CN100507204C - 天然气水合物深水浅孔保温保压取芯钻具 - Google Patents

Abstract

一种天然气水合物深水浅孔保温保压取芯钻具，用于在3000m或以下的深海进行天然气水合物的钻取，属于深海资源调查技术装备的制造技术领域；本发明设计了一种在交变液压油缸往复装置的驱动下使取芯管交替向下和双层真空保温的天然气水合物深水浅孔保温保压取芯钻具，包括三角机架、保温保压装置、交变液压驱动装置和沉积物取芯装置；本发明解决了国内没有能在深海钻取沉积物岩芯的机械装备，解决了国外保压器靠重力方式只能从海底获取长度较短的天然气水合物岩芯而且不能保温保压的问题；本发明采用液压驱动，可以获取更长的海底沉积物岩芯，双层结构而且抽真空可以达到保温的目的，本发明的压力补偿机构可以自动补充压力，可以达到从海底到海面上升过程保压的目的。

Description

天然气水合物深水浅孔保温保压取芯钻具

技术领域：一种天然气水合物深水浅孔保温保压取芯钻具，用于在3000m或以下的深海进行天然气水合物的钻取，属于海洋，特别是深海资源调查技术装备的制造技术领域。

背景技术：在现有技术中，目前为了进行海洋天然气水合物资源调查，需要能在3000m或者以下水深获取海底沉积物岩芯的机械装备，但是，国内目前还没有这类设备，因此只能借用国外相关的技术装备进行这项工作，国际上现有的这类装备叫保压器，采用的是重力方式对海底的天然气水合物进行取芯，目前国际上的这种保压器，是在取芯工具内装一套保压筒，将从海底取得的沉积物岩芯装在保压筒内并提出海面，现有国际上的保压器只能从海底获取2—6米长的天然气水合物；现有技术的缺点是：由于是重力的方式取芯，获取的沉积物岩芯的长度与设备的重量有关，所以，取芯长度较短，最长的6米，不能满足对海洋深处资源研究的需要，而且这种保压器只能保压，不能保温，在从海底上升到海面的过程中，取得的原位岩芯温度就失去了，由于温度的变化，会导致岩芯的重大变化，使研究工作不能在原始岩芯的状态下进行，并因此导致对海底资源的误判断。

发明内容：本发明的目的是针对现有技术的缺点，利用液压的原理采用液压驱动获得向下的动力，并利用真空保温的原理，设计一种在交变液压油缸往复装置的驱动下使取芯管交替向下和双层真空保温的天然气水合物深水浅孔保温保压取芯钻具。

