深海沉積物連續(xù)保壓取芯海底鉆機(jī)及作業(yè)方法

專(zhuān)利名稱(chēng)：深海沉積物連續(xù)保壓取芯海底鉆機(jī)及作業(yè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于深海勘探技術(shù)及海洋工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種深海沉積物連續(xù)保壓取芯海底鉆機(jī)，本發(fā)明還涉及一種深海沉積物連續(xù)保壓取芯作業(yè)方法。
背景技術(shù)：
天然氣水合物(也稱(chēng)可燃冰)是一種新型能源，主要賦存在海底200m以?xún)?nèi)的沉積物中，是石油、天然氣的理想的替代能源。目前主要采用地球物理和其它探測(cè)方法尋找海底可燃冰，雖能獲取相關(guān)信息，但只能提供海底是否存在可燃冰的線(xiàn)索，而不能作為圈定儲(chǔ)量的依據(jù)。鉆探取芯獲取可燃冰實(shí)物樣品，是圈定其儲(chǔ)量的唯一手段。 采用鉆探取芯的方法可獲取可燃冰實(shí)物樣品，對(duì)巖芯樣品進(jìn)行保壓可保證從海底提升到海面的過(guò)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(fā)。目前獲取沉積物巖芯的主要手段是通過(guò)海洋鉆探船、勘察船或通用型海底鉆機(jī)。海洋鉆探船、勘察船主要是為勘探海底石油、天然氣的目的設(shè)計(jì)的，噸位大又漂浮在海面上，下入的鉆桿絕大部分在海水中穿越，僅極少部分鉆入沉積物中實(shí)施鉆進(jìn)、取芯作業(yè)，并且每次鉆進(jìn)僅能獲得一段沉積物巖芯，因此，在鉆取海底沉積物巖芯方面，既費(fèi)時(shí)效率又低，作業(yè)費(fèi)用大，無(wú)法進(jìn)行大面積沉積物巖芯的勘探調(diào)查作業(yè)。另外，現(xiàn)有的海底鉆機(jī)雖因體積小、重量輕，可搭載在普通科考船上，通過(guò)科考船上的甲板設(shè)備將其下放至海底，在海底進(jìn)行鉆探作業(yè)，效率高、作業(yè)費(fèi)用低，但這類(lèi)鉆機(jī)均屬于以海底硬巖為主要鉆探對(duì)象的通用型鉆機(jī)，并不能完全適應(yīng)沉積物的鉆探，而且一次入海也只能鉆取一段沉積物巖芯，不具備一次入海連續(xù)多段取芯的能力，尤其是無(wú)法對(duì)沉積物進(jìn)行低擾動(dòng)鉆進(jìn)取芯作業(yè)(對(duì)沉積物的擾動(dòng)可致其泥漿化，無(wú)法正常取芯)，再者無(wú)法對(duì)所獲得的巖芯樣品進(jìn)行保壓處理，如果多次入海鉆取巖芯，作業(yè)費(fèi)時(shí)，費(fèi)用同樣也很大。因此，這類(lèi)海底鉆機(jī)不能高效的進(jìn)行沉積物的勘探取樣作業(yè)、也無(wú)連續(xù)取芯并對(duì)巖芯保壓的作業(yè)能力，同樣無(wú)法進(jìn)行大面積沉積物巖芯的勘探調(diào)查作業(yè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種深海沉積物連續(xù)保壓取芯海底鉆機(jī)，解決了現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)海底沉積物低擾動(dòng)鉆進(jìn)、一次入海連續(xù)多段取芯、對(duì)每段巖芯保壓處理的問(wèn)題。本發(fā)明的另一目的是提供一種深海沉積物連續(xù)保壓取芯作業(yè)方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)不能高效的進(jìn)行沉積物的勘探取樣作業(yè)、也無(wú)連續(xù)取芯并對(duì)巖芯保壓的作業(yè)能力，同樣無(wú)法進(jìn)行大面積沉積物巖芯的勘探調(diào)查作業(yè)的問(wèn)題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種深海沉積物連續(xù)保壓取芯海底鉆機(jī)，包括底座，在底座上分別設(shè)置有取樣管機(jī)械手、多個(gè)樁腿、井架、鉆桿機(jī)械手、排管架、液壓系統(tǒng)、液壓沖扣鉗、鉆桿卡座及水下控制系統(tǒng)，這些部件一起構(gòu)成鉆機(jī)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(tái)的鎧裝吊纜連接；在底座上沿外表面均勻固定設(shè)置有多組豎直的樁腿滑槽，每個(gè)樁腿滑槽中滑動(dòng)安裝有一個(gè)樁腿，每個(gè)樁腿的下端鉸接有一個(gè)樁靴，樁靴與樁腿上端外側(cè)之間鉸接有翻轉(zhuǎn)油缸，每個(gè)樁腿的上端內(nèi)側(cè)與一個(gè)升降油缸鉸接；排管架設(shè)置在底座上表面，排管架中排放設(shè)置有保壓鉆桿和取樣管，保壓鉆桿排放在外圈，取樣管排放在內(nèi)圈；在井架中安裝有水下頂驅(qū)。本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，一種深海沉積物連續(xù)保壓取芯作業(yè)方法，利用上述的裝置，按照以下步驟實(shí)施步驟I、下入鉆機(jī)主體當(dāng)鉆機(jī)主體即將到達(dá)海底時(shí)，多組樁靴在翻轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動(dòng)下翻轉(zhuǎn)到工作位，并接觸到海底；各個(gè)樁腿通過(guò)升降油缸將鉆機(jī)主體升起，通過(guò)水平傳感器反饋的信號(hào)，水下控制 系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)，液壓系統(tǒng)分別控制每個(gè)樁腿的升降調(diào)節(jié)，調(diào)平底座；步驟2、鉆進(jìn)、取芯作業(yè)2. I)水下頂驅(qū)啟動(dòng)，水下頂驅(qū)的中心管低速正轉(zhuǎn)，同時(shí)水下頂驅(qū)以與中心管轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)的速度邊下降邊鉆進(jìn)，沉積物通過(guò)空心鉆頭進(jìn)入取芯鉆桿內(nèi)卡住的取樣管，直至取芯鉆桿完全鉆入海底沉積物，沉積物巖芯全部進(jìn)入取樣管中，中心管停止轉(zhuǎn)動(dòng)；水下頂驅(qū)上升拔斷巖芯，繼續(xù)上升使取芯鉆桿上端的接頭位于鉆桿卡座之上，閉合鉆桿卡座，水下頂驅(qū)緩慢下降，使取芯鉆桿上端接頭坐在鉆桿卡座上；取樣管機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至井口位置，其上的繩索取芯工具下放，通過(guò)中心管上端的喇叭口進(jìn)入中心管內(nèi)，到達(dá)取芯鉆桿內(nèi)的取樣管處，解卡、抓住、并吊起充滿(mǎn)了巖芯的取樣管出中心管；然后取樣管機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至排管架上方的定點(diǎn)位置，下放取樣管按照順序進(jìn)入排管架的空位并排放好，繩索取芯工具松開(kāi)取樣管，提升設(shè)定高度后待命，一段巖芯鉆取作業(yè)完成；2. 