CN107965317B - 一种基于rov的全方位水下短距钻机取样器及其取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于ROV的全方位水下短距钻机取样器及其取样方法，垂直驱动机构安装在外框架上，输出端与位于外框架内的旋转驱动机构相连，钻杆的上端与旋转驱动机构的输出端连接，下端与钻头螺纹连接，钻杆、钻头及旋转驱动机构通过垂直驱动机构带动下放或回收，钻杆及钻头通过旋转驱动机构驱动旋转、获取样品；外框架的上部设有可供ROV机械手多角度抓取的抓取把手，外框架上安装有使钻杆、钻头、垂直驱动机构的输出轴线及旋转驱动机构的输出轴线共线的定芯机构。本发明具有结构比较紧凑、安全性好、受取样深度影响小，且耐腐蚀性能强，工作灵活稳定，并可快速、有效地获取样品,可实现在水下的全角度作业和自动钻孔获取转运样品。

Description

一种基于ROV的全方位水下短距钻机取样器及其取样方法

技术领域

本发明涉及科考用岩石钻机取样器，具体地说是一种基于ROV的全方位水下短距钻机取样器及其取样方法。

背景技术

传统意义上的水下钻机作用是通过钻杆的进取和转动对水下作业面进行作业。由于水下的压力作用，人工作业的深度是及其有限的的，使用传统意义上的钻机塔架和钻井船支持的成套设备，其作业深度、作业方式是受到其动员费、日租费的影响很大；如果进行科考型作业会极其不经济，而且无法在深海、多角度进行取样作业。

经过对现有技术的检索发现，于2015年2月18日公开的、公开号为CN104354843A的发明专利申请中，公开了一种配合ROV的海洋油船微型打捞钻孔装置及方法，该装置采用钻孔—抽油的方式打捞废油，非科考取岩石样品使用。其他的钻机方式是使用光纤缆缆控的下放大型取样设备到海底进行岩石取样作业，作业深度根据科学需要进行，其钻取面是垂直方向，钻取位置是提前设定完成的，一旦确定无法更改。以上情况特性决定了在深海压力复杂变化环境下，保证获得深海不定点、全方位岩石样品，需要开发一种全新的基于ROV(遥控水下机器人)的全方位水下钻机取样器以克服以上困难。

发明内容

针对上述传统钻机取样器所存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于ROV的全方位水下短距钻机取样器及其取样方法。该全方位水下短距钻机取样器保障获得深海不定点、全方位岩石样品，可在深海压力复杂变化环境下使用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的全方位水下短距钻机取样器包括抓取把手、垂直驱动机构、旋转驱动机构、外框架、定芯机构、钻杆及钻头，其中垂直驱动机构安装在外框架上，输出端与位于该外框架内的旋转驱动机构相连，所述钻杆的上端与旋转驱动机构的输出端连接，下端与钻头螺纹连接，所述钻杆、钻头及旋转驱动机构通过垂直驱动机构带动下放或回收，该钻杆及钻头通过所述旋转驱动机构驱动旋转、获取样品；所述外框架的上部设有能够供ROV机械手多角度抓取的抓取把手，所述外框架上安装有使钻杆、钻头、垂直驱动机构的输出轴线及旋转驱动机构的输出轴线共线的定芯机构；

其中：所述定芯机构包括滚动滑槽、滑动导轨、导向滑轮及开设在外框架底部支撑板上的导向孔，该滑动导轨安装在所述外框架上，所述旋转驱动机构通过滚动滑槽与该滑动导轨滑动连接，所述导向滑轮为多个、均匀设置于钻杆的外部，所述钻杆由各导向滑轮之间穿过，分别与各导向滑轮滚动接触；所述钻杆及钻头由垂直驱动机构带动由所述导向孔下放或回收；

所述导向滑轮的轮轴为T型连接轴，该T型连接轴的竖边与所述钻杆的轴向垂直，所述T型连接轴横边的两端均转动连接有滑轮；所述外框架上沿高度方向开设有多列通孔，各所述导向滑轮的T型连接轴的竖边插设于等高的通孔中；