本发明包括三角机架、取芯装置保温保压装置、交变液压驱动装置，能源舱和控制舱，三角机架上部与保温保压装置连接，其下部设置有支撑液压缸，支撑脚和触地板，在三角机架的中间设置有交变液压驱动装置、控制舱和能源舱，控制舱内有信号接收、处理和发出指令的处理器，能源舱内装锂电池组，为控制舱和电磁阀提供电源；保温保压装置包括保温保压筒、取芯管和带导流孔的平板闸阀，保温保压筒和取芯管形成双层结构，夹层中抽真空、内表面喷涂隔热漆、外表面涂防紫外线涂层以便达到保温的目的，保温保压装置的上部连接吊装提升机构，吊装提升机构的顶面设置有限位传感器、锁紧螺栓、滑轮、钢缆、提升绳和绳卡，在取芯管的上端内部设置有一个活塞，活塞通过绳卡、锁紧螺栓与提升绳连接，为了密封，在活塞与取芯管、取芯管与保温保压筒的接触面上设置有多个密封圈，在每一根取芯管的外壁上设置有承力块；保温保压装置的下部设置有一个带导流孔的平板闸阀，平板闸阀的上部由连接卡与保温保压筒的下部密封连接；交变液压驱动装置设置在三角机架的中部，包括一个液压工作站，液压工作站分别由液压管路与支撑腿液压缸、推进油缸、推进机匣、抱紧装置和升绳绞车连接，推进油缸由固定卡连接在保温保压筒的下端，保温保压筒由多节构成，保温保压筒由连接卡连接，在每一节保温保压筒的接头处都有向外横向突出的连接斜面，在保温保压筒接头的底平面上还设置有密封圈槽，以便达到连接后的密封，连接卡由两个半圆并带有V型槽的卡子构成，其V型槽与两个保温保压筒接头合拢后的斜面相吻合，两个半圆的V型槽卡子由螺栓拧紧后，在相应斜面的压迫下密封固定；沉积物取芯装置包括取心管、推进机匣和抱紧装置，在推进机匣中设置有刮泥器、长度传感器和小锁，推进机匣与推进油缸由插销连接，抱紧装置连接在三角机架的最下端，在抱紧装置中设置有锁紧片、锁紧油缸和锁紧电磁阀，锁紧电磁阀由能源舱提供电力，在控制舱的指挥下工作；操作时先在船上按照顺序安装好本装置，将取芯钻头连接在取芯管的下端，将提升绳穿过滑轮、锁紧螺栓、由绳卡将提升绳固定在锁紧螺栓的下端，然后将锁紧螺栓拧紧在活塞的上部凸出的内孔中，提升绳的另一端连接在提升绞车上，连接完后将取芯管从保温保压筒的上端向下穿过打开的平板闸阀、推进机匣和设置在三角机架最下端的抱紧装置，钻具从甲板上下放前，将推进机匣中的小锁卡在装好钻头的取心管的最下面一道承力槽中，然后在船上的吊车帮助下用钻具收放装置吊着放到海里，为了从船上放下和收回的方便，下放时本发明的三个支撑腿是收拢的，当三角机架下到设定的深度时，控制舱中的处理器得到压力传感器的信号，启动程序，将三角机架的三个支撑腿张开，一直到海底；由于海底不是平坦的，所以，到达海底后，为便于钻具稳定，将三角机架的三个支撑腿的长度设计到足够长，在坡度20℃范围，钻具能稳定地固着在海底上；钻具稳定固着在海底后，在各个传感器的监测下，控制舱指挥预先设定的程序进行海底沉积物岩心的取心工作，顺序如下：1.启动液压工作站，使推进油缸向下运动，并将取芯钻头推进海底的沉积物岩芯中，2.取芯钻头的弹簧花瓣被推开，使获取的岩芯进入取芯筒，3.当推进油缸到达下死点时，控制舱命令设置在底部的抱紧装置将取芯管卡住而不能回缩，4.命令设置在推进机匣的小锁打开，推进油缸收回到达上死点，5.命令小锁卡在取心筒的上一道承力槽中、同时打开下部的抱紧装置，6.向推进油缸注液压油，再一次推动钻头更深的插入海底的沉积物中，进入钻头的岩芯再次被推入取心筒中，以此多次反复，直到将取芯管装满；7.取芯管装满后，小锁卡在取芯管的最上一道承力槽中，推进油缸向上运动，取芯钻头的弹簧花瓣合拢，8.当推进油缸到达上死点时，控制舱命令设置在底部的抱紧装置将取芯管卡住而不能下落，9.命令设置在推进机匣的小锁打开，推进油缸下行到达下死点，10.命令小锁卡在取心筒的下一道承力槽中、同时打开下部的抱紧装置，以此多次反复，直到小锁卡在取心筒的最下一道承力槽中；在取芯管上提过程中，程序将启动提升绞车将活塞同步向上提升，最后带动取芯筒的最下一道承力槽以下部分上提，当取芯管的下端全部进入保温保压筒下部的平板闸阀以后，其上端也到达了上死点，设置在取芯管上端的锁紧螺栓将顶开限位传感器，控制舱的处理器得到信号后，停止提升绞车的工作，同时关闭设置在下部的平板闸阀，将己经获得岩芯的取芯管完全密封在保温保压筒中.这时海面将得到信号，启动船上的吊车通过钻具收放装置将本钻具整体提升到海面；在向海面提升的过程中，取芯管内岩芯的温度会随着上升时水温的升高而升高，这时设置的温度传感器会将信号传给控制舱，由于保温保压筒双层真空结构，加之其内外壁均涂了隔热漆，这种多道隔热的处理方式，最大限度地减少原位岩芯温度变化，其温升不超过5℃；为了在岩芯上升的过程中能保持海底的压力状态，本发明还设置了压力存储瓶，当取芯管内的压力下降到设定压力时，控制装置会通过传感器获得信号，并打开电磁阀，将压力存储瓶中的压力传递给取芯管以便保持海底的压力。

