CN102913162A - 深海沉积物连续保压取芯海底钻机及作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海沉积物连续保压取芯海底钻机，包括在底座上分别设置有取样管机械手、多个桩腿、井架、钻杆机械手、排管架、液压系统、液压冲扣钳、钻杆卡座及水下控制系统，在底座上固定安装有主体框架；在底座上设置有多组桩腿及其桩靴，桩靴与桩腿之间铰接有翻转油缸，桩腿的上端内侧与一个升降油缸铰接；排管架设置在底座上表面，排管架中排放设置有保压钻杆和取样管，在井架中安装有水下顶驱。本发明装置，通过海上平台的铠装缆下放至海底，一次下入海底就位后，对海底沉积物进行低扰动钻进和连续多段取芯，同时对每段岩芯进行保压处理等作业，具有结构紧凑、工作可靠、体积小、重量轻、工作效率高、低扰动、取芯率高的特点。

Description

深海沉积物连续保压取芯海底钻机及作业方法

技术领域

本发明属于深海勘探技术及海洋工程技术领域，涉及一种深海沉积物连续保压取芯海底钻机，本发明还涉及一种深海沉积物连续保压取芯作业方法。

背景技术

天然气水合物（也称可燃冰）是一种新型能源，主要赋存在海底200m以内的沉积物中，是石油、天然气的理想的替代能源。目前主要采用地球物理和其它探测方法寻找海底可燃冰，虽能获取相关信息，但只能提供海底是否存在可燃冰的线索，而不能作为圈定储量的依据。钻探取芯获取可燃冰实物样品，是圈定其储量的唯一手段。

采用钻探取芯的方法可获取可燃冰实物样品，对岩芯样品进行保压可保证从海底提升到海面的过程中其原位压力不变，从而防止可燃冰随压力降低而气化挥发。目前获取沉积物岩芯的主要手段是通过海洋钻探船、勘察船或通用型海底钻机。

海洋钻探船、勘察船主要是为勘探海底石油、天然气的目的设计的，吨位大又漂浮在海面上，下入的钻杆绝大部分在海水中穿越，仅极少部分钻入沉积物中实施钻进、取芯作业，并且每次钻进仅能获得一段沉积物岩芯，因此，在钻取海底沉积物岩芯方面，既费时效率又低，作业费用大，无法进行大面积沉积物岩芯的勘探调查作业。

另外，现有的海底钻机虽因体积小、重量轻，可搭载在普通科考船上，通过科考船上的甲板设备将其下放至海底，在海底进行钻探作业，效率高、作业费用低，但这类钻机均属于以海底硬岩为主要钻探对象的通用型钻机，并不能完全适应沉积物的钻探，而且一次入海也只能钻取一段沉积物岩芯，不具备一次入海连续多段取芯的能力，尤其是无法对沉积物进行低扰动钻进取芯作业（对沉积物的扰动可致其泥浆化，无法正常取芯），再者无法对所获得的岩芯样品进行保压处理，如果多次入海钻取岩芯，作业费时，费用同样也很大。因此，这类海底钻机不能高效的进行沉积物的勘探取样作业、也无连续取芯并对岩芯保压的作业能力，同样无法进行大面积沉积物岩芯的勘探调查作业。

发明内容

本发明的目的是提供一种深海沉积物连续保压取芯海底钻机，解决了现有技术无法满足对海底沉积物低扰动钻进、一次入海连续多段取芯、对每段岩芯保压处理的问题。

本发明的另一目的是提供一种深海沉积物连续保压取芯作业方法，解决了现有技术不能高效的进行沉积物的勘探取样作业、也无连续取芯并对岩芯保压的作业能力，同样无法进行大面积沉积物岩芯的勘探调查作业的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种深海沉积物连续保压取芯海底钻机，包括底座，在底座上分别设置有取样管机械手、多个桩腿、井架、钻杆机械手、排管架、液压系统、液压冲扣钳、钻杆卡座及水下控制系统，这些部件一起构成钻机主体；

在底座上固定安装有主体框架，主体框架的上端与海上平台的铠装吊缆连接；

在底座上沿外表面均匀固定设置有多组竖直的桩腿滑槽，每个桩腿滑槽中滑动安装有一个桩腿，每个桩腿的下端铰接有一个桩靴，桩靴与桩腿上端外侧之间铰接有翻转油缸，每个桩腿的上端内侧与一个升降油缸铰接；

排管架设置在底座上表面，排管架中排放设置有保压钻杆和取样管，保压钻杆排放在外圈，取样管排放在内圈；

在井架中安装有水下顶驱。

本发明所采用的另一技术方案是，一种深海沉积物连续保压取芯作业方法，利用上述的装置，按照以下步骤实施：

步骤1、下入钻机主体

当钻机主体即将到达海底时，多组桩靴在翻转油缸的驱动下翻转到工作位，并接触到海底；各个桩腿通过升降油缸将钻机主体升起，通过水平传感器反馈的信号，水下控制系统发出控制信号，液压系统分别控制每个桩腿的升降调节，调平底座；

步骤2、钻进、取芯作业

2.1）水下顶驱启动，水下顶驱的中心管低速正转，同时水下顶驱以与中心管转速相关联的速度边下降边钻进，沉积物通过空心钻头进入取芯钻杆内卡住的取样管，直至取芯钻杆完全钻入海底沉积物，沉积物岩芯全部进入取样管中，中心管停止转动；水下顶驱上升拔断岩芯，继续上升使取芯钻杆上端的接头位于钻杆卡座之上，闭合钻杆卡座，水下顶驱缓慢下降，使取芯钻杆上端接头坐在钻杆卡座上；取样管机械手旋转至井口位置，其上的绳索取芯工具下放，通过中心管上端的喇叭口进入中心管内，到达取芯钻杆内的取样管处，解卡、抓住、并吊起充满了岩芯的取样管出中心管；然后取样管机械手旋转至排管架上方的定点位置，下放取样管按照顺序进入排管架的空位并排放好，绳索取芯工具松开取样管，提升设定高度后待命，一段岩芯钻取作业完成；

