽進平臺並由動力頭下鑽，下鑽完畢由繩索取回含樣內襯管，並通過內襯管回收主機械手抓取至預先置空的內襯管存儲倉頂部放下，含樣內襯管在重力作用下落入內襯管存儲倉底部。3) 一次鑽管下鑽及含樣內襯管回收完畢，進行下一次下鑽及回收過程，按「內襯管一鑽管」順序下鑽，並回收含樣內襯管，循環若干次直至全部鑽管下鑽完畢，全部含樣內襯管回收完畢。2.保壓裝配過程
I)裝配前，全部內襯管存儲於內襯管存儲倉內，全部鑽管位於鑽機平面以下。2)裝配開始內襯管控制夾打開，含樣內襯管在重力作用下運動至內襯管斜坡槽最右端彎道處，內襯管運送主機械手抓取含樣內襯管傳遞給裝配機械手，抓取過程與鑽管類似；動力頭回收頂部鑽管，由鑽管運送主機械手抓取該鑽管傳遞給輔助機械手；裝配機械手抬升至一定高度，輔助機械手伸縮至裝配機械手正下方，裝配機械手將含樣內襯管下放至鑽管，鑽管將含樣內襯管套在內部，此時鑽管作為保壓管使用；輔助機械手將裝有含樣內襯管的鑽管移送至保壓蓋存儲機構，置於上下保壓蓋存儲倉之間，其軸線與保壓蓋中心線重合，上下保壓蓋存儲倉分別推出一個保壓蓋，輔助機械手固定鑽管，裝配機械手對鑽管兩頭進行壓蓋封裝並保壓。3)裝配完畢，鑽管回收主機械手將保壓完畢的鑽管重新存放於鑽管存儲倉內適當位置。4)循環執行上述步驟若干次，直至全部鑽管裝配完畢，並回收至鑽管存儲機構。本發明與背景技術相比，具有的有益效果是它將鑽管存儲機構和內襯管存儲機構分別布置在鑽機平臺的兩個對角，能充分利用鑽機空間，存儲較多的鑽管和內襯管，且操作簡單方便，使用成本較低，並能廣泛適用於多深度鑽孔場合。同時利用鑽管和內襯管自重作為動力達到部分運動效果，一定程度上節約能源；與之配合的保壓蓋裝配設計利用鑽機自帶的液壓系統，簡化保壓過程，一定程度上降低了使用成本。而且，利用鑽管套內襯管的方式實現了保壓取樣過程。總之，本發明結合現有深孔鑽進技術，大大提高取樣效率，進一步降低成本。
圖I是本發明的總體設計布局圖； 圖2是本發明鑽管存儲機構側視圖及其主機械手布局 圖3是本發明內襯管存儲機構側視圖及其主機械手布局 圖4是本發明含樣內襯管保壓裝配機構。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明作進一步說明。如圖I所示，本發明新型深海自動接杆保壓取樣鑽機，包括外框架8、支撐調平機構5、鑽管存儲機構I、內襯管存儲機構2、含樣內襯管保壓裝配機構3、主機械手6及鑽機液壓動力控制系統4，所述主機械手6和含樣內襯管保壓裝配機構3—起完成含樣內襯管的保壓裝配過程。如圖2所示，鑽管存儲機構I包括鑽管存儲倉10、鑽管控制夾11、鑽管斜坡槽12、若干鑽管9 ;兩個鑽管存儲倉10並排設置，內裝若干鑽管9，鑽管存儲倉10內最底部的鑽管9預先安裝上鑽頭和內襯管；鑽管存儲倉10的底部安裝有鑽管控制夾11，通過控制機構可以按指令自動放下一個鑽管10 ;其中鑽管斜坡槽12利用鑽管9的自重，使鑽管9從左到右運動，至鑽管運送主機械手13，其中在鑽管斜坡槽12最右端有一彎道，可以促使運動的鑽管9停住，待鑽管運送主機械手13抓取。類似的，如圖3所示，內襯管存儲機構2包括內襯管存儲倉16、內襯管控制夾18、內襯管斜坡槽19、若干內襯管17 ;三個內襯管存儲倉16並排設置，三個內襯管存儲倉16有兩個內襯管存儲倉16裝內襯管17，第三個內襯管存儲倉16置空；內襯管存儲倉16的底部安裝有內襯管控制夾18，通過控制機構可以按指令自動放下一個內襯管17 ;其中內襯管斜坡槽19利用內襯管17的自重，使內襯管17從左到右運動，至內襯管運送主機械手20，其中在內襯管斜坡槽19最右端有一彎道，可以促使運動的內襯管17停住，待內襯管運送主機械手20抓取。