CN102747955B - 新型深海自动接杆保压取样钻机及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型深海自动接杆保压取样钻机及使用方法。本发明包括外框架、支撑调平机构、钻管存储机构、内衬管存储机构、含样内衬管保压装配机构、主机械手及钻机液压动力控制系统。钻管存储机构包括钻管存储仓、钻管控制夹、钻管斜坡槽、若干钻管；内衬管存储机构包括内衬管存储仓、内衬管控制夹、内衬管斜坡槽、若干内衬管；主机械手包括钻管运送主机械手、钻管回收主机械手、内衬管运送主机械手、内衬管回收主机械手及连接件；含样内衬管保压装配机构包括辅助机械手、装配机械手、保压盖、旋盖机构、保压盖存储机构。本发明充分利用深海钻机空间，在取样后完成对样品的保压，保压过程简便实用。

Description

新型深海自动接杆保压取样钻机及使用方法

技术领域

本发明属于海洋勘探机械设备技术领域，涉及一种新型深海自动接杆保压取样钻机。

背景技术

海底拥有大量矿藏资源，海洋资源的开发，特别是深海底赋存的各种矿产资源开发是一个新开发的技术领域。目前深海钻机或取芯器一般都不能实现在与深海原位基本相同的压力和温度条件下对所取岩芯进行保存,当岩芯取回实验室后,其吸附的生物和化学成分发生了变化,故对这种岩芯所做的一些生化试验和测试数据将是不精确的。专利200920064592.8公开了一种海底自动接杆钻机用旋转式钻管存储机构。该机构将钻管存储于分度圆盘存储架内，通过分度圆盘的定角度旋转来实现钻管的取用与回收。该机构结构复杂，且对操作性要求较高，同时受分度圆盘尺寸限制，其存储钻管的数量有限，不利于较深孔工况下的钻进。专利200310107888.0公开了一种带预进给和预定位置的深海取芯器，主要由取芯钻机和预进给预定位装置组成。取芯钻机与推进面板连接固定，预推进液压缸的活塞通过耳环与推进面板连接，利用两个平行安装的预推进液压缸代替机构复杂的机械手臂，该取芯器也不带保真存储功能。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种新型深海自动接杆保压取样钻机及其使用方法。 

新型深海自动接杆保压取样钻机，包括外框架、支撑调平机构、钻管存储机构、内衬管存储机构、含样内衬管保压装配机构、主机械手及钻机液压动力控制系统，所述主机械手和含样内衬管保压装配机构一起完成含样内衬管的保压装配过程。

所述钻管存储机构包括钻管存储仓、钻管控制夹、钻管斜坡槽、若干钻管；两个钻管存储仓并排设置，内装若干钻管，钻管存储仓内最底部的钻管预先安装上钻头和内衬管；钻管存储仓的底部安装有钻管控制夹，通过控制机构可以按指令自动放下一个钻管；其中钻管斜坡槽利用钻管的自重，使钻管从左到右运动，至钻管运送主机械手,其中在钻管斜坡槽最右端有一弯道,可以促使运动的钻管停住,待钻管运送主机械手抓取。

类似的，所述内衬管存储机构包括内衬管存储仓、内衬管控制夹、内衬管斜坡槽、若干内衬管；三个内衬管存储仓并排设置，三个内衬管存储仓有两个内衬管存储仓装内衬管，第三个内衬管存储仓置空；内衬管存储仓的底部安装有内衬管控制夹，通过控制机构可以按指令自动放下一个内衬管；其中内衬管斜坡槽利用内衬管的自重，使内衬管从左到右运动，至内衬管运送主机械手,其中在内衬管斜坡槽最右端有一弯道,可以促使运动的内衬管停住,待内衬管运送主机械手抓取。

所述主机械手包括钻管运送主机械手、钻管回收主机械手、内衬管运送主机械手、内衬管回收主机械手及连接件，四个机械手均可实现升降、旋转、伸缩功能，钻管运送主机械手、内衬管运送主机械手分别位于钻管存储机构、内衬管存储机构的底部，且通过升降、旋转和伸缩后可从钻管斜坡槽或内衬管斜坡槽抓取钻管或内衬管；钻管回收主机械手、内衬管回收主机械手分别位于钻管存储机构及内衬管存储机构的顶部，且通过升降、旋转和伸缩后抓取含样内衬管或装配好的含样保压钻管。