2.2）水下顶驱下部的背钳夹紧取芯钻杆上端接头，顶驱中心管反转，旋松中心管与钻杆接头之间的螺纹，中心管停转，背钳松开，中心管再次反转、同时水下顶驱上升，旋开接头螺纹；水下顶驱继续上升至最高位，钻杆机械手的手臂伸出至排管架定点位置，卡爪夹紧保压钻杆并举升设定高度、回缩取出保压钻杆，旋转设定角度后再伸出，将保压钻杆送至井口，水下顶驱边正转边缓慢下降，与钻杆机械手夹持的保压钻杆上端的接头联接、旋上，水下顶驱停止下降、中心管停转，水下顶驱下部的背钳夹紧钻杆上端接头，中心管再次正转将此接头旋紧，中心管停转，背钳松开；钻杆机械手的卡爪松开保压钻杆，回缩、下降、旋转回安装位置待命；水下顶驱中心管连同与之联接好的保压钻杆再次边正转边缓慢下降，与钻杆卡座卡住的取芯钻杆上端接头或保压钻杆上端接头联接、旋上，顶驱停止下降、中心管停转；液压冲扣钳移入到井口位置，背钳夹紧卡座卡住的取芯钻杆上端接头或保压钻杆上端接头，冲扣钳先反转至极限位置后再夹紧与取芯钻杆上端接头或保压钻杆上端接头联接的新保压钻杆下端接头；然后，冲扣油缸推动冲扣钳正转，旋紧联接的螺纹，一根新保压钻杆联接完毕；背钳、冲扣钳分别松开，冲扣钳转回原始位，液压冲扣钳移出井口位置，排管架步进旋转设定角度并锁紧，使下一根保压钻杆和取样管位于待取出的定点位置；

2.3）下放绳索取芯工具，从排管架抓住并吊起取样管至设定高度，然后旋转至井口位置水下顶驱中心管上端喇叭口上方，下放取样管通过喇叭口进入中心管、保压钻杆的内腔，直到到达取芯钻杆内孔中并卡住，绳索取芯工具松开取样管、提出至水下顶驱中心管上端喇叭口上方待命；水下顶驱上升到设定高度，钻杆卡座打开；

2.4）水下顶驱启动，中心管以与下降速度相关联的低速旋转，边下降边钻进，直至保压钻杆钻完，沉积物岩芯全部进入取样管中，顶驱中心管停转，上提拔断岩芯，继续上升使与中心管联接的钻杆上端接头位于钻杆卡座之上，闭合卡座，水下顶驱缓慢下降，使保压钻杆上端接头坐在卡座上；下放绳索取芯工具，通过中心管喇叭口进入中心管及保压钻杆内腔，到达取芯钻杆内的取样管处，解卡、抓住、并吊起充满了岩芯的取样管出中心管；然后旋转至排管架上方的定点位置，下放取样管至排管架的空位并按照顺序排放好，绳索取芯工具松开取样管、并提升设定高度后待命，又一段岩芯钻取作业完成；

排管架步进旋转设定角度并锁紧，使下一根保压钻杆和取样管位于待取出的定点位置；

2.5）重复2.1）、2.2）、2.3）、2.4）项操作，直到所有保压钻杆依次联接完、钻完，所有充满了岩芯的取样管依次全部排放在排管架中，取芯作业完成；

步骤3、起钻作业

3.1）水下顶驱上升到设定高度，钻杆卡座打开，水下顶驱继续上升提出一根保压钻杆，并使与之联接的下一根的保压钻杆上端接头位于钻杆卡座之上，闭合卡座，水下顶驱缓慢下降，使下一根保压钻杆上端的接头坐在卡座上；液压冲扣钳移入到井口位置，背钳夹紧卡座卡住的保压钻杆上端接头，冲扣钳夹紧与之联接的保压钻杆的下端接头；然后，冲扣油缸推动冲扣钳反转，旋松联接螺纹；背钳、冲扣钳分别松开，冲扣钳转回原始位，液压冲扣钳移出井口位置；水下顶驱中心管反转、同时上升，旋开接头螺纹并继续上升，使中心管联接的保压钻杆下端的接头下平面提出至卡座卡住的保压钻杆上端接头的上平面之上设定高度，并在中心管联接的保压钻杆下端的接头上装上保压护帽；

3.2）钻杆机械手由安装位旋转至对准井口的位置，手臂伸出至井口并升高，卡爪夹紧保压钻杆；水下顶驱下部的背钳夹紧保压钻杆上端的接头，水下顶驱中心管反转，旋松中心管与保压钻杆上端接头之间的螺纹，中心管停转，背钳松开，水下顶驱中心管再次反转、同时上升，旋开接头螺纹；水下顶驱上升至最高位，中心管下端接头螺纹的下平面高于保压钻杆上端接头的上平面；钻杆机械手回缩、旋转对准排管架定点位置的排放空位、伸出、下降，将保压钻杆排放在排管架中；卡爪松开、手臂回缩、升高、旋转对准井口待命；排管架步进旋转设定角度并锁紧，使下一根保压钻杆排放空位位于定点位置；

3.3）水下顶驱边正转边下降，到达钻杆卡座卡住的保压钻杆上端接头处再缓慢下降与接头联接、旋上，水下顶驱中心管停转；水下顶驱下部的背钳夹紧卡座卡住的保压钻杆上端接头，水下顶驱中心管再次正转，将此接头旋紧，之后背钳松开；