如圖2及圖3所示，所述主機械手，6包括鑽管運送主機械手13、鑽管回收主機械手14、內襯管運送主機械手20、內襯管回收主機械手21及連接件15，四個機械手均可實現升降、旋轉、伸縮功能，鑽管運送主機械手13、內襯管運送主機械手20分別位於鑽管存儲機構I、內襯管存儲機構2的底部，且通過升降、旋轉和伸縮後可從鑽管斜坡槽12或內襯管斜坡槽19抓取鑽管9或內襯管17 ;鑽管回收主機械手14、內襯管回收主機械手21分別位於鑽管存儲機構I及內襯管存儲機構2的頂部，且通過升降、旋轉和伸縮後抓取含樣內襯管17或裝配好的含樣保壓鑽管9。如圖4所示，所述含樣內襯管保壓裝配機構3，包括輔助機械手22、裝配機械手23、保壓蓋26、旋蓋機構24、保壓蓋存儲機構25，和主機械手6 —同完成內襯管的保壓裝配過程；輔助機械手22、裝配機械手23兩個機械手均可實 現升降、旋轉、伸縮功能；輔助機械手22位於深孔鑽進平臺7的同心圓周上，且通過升降、旋轉和伸縮後可從鑽管運送主機械手13抓取鑽管9 ;裝配機械手23也位於深孔鑽進平臺7的同心圓周上，且通過旋轉、伸縮可將保壓蓋26套裝在輔助機械手22抓取的鑽管9處；旋蓋機構24安裝於裝配機械手23內，通過旋轉一定角度可擰緊保壓蓋26 ;保壓蓋存儲機構25位於裝配機械手23初始位置附近，分為完全對齊的上下兩個保壓蓋存儲倉，可存儲一定數量的保壓蓋26，中間留出一定距離的空間，可放入一段鑽管9。外框架8內還設置有動力頭機構及繩索取芯機構，動力頭機構完成鑽管9的下鑽及回收；繩索取芯機構在動力頭機構的配合下完成內襯管17的下放及回收。以上所有機構運動所需的能量均由鑽機液壓動力控制系統4提供。該裝置使用方法包括下鑽及回收和保壓裝配兩個部分，具體步驟如下
I.下鑽及回收過程
I)開始鑽孔前，鑽管9和內襯管17依次排列並分別存儲於鑽管存儲倉10和內襯管存儲倉16內。2)開始鑽孔，鑽管控制夾11打開，使第一根鑽管9順利落入鑽管斜坡槽12，鑽管9在重力作用下運動至鑽管斜坡槽12最右邊彎道處，鑽管運送主機械手13抓取鑽管9，此時鑽管9的兩端由兩個鑽管運送主機械手13同時抓取並抬升至適當高度，左側的鑽管運送主機械手13移動至鑽管9的中心位置固定，另一鑽管運送主機械手13鬆開，僅由一個鑽管運送主機械手13將鑽管9旋轉至豎直狀態，並運送至深孔鑽進平臺7並由動力頭下鑽，下鑽完畢由繩索取回含樣內襯管17，並通過內襯管回收主機械手21抓取至預先置空的內襯管存儲倉16頂部放下，含樣內襯管17在重力作用下落入內襯管存儲倉16底部。3)—次鑽管9下鑽及含樣內襯管17回收完畢，進行下一次下鑽及回收過程，按「內襯管17 —鑽管9」順序下鑽，並回收含樣內襯管17，循環若干次直至全部鑽管9下鑽完畢，全部含樣內襯管17回收完畢。2.保壓裝配過程
I)裝配前，全部內襯管17存儲於內襯管存儲倉16內，全部鑽管9位於鑽機平面以下。2)裝配開始內襯管控制夾18打開，含樣內襯管17在重力作用下運動至內襯管斜坡槽19最右端彎道處，內襯管運送主機械手20抓取含樣內襯管17傳遞給裝配機械手23，抓取過程與鑽管9類似；動力頭回收頂部鑽管9，由鑽管運送主機械手13抓取該鑽管9傳遞給輔助機械手22 ;裝配機械手23抬升至一定高度，輔助機械手22伸縮至裝配機械手23正下方，裝配機械手23將含樣內襯管17下放至鑽管9，鑽管9將含樣內襯管17套在內部，此時鑽管9作為保壓管使用；輔助機械手22將裝有含樣內襯管17的鑽管9移送至保壓蓋存儲機構25，置於上下保壓蓋存儲倉之間，其軸線與保壓蓋中心線重合，上下保壓蓋存儲倉分別推出一個保壓蓋，輔助機械手22固定鑽管9，裝配機械手23對鑽管9兩頭進行壓蓋封裝並保壓。3)裝配完畢,鑽管回收主機械手14將保壓完畢的鑽管9重新存放於鑽管存儲倉10內適當位置。 4)循環執行上述步驟若干次，直至全部鑽管9裝配完畢，並回收至鑽管存儲機構