所述抓取把手包括侧向T型把手及垂直端T型把手，该垂直端T型把手安装于所述外框架的上部，所述侧向T型把手与垂直端T型把手倾斜连接；

所述外框架包括固定盘、框架支杆及支撑板，该固定盘与支撑板之间沿圆周方向均布有多根框架支杆，所述支撑板外边缘沿圆周方向均布数量与框架支杆数量相同、且一一对应的支脚，每根所述框架支杆的一端均与固定盘相连，另一端分别连接于一个支脚的上表面，各所述支脚的下表面分别设有增大摩擦力的齿盘；

所述垂直驱动机构为驱动油缸，该驱动油缸的缸体安装在所述外框架的上部，驱动油缸的输出端位于外框架内、与所述旋转驱动机构相连；所述旋转驱动机构为液压马达，该液压马达的输出端通过钻杆连接件与钻杆的上端连接；

本发明基于ROV的全方位水下短距钻机取样器的取样方法，包括以下步骤：

步骤一：选址，利用ROV的探测能力，对获取样品点进行浅剖测量和外观检测，初步判定取样位置，利用ROV的机械手抓取抓取把手，把所述钻机取样器放置于取样点，利用所述外框架放置到海底；

步骤二：深海取样，所述垂直驱动机构工作，带动所述旋转驱动机构下放，随之带动所述钻杆、钻头下放到岩石端面上方设定位置后，所述旋转驱动机构工作，带动所述钻杆、钻头旋转，该钻杆、钻头在所述垂直驱动机构及旋转驱动机构的带动下边下放边旋转，获取设定高度的岩石样品；

步骤三：断芯，当所述垂直驱动机构达到满量程后，利用ROV机械手摇动所述钻机取样器，使岩石样品在钻头端断芯，边旋转钻杆，边回收钻头，直至所述垂直驱动机构全部收回；

步骤四：岸基端样品获取，利用ROV带所述钻机取样器回收到甲板，从钻机取样器上拆卸所述钻杆、钻头，拿出该钻杆内层获取的相应的岩石样品；

其中：所述步骤二中，当获取到所需高度的岩石样品后，该垂直驱动机构带动所述钻杆、钻头回收，再重复步骤二，进行岩石样品的累积钻取；

所述垂直驱动机构驱动一次不超过五公分，所述旋转驱动机构先慢后快地进行操作；一旦发生卡钻现象，所述垂直驱动机构回收设定距离，再进行旋转钻取，直到完成钻取岩石样品。

本发明的优点与积极效果为：

本发明具有结构比较紧凑、安全性好、受取样深度影响小，且耐腐蚀性能强，工作灵活稳定，并可快速、有效地获取样品,可实现在水下的全角度作业和自动钻孔获取转运样品。

附图说明

图1为本发明全方位水下短距钻机取样器的结构主视图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明全方位水下短距钻机取样器的立体结构示意图；

其中：1为抓取把手，2为驱动油缸，3为固定盘，4为外框架，5为滚动滑槽，6为滑动导轨，7为支脚，8为齿盘，9为导向滑轮，10为导向孔，11为液压马达，12为钻杆连接件，13为钻杆，14为钻头，15为侧向T型把手，16为垂直端T型把手，17为T型连接轴，18为通孔，19为支撑板，20为框架支杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～3所示，本发明的基于ROV的全方位水下短距钻机取样器包括抓取把手1、垂直驱动机构、旋转驱动机构、外框架4、定芯机构、钻杆13及钻头14，其中垂直驱动机构安装在外框架4上，输出端与位于该外框架4内的旋转驱动机构相连，钻杆13的上端与旋转驱动机构的输出端连接，下端与钻头14螺纹连接，钻杆13、钻头14及旋转驱动机构通过垂直驱动机构带动下放或回收，该钻杆13及钻头14通过旋转驱动机构驱动旋转、获取样品。外框架4的上部设有可供ROV机械手多角度抓取的抓取把手1，外框架4上安装有使钻杆13、钻头14、垂直驱动机构的输出轴线及旋转驱动机构的输出轴线共线的定芯机构。

