CN106368693B - 一种深海钻井取样机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种深海钻井取样机器人，包括前置钻孔单元、后置钻孔单元、液压伸缩装置及样品检测单元。前置钻孔单元包括第一液压马达、前置刀架、固定钻头和可变钻头，用于钻孔和取芯；后置钻孔单元包括扩孔钻头、后置刀架和第二液压马达，用于当深海钻井取样机器人返回时，藉由扩孔钻头进行扩孔作业以便清理路障；液压伸缩装置用于控制可变钻头的扩张和缩小，实现钻取一体化；样品检测单元用于将取到的样品进行分析处理，并将实验数据实时回传。相比于现有技术，本发明采用可变钻头的扩张与缩小实现了钻取功能一体化，进而精确控制取芯尺寸，无需海面钻井平台，节省成本和时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种地质钻探设备，尤其涉及一种深海钻井取样机器人。
背景技术
地球表面的总面积约为5.1亿平方千米，其中约有七成面积为海洋。海洋资源的开发、利用越来越受各个国家的重视，而相关的海洋资源勘探产业已经成为了许多国家的核心战略领域。海洋深度可由几米的浅海深至数千米的深海，其中深海勘探取样的技术难度大，尤其是对取样所用设备要求高，这是海洋资源勘探的一大瓶颈。而往往深海蕴藏资源丰富，勘探意义重大，是海洋资源勘探中的热门。从目前来看，国内外深海钻探取样的技术现状是，国内深海钻探起步晚、发展慢，海底钻探设备可靠性低，钻探设备的深度达不到要求，许多深海勘探工作不得不委托国外一些高技术公司，这种情况对国家在海洋产业的战略地位十分不利；国外深海钻探大多利用专业的钻探船或者钻探平台，其上配备了钻塔、钻机等设备，结构复杂，成本巨大。
钻探船和钻探平台具有明显的缺点：受海风和水流的影响较大，无法保证平台平稳，钻杆也会随着摆动，导致有效作业时间短，钻井成功率低，且钻杆的使用寿命大大缩短。此外，风浪的影响使得施工繁琐且缺乏灵活性，搭建好钻探设备耗费时间长，一旦要更换钻探位置又得重新搭建。另外，钻探中所用的钻机需要承载电缆，而承载电缆在深海中受到洋流等环境因素的影响，加重钻探船和钻探平台的负担，不适宜深海海床的钻探。
另一方面，尽管海洋开发技术尚未完全成熟，但是目前水下机器人在深海作业方面还是取得了广泛的科研价值、工程经验以及经济效益。此外，目前用于深海勘探的机器人大多缺乏可靠性验证，而且灵活性较好的机器人又存在诸如钻取量少、钻取深度不够等缺点。再者，钻取深度大的机器人往往有较大的结构，灵活性得不到保证。当深海钻井取样达到几百米甚至几千米时，往往需要大量的钻杆，而针对钻杆的运输、储存都是巨大的难题。取芯时，由于钻杆很长，提钻施力很难控制，样品断裂位置充满不确定性，甚至导致多次取芯失败，降低了作业效率。传统钻井取样还需要把样品取出水面进行分析，导致样品各种地层物理力学参数不完整或存在偏差，从而影响探测结果。
发明内容
针对现有技术的深海勘探机器人所存在的上述缺陷，本发明提供了一种深海钻井取样机器人。
依据本发明的一个方面，提供一种深海钻井取样机器人，包括前置钻孔单元、后置钻孔单元、液压伸缩装置及样品检测单元，其中，所述前置钻孔单元包括第一液压马达、前置刀架、固定钻头和可变钻头，固定钻头以及可变钻头在第一液压马达的驱动下负责钻孔和取芯；所述后置钻孔单元包括扩孔钻头、后置刀架和第二液压马达，当所述深海钻井取样机器人返回时，第二液压马达开始工作并将扭矩传递给后置刀架，后置刀架带动扩孔钻头进行扩孔作业以便清理路障；所述液压伸缩装置用于控制可变钻头的扩张和缩小，实现钻取一体化；所述样品检测单元用于将取到的样品进行分析处理，并将实验数据实时回传。