所述含样内衬管保压装配机构包括辅助机械手、装配机械手、保压盖、旋盖机构、保压盖存储机构，和主机械手一同完成内衬管的保压装配过程；辅助机械手、装配机械手均可实现升降、旋转、伸缩功能；辅助机械手位于深孔钻进平台的同心圆周上，且通过升降、旋转和伸缩后可从钻管运送主机械手抓取钻管；装配机械手也位于深孔钻进平台的同心圆周上，且通过旋转、伸缩可将保压盖套装在辅助机械手抓取的钻管处；旋盖机构安装于装配机械手内，通过旋转一定角度可拧紧保压盖；保压盖存储机构位于装配机械手初始位置附近，分为完全对齐的上下两个保压盖存储仓，可存储一定数量的保压盖，中间留出一定距离的空间，可放入一段钻管。

所述外框架内还设置有动力头机构及绳索取芯机构，动力头机构完成钻管的下钻及回收；绳索取芯机构在动力头机构的配合下完成内衬管的下放及回收。

以上所有机构运动所需的能量均由钻机液压动力控制系统提供。

上述装置的使用方法包括下钻及回收和保压装配两个部分，具体步骤如下：

1.下钻及回收过程：

1）开始钻孔前，钻管和内衬管依次排列并分别存储于钻管存储仓和内衬管存储仓内。

2）开始钻孔，钻管控制夹打开,使第一根钻管顺利落入钻管斜坡槽,钻管在重力作用下运动至钻管斜坡槽最右边弯道处，钻管运送主机械手抓取钻管，此时钻管的两端由两个钻管运送主机械手同时抓取并抬升至适当高度，左侧的钻管运送主机械手移动至钻管的中心位置固定，另一钻管运送主机械手松开，仅由一个钻管运送主机械手将钻管旋转至竖直状态，并运送至深孔钻进平台并由动力头下钻，下钻完毕由绳索取回含样内衬管，并通过内衬管回收主机械手抓取至预先置空的内衬管存储仓顶部放下,含样内衬管在重力作用下落入内衬管存储仓底部。

3）一次钻管下钻及含样内衬管回收完毕，进行下一次下钻及回收过程，按“内衬管— 钻管”顺序下钻，并回收含样内衬管，循环若干次直至全部钻管下钻完毕，全部含样内衬管回收完毕。

2．保压装配过程：

1）装配前，全部内衬管存储于内衬管存储仓内，全部钻管位于钻机平面以下。

2）装配开始：内衬管控制夹打开，含样内衬管在重力作用下运动至内衬管斜坡槽最右端弯道处，内衬管运送主机械手抓取含样内衬管传递给装配机械手，抓取过程与钻管类似；动力头回收顶部钻管，由钻管运送主机械手抓取该钻管传递给辅助机械手；装配机械手抬升至一定高度，辅助机械手伸缩至装配机械手正下方，装配机械手将含样内衬管下放至钻管，钻管将含样内衬管套在内部,此时钻管作为保压管使用；辅助机械手将装有含样内衬管的钻管移送至保压盖存储机构，置于上下保压盖存储仓之间，其轴线与保压盖中心线重合，上下保压盖存储仓分别推出一个保压盖,辅助机械手固定钻管，装配机械手对钻管两头进行压盖封装并保压。

 3）装配完毕，钻管回收主机械手将保压完毕的钻管重新存放于钻管存储仓内适当位置。

4）循环执行上述步骤若干次，直至全部钻管装配完毕，并回收至钻管存储机构。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：它将钻管存储机构和内衬管存储机构分别布置在钻机平台的两个对角，能充分利用钻机空间，存储较多的钻管和内衬管，且操作简单方便，使用成本较低，并能广泛适用于多深度钻孔场合。同时利用钻管和内衬管自重作为动力达到部分运动效果，一定程度上节约能源；与之配合的保压盖装配设计利用钻机自带的液压系统，简化保压过程，一定程度上降低了使用成本。而且，利用钻管套内衬管的方式实现了保压取样过程。总之，本发明结合现有深孔钻进技术，大大提高取样效率，进一步降低成本。