Io
權利要求
1.新型深海自動接杆保壓取樣鑽機，包括外框架(8)、支撐調平機構(5)、鑽管存儲機構(I)、內襯管存儲機構(2)、含樣內襯管保壓裝配機構(3)、主機械手(6)及鑽機液壓動力控制系統(4)，所述主機械手(6)和含樣內襯管保壓裝配機構(3) —起完成含樣內襯管的保壓裝配過程； 所述鑽管存儲機構(I)包括鑽管存儲倉(10)、鑽管控制夾(11)、鑽管斜坡槽(12)、若干鑽管(9);兩個鑽管存儲倉(10)並排設置， 內裝若干鑽管(9)，鑽管存儲倉(10)內最底部的鑽管(9)預先安裝上鑽頭和內襯管(16);鑽管存儲倉(10)的底部安裝有鑽管控制夾(11)，通過控制機構可以按指令自動放下一個鑽管(9);其中鑽管斜坡槽(12)利用鑽管(9)的自重，使鑽管(9)從左到右運動，至鑽管運送主機械手(13)，其中在鑽管斜坡槽(12)最右端有一彎道，可以促使運動的鑽管(9)停住，待鑽管運送主機械手(13)抓取； 所述內襯管存儲機構(2)包括內襯管存儲倉(16)、內襯管控制夾(18)、內襯管斜坡槽(19)、若干內襯管(17);三個內襯管存儲倉(16)並排設置，三個內襯管存儲倉(16)有兩個內襯管存儲倉(16)裝內襯管(17)，第三個內襯管存儲倉(16)置空；內襯管存儲倉(16)的底部安裝有內襯管控制夾(18)，通過控制機構可以按指令自動放下一個內襯管(17);其中內襯管斜坡槽(19)利用內襯管(17)的自重，使內襯管(17)從左到右運動，至內襯管運送主機械手(20)，其中在內襯管斜坡槽(19)最右端有一彎道，可以促使運動的內襯管(17)停住，待內襯管運送主機械手(20)抓取； 所述主機械手(6)包括鑽管運送主機械手(13)、鑽管回收主機械手(14)、內襯管運送主機械手(20 )、內襯管回收主機械手(21)及連接件(15 )，四個機械手均可實現升降、旋轉、伸縮功能，鑽管運送主機械手(13)、內襯管運送主機械手(20)分別位於鑽管存儲機構(I )、內襯管存儲機構(2)的底部，且通過升降、旋轉和伸縮後可從鑽管斜坡槽(12)或內襯管斜坡槽(19 )抓取鑽管(9)或內襯管(17);鑽管回收主機械手(14 )、內襯管回收主機械手(21)分別位於鑽管存儲機構(I)及內襯管存儲機構(2)的頂部，且通過升降、旋轉和伸縮後抓取含樣內襯管(17 )或裝配好的含樣保壓鑽管(9 ); 所述含樣內襯管保壓裝配機構(3)包括輔助機械手(22)、裝配機械手(23)、保壓蓋(26)、旋蓋機構(24)、保壓蓋存儲機構(25)，和主機械手(6)—同完成內襯管的保壓裝配過程；輔助機械手(22)、裝配機械手(23)均可實現升降、旋轉、伸縮功能；輔助機械手(22)位於深孔鑽進平臺(7)的同心圓周上，且通過升降、旋轉和伸縮後可從鑽管運送主機械手(13)抓取鑽管(9);裝配機械手(23)也位於深孔鑽進平臺(7)的同心圓周上，且通過旋轉、伸縮可將保壓蓋(26)套裝在輔助機械手(22)抓取的鑽管(9)處；旋蓋機構(24)安裝於裝配機械手(23 )內，通過旋轉一定角度可擰緊保壓蓋(26 );保壓蓋存儲機構(25 )位於裝配機械手(23)初始位置附近，分為完全對齊的上下兩個保壓蓋存儲倉，可存儲一定數量的保壓蓋(26 )，中間留出設定距離的空間，可放入一段鑽管(9 ); 所述外框架(8)內還設置有動力頭機構及繩索取芯機構，動力頭機構完成鑽管(9)的下鑽及回收；繩索取芯機構在動力頭機構的配合下完成內襯管(17)的下放及回收； 以上所有機構運動所需的能量均由鑽機液壓動力控制系統(4)提供。