在一具体实施例，所述深海钻井取样机器人还包括支撑装置，用于提供钻孔反力和前进时的驱动力，所述支撑装置具有4个支撑腿以及1个直线驱动机构，其中的两个支撑腿位于钻洞的内壁从而为钻头提供反力，其中的另外两个支撑腿提供进给力，所述直线驱动机构通过凸轮转动实现前后移动，支撑腿两两交替工作从而以步进方式驱动所述机器人前进或后退。
在一具体实施例，所述液压伸缩装置包括两个液压缸、轴承、四个伸缩架和挡盘，液压缸固定在机器人主体上，液压缸的推杆和挡盘通过螺栓连接，伸缩架为铰链结构，其一端连接挡盘的可转动部分且另一端连接可变钻头，通过伸缩架的伸缩控制来改变可变钻头的径向长度。
在一具体实施例，挡盘包括内盘、外盘和滚动轴承，所述外盘随着滚动轴承的转动而转动，所述内盘套设于所述滚动轴承的内部。
在一具体实施例，可变钻头的数量为4个，分别安装在前置刀架的导向槽中且可沿着径向运动；固定钻头的数量为4个，分别固定安装于前置刀架上，前置刀架通过传动杆连接第一液压马达，第一液压马达通过旋转将扭矩传递给前置刀架从而带动固定钻头进行钻孔作业。
在一具体实施例，第二液压马达安装在机器人主体上，其输出轴与传动轴固定连接，扩孔钻头的数量为4个，分别安装在后置刀架上，第二液压马达通过传动轴将扭矩传递给后置刀架从而带动扩孔钻头进行扩孔作业。
在一具体实施例，所述样品检测单元还包括样品检测仓、压力测试单元和取芯管，其中，取芯管位于所述传动杆内部且固定在机器人主体上，样品检测仓安装于两根滑杆且可沿着水平方向运动，压力测试单元固定安装在样品检测仓的上面，样品通过固定钻头进入取芯管再传送到样品检测仓，并且利用样品检测仓的水平移动送至压力检测单元下部进行压力测试。
在一具体实施例，所述深海钻井取样机器人还包括探测系统，其具有超声波探测器、视觉传感器及防护罩，其中，视觉传感器安装于机器人表面，当钻孔作业停止时，防护罩打开，视觉传感器用于对孔壁上的纹理结构进行拍摄，然后将拍摄后的图像信息自主处理或通过电缆传回；超声波探测器对孔壁上的纹理结构的地质内部结构进行扫描探测，然后将探测后的扫描信号自主处理或通过电缆传回，当探测工作结束时，防护罩关闭以避免所述探测系统遭受损坏。
在一具体实施例，可变钻头在正常钻孔时并不工作，当固定钻头到达取样深度时，液压缸推动挡盘前移，伸缩架收缩，驱动可变钻头扩张，前置刀架的中心露出取芯管，可变钻头和固定钻头共同钻孔作业，当到达取样长度时，液压缸后移，伸缩架伸长，驱动可变钻头缩小进而挤压样品并将样品截断。
在一具体实施例，所述深海钻探取样机器人与支架相连接，所述支架为机器人提供钻孔反力以及垂直于海床的角度，所述深海钻井取样机器人在调平后从所述支架释放并开始钻探作业
采用本发明的深海钻井取样机器人，包括前置钻孔单元、后置钻孔单元、液压伸缩装置及样品检测单元。其中，前置钻孔单元包括第一液压马达、前置刀架、固定钻头和可变钻头，固定钻头以及可变钻头在第一液压马达的驱动下负责钻孔和取芯。后置钻孔单元包括扩孔钻头、后置刀架和第二液压马达，当深海钻井取样机器人返回时，第二液压马达开始工作并将扭矩传递给后置刀架，后置刀架带动扩孔钻头进行扩孔作业以便清理路障。液压伸缩装置用于控制可变钻头的扩张和缩小，实现钻取一体化。样品检测单元用于将取到的样品进行分析处理，并将实验数据实时回传。相比于现有技术，本发明采用ROV运载，最大限度地利用ROV的通讯、水下定位、远程操作的优势，使深海钻井取样机器人有很好的水下环境适用性。此外，本发明免钻杆、免提钻、可精确取芯，突破了传统的海底钻机钻杆库容、钻杆强度、起钻效率及钻深能力等技术瓶颈。再者，本发明采用可变钻头的扩张与缩小实现了钻取功能一体化，避免了传统钻井取样分开操作的低效、繁琐。本发明还可携带各种探测器、检测器，便于样品多参数原位测定，保证海底矿物底层物理力学的完整获取，同时通过实时信号回传，方便及时获取探测数据，提高作业效率。