附图说明

图1是本发明的总体设计布局图；

图2是本发明钻管存储机构侧视图及其主机械手布局图；

图3是本发明内衬管存储机构侧视图及其主机械手布局图；

图4是本发明含样内衬管保压装配机构。

具体实施方式

     以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明新型深海自动接杆保压取样钻机，包括外框架8、支撑调平机构5、钻管存储机构1、内衬管存储机构2、含样内衬管保压装配机构3、主机械手6及钻机液压动力控制系统4，所述主机械手6和含样内衬管保压装配机构3一起完成含样内衬管的保压装配过程。

如图2所示，钻管存储机构1包括钻管存储仓10、钻管控制夹11、钻管斜坡槽12、若干钻管9；两个钻管存储仓10并排设置，内装若干钻管9，钻管存储仓10内最底部的钻管9预先安装上钻头和内衬管；钻管存储仓10的底部安装有钻管控制夹11，通过控制机构可以按指令自动放下一个钻管10；其中钻管斜坡槽12利用钻管9的自重，使钻管9从左到右运动，至钻管运送主机械手13,其中在钻管斜坡槽12最右端有一弯道,可以促使运动的钻管9停住,待钻管运送主机械手13抓取。

类似的，如图3所示，内衬管存储机构2包括内衬管存储仓16、内衬管控制夹18、内衬管斜坡槽19、若干内衬管17；三个内衬管存储仓16并排设置，三个内衬管存储仓16有两个内衬管存储仓16装内衬管17，第三个内衬管存储仓16置空；内衬管存储仓16的底部安装有内衬管控制夹18，通过控制机构可以按指令自动放下一个内衬管17；其中内衬管斜坡槽19利用内衬管17的自重，使内衬管17从左到右运动，至内衬管运送主机械手20,其中在内衬管斜坡槽19最右端有一弯道,可以促使运动的内衬管17停住,待内衬管运送主机械手20抓取。

如图2及图3所示，所述主机械手,6包括钻管运送主机械手13、钻管回收主机械手14、内衬管运送主机械手20、内衬管回收主机械手21及连接件15，四个机械手均可实现升降、旋转、伸缩功能，钻管运送主机械手13、内衬管运送主机械手20分别位于钻管存储机构1、内衬管存储机构2的底部，且通过升降、旋转和伸缩后可从钻管斜坡槽12或内衬管斜坡槽19抓取钻管9或内衬管17；钻管回收主机械手14、内衬管回收主机械手21分别位于钻管存储机构1及内衬管存储机构2的顶部，且通过升降、旋转和伸缩后抓取含样内衬管17或装配好的含样保压钻管9。

如图4所示，所述含样内衬管保压装配机构3，包括辅助机械手22、装配机械手23、保压盖26、旋盖机构24、保压盖存储机构25，和主机械手6一同完成内衬管的保压装配过程；辅助机械手22、装配机械手23两个机械手均可实现升降、旋转、伸缩功能；辅助机械手22位于深孔钻进平台7的同心圆周上，且通过升降、旋转和伸缩后可从钻管运送主机械手13抓取钻管9；装配机械手23也位于深孔钻进平台7的同心圆周上，且通过旋转、伸缩可将保压盖26套装在辅助机械手22抓取的钻管9处；旋盖机构24安装于装配机械手23内，通过旋转一定角度可拧紧保压盖26；保压盖存储机构25位于装配机械手23初始位置附近，分为完全对齐的上下两个保压盖存储仓，可存储一定数量的保压盖26，中间留出一定距离的空间，可放入一段钻管9。

外框架8内还设置有动力头机构及绳索取芯机构，动力头机构完成钻管9的下钻及回收；绳索取芯机构在动力头机构的配合下完成内衬管17的下放及回收。

以上所有机构运动所需的能量均由钻机液压动力控制系统4提供。

该装置使用方法包括下钻及回收和保压装配两个部分，具体步骤如下：

1.下钻及回收过程：

1）开始钻孔前，钻管9和内衬管17依次排列并分别存储于钻管存储仓10和内衬管存储仓16内。

2）开始钻孔，钻管控制夹11打开,使第一根钻管9顺利落入钻管斜坡槽12,钻管9在重力作用下运动至钻管斜坡槽12最右边弯道处，钻管运送主机械手13抓取钻管9，此时钻管9的两端由两个钻管运送主机械手13同时抓取并抬升至适当高度，左侧的钻管运送主机械手13移动至钻管9的中心位置固定，另一钻管运送主机械手13松开，仅由一个钻管运送主机械手13将钻管9旋转至竖直状态，并运送至深孔钻进平台7并由动力头下钻，下钻完毕由绳索取回含样内衬管17，并通过内衬管回收主机械手21抓取至预先置空的内衬管存储仓16顶部放下,含样内衬管17在重力作用下落入内衬管存储仓16底部。