3.4）重复3.1）、3.2）、3.3）项操作，直到所有保压钻杆依次全部起出，取芯钻杆与水下顶驱中心管联接好，水下顶驱上升至入海前的高度，起钻作业完成；

步骤4、保压作业

4.1）取样管机械手旋转至排管架上方定点位置，下放其上的绳索取芯工具至排管架上内圈排放的充满沉积物岩芯的取样管上端，绳索取芯工具抓住并吊起取样管，提吊至其下端高于保压钻杆上端接头上平面的位置，取样管机械手旋转一个小角度，使取样管位于排管架外圈排放的保压钻杆的上方，下放取样管入保压钻杆中并装好，绳索取芯工具松开取样管并提出，取样管机械手旋转至排管架上方定点位置待命；排管架步进旋转设定角度并锁紧，使下一根取样管和空心的保压钻杆位于定点位置；

4.2）重复4.1）项操作，直到所有取样管分别装入每一个对应的保压钻杆中；

4.3）钻杆机械手旋转至安装位，手臂伸出至排管架定点位置，卡爪夹紧已装好取样管的保压钻杆，并在上端接头上装上保压护堵；钻杆机械手卡爪松开、手臂回缩待命；排管架步进旋转设定角度并锁紧，使下一根未安装保压护堵的保压钻杆位于定点位置；

4.4）重复4.3）项操作，直到所有保压钻杆都安装好一个保压护堵，保压作业完成；

步骤5、桩腿通过升降油缸将钻机主体降下，桩靴在翻转油缸的驱动下收回到入海前的位置；然后，利用铠装吊缆通过主体框架将钻机主体回收至甲板，全部作业完成。

本发明的有益效果是：

1）结构紧凑、工作可靠、体积小、重量轻，搭载在普通科考船上，通过甲板设备下放至海底作业，完成作业后回收至甲板，出海作业费用低，主要应用于海底沉积物的钻探、连续取芯、岩芯保压等作业及作业方法，可应用于大面积可燃冰的勘探调查作业。

2）实现了对沉积物的低扰动旋转钻进取芯作业，最大限度避免沉积物泥浆化，取芯率高。

3）能够一次入海连续多段取芯，并对每段沉积物岩芯保压，比通用型海底钻机勘探调查作业效率提高数倍至数十倍。

附图说明

图1为本发明装置的局部结构示意图（带桩腿、桩靴及主体框架）；

图2为本发明装置中的钻机主体4部分结构示意图（不带桩腿、桩靴及主体框架）。

图中，1.取样管机械手、2.绳索取芯工具、3.主体框架、4.钻机主体、5.桩腿、6.翻转油缸、7.桩靴、8.井架、9.水下顶驱、10.取芯钻杆、11.钻杆机械手、12.排管架、13.保压钻杆、14.取样管、15.液压系统、16.液压冲扣钳、17.钻杆卡座、18.升降油缸、19.水下控制系统、20.底座，21.桩腿滑槽。

具体实施方式

参照图1、图2，本发明深海沉积物连续保压取芯海底钻机的结构是，包括底座20，在底座20上分别设置有取样管机械手1、多个桩腿5、井架8、钻杆机械手11、排管架12、液压系统15、液压冲扣钳16、钻杆卡座17、水下控制系统19，这些部件一起构成钻机主体4，

在底座20上固定安装有主体框架3，主体框架3为可拆卸式框架结构，用于围拢在上述的钻机主体4周围，主体框架3的下端通过耳扳及销轴与底座20上表面接耳固定连接，主体框架3的上端与科考船铠装吊缆连接（图1中未画出），主体框架3可承受整个深海沉积物连续保压取芯海底钻机的所有重力及部分附加载荷，主体框架3兼有保护钻机主体4中的设备的作用，拆装方便，便于设备维修。

在底座20上沿外表面均匀固定设置有多组竖直的桩腿滑槽21（可以根据需要设置3-6组），每个桩腿滑槽21中滑动安装有一个桩腿5，每个桩腿5的下端铰接有一个桩靴7，每个桩腿5的上端外侧与桩靴7之间铰接有翻转油缸6；每个桩腿5的上端内侧与一个升降油缸18铰接，升降油缸18缸体与底座20上表面的安装座铰接，桩靴7接地后，升降油缸18的伸缩带动桩腿5上升、下降，分别实现钻机主体4的降低调平、上升抬高；

桩靴7在科考船上存放时可以通过翻转油缸6收起，桩靴7与桩腿5并拢以减少存储空间，桩靴7在下放到海底时通过翻转油缸6的伸张驱动翻转至图1所示的工作位置，接触到海底，起到支撑整个底座20的作用，作业完成后，桩腿5回缩、桩靴7回转，分别收回到入海前的状态，随钻机一同回收至科考船甲板；在桩靴7上设计有桩靴7抛弃机构，如果桩靴7深陷在海底沉积物中，在翻转油缸6回缩收回桩靴7的回收力超过设定值时，桩靴7抛弃机构工作，将无法从深陷在海底沉积物中的桩靴7抛弃；

在底座20上表面设置的排管架12为回转型结构，具有步进旋转、锁紧功能，排管架12中排放设置有保压钻杆13和取样管14，保压钻杆13排放在外圈，通过钻杆机械手11进行抓出或放入，取样管14排放在内圈，通过取样管机械手1上的绳索取芯工具2进行吊出或吊入；保压钻杆13具有钻杆和岩芯保压容器两个功能，使整个钻机轻型化；

排管架12上部外圈为开口式钻杆接头卡槽板，只能卡住保压钻杆13的上端接头而让保压钻杆13的钻杆部分通过，上部接头卡槽板与下部上层孔板一道将保压钻杆13固定限位；排管架12上部内圈为孔板，与下部上层孔板一道将取样管14固定限位；排管架12下部下层板为承载板，用于支撑所有保压钻杆13和取样管14。