附图说明
读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，
图1示出依据本发明一实施方式的深海钻井取样机器人的结构示意图；以及
图2示出图1的深海钻井取样机器人的前置钻头的局部剖视图。
具体实施方式
为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。
下面参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。
图1示出依据本发明一实施方式的深海钻井取样机器人的结构示意图，图2示出图1的深海钻井取样机器人的前置钻头的局部剖视图。参照图1和图2，在该实施方式中，本发明的深海钻井取样机器人包括前置钻孔单元、后置钻孔单元、液压伸缩装置以及样品检测单元。
详细而言，前置钻孔单元包括第一液压马达6、前置刀架7、固定钻头8和可变钻头9。固定钻头8以及可变钻头9在第一液压马达6的驱动下负责钻孔和取芯。后置钻孔单元包括扩孔钻头1、后置刀架2和第二液压马达3，当深海钻井取样机器人返回时，第二液压马达3开始工作并将扭矩传递给后置刀架2。第二液压马达3安装在机器人主体上，输出轴与传动轴固定连接。扩孔钻头1的数量为4个，分别安装在后置刀架2上，第二液压马达3通过传动轴将扭矩传递给后置刀架2从而带动扩孔钻头1进行扩孔作业。后置刀架2带动扩孔钻头1进行扩孔作业以便清理路障。这是因为，取样机器人返回钻孔的洞口时，原来的钻孔可能会产生变形而阻塞机器人返回，藉由第二液压马达3的旋转，将扭矩传递给后置刀架2，后置刀架2带动扩孔钻头1进行扩孔作业，便可使机器人顺利返回。液压伸缩装置用于控制可变钻头9的扩张和缩小，实现钻取一体化。样品检测单元用于将取到的样品进行分析处理，并将实验数据实时回传。此外，深海钻井取样机器人还包括电磁液压控制阀4，用于分别控制刀头变径，刀头旋转换向以及分析仓加压控制。
在一具体实施例，深海钻井取样机器人还包括支撑装置，用于提供钻孔反力和前进时的驱动力。支撑装置具有4个支撑腿16以及1个直线驱动机构17。其中的两个支撑腿16位于钻洞的内壁从而为钻头提供反力，其中的另外两个支撑腿16提供进给力。直线驱动机构17通过凸轮转动实现前后移动，支撑腿16两两交替工作从而以步进方式驱动所述机器人前进或后退。例如，取样机器人前进或后退时，两个支撑腿16打开并张紧在孔壁，提供钻孔的反力，另外两个支撑腿16随直线驱动机构17前进或后退一定距离。然后，随直线驱动机构17运动的支撑腿打开，张紧在孔壁，原先已张紧的两个支撑腿收回，再随直线驱动机构17前进或后退到下个位置，循环上述步骤，实现机器人的前进和后退。
在一具体实施例，液压伸缩装置包括两个液压缸10、轴承18、四个伸缩架19和挡盘20。液压缸10固定在机器人主体上，液压缸10的推杆和挡盘20通过螺栓连接，伸缩架19为铰链结构，其一端连接挡盘20的可转动部分且另一端连接可变钻头9，通过伸缩架19的伸缩控制来改变可变钻头9的径向长度。进一步，挡盘20包括内盘、外盘和滚动轴承，外盘随着滚动轴承的转动而转动，内盘套设于滚动轴承的内部。
本发明的取样机器人借助ROV搭载平台，并且连同相应的机器人支架下放到指定海床，机器人支架预先进行钻孔、固定、调平工作，为取样机器人提供钻孔的反力以及垂直于海床的角度。取样机器人从机器人支架中释放，展开钻探作业。容易知晓，采用ROV搭载时，可最大限度地利用ROV的通讯、水下定位、远程操作等优势，使本发明的深海钻井取样机器人可以被灵活搭载，具有更好的水下环境适用性。