2)水下頂驅(qū)下部的背鉗夾緊取芯鉆桿上端接頭，頂驅(qū)中心管反轉(zhuǎn)，旋松中心管與鉆桿接頭之間的螺紋，中心管停轉(zhuǎn)，背鉗松開(kāi)，中心管再次反轉(zhuǎn)、同時(shí)水下頂驅(qū)上升，旋開(kāi)接頭螺紋；水下頂驅(qū)繼續(xù)上升至最高位，鉆桿機(jī)械手的手臂伸出至排管架定點(diǎn)位置，卡爪夾緊保壓鉆桿并舉升設(shè)定高度、回縮取出保壓鉆桿，旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度后再伸出，將保壓鉆桿送至井口，水下頂驅(qū)邊正轉(zhuǎn)邊緩慢下降，與鉆桿機(jī)械手夾持的保壓鉆桿上端的接頭聯(lián)接、旋上，水下頂驅(qū)停止下降、中心管停轉(zhuǎn)，水下頂驅(qū)下部的背鉗夾緊鉆桿上端接頭，中心管再次正轉(zhuǎn)將此接頭旋緊，中心管停轉(zhuǎn)，背鉗松開(kāi)；鉆桿機(jī)械手的卡爪松開(kāi)保壓鉆桿，回縮、下降、旋轉(zhuǎn)回安裝位置待命；水下頂驅(qū)中心管連同與之聯(lián)接好的保壓鉆桿再次邊正轉(zhuǎn)邊緩慢下降，與鉆桿卡座卡住的取芯鉆桿上端接頭或保壓鉆桿上端接頭聯(lián)接、旋上，頂驅(qū)停止下降、中心管停轉(zhuǎn)；液壓沖扣鉗移入到井口位置，背鉗夾緊卡座卡住的取芯鉆桿上端接頭或保壓鉆桿上端接頭，沖扣鉗先反轉(zhuǎn)至極限位置后再夾緊與取芯鉆桿上端接頭或保壓鉆桿上端接頭聯(lián)接的新保壓鉆桿下端接頭；然后，沖扣油缸推動(dòng)沖扣鉗正轉(zhuǎn)，旋緊聯(lián)接的螺紋，一根新保壓鉆桿聯(lián)接完畢；背鉗、沖扣鉗分別松開(kāi)，沖扣鉗轉(zhuǎn)回原始位，液壓沖扣鉗移出井口位置，排管架步進(jìn)旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度并鎖緊，使下一根保壓鉆桿和取樣管位于待取出的定點(diǎn)位置；2. 3)下放繩索取芯工具，從排管架抓住并吊起取樣管至設(shè)定高度，然后旋轉(zhuǎn)至井口位置水下頂驅(qū)中心管上端喇叭口上方，下放取樣管通過(guò)喇叭口進(jìn)入中心管、保壓鉆桿的內(nèi)腔，直到到達(dá)取芯鉆桿內(nèi)孔中并卡住，繩索取芯工具松開(kāi)取樣管、提出至水下頂驅(qū)中心管上端喇叭口上方待命；水下頂驅(qū)上升到設(shè)定高度，鉆桿卡座打開(kāi)；
2. 4)水下頂驅(qū)啟動(dòng)，中心管以與下降速度相關(guān)聯(lián)的低速旋轉(zhuǎn)，邊下降邊鉆進(jìn)，直至保壓鉆桿鉆完，沉積物巖芯全部進(jìn)入取樣管中，頂驅(qū)中心管停轉(zhuǎn)，上提拔斷巖芯，繼續(xù)上升使與中心管聯(lián)接的鉆桿上端接頭位于鉆桿卡座之上，閉合卡座，水下頂驅(qū)緩慢下降，使保壓鉆桿上端接頭坐在卡座上；下放繩索取芯工具，通過(guò)中心管喇叭口進(jìn)入中心管及保壓鉆桿內(nèi)腔，到達(dá)取芯鉆桿內(nèi)的取樣管處，解卡、抓住、并吊起充滿(mǎn)了巖芯的取樣管出中心管；然后旋轉(zhuǎn)至排管架上方 的定點(diǎn)位置，下放取樣管至排管架的空位并按照順序排放好，繩索取芯工具松開(kāi)取樣管、并提升設(shè)定高度后待命，又一段巖芯鉆取作業(yè)完成；排管架步進(jìn)旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度并鎖緊，使下一根保壓鉆桿和取樣管位于待取出的定點(diǎn)位置；2. 5)重復(fù)2. I)、2. 2)、2. 3)、2. 4)項(xiàng)操作，直到所有保壓鉆桿依次聯(lián)接完、鉆完，所有充滿(mǎn)了巖芯的取樣管依次全部排放在排管架中，取芯作業(yè)完成；步驟3、起鉆作業(yè)3. I)水下頂驅(qū)上升到設(shè)定高度，鉆桿卡座打開(kāi)，水下頂驅(qū)繼續(xù)上升提出一根保壓鉆桿，并使與之聯(lián)接的下一根的保壓鉆桿上端接頭位于鉆桿卡座之上，閉合卡座，水下頂驅(qū)緩慢下降，使下一根保壓鉆桿上端的接頭坐在卡座上；液壓沖扣鉗移入到井口位置，背鉗夾緊卡座卡住的保壓鉆桿上端接頭，沖扣鉗夾緊與之聯(lián)接的保壓鉆桿的下端接頭；然后，沖扣油缸推動(dòng)沖扣鉗反轉(zhuǎn)，旋松聯(lián)接螺紋；背鉗、沖扣鉗分別松開(kāi)，沖扣鉗轉(zhuǎn)回原始位，液壓沖扣鉗移出井口位置；水下頂驅(qū)中心管反轉(zhuǎn)、同時(shí)上升，旋開(kāi)接頭螺紋并繼續(xù)上升，使中心管聯(lián)接的保壓鉆桿下端的接頭下平面提出至卡座卡住的保壓鉆桿上端接頭的上平面之上設(shè)定高度，并在中心管聯(lián)接的保壓鉆桿下端的接頭上裝上保壓護(hù)帽；3. 2)鉆桿機(jī)械手由安裝位旋轉(zhuǎn)至對(duì)準(zhǔn)井口的位置，手臂伸出至井口并升高，卡爪夾緊保壓鉆桿；水下頂驅(qū)下部的背鉗夾緊保壓鉆桿上端的接頭，水下頂驅(qū)中心管反轉(zhuǎn)，旋松中心管與保壓鉆桿上端接頭之間的螺紋，中心管停轉(zhuǎn)，背鉗松開(kāi)，水下頂驅(qū)中心管再次反轉(zhuǎn)、同時(shí)上升，旋開(kāi)接頭螺紋；水下頂驅(qū)上升至最高位，中心管下端接頭螺紋的下平面高于保壓鉆桿上端接頭的上平面；鉆桿機(jī)械手回縮、旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)排管架定點(diǎn)位置的排放空位、伸出、下降，將保壓鉆桿排放在排管架中；卡爪松開(kāi)、手臂回縮、升高、旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)井口待命；排管架步進(jìn)旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度并鎖緊，使下一根保壓鉆桿排放空位位于定點(diǎn)位置；3. 3)水下頂驅(qū)邊正轉(zhuǎn)邊下降，到達(dá)鉆桿卡座卡住的保壓鉆桿上端接頭處再緩慢下降與接頭聯(lián)接、旋上，水下頂驅(qū)中心管停轉(zhuǎn)；水下頂驅(qū)下部的背鉗夾緊卡座卡住的保壓鉆桿上端接頭，水下頂驅(qū)中心管再次正轉(zhuǎn)，將此接頭旋緊，之后背鉗松開(kāi)；3. 4)重復(fù)3. 1),3. 2),3. 3)項(xiàng)操作，直到所有保壓鉆桿依次全部起出，取芯鉆桿與水下頂驅(qū)中心管聯(lián)接好，水下頂驅(qū)上升至入海前的高度，起鉆作業(yè)完成；步驟4、保壓作業(yè)4. I)取樣管機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至排管架上方定點(diǎn)位置，下放其上的繩索取芯工具至排管架上內(nèi)圈排放的充滿(mǎn)沉積物巖芯的取樣管上端，繩索取芯工具抓住并吊起取樣管，提吊至其下端高于保壓鉆桿上端接頭上平面的位置，取樣管機(jī)械手旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，使取樣管位于排管架外圈排放的保壓鉆桿的上方，下放取樣管入保壓鉆桿中并裝好，繩索取芯工具松開(kāi)取樣管并提出，取樣管機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至排管架上方定點(diǎn)位置待命；排管架步進(jìn)旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度并鎖緊，使下一根取樣管和空心的保壓鉆桿位于定點(diǎn)位置；