本发明的优点和有益效果是：利用液压的原理采用液压驱动可以获得向下的推动力，因此可以获取更长的海底沉积物岩芯，设计的取芯管是双层结构而且抽真空可以达到保温的目的，在取芯管的上端设计的活塞和保温保压筒下部的平板闸阀在取芯管完成取芯任务被收入保温保压筒后将保温保压筒内完全密封起来，达到了保压的目的，在本发明上还设置有压力补偿机构，当压力低于设定值时，压力补偿机构会自动打开气瓶向内补充压力，以便达到保压的目的。

附图说明：

图1是本发明局部剖视总装结构示意图。

图2是本发明推进机匣11、平板闸阀10的放大结构示意图。

图3是本发明吊装机构的放大剖面结构示意图。

图4是本发明保温保压筒连接卡4的放大结构示意图。

图5是本发明取芯钻头12的局部放大剖视结构图。

具体实施方式：下面结合附图给出本发明的实施例，本发明由三角机架6、取芯装置、保温保压装置、交变液压驱动装置9、能源舱8、控制舱7和提升绞车45构成：

三角机架6的下部由液压缸13、支撑腿15、触地板16和抱紧装置21构成，三角机架6的上部与保温保压装置连接；

保温保压装置从三角机架6中间穿过，保温保压装置由保温保压筒2和取芯管3构成，取芯管3设置在保温保压筒2的中间，保温保压筒2和取芯管3形成双层结构，夹层抽真空，以便达到保温的目的，保温保压筒2由连接卡4连接，在每一节保温保压筒2的接头处都设置有向外横向突出的连接斜面33，在保温保压筒2接头的底平面上还设置有密封圈43，以便达到连接后的密封，连接卡4是两个半圆并带有V型槽44的卡子，其V型槽44与两个保温保压筒接头合拢后的斜面33相吻合，两个半圆的带V型槽的卡子由螺栓34拧紧后，在相应斜面的压迫下密封固定；取芯管3的上端内部设置有活塞32，活塞32的上端为凸型结构，活塞32左右两边的肩部与取芯管接头25向下的台肩相配合，因此不能从取芯管3的上部滑出，活塞32向上凸出的部分穿过取芯管接头25上部的开口，由锁紧螺栓27、绳卡29与钢索31连接，形成取芯管回收装置；

交变液压驱动装置设置在三角机架6的中部，包括一个液压工作站，液压工作站分别由液压管路与支撑腿油缸13、推进油缸14、推进机匣11、抱紧装置21和提升绞车45连接；

在取芯管3和保温保压筒2的上部设置有吊装提升机构，在吊装提升机构的顶面设置有限位传感器26，吊装提升机构包括一个取芯管接头25、保温保压筒接头42、吊装盖1、吊装钢索28、弹簧41、吊装盖固定螺栓38和保温保压筒接头固定螺栓39，取芯管接头25由丝扣与取芯管3的上端相连接，在取芯管接头25的外面套有一个保温保压筒接头42，保温保压筒接头42由丝扣连接在保温保压筒2的上端，并由固定螺栓39固定，在保温保压筒接头42与取芯管接头25的纵向接触面上和与保温保压筒2上部端面的接触面上都设置有密封圈，起到对温度和压力的密封作用，吊装盖1直接套在保温保压筒接头42的外面，由固定螺栓38固定，为了起吊过程中的安全和减震，在吊装盖1的四个边上设置有四根吊装钢缆28和四个减震弹簧41，取芯管回收装置由钢索31与提升绞车45连接，钢索31的上端穿过滑轮30、锁紧螺栓27，被绳卡29固定在锁紧螺栓27的下部，锁紧螺栓27由丝扣与取芯管3上部活塞32的突出部连接；