在本发明的前置钻孔单元中，可变钻头9的数量为4个，分别安装在前置刀架7的导向槽中且可沿着径向运动。固定钻头8的数量为4个，分别固定安装于前置刀架7上。前置刀架7通过传动杆连接第一液压马达6。第一液压马达6通过旋转将扭矩传递给前置刀架7从而带动固定钻头8进行钻孔作业。可变钻头9在正常钻孔时并不工作，当固定钻头8到达取样深度时，液压缸10推动挡盘20前移，伸缩架19收缩，驱动可变钻头9扩张，前置刀架7的中心露出取芯管15，可变钻头9和固定钻头8共同钻孔作业，当到达取样长度时，液压缸10后移，伸缩架19伸长，驱动可变钻头9缩小进而挤压样品并将样品截断。
在一具体实施例，样品检测单元还包括样品检测仓13、压力测试单元14和取芯管15。其中，取芯管15位于传动杆内部且固定在机器人主体上，样品检测仓13安装于两根滑杆且可沿着水平方向运动，压力测试单元14固定安装在样品检测仓13的上面，样品通过固定钻头8进入取芯管15再传送到样品检测仓13，并且利用样品检测仓13的水平移动送至压力检测单元14下部进行压力测试。
在一具体实施例，本发明的深海钻井取样机器人还包括探测系统，其具有超声波探测器11、视觉传感器12及防护罩5。视觉传感器12安装于机器人表面，当钻孔作业停止时，防护罩5打开，视觉传感器12用于对孔壁上的纹理结构进行拍摄，然后将拍摄后的图像信息自主处理或通过电缆传回。超声波探测器11对孔壁上的纹理结构的地质内部结构进行扫描探测，然后将探测后的扫描信号自主处理或通过电缆传回，当探测工作结束时，防护罩5关闭以避免所述探测系统遭受损坏。
采用本发明的深海钻井取样机器人，包括前置钻孔单元、后置钻孔单元、液压伸缩装置及样品检测单元。其中，前置钻孔单元包括第一液压马达、前置刀架、固定钻头和可变钻头，固定钻头以及可变钻头在第一液压马达的驱动下负责钻孔和取芯。后置钻孔单元包括扩孔钻头、后置刀架和第二液压马达，当深海钻井取样机器人返回时，第二液压马达开始工作并将扭矩传递给后置刀架，后置刀架带动扩孔钻头进行扩孔作业以便清理路障。液压伸缩装置用于控制可变钻头的扩张和缩小，实现钻取一体化。样品检测单元用于将取到的样品进行分析处理，并将实验数据实时回传。相比于现有技术，本发明采用ROV运载，最大限度地利用ROV的通讯、水下定位、远程操作的优势，使深海钻井取样机器人有很好的水下环境适用性。此外，本发明免钻杆、免提钻、可精确取芯，突破了传统的海底钻机钻杆库容、钻杆强度、起钻效率及钻深能力等技术瓶颈。再者，本发明采用可变钻头的扩张与缩小实现了钻取功能一体化，避免了传统钻井取样分开操作的低效、繁琐。本发明还可携带各种探测器、检测器，便于样品多参数原位测定，保证海底矿物底层物理力学的完整获取，同时通过实时信号回传，方便及时获取探测数据，提高作业效率。
上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种深海钻井取样机器人，其特征在于，该深海钻井取样机器人包括前置钻孔单元、后置钻孔单元、液压伸缩装置以及样品检测单元，
其中，所述前置钻孔单元包括第一液压马达(6)、前置刀架(7)、固定钻头(8)和可变钻头(9)，固定钻头(8)以及可变钻头(9)在第一液压马达(6)的驱动下负责钻孔和取芯；所述后置钻孔单元包括扩孔钻头(1)、后置刀架(2)和第二液压马达(3)，当所述深海钻井取样机器人返回时，第二液压马达(3)开始工作并将扭矩传递给后置刀架(2)，后置刀架(2)带动扩孔钻头(1)进行扩孔作业以便清理路障；所述液压伸缩装置用于控制可变钻头(9)的扩张和缩小，实现钻取一体化；所述样品检测单元用于将取到的样品进行分析处理，并将实验数据实时回传。