4. 2)重復(fù)4. I)項(xiàng)操作，直到所有取樣管分別裝入每一個(gè)對(duì)應(yīng)的保壓鉆桿中；4. 3)鉆桿機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至安裝位，手臂伸出至排管架定點(diǎn)位置，卡爪夾緊已裝好取樣管的保壓鉆桿，并在上端接頭上裝上保壓護(hù)堵；鉆桿機(jī)械手卡爪松開(kāi)、手臂回縮待命；排管架步進(jìn)旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度并鎖緊，使下一根未安裝保壓護(hù)堵的保壓鉆桿位于定點(diǎn)位置；4. 4)重復(fù)4. 3)項(xiàng)操作，直到所有保壓鉆桿都安裝好一個(gè)保壓護(hù)堵，保壓作業(yè)完成；步驟5、樁腿通過(guò)升降油缸將鉆機(jī)主體降下，樁靴在翻轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動(dòng)下收回到入海前的位置；然后，利用鎧裝吊纜通過(guò)主體框架將鉆機(jī)主體回收至甲板，全部作業(yè)完成。本發(fā)明的有益效果是I)結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、體積小、重量輕，搭載在普通科考船上，通過(guò)甲板設(shè)備下放·至海底作業(yè)，完成作業(yè)后回收至甲板，出海作業(yè)費(fèi)用低，主要應(yīng)用于海底沉積物的鉆探、連續(xù)取芯、巖芯保壓等作業(yè)及作業(yè)方法，可應(yīng)用于大面積可燃冰的勘探調(diào)查作業(yè)。2)實(shí)現(xiàn)了對(duì)沉積物的低擾動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)取芯作業(yè)，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(xù)多段取芯，并對(duì)每段沉積物巖芯保壓，比通用型海底鉆機(jī)勘探調(diào)查作業(yè)效率提高數(shù)倍至數(shù)十倍。


圖I為本發(fā)明裝置的局部結(jié)構(gòu)示意圖(帶樁腿、樁靴及主體框架)；圖2為本發(fā)明裝置中的鉆機(jī)主體4部分結(jié)構(gòu)示意圖(不帶樁腿、樁靴及主體框架)。圖中，I.取樣管機(jī)械手、2.繩索取芯工具、3.主體框架、4.鉆機(jī)主體、5.樁腿、
6.翻轉(zhuǎn)油缸、7.樁靴、8.井架、9.水下頂驅(qū)、10.取芯鉆桿、11.鉆桿機(jī)械手、12.排管架、13.保壓鉆桿、14.取樣管、15.液壓系統(tǒng)、16.液壓沖扣鉗、17.鉆桿卡座、18.升降油缸、19.水下控制系統(tǒng)、20.底座，21.樁腿滑槽。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)DI、圖2，本發(fā)明深海沉積物連續(xù)保壓取芯海底鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)是，包括底座20，在底座20上分別設(shè)置有取樣管機(jī)械手I、多個(gè)樁腿5、井架8、鉆桿機(jī)械手11、排管架12、液壓系統(tǒng)15、液壓沖扣鉗16、鉆桿卡座17、水下控制系統(tǒng)19，這些部件一起構(gòu)成鉆機(jī)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(jié)構(gòu)，用于圍攏在上述的鉆機(jī)主體4周?chē)黧w框架3的下端通過(guò)耳扳及銷(xiāo)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(huà)出)，主體框架3可承受整個(gè)深海沉積物連續(xù)保壓取芯海底鉆機(jī)的所有重力及部分附加載荷，主體框架3兼有保護(hù)鉆機(jī)主體4中的設(shè)備的作用，拆裝方便，便于設(shè)備維修。在底座20上沿外表面均勻固定設(shè)置有多組豎直的樁腿滑槽21 (可以根據(jù)需要設(shè)置3-6組),每個(gè)樁腿滑槽21中滑動(dòng)安裝有一個(gè)樁腿5,每個(gè)樁腿5的下端鉸接有一個(gè)樁靴
7,每個(gè)樁腿5的上端外側(cè)與樁靴7之間鉸接有翻轉(zhuǎn)油缸6;每個(gè)樁腿5的上端內(nèi)側(cè)與一個(gè)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接地后，升降油缸18的伸縮帶動(dòng)樁腿5上升、下降，分別實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)主體4的降低調(diào)平、上升抬高；
樁靴7在科考船上存放時(shí)可以通過(guò)翻轉(zhuǎn)油缸6收起，樁靴7與樁腿5并攏以減少存儲(chǔ)空間，樁靴7在下放到海底時(shí)通過(guò)翻轉(zhuǎn)油缸6的伸張驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)至圖I所示的工作位置，接觸到海底，起到支撐整個(gè)底座20的作用，作業(yè)完成后，樁腿5回縮、樁靴7回轉(zhuǎn)，分別收回到入海前的狀態(tài)，隨鉆機(jī)一同回收至科考船甲板；在樁靴7上設(shè)計(jì)有樁靴7拋棄機(jī)構(gòu)，如果樁靴7深陷在海底沉積物中，在翻轉(zhuǎn)油缸6回縮收回樁靴7的回收力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，樁靴7拋棄機(jī)構(gòu)工作，將無(wú)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(shè)置的排管架12為回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)，具有步進(jìn)旋轉(zhuǎn)、鎖緊功能，排管架12中排放設(shè)置有保壓鉆桿13和取樣管14，保壓鉆桿13排放在外圈，通過(guò)鉆桿機(jī)械手11進(jìn)行抓出或放入，取樣管14排放在內(nèi)圈，通過(guò)取樣管機(jī)械手I上的繩索取芯工具2進(jìn)行吊出或吊入；保壓鉆桿13具有鉆桿和巖芯保壓容器兩個(gè)功能，使整個(gè)鉆機(jī)輕型化； 排管架12上部外圈為開(kāi)口式鉆桿接頭卡槽板，只能卡住保壓鉆桿13的上端接頭而讓保壓鉆桿13的鉆桿部分通過(guò)，上部接頭卡槽板與下部上層孔板一道將保壓鉆桿13固定限位；排管架12上部?jī)?nèi)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，用于支撐所有保壓鉆桿13和取樣管14。鉆桿機(jī)械手11的手臂從安裝位前伸至排管架12，卡爪夾住保壓鉆桿13并舉升設(shè)定高度，使保壓鉆桿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；然后手臂回縮取出保壓鉆桿13、再旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度后再伸出，將保壓鉆桿13送至井口，分別與水下頂驅(qū)9中心管下端接頭螺紋和鉆桿卡座17上卡住的井眼中的前一根保壓鉆桿13或取芯鉆桿10的上端接頭螺紋聯(lián)接；保壓鉆桿13上下接頭聯(lián)接完畢后，鉆桿機(jī)械手11卡爪松開(kāi)，再次回縮、下降、旋轉(zhuǎn)回安裝位置。