3）一次钻管9下钻及含样内衬管17回收完毕，进行下一次下钻及回收过程，按“内衬管17— 钻管9”顺序下钻，并回收含样内衬管17，循环若干次直至全部钻管9下钻完毕，全部含样内衬管17回收完毕。

2．保压装配过程：

1）装配前，全部内衬管17存储于内衬管存储仓16内，全部钻管9位于钻机平面以下。

2）装配开始：内衬管控制夹18打开，含样内衬管17在重力作用下运动至内衬管斜坡槽19最右端弯道处，内衬管运送主机械手20抓取含样内衬管17传递给装配机械手23，抓取过程与钻管9类似；动力头回收顶部钻管9，由钻管运送主机械手13抓取该钻管9传递给辅助机械手22；装配机械手23抬升至一定高度，辅助机械手22伸缩至装配机械手23正下方，装配机械手23将含样内衬管17下放至钻管9，钻管9将含样内衬管17套在内部,此时钻管9作为保压管使用；辅助机械手22将装有含样内衬管17的钻管9移送至保压盖存储机构25，置于上下保压盖存储仓之间，其轴线与保压盖中心线重合，上下保压盖存储仓分别推出一个保压盖,辅助机械手22固定钻管9，装配机械手23对钻管9两头进行压盖封装并保压。

 3）装配完毕，钻管回收主机械手14将保压完毕的钻管9重新存放于钻管存储仓10内适当位置。

4）循环执行上述步骤若干次，直至全部钻管9装配完毕，并回收至钻管存储机构1。

Claims (2)

1.新型深海自动接杆保压取样钻机，包括外框架（8）、支撑调平机构（5）、钻管存储机构（1）、内衬管存储机构（2）、含样内衬管保压装配机构（3）、主机械手（6）及钻机液压动力控制系统（4），所述主机械手（6）和含样内衬管保压装配机构(3)一起完成含样内衬管的保压装配过程；

所述钻管存储机构（1）包括钻管存储仓（10）、钻管控制夹（11）、钻管斜坡槽（12）、若干钻管（9）；两个钻管存储仓（10）并排设置，内装若干钻管（9），钻管存储仓（10）内最底部的钻管（9）预先安装上钻头和内衬管（17）；钻管存储仓（10）的底部安装有钻管控制夹（11），通过控制机构按指令自动放下一个钻管（9）；其中钻管斜坡槽（12）利用钻管（9）的自重，使钻管（9）从左到右运动，至钻管运送主机械手（13）,其中在钻管斜坡槽(12)最右端有一弯道,促使运动的钻管（9）停住,待钻管运送主机械手(13)抓取；

所述内衬管存储机构（2）包括内衬管存储仓（16）、内衬管控制夹（18）、内衬管斜坡槽（19）、若干内衬管（17）；三个内衬管存储仓（16）并排设置，三个内衬管存储仓（16）有两个内衬管存储仓（16）装内衬管（17），第三个内衬管存储仓（16）置空；内衬管存储仓（16）的底部安装有内衬管控制夹（18），通过控制机构按指令自动放下一个内衬管（17）；其中内衬管斜坡槽（19）利用内衬管（17）的自重，使内衬管（17）从左到右运动，至内衬管运送主机械手（20）,其中在内衬管斜坡槽(19)最右端有一弯道,促使运动的内衬管（17）停住,待内衬管运送主机械手(20)抓取；

所述主机械手（6）包括钻管运送主机械手（13）、钻管回收主机械手（14）、内衬管运送主机械手（20）、内衬管回收主机械手（21）及连接件（15），四个机械手均可实现升降、旋转、伸缩功能，钻管运送主机械手（13）、内衬管运送主机械手（20）分别位于钻管存储机构（1）、内衬管存储机构（2）的底部，且通过升降、旋转和伸缩后可从钻管斜坡槽（12）或内衬管斜坡槽（19）抓取钻管（9）或内衬管（17）；钻管回收主机械手（14）、内衬管回收主机械手（21）分别位于钻管存储机构（1）及内衬管存储机构（2）的顶部，且通过升降、旋转和伸缩后抓取含样内衬管（17）或装配好的含样保压钻管（9）；