2.2.如權利要求I所述的新型深海自動接杆保壓取樣鑽機，其使用方法包括下鑽及回收和保壓裝配兩個部分，具體步驟如下 I.下鑽及回收過程1)開始鑽孔前，鑽管(9)和內襯管(17)依次排列並分別存儲於鑽管存儲倉(10)和內襯管存儲倉(16)內； 2)開始鑽孔，鑽管控制夾(11)打開，使第一根鑽管(9)順利落入鑽管斜坡槽(12)，鑽管(9)在重力作用下運動至鑽管斜坡槽(12)最右邊彎道處，鑽管運送主機械手(13)抓取鑽管(9)，此時鑽管(9)的兩端由兩個鑽管運送主機械手(13)同時抓取並抬升至適當高度，左側的鑽管運送主機械手(13)移動至鑽管(9)的中心位置固定，另一鑽管運送主機械手(13)鬆開，僅由一個鑽管運送主機械手(13)將鑽管(9)旋轉至豎直狀態，並運送至深孔鑽進平臺(7)並由動力頭下鑽，下鑽完畢由繩索取回含樣內襯管(17)，並通過內襯管回收主機械手(21)抓取至預先置空的內襯管存儲倉(16)頂部放下，含樣內襯管(17)在重力作用下落入內襯管存儲倉(16)底部； 3)—次鑽管(9)下鑽及含樣內襯管(17)回收完畢，進行下一次下鑽及回收過程，按「內襯管(17)-鑽管(9)」順序下鑽，並回收含樣內襯管(17)，循環若干次直至全部鑽管(9)下鑽完畢，全部含樣內襯管(17)回收完畢； 保壓裝配過程 1)裝配前，全部內襯管(17)存儲於內襯管存儲倉(16)內，全部鑽管(9)位於鑽機平面以下； 2)裝配開始內襯管控制夾(18)打開，含樣內襯管(17)在重力作用下運動至內襯管斜坡槽(19)最右端彎道處，內襯管運送主機械手(20)抓取含樣內襯管(17)傳遞給裝配機械手(23)，抓取過程與鑽管(9)類似；動力頭回收頂部鑽管(9)，由鑽管運送主機械手(13)抓取該鑽管(9 )傳遞給輔助機械手(22 );裝配機械手(23 )抬升至一定高度，輔助機械手(22 )伸縮至裝配機械手(23 )正下方，裝配機械手(23 )將含樣內襯管(17 )下放至鑽管(9 )，鑽管(9)將含樣內襯管(17)套在內部，此時鑽管(9)作為保壓管使用；輔助機械手(22)將裝有含樣內襯管(17)的鑽管(9)移送至保壓蓋存儲機構(25)，置於上下保壓蓋存儲倉之間，其軸線與保壓蓋中心線重合，上下保壓蓋存儲倉分別推出一個保壓蓋，輔助機械手(22)固定鑽管(9)，裝配機械手(23)對鑽管(9)兩頭進行壓蓋封裝並保壓； 3)裝配完畢，鑽管回收主機械手(14)將保壓完畢的鑽管(9)重新存放於鑽管存儲倉(10)內適當位置； 4)循環執行上述步驟若干次，直至全部鑽管(9)裝配完畢，並回收至鑽管存儲機構(I)。
全文摘要
本發明涉及一種新型深海自動接杆保壓取樣鑽機及使用方法。本發明包括外框架、支撐調平機構、鑽管存儲機構、內襯管存儲機構、含樣內襯管保壓裝配機構、主機械手及鑽機液壓動力控制系統。鑽管存儲機構包括鑽管存儲倉、鑽管控制夾、鑽管斜坡槽、若干鑽管；內襯管存儲機構包括內襯管存儲倉、內襯管控制夾、內襯管斜坡槽、若干內襯管；主機械手包括鑽管運送主機械手、鑽管回收主機械手、內襯管運送主機械手、內襯管回收主機械手及連接件；含樣內襯管保壓裝配機構包括輔助機械手、裝配機械手、保壓蓋、旋蓋機構、保壓蓋存儲機構。本發明充分利用深海鑽機空間，在取樣後完成對樣品的保壓，保壓過程簡便實用。
文檔編號E21B19/14GK102747955SQ20121025544
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月23日 優先權日2012年7月23日
發明者葉瑛, 朱敬如, 秦華偉, 胡杭民, 陳建橋, 陳鷹 申請人:杭州電子科技大學