在取樣管機(jī)械手I工作端頭上安裝有繩索取芯工具2，用于在排管架12上方定點(diǎn)位置吊出取樣管14，放入井口處保壓鉆桿13下端聯(lián)接的取芯鉆桿10內(nèi)；以及從井口處保壓鉆桿13下部聯(lián)接的取芯鉆桿10內(nèi)吊出取樣管14,放入排管架12上。取樣管機(jī)械手I入海前處于低位，保證在甲板上尺寸最小，到達(dá)海底后其上段通過(guò)液壓缸或齒輪齒條機(jī)構(gòu)推動(dòng)或驅(qū)動(dòng)伸出，達(dá)到工作高度；繩索取芯工具2通過(guò)其中的絞車(chē)卷?yè)P(yáng)，將取樣管14提升至設(shè)定高度；然后取樣管機(jī)械手I旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度，使取樣管14對(duì)正井口位置及水下頂驅(qū)9中心管上端的喇叭口，下放取樣管14，穿過(guò)中心管及其下端聯(lián)接的保壓鉆桿13的內(nèi)腔，直到下放到達(dá)聯(lián)接在保壓鉆桿13下端的取芯鉆桿10的內(nèi)孔中，并被卡在其中，在鉆進(jìn)取芯時(shí)收納巖芯；繩索取芯工具
2在取樣管14被卡在取芯鉆桿10的內(nèi)孔中后松開(kāi)取樣管14，再經(jīng)絞車(chē)提出至水下頂驅(qū)9中心管上端喇叭口以上；然后取樣管機(jī)械手I旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度，使繩索取芯工具2轉(zhuǎn)動(dòng)到排管架12上方定點(diǎn)提升位置，等待下一次作業(yè)。從取芯鉆桿10的內(nèi)孔中吊出取樣管14并吊入排管架12的過(guò)程為上述過(guò)程的逆過(guò)程。在井架8中安裝有水下頂驅(qū)9，井架8中設(shè)置有由軌道槽和導(dǎo)向平面組成的導(dǎo)軌，水下頂驅(qū)9通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)或油缸驅(qū)動(dòng)的增距機(jī)構(gòu)沿井架8內(nèi)的導(dǎo)軌上下移動(dòng)、并精確定位，在井架8的兩根前立柱上配有齒條，齒條與水下頂驅(qū)9上的升降液壓馬達(dá)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)的齒輪，組成齒輪齒條副，使得水下頂驅(qū)9能夠完成定速下降鉆進(jìn)作業(yè)以及起鉆作業(yè)，齒輪齒條副也可替換為油缸驅(qū)動(dòng)的增距升降機(jī)構(gòu)；圖I、圖2中的實(shí)施例均為齒輪齒條機(jī)構(gòu)；水下頂驅(qū)9的中心管空心軸下端與取芯鉆桿10或保壓鉆桿13通過(guò)螺紋聯(lián)接，中心管上端設(shè)有喇叭口，用于取樣管14以及繩索取芯工具2進(jìn)入中心管時(shí)導(dǎo)向；鉆頭、取芯鉆桿10和保壓鉆桿13 —起組成鉆具，水下頂驅(qū)9通過(guò)中心管驅(qū)動(dòng)鉆具，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)取芯；井架8能夠支撐水下頂驅(qū)9的最大提升載荷，并能夠承受水下頂驅(qū)9鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的反扭矩。水下頂驅(qū)9的中心管空心軸下端與鉆具通過(guò)螺紋聯(lián)接，水下頂驅(qū)9的下部配有背鉗，用于夾持鉆桿上端接頭，使其具有自主旋松、旋緊接頭螺紋的功能。液壓沖扣鉗16安裝在井架8的下部、鉆桿卡座17的上方，液壓沖扣鉗16由下部的背鉗、上部的沖扣鉗、夾緊油缸、沖扣油缸和進(jìn)退油缸等組成，液壓沖扣鉗16的作用是旋松或旋緊井口處兩根鉆桿接頭之間的聯(lián)接螺紋，液壓沖扣鉗16可移入或移出井口位置。在底座20上的井口位置安裝有鉆桿卡座17，用于在接卸鉆桿時(shí)承擔(dān)井眼中鉆具的重量，能夠控制開(kāi)合操作，打開(kāi)時(shí)能使鉆具通過(guò)，閉合時(shí)能夠卡住鉆桿接頭，使接、卸鉆桿 的作業(yè)順利進(jìn)行。液壓沖扣鉗16的旋松作業(yè)過(guò)程是當(dāng)鉆桿卡座17卡住井眼中鉆桿上端接頭時(shí)，液壓沖扣鉗16移入到井口位置，背鉗夾緊卡座卡住的鉆桿接頭，沖扣鉗夾緊與之聯(lián)接的鉆桿接頭；然后，沖扣油缸推動(dòng)沖扣鉗反轉(zhuǎn)，旋松聯(lián)接螺紋；背鉗、沖扣鉗分別松開(kāi)，沖扣鉗轉(zhuǎn)回原始位，液壓沖扣鉗16移出井口位置；水下頂驅(qū)9中心管反轉(zhuǎn)、同時(shí)上升，旋開(kāi)接頭螺紋。液壓沖扣鉗16的旋緊作業(yè)是旋松作業(yè)的逆過(guò)程。液壓系統(tǒng)15用于提供所有液壓設(shè)備的液壓驅(qū)動(dòng)力以及控制執(zhí)行元件所驅(qū)動(dòng)的液壓設(shè)備按程序要求動(dòng)作，完全適應(yīng)深水作業(yè)環(huán)境；液壓系統(tǒng)15包括液壓源、控制元件、執(zhí)行元件、傳感器及管線(xiàn)組成，執(zhí)行元件安裝在各液壓設(shè)備上，分別驅(qū)動(dòng)各液壓設(shè)備按要求動(dòng)作，傳感器反饋各液壓設(shè)備狀態(tài)的信息，為自動(dòng)、程序控制提供檢測(cè)信號(hào)。水下控制系統(tǒng)19，具有上述的所有操作設(shè)備的位置和狀態(tài)檢測(cè)、控制、通訊等功能，用于實(shí)現(xiàn)所有操作設(shè)備的位置、狀態(tài)檢測(cè)、自動(dòng)控制、通訊或甲板遙控，完全適應(yīng)深水作業(yè)環(huán)境，是本發(fā)明自動(dòng)控制或甲板遙控的水下控制中心。本發(fā)明裝置通過(guò)搭載的普通科考船上的甲板設(shè)備，通過(guò)具有供電、通訊、起吊載荷能力的鎧裝吊纜下放至目標(biāo)海底進(jìn)行作業(yè)。本發(fā)明的深海沉積物連續(xù)保壓取芯作業(yè)方法，按照以下步驟實(shí)施步驟I、下入鉆機(jī)主體當(dāng)鉆機(jī)主體4即將到達(dá)海底時(shí)，4組樁靴7在翻轉(zhuǎn)油缸6的驅(qū)動(dòng)下翻轉(zhuǎn)到工作位，并接觸到海底；樁腿5通過(guò)升降油缸18將鉆機(jī)主體4升起，通過(guò)水平傳感器反饋的信號(hào)，水下控制系統(tǒng)19發(fā)出控制信號(hào)，液壓系統(tǒng)15分別控制4組樁腿5的升降調(diào)節(jié)，調(diào)平鉆機(jī)主體4的底座20 ；步驟2、鉆進(jìn)、取芯作業(yè)2. I)水下頂驅(qū)9啟動(dòng)，水下頂驅(qū)9的中心管低速正轉(zhuǎn)，同時(shí)水下頂驅(qū)9以與中心管轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)的速度邊下降邊鉆進(jìn)，沉積物通過(guò)空心鉆頭進(jìn)入取芯鉆桿10內(nèi)卡住的取樣管14 (取芯鉆桿10及一根卡在其中的取樣管14，在鉆機(jī)入海前已聯(lián)接在水下頂驅(qū)9中心管上，鉆機(jī)回收時(shí)取芯鉆桿10仍舊聯(lián)接在中心管上)。