取芯管3设置在外套2内，在取芯管3的外壁上每隔0.5～1.0米设置一道承力槽40，外套2的下部末端由槽形卡18连接一个平板闸阀10，在槽形卡18的上部，由固定卡17连接推进油缸14，固定卡17的两端固定在三角机架上，推进油缸14的下端与推进机匣11连接，推进机匣11中设置有由油缸驱动的小锁20和刮泥器19；

取芯管3的最末端与取芯钻头12连接，取芯钻头12中设置有弹簧花瓣24和压力平衡孔37，弹簧花瓣24可以合拢切割获取的岩芯并防止获取的岩芯样品掉回海里，其上部的接头36与取芯管3的下部连接。

本发明的工作流程如下：在船上将本发明的取芯装置安装好，将取芯钻头12连接在取芯管3的下端，并从保温保压筒2的上端向下穿过打开的平板闸阀10、并穿过推进机匣11和设置在三角机架最下端的抱紧装置21，抱紧装置21是设置在机架底座22上的，然后由船上的吊车通过钻具收放装置吊着吊装机构放到海里，为了从船上放下和收回的方便，在控制舱7中设置有支撑腿15收拢和张开的程序，当三角机架6下到设定的深度时，控制程序得到压力传感器的信号，程序启动液压工作站向液压缸13的下端供油，拉动三角机架6的三个支撑腿15张开，一直到海底；三角机架6稳定固着在海底后，取芯工作就在控制舱7的指挥下按照预先设定的程序进行海底沉积物岩心的取心工作：控制舱启动交变液压驱动装置9中的液压工作站，并向小锁20的电磁阀供电，使设置在推进机匣11中的小锁20卡在取芯管3上设置的承力槽40中，推进油缸14得到推力后向下运动，由于小锁是卡在取芯管3的承力槽40内的，所以当推进油缸14推动向下时，取芯钻头12也就被推进海底的沉积物岩芯中，取芯钻头12的弹簧花瓣24被推开，使获取的岩芯进入取芯筒，当推进油缸14到达下死点时，控制舱通过传感器会获得一个信号，经过处理后，向锁紧电磁阀供电，打开液压油路，使抱紧装置21的锁紧片46将插入海底的取芯管3卡住而不能回缩，同时断开小锁20的电磁阀的电源，使设置在推进机匣11的小锁20打开，然后指挥推进油缸14收回，到达上死点后，控制舱7又会得到信号，按照顺序接通能源舱给小锁电磁阀供电，使小锁20伸出卡在取芯管3的上一道承力槽40中、断开下部锁紧电磁阀的电源，切断液压管路，使锁紧片46松开、向推进油缸14注液压油，再一次推动取芯钻头12更深的插入海底的沉积物中，进入取芯钻头12的岩芯再次被推入取芯管3中；以此多次反复，直到将取芯管3装满；设置在取芯钻头12中的弹簧花瓣24只能向上推开而不能自动向下打开并能起到切割岩芯和密封的作用，所以进入的岩心在弹簧花瓣24的阻挡下不会落入海中；

当取芯管3装满以后，设置在推进机匣11上的计米传感器23会向控制舱7发出信号，控制舱7得到装满的信号后，小锁卡在取芯管3的最上一道承力槽40中，推动油缸14向上运动，取芯钻头12的弹簧花瓣24合拢，当推进油缸14到达上死点时，控制舱7命令设置在底部的抱紧装置21的锁紧片46将取芯管3卡住而不能回缩，命令设置在推进机匣11的小锁打开，推进油缸14下行到达下死点，命令小锁卡在取芯管3的下一道承力槽40中、同时松开下部抱紧装置21中的锁紧片46，以此多次反复，直到小锁卡在取芯管3的最下一道承力槽40内；在取芯管3上提过程中，程序将启动提升绞车45将活塞同步向上提升，由于绞车的上端由钢索31通过活塞32将取芯管3连接在一起，所以，当小锁20卡在取芯管3的最下一道承力槽40内时，设置在推进机匣11中的小锁电磁阀和下部锁紧装置中的电磁阀断电，小锁20和抱紧装置21的锁紧片46松开，这样，取芯管3就可以自由的向上运动，回收取芯筒最下一道承力槽以下部分；当取芯管3被提升通过平板闸阀10时，设置在吊装盖1上的到位传感器26被上升并穿过吊装盖1的活塞32的凸出部顶开，使控制舱7获得取芯管3提升到位的信号，命令停止提升绞车45的工作，并关闭平板闸阀10；由于取芯筒上部到达上死点时，与设置在吊装机构内面的密封圈完全密封，所以当下部的平板闸阀10关闭，上部到达顶端后，获取的岩芯就被密闭在取芯管3中，因此可以达到保压的目的，取芯管3的双层真空结构对获取的岩芯具有保温的作用，因此就达到了保温和保压的目的；完成海底的作业以后，设置的传感器会将完成工作的信号通过水声通信装置传到海上的工作船上，这时，就可以启动船上的升降机通过钻具收放装置将已经装满岩芯的保温保压取心钻机一起提升到海面的工作船上；