钻杆机械手11的手臂从安装位前伸至排管架12，卡爪夹住保压钻杆13并举升设定高度，使保压钻杆13上端的接头脱离排管架12上部卡槽板，下端从排管架12下部上层孔板中提出；然后手臂回缩取出保压钻杆13、再旋转设定角度后再伸出，将保压钻杆13送至井口，分别与水下顶驱9中心管下端接头螺纹和钻杆卡座17上卡住的井眼中的前一根保压钻杆13或取芯钻杆10的上端接头螺纹联接；保压钻杆13上下接头联接完毕后，钻杆机械手11卡爪松开，再次回缩、下降、旋转回安装位置。

在取样管机械手1工作端头上安装有绳索取芯工具2，用于在排管架12上方定点位置吊出取样管14，放入井口处保压钻杆13下端联接的取芯钻杆10内；以及从井口处保压钻杆13下部联接的取芯钻杆10内吊出取样管14，放入排管架12上。取样管机械手1入海前处于低位，保证在甲板上尺寸最小，到达海底后其上段通过液压缸或齿轮齿条机构推动或驱动伸出，达到工作高度；

绳索取芯工具2通过其中的绞车卷扬，将取样管14提升至设定高度；然后取样管机械手1旋转设定角度，使取样管14对正井口位置及水下顶驱9中心管上端的喇叭口，下放取样管14，穿过中心管及其下端联接的保压钻杆13的内腔，直到下放到达联接在保压钻杆13下端的取芯钻杆10的内孔中，并被卡在其中，在钻进取芯时收纳岩芯；绳索取芯工具2在取样管14被卡在取芯钻杆10的内孔中后松开取样管14，再经绞车提出至水下顶驱9中心管上端喇叭口以上；然后取样管机械手1旋转设定角度，使绳索取芯工具2转动到排管架12上方定点提升位置，等待下一次作业。从取芯钻杆10的内孔中吊出取样管14并吊入排管架12的过程为上述过程的逆过程。

在井架8中安装有水下顶驱9，井架8中设置有由轨道槽和导向平面组成的导轨，水下顶驱9通过齿轮齿条机构或油缸驱动的增距机构沿井架8内的导轨上下移动、并精确定位，在井架8的两根前立柱上配有齿条，齿条与水下顶驱9上的升降液压马达或电机驱动的齿轮，组成齿轮齿条副，使得水下顶驱9能够完成定速下降钻进作业以及起钻作业，齿轮齿条副也可替换为油缸驱动的增距升降机构；图1、图2中的实施例均为齿轮齿条机构；水下顶驱9的中心管空心轴下端与取芯钻杆10或保压钻杆13通过螺纹联接，中心管上端设有喇叭口，用于取样管14以及绳索取芯工具2进入中心管时导向；钻头、取芯钻杆10和保压钻杆13一起组成钻具，水下顶驱9通过中心管驱动钻具，旋转钻进取芯；井架8能够支撑水下顶驱9的最大提升载荷，并能够承受水下顶驱9钻进时产生的反扭矩。

水下顶驱9的中心管空心轴下端与钻具通过螺纹联接，水下顶驱9的下部配有背钳，用于夹持钻杆上端接头，使其具有自主旋松、旋紧接头螺纹的功能。

液压冲扣钳16安装在井架8的下部、钻杆卡座17的上方，液压冲扣钳16由下部的背钳、上部的冲扣钳、夹紧油缸、冲扣油缸和进退油缸等组成，液压冲扣钳16的作用是旋松或旋紧井口处两根钻杆接头之间的联接螺纹，液压冲扣钳16可移入或移出井口位置。

在底座20上的井口位置安装有钻杆卡座17，用于在接卸钻杆时承担井眼中钻具的重量，能够控制开合操作，打开时能使钻具通过，闭合时能够卡住钻杆接头，使接、卸钻杆的作业顺利进行。

液压冲扣钳16的旋松作业过程是：当钻杆卡座17卡住井眼中钻杆上端接头时，液压冲扣钳16移入到井口位置，背钳夹紧卡座卡住的钻杆接头，冲扣钳夹紧与之联接的钻杆接头；然后，冲扣油缸推动冲扣钳反转，旋松联接螺纹；背钳、冲扣钳分别松开，冲扣钳转回原始位，液压冲扣钳16移出井口位置；水下顶驱9中心管反转、同时上升，旋开接头螺纹。液压冲扣钳16的旋紧作业是旋松作业的逆过程。

液压系统15用于提供所有液压设备的液压驱动力以及控制执行元件所驱动的液压设备按程序要求动作，完全适应深水作业环境；液压系统15包括液压源、控制元件、执行元件、传感器及管线组成，执行元件安装在各液压设备上，分别驱动各液压设备按要求动作，传感器反馈各液压设备状态的信息，为自动、程序控制提供检测信号。

水下控制系统19，具有上述的所有操作设备的位置和状态检测、控制、通讯等功能，用于实现所有操作设备的位置、状态检测、自动控制、通讯或甲板遥控，完全适应深水作业环境，是本发明自动控制或甲板遥控的水下控制中心。

本发明装置通过搭载的普通科考船上的甲板设备，通过具有供电、通讯、起吊载荷能力的铠装吊缆下放至目标海底进行作业。

本发明的深海沉积物连续保压取芯作业方法，按照以下步骤实施：

步骤1、下入钻机主体

当钻机主体4即将到达海底时，4组桩靴7在翻转油缸6的驱动下翻转到工作位，并接触到海底；桩腿5通过升降油缸18将钻机主体4升起，通过水平传感器反馈的信号，水下控制系统19发出控制信号，液压系统15分别控制4组桩腿5的升降调节，调平钻机主体4的底座20；