直至取芯鉆桿10完全鉆入海底沉積物，沉積物巖芯全部進(jìn)入取樣管14中，中心管停止轉(zhuǎn)動(dòng)；水下頂驅(qū)9上升拔斷巖芯，繼續(xù)上升使取芯鉆桿10上端的接頭位于鉆桿卡座17之上，閉合鉆桿卡座17，水下頂驅(qū)9緩慢下降，使取芯鉆桿10上端接頭坐在鉆桿卡座17上；取樣管機(jī)械手I旋轉(zhuǎn)至井口位置，其上的繩索取芯工具2下放，通過(guò)中心管上端的喇叭口進(jìn)入中心管內(nèi)，到達(dá)取芯鉆桿10內(nèi)的取樣管14處，解卡、抓住、并吊起充滿(mǎn)了巖芯的取樣管14出中心管；然后取樣管機(jī)械手I旋轉(zhuǎn)至排管架12上方的定點(diǎn)位置，下放取樣管14按照順序進(jìn)入排管架12的空位并排放好，繩索取芯工具2松開(kāi)取樣管14、提升設(shè)定高度后待命，一段巖芯鉆取作業(yè)完成；2. 2)水下頂驅(qū)9下部的背鉗夾緊取芯鉆桿10上端接頭，頂驅(qū)中心管反轉(zhuǎn)，旋松中心管與鉆桿接頭之間的螺紋，中心管停轉(zhuǎn)，背鉗松開(kāi)，中心管再次反轉(zhuǎn)、同時(shí)水下頂驅(qū)9上升，旋開(kāi)接頭螺紋；水下頂驅(qū)9繼續(xù)上升至最高位，鉆桿機(jī)械手11的手臂伸出至排管架12定點(diǎn)位置，卡爪夾緊保壓鉆桿 13并舉升設(shè)定高度、回縮取出保壓鉆桿13，旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度后再伸出，將保壓鉆桿13送至井口，水下頂驅(qū)9邊正轉(zhuǎn)邊緩慢下降，與鉆桿機(jī)械手11夾持的保壓鉆桿13上端的接頭聯(lián)接、旋上，水下頂驅(qū)9停止下降、中心管停轉(zhuǎn)，水下頂驅(qū)9下部的背鉗夾緊鉆桿上端接頭，中心管再次正轉(zhuǎn)將此接頭旋緊，中心管停轉(zhuǎn)，背鉗松開(kāi)；鉆桿機(jī)械手11的卡爪松開(kāi)保壓鉆桿13，回縮、下降、旋轉(zhuǎn)回安裝位置待命；水下頂驅(qū)9中心管連同與之聯(lián)接好的保壓鉆桿13再次邊正轉(zhuǎn)邊緩慢下降，與鉆桿卡座17卡住的取芯鉆桿10上端接頭或保壓鉆桿13上端接頭聯(lián)接、旋上，頂驅(qū)停止下降、中心管停轉(zhuǎn)；液壓沖扣鉗16移入到井口位置，背鉗夾緊卡座卡住的取芯鉆桿10上端接頭或保壓鉆桿13上端接頭，沖扣鉗先反轉(zhuǎn)至極限位置后再夾緊與取芯鉆桿10上端接頭或保壓鉆桿13上端接頭聯(lián)接的新保壓鉆桿13下端接頭；然后，沖扣油缸推動(dòng)沖扣鉗正轉(zhuǎn)，旋緊聯(lián)接的螺紋，一根新保壓鉆桿13聯(lián)接完畢；背鉗、沖扣鉗分別松開(kāi)，沖扣鉗轉(zhuǎn)回原始位，液壓沖扣鉗16移出井口位置，排管架12步進(jìn)旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度并鎖緊，使下一根保壓鉆桿13和取樣管14位于待取出的定點(diǎn)位置；2. 3)下放繩索取芯工具2，從排管架12抓住并吊起取樣管14至設(shè)定高度，然后旋轉(zhuǎn)至井口位置水下頂驅(qū)9中心管上端喇叭口上方，下放取樣管14通過(guò)喇叭口進(jìn)入中心管、保壓鉆桿13的內(nèi)腔，直到到達(dá)取芯鉆桿10內(nèi)孔中并卡住，繩索取芯工具2松開(kāi)取樣管14、提出至水下頂驅(qū)9中心管上端喇叭口上方待命；水下頂驅(qū)9上升到設(shè)定高度，鉆桿卡座17打開(kāi)；2. 4)水下頂驅(qū)9啟動(dòng)，中心管以與下降速度相關(guān)聯(lián)的低速旋轉(zhuǎn)，邊下降邊鉆進(jìn)，直至保壓鉆桿13鉆完，沉積物巖芯全部進(jìn)入取樣管14中，頂驅(qū)中心管停轉(zhuǎn)，上提拔斷巖芯，繼續(xù)上升使與中心管聯(lián)接的鉆桿上端接頭位于鉆桿卡座17之上，閉合卡座，水下頂驅(qū)9緩慢下降，使保壓鉆桿13上端接頭坐在卡座上；下放繩索取芯工具2，通過(guò)中心管喇叭口進(jìn)入中心管及保壓鉆桿13內(nèi)腔，到達(dá)取芯鉆桿10內(nèi)的取樣管14處，解卡、抓住、并吊起充滿(mǎn)了巖芯的取樣管14出中心管；然后旋轉(zhuǎn)至排管架12上方的定點(diǎn)位置，下放取樣管14至排管架12的空位并按照順序排放好，繩索取芯工具2松開(kāi)取樣管14、并提升設(shè)定高度后待命，又一段巖芯鉆取作業(yè)完成；排管架12步進(jìn)旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度并鎖緊，使下一根保壓鉆桿13和取樣管14位于待取出的定點(diǎn)位置；2. 5)重復(fù)2. 1),2. 2),2. 3),2. 4)項(xiàng)操作，直到所有保壓鉆桿13依次聯(lián)接完、鉆完，所有充滿(mǎn)了巖芯的取樣管14依次全部排放在排管架12中，取芯作業(yè)完成；步驟3、起鉆作業(yè)3. I)水下頂驅(qū)9上升到設(shè)定高度，鉆桿卡座17打開(kāi)，水下頂驅(qū)9繼續(xù)上升提出一根保壓鉆桿13，并使與之聯(lián)接的下一根的保壓鉆桿13上端接頭位于鉆桿卡座17之上，閉合卡座，水下頂驅(qū)9緩慢下降，使下一根保壓鉆桿13上端的接頭坐在卡座上；液壓沖扣鉗16移入到井口位置，背鉗夾緊卡座卡住的保壓鉆桿13上端接頭，沖扣鉗夾緊與之聯(lián)接的保壓鉆桿13的下端接頭；然后，沖扣油缸推動(dòng)沖扣鉗反轉(zhuǎn)，旋松聯(lián)接螺紋；背鉗、沖扣鉗分別松開(kāi)，沖扣鉗轉(zhuǎn)回原始位，液壓沖扣鉗16移出井口位置；水下頂驅(qū)9中心管反轉(zhuǎn)、同時(shí)上升，旋開(kāi)接頭螺紋并繼續(xù)上升，使中心管聯(lián)接的保壓鉆桿13下端的接頭下平面提出至卡座卡住的保壓鉆桿13上端接頭的上平面之上設(shè)定高度，并在中心管聯(lián)接的保壓鉆桿13下端的接頭上裝上保壓護(hù)帽；
3. 2)鉆桿機(jī)械手11由安裝位旋轉(zhuǎn)至對(duì)準(zhǔn)井口的位置，手臂伸出至井口并升高，卡爪夾緊保壓鉆桿13 ;水下頂驅(qū)9下部的背鉗夾緊保壓鉆桿13上端的接頭，水下頂驅(qū)9中心管反轉(zhuǎn)，旋松中心管與保壓鉆桿13上端接頭之間的螺紋，中心管停轉(zhuǎn)，背鉗松開(kāi)，水下頂驅(qū)9中心管再次反轉(zhuǎn)、同時(shí)上升，旋開(kāi)接頭螺紋；水下頂驅(qū)9上升至最高位，中心管下端接頭螺紋的下平面高于保壓鉆桿13上端接頭的上平面；鉆桿機(jī)械手11回縮、旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)排管架12定點(diǎn)位置的排放空位、伸出、下降，將保壓鉆桿13排放在排管架12中；卡爪松開(kāi)、手臂回縮、升高、旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)井口待命；排管架12步進(jìn)旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度并鎖緊，使下一根保壓鉆桿13排放空位位于定點(diǎn)位置；3. 