在向海面提升的过程中，取芯管内岩芯的温度由于水温的上升而升高，为了保持原样的温度，温度传感器将信号传给控制舱，由于保温保压筒是双层结构，夹层中抽真空、内表面喷涂保温层、外表面涂防紫外线涂层这种多道隔热的处理方式，最大限度地减少原位岩芯温度变化，其温升不超过5℃；为了保持海底岩样的压力状态，通过设置在保温保压筒上的压力传感器接头35可以获得筒内的压力变化情况，当取芯管3内的压力低于设定值时，控制装置会通过传感器获得信号，并打开电磁阀，将压力存储瓶5中的压力传递给取芯管3以便保持海底的压力。

Claims (6)

1、一种天然气水合物深水浅孔保温保压取芯钻具，包括三角机架、取芯装置、保温保压装置、交变液压驱动装置、能源仓和控制仓，其特征在于：

在所述三角机架的下部有液压缸、支撑腿、触地板和抱紧装置，三角机架的上部与保温保压装置连接；

所述保温保压装置包括保温保压筒和取芯管，取芯管设置在保温保压筒的中间，保温保压筒由连接卡连接，在取芯管的上端内部设置有活塞，活塞左右两边的肩部与取芯管接头向下的台肩相配合；在取芯管和保温保压筒的上部设置有吊装提升机构，在吊装提升机构的顶面设置有限位传感器，吊装提升机构包括一个取芯管接头、保温保压筒接头、吊装盖、吊装钢索和弹簧，取芯管接头由丝扣与取芯管的上端连接，保温保压筒接头套在取芯管接头的外面，吊装盖套在保温保压筒接头的外面，在吊装盖的四边上设置有弹簧，取芯管的末端与取芯钻头连接，取芯钻头中设置有弹簧花瓣和压力平衡孔；在保温保压筒的下部末端由槽形卡连接平板闸阀，槽形卡的上部由固定卡连接推进油缸，固定卡的两端固定在三角机架上，推进油缸的下端与推进机匣连接，在推进机匣中设置有小锁和刮泥器；

所述交变液压驱动装置设置在三角机架的中部，包括一个液压工作站，液压工作站由液压管路分别与支撑腿油缸、推进油缸、推进机匣、抱紧装置和提升绞车连接。

2、根据权利要求1所述的天然气水合物深水浅孔保温保压取芯钻具，其特征在于：在保温保压筒接头与取芯管接头的纵向接触面上和与保温保压筒上部端面的接触面上都设置有密封圈。

3、根据权利要求1所述的天然气水合物深水浅孔保温保压取芯钻具，其特征在于：在所述取芯管的外壁上每隔0.5—1.0米设置一道承力槽。

4、根据权利要求1所述的天然气水合物深水浅孔保温保压取芯钻具，其特征在于：在每一节保温保压筒的接头处都设置有向外横向突出的连接斜面，在保温保压筒接头的底平面上还设置有密封圈，保温保压筒与取芯管之间的夹层是抽真空的。

5.根据权利要求1所述的天然气水合物深水浅孔保温保压取芯钻具，其特征在于：所述连接卡是两个半圆并带有V型槽的卡子。

6.根据权利要求1所述的天然气水合物深水浅孔保温保压取芯钻具，其特征在于：所述活塞的上端为凸型结构，由锁紧螺栓、绳卡与钢索连接。

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