步骤2、钻进、取芯作业

2.1）水下顶驱9启动，水下顶驱9的中心管低速正转，同时水下顶驱9以与中心管转速相关联的速度边下降边钻进，沉积物通过空心钻头进入取芯钻杆10内卡住的取样管14（取芯钻杆10及一根卡在其中的取样管14，在钻机入海前已联接在水下顶驱9中心管上，钻机回收时取芯钻杆10仍旧联接在中心管上）。直至取芯钻杆10完全钻入海底沉积物，沉积物岩芯全部进入取样管14中，中心管停止转动；水下顶驱9上升拔断岩芯，继续上升使取芯钻杆10上端的接头位于钻杆卡座17之上，闭合钻杆卡座17，水下顶驱9缓慢下降，使取芯钻杆10上端接头坐在钻杆卡座17上；取样管机械手1旋转至井口位置，其上的绳索取芯工具2下放，通过中心管上端的喇叭口进入中心管内，到达取芯钻杆10内的取样管14处，解卡、抓住、并吊起充满了岩芯的取样管14出中心管；然后取样管机械手1旋转至排管架12上方的定点位置，下放取样管14按照顺序进入排管架12的空位并排放好，绳索取芯工具2松开取样管14、提升设定高度后待命，一段岩芯钻取作业完成；

2.2）水下顶驱9下部的背钳夹紧取芯钻杆10上端接头，顶驱中心管反转，旋松中心管与钻杆接头之间的螺纹，中心管停转，背钳松开，中心管再次反转、同时水下顶驱9上升，旋开接头螺纹；水下顶驱9继续上升至最高位，钻杆机械手11的手臂伸出至排管架12定点位置，卡爪夹紧保压钻杆13并举升设定高度、回缩取出保压钻杆13，旋转设定角度后再伸出，将保压钻杆13送至井口，水下顶驱9边正转边缓慢下降，与钻杆机械手11夹持的保压钻杆13上端的接头联接、旋上，水下顶驱9停止下降、中心管停转，水下顶驱9下部的背钳夹紧钻杆上端接头，中心管再次正转将此接头旋紧，中心管停转，背钳松开；钻杆机械手11的卡爪松开保压钻杆13，回缩、下降、旋转回安装位置待命；水下顶驱9中心管连同与之联接好的保压钻杆13再次边正转边缓慢下降，与钻杆卡座17卡住的取芯钻杆10上端接头或保压钻杆13上端接头联接、旋上，顶驱停止下降、中心管停转；液压冲扣钳16移入到井口位置，背钳夹紧卡座卡住的取芯钻杆10上端接头或保压钻杆13上端接头，冲扣钳先反转至极限位置后再夹紧与取芯钻杆10上端接头或保压钻杆13上端接头联接的新保压钻杆13下端接头；然后，冲扣油缸推动冲扣钳正转，旋紧联接的螺纹，一根新保压钻杆13联接完毕；背钳、冲扣钳分别松开，冲扣钳转回原始位，液压冲扣钳16移出井口位置，排管架12步进旋转设定角度并锁紧，使下一根保压钻杆13和取样管14位于待取出的定点位置；

2.3）下放绳索取芯工具2，从排管架12抓住并吊起取样管14至设定高度，然后旋转至井口位置水下顶驱9中心管上端喇叭口上方，下放取样管14通过喇叭口进入中心管、保压钻杆13的内腔，直到到达取芯钻杆10内孔中并卡住，绳索取芯工具2松开取样管14、提出至水下顶驱9中心管上端喇叭口上方待命；水下顶驱9上升到设定高度，钻杆卡座17打开；

2.4）水下顶驱9启动，中心管以与下降速度相关联的低速旋转，边下降边钻进，直至保压钻杆13钻完，沉积物岩芯全部进入取样管14中，顶驱中心管停转，上提拔断岩芯，继续上升使与中心管联接的钻杆上端接头位于钻杆卡座17之上，闭合卡座，水下顶驱9缓慢下降，使保压钻杆13上端接头坐在卡座上；下放绳索取芯工具2，通过中心管喇叭口进入中心管及保压钻杆13内腔，到达取芯钻杆10内的取样管14处，解卡、抓住、并吊起充满了岩芯的取样管14出中心管；然后旋转至排管架12上方的定点位置，下放取样管14至排管架12的空位并按照顺序排放好，绳索取芯工具2松开取样管14、并提升设定高度后待命，又一段岩芯钻取作业完成；排管架12步进旋转设定角度并锁紧，使下一根保压钻杆13和取样管14位于待取出的定点位置；

2.5）重复2.1）、2.2）、2.3）、2.4）项操作，直到所有保压钻杆13依次联接完、钻完，所有充满了岩芯的取样管14依次全部排放在排管架12中，取芯作业完成；

步骤3、起钻作业

3.1）水下顶驱9上升到设定高度，钻杆卡座17打开，水下顶驱9继续上升提出一根保压钻杆13，并使与之联接的下一根的保压钻杆13上端接头位于钻杆卡座17之上，闭合卡座，水下顶驱9缓慢下降，使下一根保压钻杆13上端的接头坐在卡座上；液压冲扣钳16移入到井口位置，背钳夹紧卡座卡住的保压钻杆13上端接头，冲扣钳夹紧与之联接的保压钻杆13的下端接头；然后，冲扣油缸推动冲扣钳反转，旋松联接螺纹；背钳、冲扣钳分别松开，冲扣钳转回原始位，液压冲扣钳16移出井口位置；水下顶驱9中心管反转、同时上升，旋开接头螺纹并继续上升，使中心管联接的保压钻杆13下端的接头下平面提出至卡座卡住的保压钻杆13上端接头的上平面之上设定高度，并在中心管联接的保压钻杆13下端的接头上装上保压护帽；