3)水下頂驅(qū)9邊正轉(zhuǎn)邊下降，到達(dá)鉆桿卡座17卡住的保壓鉆桿13上端接頭處再緩慢下降與接頭聯(lián)接、旋上，水下頂驅(qū)9中心管停轉(zhuǎn)；水下頂驅(qū)9下部的背鉗夾緊卡座卡住的保壓鉆桿13上端接頭，水下頂驅(qū)9中心管再次正轉(zhuǎn)，將此接頭旋緊，之后背鉗松開(kāi)；3. 4)重復(fù)3. 1),3. 2),3. 3)項(xiàng)操作，直到所有保壓鉆桿13依次全部起出，取芯鉆桿10與水下頂驅(qū)9中心管聯(lián)接好，水下頂驅(qū)9上升至入海前的高度，起鉆作業(yè)完成；步驟4、保壓作業(yè)4. I)取樣管機(jī)械手I旋轉(zhuǎn)至排管架12上方定點(diǎn)位置，下放其上的繩索取芯工具2至排管架12上內(nèi)圈排放的充滿(mǎn)沉積物巖芯的取樣管14上端，繩索取芯工具2抓住并吊起取樣管14，提吊至其下端高于保壓鉆桿13上端接頭上平面的位置，取樣管機(jī)械手I旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，使取樣管14位于排管架12外圈排放的保壓鉆桿13的上方，下放取樣管14入保壓鉆桿13中并裝好，繩索取芯工具2松開(kāi)取樣管14并提出，取樣管機(jī)械手I旋轉(zhuǎn)至排管架12上方定點(diǎn)位置待命；排管架12步進(jìn)旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度并鎖緊，使下一根取樣管14和空心的保壓鉆桿13位于定點(diǎn)位置；4. 2)重復(fù)4. I)項(xiàng)操作，直到所有取樣管14分別裝入每一個(gè)對(duì)應(yīng)的保壓鉆桿13中；4. 3)鉆桿機(jī)械手11旋轉(zhuǎn)至安裝位，手臂伸出至排管架12定點(diǎn)位置，卡爪夾緊已裝好取樣管14的保壓鉆桿13，并在上端接頭上裝上保壓護(hù)堵；鉆桿機(jī)械手11卡爪松開(kāi)、手臂回縮待命；排管架12步進(jìn)旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度并鎖緊，使下一根未安裝保壓護(hù)堵的保壓鉆桿13位于定點(diǎn)位置；4. 4)重復(fù)4. 3)項(xiàng)操作，直到所有保壓鉆桿13都安裝好一個(gè)保壓護(hù)堵，保壓作業(yè)完成；步驟5、所有樁腿5通過(guò)各自的升降油缸18將鉆機(jī)主體4降下，所有樁靴7在翻轉(zhuǎn)油缸6的驅(qū)動(dòng)下收回到入海前的位置(收起與樁腿5靠近的折疊位置)；如某個(gè)樁靴7深陷在海底沉積物中無(wú)法脫離時(shí)將被拋棄；然后，科考船甲板設(shè)備利用鎧裝吊纜通過(guò)主體框架3將本發(fā)明的鉆機(jī)主體4回收至甲板，全部作業(yè)完成。
本發(fā)明的深海沉積物連續(xù)保壓取芯海底鉆機(jī)及作業(yè)方法，設(shè)置有以下部件，包括可在低擾動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)取芯作業(yè)中采用旋轉(zhuǎn)速度與下降速度相關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)鉆具的水下頂驅(qū)；可支撐頂驅(qū)提升的最大載荷及承受頂驅(qū)鉆井時(shí)的反扭矩并對(duì)頂驅(qū)升降進(jìn)行驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向的井架；可排放取樣管、保壓鉆桿并具有步進(jìn)旋轉(zhuǎn)、鎖緊功能的排管架；可容納沉積物巖芯的取樣管；即可作為鉆進(jìn)時(shí)的鉆桿又可作為巖芯保壓容器的保壓鉆桿；可水平伸縮、垂直升降、定角度旋轉(zhuǎn)的鉆桿機(jī)械手；入海后可升起上臂、具有定角度旋轉(zhuǎn)、通過(guò)繩索取芯工具抓取或松開(kāi)取樣管的取樣管機(jī)械手；可支撐井眼中鉆具重量的開(kāi)合式鉆桿卡座；可對(duì)井口位置鉆桿接頭進(jìn)行旋緊、旋松作業(yè)并可進(jìn)入或退出井口位置的液壓沖扣鉗；4組或多組可翻轉(zhuǎn)、可升降、樁靴可丟棄的樁腿；提供全部液壓設(shè)備驅(qū)動(dòng)力、程序控制各液壓設(shè)備動(dòng)作的液壓系統(tǒng)；具有所有設(shè)備的位置和狀態(tài)檢測(cè)、自動(dòng)控制、通訊或甲板遙控等功能的水下控制系統(tǒng)。本發(fā)明裝置，可搭載在普通科考船上，通過(guò)甲板設(shè)備的鎧裝纜下放至海底，在一次 下入海底就位后，對(duì)海底沉積物進(jìn)行低擾動(dòng)鉆進(jìn)和連續(xù)多段取芯，同時(shí)對(duì)每段巖芯進(jìn)行保壓處理等作業(yè)，待作業(yè)完成后，通過(guò)鎧裝纜將其回收至甲板，結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、體積小、重量輕、工作效率高、低擾動(dòng)、取芯率高。
權(quán)利要求
1.一種深海沉積物連續(xù)保壓取芯海底鉆機(jī)，其特征在于包括底座(20)，在底座(20) 上分別設(shè)置有取樣管機(jī)械手(I)、多個(gè)樁腿(5)、井架(8)、鉆桿機(jī)械手(11)、排管架(12)、液壓系統(tǒng)(15)、液壓沖扣鉗(16)、鉆桿卡座(17)及水下控制系統(tǒng)(19)，這些部件一起構(gòu)成鉆機(jī)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(tái)的鎧裝吊纜連接；在底座(20)上沿外表面均勻固定設(shè)置有多組豎直的樁腿滑槽(21)，每個(gè)樁腿滑槽(21)中滑動(dòng)安裝有一個(gè)樁腿(5)，每個(gè)樁腿(5)的下端鉸接有一個(gè)樁靴(7)，樁靴(7)與樁腿(5)上端外側(cè)之間鉸接有翻轉(zhuǎn)油缸(6)，每個(gè)樁腿(5)的上端內(nèi)側(cè)與一個(gè)升降油缸(18)鉸接;排管架(12)設(shè)置在底座(20)上表面，排管架(12)中排放設(shè)置有保壓鉆桿(13)和取樣管(14 )，保壓鉆桿(13 )排放在外圈，取樣管(14 )排放在內(nèi)圈；在井架(8)中安裝有水下頂驅(qū)(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的深海沉積物連續(xù)保壓取芯海底鉆機(jī)，其特征在于所述的鉆桿機(jī)械手(11)用于對(duì)排管架(12)中的保壓鉆桿(13)進(jìn)行取出和放入，以及將保壓鉆桿(13)送至井口及移出；所述的取樣管機(jī)械手(I)用于在排管架(12)上方定點(diǎn)位置吊出取樣管(14)，放入井口處保壓鉆桿(13)下端聯(lián)接的取芯鉆桿(10)內(nèi)；以及從井口處保壓鉆桿(13)下部聯(lián)接的取芯鉆桿(10)內(nèi)吊出取樣管(14),放入排管架(12)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的深海沉積物連續(xù)保壓取芯海底鉆機(jī)，其特征在于所述的排管架(12)為回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)，排管架(12)上部外圈為開(kāi)口式鉆桿接頭卡槽板，排管架(12)上部?jī)?nèi)圈為孔板，排管架(12)下部下層板為承載板，用于支撐所有保壓鉆桿(13)和取樣管(14)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的深海沉積物連續(xù)保壓取芯海底鉆機(jī)，其特征在于所述的水下頂驅(qū)(9)的中心管空心軸下端與取芯鉆桿(10)或保壓鉆桿(13)通過(guò)螺紋聯(lián)接，中心管上端設(shè)有喇叭口，水下頂驅(qū)(9)的下部配有背鉗。