所述含样内衬管保压装配机构（3）包括辅助机械手（22）、装配机械手（23）、保压盖（26）、旋盖机构（24）、保压盖存储机构（25），和主机械手（6）一同完成内衬管的保压装配过程；辅助机械手（22）、装配机械手（23）均可实现升降、旋转、伸缩功能；辅助机械手（22）位于深孔钻进平台（7）的同心圆周上，且通过升降、旋转和伸缩后可从钻管运送主机械手（13）抓取钻管（9）；装配机械手（23）也位于深孔钻进平台（7）的同心圆周上，且通过旋转、伸缩可将保压盖（26）套装在辅助机械手（22）抓取的钻管（9）处；旋盖机构（24）安装于装配机械手（23）内，通过旋转一定角度可拧紧保压盖（26）；保压盖存储机构（25）位于装配机械手（23）初始位置附近，分为完全对齐的上下两个保压盖存储仓，可存储一定数量的保压盖（26），中间留出设定距离的空间，可放入一段钻管（9）；

所述外框架（8）内还设置有动力头机构及绳索取芯机构，动力头机构完成钻管（9）的下钻及回收；绳索取芯机构在动力头机构的配合下完成内衬管（17）的下放及回收；

以上所有机构运动所需的能量均由钻机液压动力控制系统（4）提供。

2.如权利要求1所述的新型深海自动接杆保压取样钻机，其使用方法包括下钻及回收和保压装配两个部分，具体步骤如下：

下钻及回收过程：

1）开始钻孔前，钻管（9）和内衬管（17）依次排列并分别存储于钻管存储仓（10）和内衬管存储仓（16）内；

2）开始钻孔，钻管控制夹（11）打开,使第一根钻管（9）顺利落入钻管斜坡槽(12),钻管（9）在重力作用下运动至钻管斜坡槽(12)最右边弯道处，钻管运送主机械手（13）抓取钻管（9），此时钻管（9）的两端由两个钻管运送主机械手（13）同时抓取并抬升至适当高度，左侧的钻管运送主机械手（13）移动至钻管（9）的中心位置固定，另一钻管运送主机械手（13）松开，仅由一个钻管运送主机械手（13）将钻管（9）旋转至竖直状态，并运送至深孔钻进平台（7）并由动力头下钻，下钻完毕由绳索取回含样内衬管（17），并通过内衬管回收主机械手（21）抓取至预先置空的内衬管存储仓（16）顶部放下,含样内衬管（17）在重力作用下落入内衬管存储仓（16）底部；

3）一次钻管（9）下钻及含样内衬管（17）回收完毕，进行下一次下钻及回收过程，按“内衬管（17）— 钻管（9）”顺序下钻，并回收含样内衬管（17），循环若干次直至全部钻管（9）下钻完毕，全部含样内衬管（17）回收完毕；

保压装配过程：

1）装配前，全部内衬管（17）存储于内衬管存储仓（16）内，全部钻管（9）位于钻机平面以下；

2）装配开始：内衬管控制夹（18）打开，含样内衬管（17）在重力作用下运动至内衬管斜坡槽（19）最右端弯道处，内衬管运送主机械手（20）抓取含样内衬管（17）传递给装配机械手（23），抓取过程与钻管（9）类似；动力头回收顶部钻管（9），由钻管运送主机械手（13）抓取该钻管（9）传递给辅助机械手（22）；装配机械手（23）抬升至一定高度，辅助机械手（22）伸缩至装配机械手（23）正下方，装配机械手（23）将含样内衬管（17）下放至钻管（9），钻管（9）将含样内衬管（17）套在内部,此时钻管（9）作为保压管使用；辅助机械手（22）将装有含样内衬管（17）的钻管（9）移送至保压盖存储机构（25），置于上下保压盖存储仓之间，其轴线与保压盖中心线重合，上下保压盖存储仓分别推出一个保压盖,辅助机械手（22）固定钻管（9），装配机械手（23）对钻管(9)两头进行压盖封装并保压；

 3）装配完毕，钻管回收主机械手（14）将保压完毕的钻管（9）重新存放于钻管存储仓（10）内适当位置；

4）循环执行上述步骤若干次，直至全部钻管（9）装配完毕，并回收至钻管存储机构（1）。