3.2）钻杆机械手11由安装位旋转至对准井口的位置，手臂伸出至井口并升高，卡爪夹紧保压钻杆13；水下顶驱9下部的背钳夹紧保压钻杆13上端的接头，水下顶驱9中心管反转，旋松中心管与保压钻杆13上端接头之间的螺纹，中心管停转，背钳松开，水下顶驱9中心管再次反转、同时上升，旋开接头螺纹；水下顶驱9上升至最高位，中心管下端接头螺纹的下平面高于保压钻杆13上端接头的上平面；钻杆机械手11回缩、旋转对准排管架12定点位置的排放空位、伸出、下降，将保压钻杆13排放在排管架12中；卡爪松开、手臂回缩、升高、旋转对准井口待命；排管架12步进旋转设定角度并锁紧，使下一根保压钻杆13排放空位位于定点位置；

3.3）水下顶驱9边正转边下降，到达钻杆卡座17卡住的保压钻杆13上端接头处再缓慢下降与接头联接、旋上，水下顶驱9中心管停转；水下顶驱9下部的背钳夹紧卡座卡住的保压钻杆13上端接头，水下顶驱9中心管再次正转，将此接头旋紧，之后背钳松开；

3.4）重复3.1）、3.2）、3.3）项操作，直到所有保压钻杆13依次全部起出，取芯钻杆10与水下顶驱9中心管联接好，水下顶驱9上升至入海前的高度，起钻作业完成；

步骤4、保压作业

4.1）取样管机械手1旋转至排管架12上方定点位置，下放其上的绳索取芯工具2至排管架12上内圈排放的充满沉积物岩芯的取样管14上端，绳索取芯工具2抓住并吊起取样管14，提吊至其下端高于保压钻杆13上端接头上平面的位置，取样管机械手1旋转一个小角度，使取样管14位于排管架12外圈排放的保压钻杆13的上方，下放取样管14入保压钻杆13中并装好，绳索取芯工具2松开取样管14并提出，取样管机械手1旋转至排管架12上方定点位置待命；排管架12步进旋转设定角度并锁紧，使下一根取样管14和空心的保压钻杆13位于定点位置；

4.2）重复4.1）项操作，直到所有取样管14分别装入每一个对应的保压钻杆13中；

4.3）钻杆机械手11旋转至安装位，手臂伸出至排管架12定点位置，卡爪夹紧已装好取样管14的保压钻杆13，并在上端接头上装上保压护堵；钻杆机械手11卡爪松开、手臂回缩待命；排管架12步进旋转设定角度并锁紧，使下一根未安装保压护堵的保压钻杆13位于定点位置；

4.4）重复4.3）项操作，直到所有保压钻杆13都安装好一个保压护堵，保压作业完成；

步骤5、所有桩腿5通过各自的升降油缸18将钻机主体4降下，所有桩靴7在翻转油缸6的驱动下收回到入海前的位置（收起与桩腿5靠近的折叠位置）；如某个桩靴7深陷在海底沉积物中无法脱离时将被抛弃；然后，科考船甲板设备利用铠装吊缆通过主体框架3将本发明的钻机主体4回收至甲板，全部作业完成。

本发明的深海沉积物连续保压取芯海底钻机及作业方法，设置有以下部件，包括可在低扰动旋转钻进取芯作业中采用旋转速度与下降速度相关联驱动钻具的水下顶驱；可支撑顶驱提升的最大载荷及承受顶驱钻井时的反扭矩并对顶驱升降进行驱动导向的井架；可排放取样管、保压钻杆并具有步进旋转、锁紧功能的排管架；可容纳沉积物岩芯的取样管；即可作为钻进时的钻杆又可作为岩芯保压容器的保压钻杆；可水平伸缩、垂直升降、定角度旋转的钻杆机械手；入海后可升起上臂、具有定角度旋转、通过绳索取芯工具抓取或松开取样管的取样管机械手；可支撑井眼中钻具重量的开合式钻杆卡座；可对井口位置钻杆接头进行旋紧、旋松作业并可进入或退出井口位置的液压冲扣钳；4组或多组可翻转、可升降、桩靴可丢弃的桩腿；提供全部液压设备驱动力、程序控制各液压设备动作的液压系统；具有所有设备的位置和状态检测、自动控制、通讯或甲板遥控等功能的水下控制系统。

本发明装置，可搭载在普通科考船上，通过甲板设备的铠装缆下放至海底，在一次下入海底就位后，对海底沉积物进行低扰动钻进和连续多段取芯，同时对每段岩芯进行保压处理等作业，待作业完成后，通过铠装缆将其回收至甲板，结构紧凑、工作可靠、体积小、重量轻、工作效率高、低扰动、取芯率高。

Claims (7)

1.一种深海沉积物连续保压取芯海底钻机，其特征在于：包括底座（20），在底座（20）上分别设置有取样管机械手（1）、多个桩腿（5）、井架（8）、钻杆机械手（11）、排管架（12）、液压系统（15）、液压冲扣钳（16）、钻杆卡座（17）及水下控制系统（19），这些部件一起构成钻机主体（4）；

在底座（20）上固定安装有主体框架（3），主体框架（3）的上端与海上平台的铠装吊缆连接；

在底座（20）上沿外表面均匀固定设置有多组竖直的桩腿滑槽（21），每个桩腿滑槽（21）中滑动安装有一个桩腿（5），每个桩腿（5）的下端铰接有一个桩靴（7），桩靴（7）与桩腿（5）上端外侧之间铰接有翻转油缸（6），每个桩腿（5）的上端内侧与一个升降油缸（18）铰接；

排管架（12）设置在底座（20）上表面，排管架（12）中排放设置有保压钻杆（13）和取样管（14），保压钻杆（13）排放在外圈，取样管（14）排放在内圈；

在井架（8）中安装有水下顶驱（9）。

2.根据权利要求1所述的深海沉积物连续保压取芯海底钻机，其特征在于：所述的钻杆机械手（11）用于对排管架（12）中的保压钻杆（13）进行取出和放入，以及将保压钻杆（13）送至井口及移出；