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的深海沉積物連續(xù)保壓取芯海底鉆機(jī)，其特征在于所述的液壓沖扣鉗(16)安裝在井架(8)的下部、鉆桿卡座(17)的上方，液壓沖扣鉗(16)包括下部的背鉗、上部的沖扣鉗、夾緊油缸、沖扣油缸和進(jìn)退油缸組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的深海沉積物連續(xù)保壓取芯海底鉆機(jī)，其特征在于所述底座(20)上的井口位置安裝有鉆桿卡座(17)，鉆桿卡座(17)打開(kāi)時(shí)能使鉆具通過(guò)，鉆桿卡座(17)閉合時(shí)能夠卡住鉆桿接頭。
7.—種深海沉積物連續(xù)保壓取芯作業(yè)方法，其特征在于，利用權(quán)利要求I到6任一裝置，按照以下步驟實(shí)施步驟I、下入鉆機(jī)主體當(dāng)鉆機(jī)主體(4)即將到達(dá)海底時(shí)，多組樁靴(7)在翻轉(zhuǎn)油缸(6)的驅(qū)動(dòng)下翻轉(zhuǎn)到工作位，并接觸到海底；各個(gè)樁腿(5)通過(guò)升降油缸(18)將鉆機(jī)主體(4)升起，通過(guò)水平傳感器反饋的信號(hào)，水下控制系統(tǒng)(19)發(fā)出控制信號(hào)，液壓系統(tǒng)(15)分別控制每個(gè)樁腿(5)的升降調(diào)節(jié)，調(diào)平底座(20);2步驟2、鉆進(jìn)、取芯作業(yè) . 2.I)水下頂驅(qū)(9)啟動(dòng)，水下頂驅(qū)(9)的中心管低速正轉(zhuǎn)，同時(shí)水下頂驅(qū)(9)以與中心管轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)的速度邊下降邊鉆進(jìn)，沉積物通過(guò)空心鉆頭進(jìn)入取芯鉆桿(10)內(nèi)卡住的取樣管(14)，直至取芯鉆桿(10)完全鉆入海底沉積物，沉積物巖芯全部進(jìn)入取樣管(14)中，中心管停止轉(zhuǎn)動(dòng)；水下頂驅(qū)(9)上升拔斷巖芯，繼續(xù)上升使取芯鉆桿(10)上端的接頭位于鉆桿卡座(17)之上，閉合鉆桿卡座(17)，水下頂驅(qū)(9)緩慢下降，使取芯鉆桿(10)上端接頭坐在鉆桿卡座(17)上；取樣管機(jī)械手(I)旋轉(zhuǎn)至井口位置，其上的繩索取芯工具(2)下放，通過(guò)中心管上端的喇叭口進(jìn)入中心管內(nèi)，到達(dá)取芯鉆桿(10 )內(nèi)的取樣管(14 )處，解卡、抓住、并吊起充滿(mǎn)了巖芯的取樣管(14)出中心管；然后取樣管機(jī)械手(I)旋轉(zhuǎn)至排管架(12)上方的定點(diǎn)位置，下放取樣管(14)按照順序進(jìn)入排管架(12)的空位并排放好，繩索取芯工具 (2)松開(kāi)取樣管(14)，提升設(shè)定高度后待命，一段巖芯鉆取作業(yè)完成； .2.2)水下頂驅(qū)(9)下部的背鉗夾緊取芯鉆桿(10)上端接頭，頂驅(qū)中心管反轉(zhuǎn)，旋松中心管與鉆桿接頭之間的螺紋，中心管停轉(zhuǎn)，背鉗松開(kāi)，中心管再次反轉(zhuǎn)、同時(shí)水下頂驅(qū)(9)上升，旋開(kāi)接頭螺紋；水下頂驅(qū)(9)繼續(xù)上升至最高位，鉆桿機(jī)械手(11)的手臂伸出至排管架(12)定點(diǎn)位置，卡爪夾緊保壓鉆桿(13)并舉升設(shè)定高度、回縮取出保壓鉆桿(13)，旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度后再伸出，將保壓鉆桿(13)送至井口，水下頂驅(qū)(9)邊正轉(zhuǎn)邊緩慢下降，與鉆桿機(jī)械手(11)夾持的保壓鉆桿(13)上端的接頭聯(lián)接、旋上，水下頂驅(qū)(9)停止下降、中心管停轉(zhuǎn)，水下頂驅(qū)(9)下部的背鉗夾緊鉆桿上端接頭，中心管再次正轉(zhuǎn)將此接頭旋緊，中心管停轉(zhuǎn)，背鉗松開(kāi)；鉆桿機(jī)械手(11)的卡爪松開(kāi)保壓鉆桿(13)，回縮、下降、旋轉(zhuǎn)回安裝位置待命；水下頂驅(qū)(9)中心管連同與之聯(lián)接好的保壓鉆桿(13)再次邊正轉(zhuǎn)邊緩慢下降，與鉆桿卡座(17)卡住的取芯鉆桿(10)上端接頭或保壓鉆桿(13)上端接頭聯(lián)接、旋上，頂驅(qū)停止下降、中心管停轉(zhuǎn)；液壓沖扣鉗(16)移入到井口位置，背鉗夾緊卡座卡住的取芯鉆桿(10)上端接頭或保壓鉆桿(13)上端接頭，沖扣鉗先反轉(zhuǎn)至極限位置后再夾緊與取芯鉆桿(10)上端接頭或保壓鉆桿(13)上端接頭聯(lián)接的新保壓鉆桿(13)下端接頭；然后，沖扣油缸推動(dòng)沖扣甜正轉(zhuǎn)，旋緊聯(lián)接的螺紋，一根新保壓鉆桿(13)聯(lián)接完畢；背鉗、沖扣鉗分別松開(kāi)，沖扣鉗轉(zhuǎn)回原始位，液壓沖扣鉗(16)移出井口位置，排管架(12)步進(jìn)旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度并鎖緊，使下一根保壓鉆桿(13)和取樣管(14)位于待取出的定點(diǎn)位置； . 2.3)下放繩索取芯工具(2)，從排管架(12)抓住并吊起取樣管(14)至設(shè)定高度，然后旋轉(zhuǎn)至井口位置水下頂驅(qū)(9 )中心管上端喇叭口上方，下放取樣管(14 )通過(guò)喇叭口進(jìn)入中心管、保壓鉆桿(13)的內(nèi)腔，直到到達(dá)取芯鉆桿(10)內(nèi)孔中并卡住，繩索取芯工具(2)松開(kāi)取樣管(14)、提出至水下頂驅(qū)(9)中心管上端喇叭口上方待命；水下頂驅(qū)(9)上升到設(shè)定高度，鉆桿卡座(17)打開(kāi)； . 2.4)水下頂驅(qū)(9)啟動(dòng)，中心管以與下降速度相關(guān)聯(lián)的低速旋轉(zhuǎn)，邊下降邊鉆進(jìn)，直至保壓鉆桿(13)鉆完，沉積物巖芯全部進(jìn)入取樣管(14)中，頂驅(qū)中心管停轉(zhuǎn)，上提拔斷巖芯，繼續(xù)上升使與中心管聯(lián)接的鉆桿上端接頭位于鉆桿卡座(17)之上，閉合卡座，水下頂驅(qū)(9)緩慢下降，使保壓鉆桿(13)上端接頭坐在卡座上；下放繩索取芯工具(2)，通過(guò)中心管喇叭口進(jìn)入中心管及保壓鉆桿(13)內(nèi)腔，到達(dá)取芯鉆桿(10)內(nèi)的取樣管(14)處，解卡、抓住、并吊起充滿(mǎn)了巖芯的取樣管(14)出中心管；然后旋轉(zhuǎn)至排管架(12)上方的定點(diǎn)位置，下放取樣管(14)至排管架(12)的空位并按照順序排放好，繩索取芯工具(2)松開(kāi)取樣管(14)、并提升設(shè)定高度后待命，又一段巖芯鉆取作業(yè)完成； 排管架(12)步進(jìn)旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度并鎖緊，使下一根保壓鉆桿(13)和取樣管(14)位于待取出的定點(diǎn)位置； .2.5)重復(fù)2. I)、2. 