2.根据权利要求1所述的深海钻井取样机器人，其特征在于，所述深海钻井取样机器人还包括支撑装置，用于提供钻孔反力和前进时的驱动力，所述支撑装置具有4个支撑腿(16)以及1个直线驱动机构(17)，其中的两个支撑腿(16)位于钻洞的内壁从而为钻头提供反力，其中的另外两个支撑腿(16)提供进给力，所述直线驱动机构(17)通过凸轮转动实现前后移动，支撑腿(16)两两交替工作从而以步进方式驱动所述机器人前进或后退。
3.根据权利要求1所述的深海钻井取样机器人，其特征在于，所述液压伸缩装置包括两个液压缸(10)、轴承(18)、四个伸缩架(19)和挡盘(20)，液压缸(10)固定在机器人主体上，液压缸(10)的推杆和挡盘(20)通过螺栓连接，伸缩架(19)为铰链结构，其一端连接挡盘(20)的可转动部分且另一端连接可变钻头(9)，通过伸缩架(19)的伸缩控制来改变可变钻头(9)的径向长度。
4.根据权利要求3所述的深海钻井取样机器人，其特征在于，挡盘(20)包括内盘、外盘和滚动轴承，所述外盘随着滚动轴承的转动而转动，所述内盘套设于所述滚动轴承的内部。
5.根据权利要求1所述的深海钻井取样机器人，其特征在于，可变钻头(9)的数量为4个，分别安装在前置刀架(7)的导向槽中且可沿着径向运动；固定钻头(8)的数量为4个，分别固定安装于前置刀架(7)上，前置刀架(7)通过传动杆连接第一液压马达(6)，第一液压马达(6)通过旋转将扭矩传递给前置刀架(7)从而带动固定钻头(8)进行钻孔作业。
6.根据权利要求1所述的深海钻井取样机器人，其特征在于，第二液压马达(3)安装在机器人主体上，其输出轴与传动轴固定连接，扩孔钻头(1)的数量为4个，分别安装在后置刀架(2)上，第二液压马达(3)通过传动轴将扭矩传递给后置刀架(2)从而带动扩孔钻头(1)进行扩孔作业。
7.根据权利要求5所述的深海钻井取样机器人，其特征在于，所述样品检测单元还包括样品检测仓(13)、压力测试单元(14)和取芯管(15)，其中，取芯管(15)位于所述传动杆内部且固定在机器人主体上，样品检测仓(13)安装于两根滑杆且可沿着水平方向运动，压力测试单元(14)固定安装在样品检测仓(13)的上面，样品通过固定钻头(8)进入取芯管(15)再传送到样品检测仓(13)，并且利用样品检测仓(13)的水平移动送至压力检测单元(14)下部进行压力测试。
8.根据权利要求1所述的深海钻井取样机器人，其特征在于，所述深海钻井取样机器人还包括探测系统，其具有超声波探测器(11)、视觉传感器(12)及防护罩(5)，其中，
视觉传感器(12)安装于机器人表面，当钻孔作业停止时，防护罩(5)打开，视觉传感器(12)用于对孔壁上的纹理结构进行拍摄，然后将拍摄后的图像信息自主处理或通过电缆传回；超声波探测器(11)对孔壁上的纹理结构的地质内部结构进行扫描探测，然后将探测后的扫描信号自主处理或通过电缆传回，当探测工作结束时，防护罩(5)关闭以避免所述探测系统遭受损坏。
9.根据权利要求3所述的深海钻井取样机器人，其特征在于，可变钻头(9)在正常钻孔时并不工作，当固定钻头(8)到达取样深度时，液压缸(10)推动挡盘(20)前移，伸缩架(19)收缩，驱动可变钻头(9)扩张，前置刀架(7)的中心露出取芯管(15)，可变钻头(9)和固定钻头(8)共同钻孔作业，当到达取样长度时，液压缸(10)后移，伸缩架(19)伸长，驱动可变钻头(9)缩小进而挤压样品并将样品截断。
10.根据权利要求1所述的深海钻井取样机器人，其特征在于，所述深海钻探取样机器人与支架相连接，所述支架为机器人提供钻孔反力以及垂直于海床的角度，所述深海钻井取样机器人在调平后从所述支架释放并开始钻探作业。
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