所述的取样管机械手（1）用于在排管架（12）上方定点位置吊出取样管（14），放入井口处保压钻杆（13）下端联接的取芯钻杆（10）内；以及从井口处保压钻杆（13）下部联接的取芯钻杆（10）内吊出取样管（14），放入排管架（12）上。

3.根据权利要求1所述的深海沉积物连续保压取芯海底钻机，其特征在于：所述的排管架（12）为回转型结构，排管架（12）上部外圈为开口式钻杆接头卡槽板，排管架（12）上部内圈为孔板，排管架（12）下部下层板为承载板，用于支撑所有保压钻杆（13）和取样管（14）。

4.根据权利要求1所述的深海沉积物连续保压取芯海底钻机，其特征在于：所述的水下顶驱（9）的中心管空心轴下端与取芯钻杆（10）或保压钻杆（13）通过螺纹联接，中心管上端设有喇叭口，水下顶驱（9）的下部配有背钳。

5.根据权利要求1所述的深海沉积物连续保压取芯海底钻机，其特征在于：所述的液压冲扣钳（16）安装在井架（8）的下部、钻杆卡座（17）的上方，液压冲扣钳（16）包括下部的背钳、上部的冲扣钳、夹紧油缸、冲扣油缸和进退油缸组成。

6.根据权利要求1所述的深海沉积物连续保压取芯海底钻机，其特征在于：所述底座（20）上的井口位置安装有钻杆卡座（17），钻杆卡座（17）打开时能使钻具通过，钻杆卡座（17）闭合时能够卡住钻杆接头。

7.一种深海沉积物连续保压取芯作业方法，其特征在于，利用权利要求1到6任一装置，按照以下步骤实施：

步骤1、下入钻机主体

当钻机主体（4）即将到达海底时，多组桩靴（7）在翻转油缸（6）的驱动下翻转到工作位，并接触到海底；各个桩腿（5）通过升降油缸（18）将钻机主体（4）升起，通过水平传感器反馈的信号，水下控制系统（19）发出控制信号，液压系统（15）分别控制每个桩腿（5）的升降调节，调平底座（20）；

步骤2、钻进、取芯作业

2.1）水下顶驱（9）启动，水下顶驱（9）的中心管低速正转，同时水下顶驱（9）以与中心管转速相关联的速度边下降边钻进，沉积物通过空心钻头进入取芯钻杆（10）内卡住的取样管（14），直至取芯钻杆（10）完全钻入海底沉积物，沉积物岩芯全部进入取样管（14）中，中心管停止转动；水下顶驱（9）上升拔断岩芯，继续上升使取芯钻杆（10）上端的接头位于钻杆卡座（17）之上，闭合钻杆卡座（17），水下顶驱（9）缓慢下降，使取芯钻杆（10）上端接头坐在钻杆卡座（17）上；取样管机械手（1）旋转至井口位置，其上的绳索取芯工具（2）下放，通过中心管上端的喇叭口进入中心管内，到达取芯钻杆（10）内的取样管（14）处，解卡、抓住、并吊起充满了岩芯的取样管（14）出中心管；然后取样管机械手（1）旋转至排管架（12）上方的定点位置，下放取样管（14）按照顺序进入排管架（12）的空位并排放好，绳索取芯工具（2）松开取样管（14），提升设定高度后待命，一段岩芯钻取作业完成；

2.2）水下顶驱（9）下部的背钳夹紧取芯钻杆（10）上端接头，顶驱中心管反转，旋松中心管与钻杆接头之间的螺纹，中心管停转，背钳松开，中心管再次反转、同时水下顶驱（9）上升，旋开接头螺纹；水下顶驱（9）继续上升至最高位，钻杆机械手（11）的手臂伸出至排管架（12）定点位置，卡爪夹紧保压钻杆（13）并举升设定高度、回缩取出保压钻杆（13），旋转设定角度后再伸出，将保压钻杆（13）送至井口，水下顶驱（9）边正转边缓慢下降，与钻杆机械手（11）夹持的保压钻杆（13）上端的接头联接、旋上，水下顶驱（9）停止下降、中心管停转，水下顶驱（9）下部的背钳夹紧钻杆上端接头，中心管再次正转将此接头旋紧，中心管停转，背钳松开；钻杆机械手（11）的卡爪松开保压钻杆（13），回缩、下降、旋转回安装位置待命；水下顶驱（9）中心管连同与之联接好的保压钻杆（13）再次边正转边缓慢下降，与钻杆卡座（17）卡住的取芯钻杆（10）上端接头或保压钻杆（13）上端接头联接、旋上，顶驱停止下降、中心管停转；液压冲扣钳（16）移入到井口位置，背钳夹紧卡座卡住的取芯钻杆（10）上端接头或保压钻杆（13）上端接头，冲扣钳先反转至极限位置后再夹紧与取芯钻杆（10）上端接头或保压钻杆（13）上端接头联接的新保压钻杆（13）下端接头；然后，冲扣油缸推动冲扣钳正转，旋紧联接的螺纹，一根新保压钻杆（13）联接完毕；背钳、冲扣钳分别松开，冲扣钳转回原始位，液压冲扣钳（16）移出井口位置，排管架（12）步进旋转设定角度并锁紧，使下一根保压钻杆（13）和取样管（14）位于待取出的定点位置；

2.3）下放绳索取芯工具（2），从排管架（12）抓住并吊起取样管（14）至设定高度，然后旋转至井口位置水下顶驱（9）中心管上端喇叭口上方，下放取样管（14）通过喇叭口进入中心管、保压钻杆（13）的内腔，直到到达取芯钻杆（10）内孔中并卡住，绳索取芯工具（2）松开取样管（14）、提出至水下顶驱（9）中心管上端喇叭口上方待命；水下顶驱（9）上升到设定高度，钻杆卡座（17）打开；