2)、2. 3)、2. 4)項(xiàng)操作，直到所有保壓鉆桿(13)依次聯(lián)接完、鉆完，所有充滿(mǎn)了巖芯的取樣管(14)依次全部排放在排管架(12)中，取芯作業(yè)完成； 步驟3、起鉆作業(yè) .3.I)水下頂驅(qū)(9)上升到設(shè)定高度，鉆桿卡座(17)打開(kāi)，水下頂驅(qū)(9)繼續(xù)上升提出一根保壓鉆桿(13)，并使與之聯(lián)接的下一根的保壓鉆桿(13)上端接頭位于鉆桿卡座(17)之上，閉合卡座，水下頂驅(qū)(9)緩慢下降，使下一根保壓鉆桿(13)上端的接頭坐在卡座上；液壓沖扣鉗(16)移入到井口位置，背鉗夾緊卡座卡住的保壓鉆桿(13)上端接頭，沖扣鉗夾緊與之聯(lián)接的保壓鉆桿(13)的下端接頭；然后，沖扣油缸推動(dòng)沖扣鉗反轉(zhuǎn)，旋松聯(lián)接螺紋；背鉗、沖扣鉗分別松開(kāi)，沖扣鉗轉(zhuǎn)回原始位，液壓沖扣鉗(16)移出井口位置；水下頂驅(qū)(9)中心管反轉(zhuǎn)、同時(shí)上升，旋開(kāi)接頭螺紋并繼續(xù)上升，使中心管聯(lián)接的保壓鉆桿(13)下端的接頭下平面提出至卡座卡住的保壓鉆桿(13)上端接頭的上平面之上設(shè)定高度，并在中心管聯(lián)接的保壓鉆桿(13)下端的接頭上裝上保壓護(hù)帽； .3.2)鉆桿機(jī)械手(11)由安裝位旋轉(zhuǎn)至對(duì)準(zhǔn)井口的位置，手臂伸出至井口并升高，卡爪夾緊保壓鉆桿(13);水下頂驅(qū)(9)下部的背鉗夾緊保壓鉆桿(13)上端的接頭，水下頂驅(qū)(9)中心管反轉(zhuǎn)，旋松中心管與保壓鉆桿(13)上端接頭之間的螺紋，中心管停轉(zhuǎn)，背鉗松開(kāi)，水下頂驅(qū)(9)中心管再次反轉(zhuǎn)、同時(shí)上升，旋開(kāi)接頭螺紋；水下頂驅(qū)(9)上升至最高位，中心管下端接頭螺紋的下平面高于保壓鉆桿(13)上端接頭的上平面；鉆桿機(jī)械手(11)回縮、旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)排管架(12)定點(diǎn)位置的排放空位、伸出、下降，將保壓鉆桿(13)排放在排管架(12)中；卡爪松開(kāi)、手臂回縮、升高、旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)井口待命；排管架(12)步進(jìn)旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度并鎖緊，使下一根保壓鉆桿(13)排放空位位于定點(diǎn)位置； .3.3)水下頂驅(qū)(9)邊正轉(zhuǎn)邊下降，到達(dá)鉆桿卡座(17)卡住的保壓鉆桿(13)上端接頭處再緩慢下降與接頭聯(lián)接、旋上，水下頂驅(qū)(9)中心管停轉(zhuǎn)；水下頂驅(qū)(9)下部的背鉗夾緊卡座卡住的保壓鉆桿(13)上端接頭，水下頂驅(qū)(9)中心管再次正轉(zhuǎn)，將此接頭旋緊，之后背鉗松開(kāi)； .3.4)重復(fù)3. 1),3. 2),3. 3)項(xiàng)操作，直到所有保壓鉆桿(13)依次全部起出，取芯鉆桿(10)與水下頂驅(qū)(9)中心管聯(lián)接好，水下頂驅(qū)(9)上升至入海前的高度，起鉆作業(yè)完成； 步驟4、保壓作業(yè) .4.I)取樣管機(jī)械手(I)旋轉(zhuǎn)至排管架(12)上方定點(diǎn)位置，下放其上的繩索取芯工具(2)至排管架(12)上內(nèi)圈排放的充滿(mǎn)沉積物巖芯的取樣管(14)上端，繩索取芯工具(2)抓住并吊起取樣管(14)，提吊至其下端高于保壓鉆桿(13)上端接頭上平面的位置，取樣管機(jī)械手(I)旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，使取樣管(14)位于排管架(12)外圈排放的保壓鉆桿(13)的上方，下放取樣管(14)入保壓鉆桿(13)中并裝好，繩索取芯工具(2)松開(kāi)取樣管(14)并提出，取樣管機(jī)械手(I)旋轉(zhuǎn)至排管架(12)上方定點(diǎn)位置待命；排管架(12)步進(jìn)旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度并鎖緊，使下一根取樣管(14)和空心的保壓鉆桿(13)位于定點(diǎn)位置； .4. 2)重復(fù)4. I)項(xiàng)操作，直到所有取樣管(14)分別裝入每一個(gè)對(duì)應(yīng)的保壓鉆桿(13)中； .4.3)鉆桿機(jī)械手(11)旋轉(zhuǎn)至安裝位，手臂伸出至排管架(12)定點(diǎn)位置，卡爪夾緊已裝好取樣管(14)的保壓鉆桿(13)，并在上端接頭上裝上保壓護(hù)堵；鉆桿機(jī)械手(11)卡爪松開(kāi)、手臂回縮待命；排管架(12)步進(jìn)旋轉(zhuǎn)設(shè)定角度并鎖緊，使下一根未安裝保壓護(hù)堵的保壓鉆桿(13)位于定點(diǎn)位置； .4.4)重復(fù)4. 3)項(xiàng)操作，直到所有保壓鉆桿(13)都安裝好一個(gè)保壓護(hù)堵，保壓作業(yè)完成； 步驟5、樁腿(5)通過(guò)升降油缸(18)將鉆機(jī)主體(4)降下，樁靴(7)在翻轉(zhuǎn)油缸(6)的驅(qū)動(dòng)下收回到入海前的位置；然后，利用鎧裝吊纜通過(guò)主體框架(3)將鉆機(jī)主體(4)回收至甲板，全部作業(yè)完成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種深海沉積物連續(xù)保壓取芯海底鉆機(jī)，包括在底座上分別設(shè)置有取樣管機(jī)械手、多個(gè)樁腿、井架、鉆桿機(jī)械手、排管架、液壓系統(tǒng)、液壓沖扣鉗、鉆桿卡座及水下控制系統(tǒng)，在底座上固定安裝有主體框架；在底座上設(shè)置有多組樁腿及其樁靴，樁靴與樁腿之間鉸接有翻轉(zhuǎn)油缸，樁腿的上端內(nèi)側(cè)與一個(gè)升降油缸鉸接；排管架設(shè)置在底座上表面，排管架中排放設(shè)置有保壓鉆桿和取樣管，在井架中安裝有水下頂驅(qū)。本發(fā)明裝置，通過(guò)海上平臺(tái)的鎧裝纜下放至海底，一次下入海底就位后，對(duì)海底沉積物進(jìn)行低擾動(dòng)鉆進(jìn)和連續(xù)多段取芯，同時(shí)對(duì)每段巖芯進(jìn)行保壓處理等作業(yè)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、體積小、重量輕、工作效率高、低擾動(dòng)、取芯率高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)E21B25/18GK102913162SQ20121041911
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者王進(jìn)全, 任克忍, 王兵, 楊紅剛, 魏代鋒 申請(qǐng)人:寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司