2.4）水下顶驱（9）启动，中心管以与下降速度相关联的低速旋转，边下降边钻进，直至保压钻杆（13）钻完，沉积物岩芯全部进入取样管（14）中，顶驱中心管停转，上提拔断岩芯，继续上升使与中心管联接的钻杆上端接头位于钻杆卡座（17）之上，闭合卡座，水下顶驱（9）缓慢下降，使保压钻杆（13）上端接头坐在卡座上；下放绳索取芯工具（2），通过中心管喇叭口进入中心管及保压钻杆（13）内腔，到达取芯钻杆（10）内的取样管（14）处，解卡、抓住、并吊起充满了岩芯的取样管（14）出中心管；然后旋转至排管架（12）上方的定点位置，下放取样管（14）至排管架（12）的空位并按照顺序排放好，绳索取芯工具（2）松开取样管（14）、并提升设定高度后待命，又一段岩芯钻取作业完成；

排管架（12）步进旋转设定角度并锁紧，使下一根保压钻杆（13）和取样管（14）位于待取出的定点位置；

2.5）重复2.1）、2.2）、2.3）、2.4）项操作，直到所有保压钻杆（13）依次联接完、钻完，所有充满了岩芯的取样管（14）依次全部排放在排管架（12）中，取芯作业完成；

步骤3、起钻作业

3.1）水下顶驱（9）上升到设定高度，钻杆卡座（17）打开，水下顶驱（9）继续上升提出一根保压钻杆（13），并使与之联接的下一根的保压钻杆（13）上端接头位于钻杆卡座（17）之上，闭合卡座，水下顶驱（9）缓慢下降，使下一根保压钻杆（13）上端的接头坐在卡座上；液压冲扣钳（16）移入到井口位置，背钳夹紧卡座卡住的保压钻杆（13）上端接头，冲扣钳夹紧与之联接的保压钻杆（13）的下端接头；然后，冲扣油缸推动冲扣钳反转，旋松联接螺纹；背钳、冲扣钳分别松开，冲扣钳转回原始位，液压冲扣钳（16）移出井口位置；水下顶驱（9）中心管反转、同时上升，旋开接头螺纹并继续上升，使中心管联接的保压钻杆（13）下端的接头下平面提出至卡座卡住的保压钻杆（13）上端接头的上平面之上设定高度，并在中心管联接的保压钻杆（13）下端的接头上装上保压护帽；

3.2）钻杆机械手（11）由安装位旋转至对准井口的位置，手臂伸出至井口并升高，卡爪夹紧保压钻杆（13）；水下顶驱（9）下部的背钳夹紧保压钻杆（13）上端的接头，水下顶驱（9）中心管反转，旋松中心管与保压钻杆（13）上端接头之间的螺纹，中心管停转，背钳松开，水下顶驱（9）中心管再次反转、同时上升，旋开接头螺纹；水下顶驱（9）上升至最高位，中心管下端接头螺纹的下平面高于保压钻杆（13）上端接头的上平面；钻杆机械手（11）回缩、旋转对准排管架（12）定点位置的排放空位、伸出、下降，将保压钻杆（13）排放在排管架（12）中；卡爪松开、手臂回缩、升高、旋转对准井口待命；排管架（12）步进旋转设定角度并锁紧，使下一根保压钻杆（13）排放空位位于定点位置；

3.3）水下顶驱（9）边正转边下降，到达钻杆卡座（17）卡住的保压钻杆（13）上端接头处再缓慢下降与接头联接、旋上，水下顶驱（9）中心管停转；水下顶驱（9）下部的背钳夹紧卡座卡住的保压钻杆（13）上端接头，水下顶驱（9）中心管再次正转，将此接头旋紧，之后背钳松开；

3.4）重复3.1）、3.2）、3.3）项操作，直到所有保压钻杆（13）依次全部起出，取芯钻杆（10）与水下顶驱（9）中心管联接好，水下顶驱（9）上升至入海前的高度，起钻作业完成；

步骤4、保压作业

4.1）取样管机械手（1）旋转至排管架（12）上方定点位置，下放其上的绳索取芯工具（2）至排管架（12）上内圈排放的充满沉积物岩芯的取样管（14）上端，绳索取芯工具（2）抓住并吊起取样管（14），提吊至其下端高于保压钻杆（13）上端接头上平面的位置，取样管机械手（1）旋转一个小角度，使取样管（14）位于排管架（12）外圈排放的保压钻杆（13）的上方，下放取样管（14）入保压钻杆（13）中并装好，绳索取芯工具（2）松开取样管（14）并提出，取样管机械手（1）旋转至排管架（12）上方定点位置待命；排管架（12）步进旋转设定角度并锁紧，使下一根取样管（14）和空心的保压钻杆（13）位于定点位置；

4.2）重复4.1）项操作，直到所有取样管（14）分别装入每一个对应的保压钻杆（13）中；

4.3）钻杆机械手（11）旋转至安装位，手臂伸出至排管架（12）定点位置，卡爪夹紧已装好取样管（14）的保压钻杆（13），并在上端接头上装上保压护堵；钻杆机械手（11）卡爪松开、手臂回缩待命；排管架（12）步进旋转设定角度并锁紧，使下一根未安装保压护堵的保压钻杆（13）位于定点位置；

4.4）重复4.3）项操作，直到所有保压钻杆（13）都安装好一个保压护堵，保压作业完成；

步骤5、桩腿（5）通过升降油缸（18）将钻机主体（4）降下，桩靴（7）在翻转油缸（6）的驱动下收回到入海前的位置；然后，利用铠装吊缆通过主体框架（3）将钻机主体（4）回收至甲板，全部作业完成。

Images