外框架4为直通框架，包括固定盘3、框架支杆20及支撑板19，该固定盘3与支撑板19之间沿圆周方向均布有多根框架支杆20(本实施例的框架支杆20为三根)，支撑板19外边缘沿圆周方向均布数量与框架支杆20数量相同、且一一对应的支脚7(本实施例的支脚7为三个)，每根框架支杆20的一端均与固定盘3的下表面固接，另一端分别固接于一个支脚7的上表面，各支脚7的下表面分别设有增大摩擦力的齿盘8；当钻机取样器安放在深海海底岩石端面上时，它们扩大了接触面积、增大了摩擦力，减少了在旋转驱动机构旋转钻取样品的过程中，整体发生晃动的可能，避免提前断芯。

垂直驱动机构为驱动油缸2，由ROV供应油路驱动；该驱动油缸2的缸体使用螺栓固定于外框架4的上部(即固定盘3上)，用于上下的递进动作驱动；驱动油缸2的输出端位于外框架4内、与旋转驱动机构相连。旋转驱动机构为液压马达11，该液压马达11的输出端通过钻杆连接件12与钻杆13的上端连接。钻杆13、钻头14可在驱动油缸2和液压马达11的驱动下进行往返运动和正反旋转运动。

定芯机构包括滚动滑槽5、滑动导轨6、导向滑轮9及开设在外框架4底部支撑板19上的导向孔10，该滑动导轨6安装在外框架4的任一根框架支杆20上，液压马达11通过滚动滑槽5与该滑动导轨6滑动连接，导向滑轮9为多个、均匀设置于钻杆13的外部，钻杆13由各导向滑轮9之间穿过，分别与各导向滑轮9滚动接触。钻杆13及钻头14由驱动油缸2带动由导向孔10下放或回收。利用滑动导轨6、导向滑轮9、导向孔10相对位置的不变性，使得驱动油缸2的输出轴线、液压马达11的输出轴线、钻杆13、钻头14在一条直线上，减少了在钻取初始状态下、转动过程中，钻头14的摆动问题。导向滑轮9的轮轴为T型连接轴17，该T型连接轴17的竖边与钻杆13的轴向垂直，T型连接轴17横边的两端均转动连接有滑轮。外框架4的各根框架支杆20上均沿高度方向开设有多个通孔18，各导向滑轮9的T型连接轴17的竖边插设于等高的通孔18中。

抓取把手1包括侧向T型把手15及垂直端T型把手16，该垂直端T型把手16安装于外框架4的上部(即固定盘3上)，侧向T型把手15与垂直端T型把手16倾斜连接。抓取把手1的形状和尺寸是与ROV的机械手相匹配的，它的侧向T型把手15融合ROV机械手操作角度的变化，适应钻机取样器在多角度进行钻孔用力，并获取岩石样品。

本发明的驱动油缸2、液压马达11为钻机取样器的垂直和旋转驱动机构，多角度的抓取把手1、外框架4、支脚7及齿盘8为钻机取样器的外围固定支架，滚动滑槽5、滑动导轨6及导向孔10为钻机取样器的定芯机构，钻杆连接件12、钻杆13及钻头14为岩石样品获取机构。

本发明基于ROV的全方位水下短距钻机取样器的取样方法包括以下步骤：

步骤一：选址，利用ROV自身的探测能力，对获取样品点进行浅剖测量和外观检测，包括近海底浅剖测量和理化环境测量，初步判定取样位置；获取感兴趣的取样点位和岩石获取样品的长度数据，通过以上参数去选定不同长度的钻杆和钻头对取样点进行样品钻取；利用ROV的机械手抓取抓取把手1的侧向T型把手15或垂直端T型把手16，通过它们之间的合理配合，把钻机取样器放置于任意方位上的取样点，同时利用外框架4中的各支脚7和齿盘8放置到海底岩石端面，扩大了接触面积和增大了摩擦力，减少了液压马达11在旋转取样的过程中晃动的影响，避免提前断芯；

步骤二：深海取样，驱动油缸2工作，带动液压马达11下放，随之带动钻杆13、钻头14下放到岩石端面上方设定位置(可距岩石端面上方五公分)后，液压马达11工作进行旋转，带动钻杆13、钻头14旋转，该钻杆13、钻头14在驱动油缸2及液压马达11的带动下边下放边旋转，获取设定高度(可为五公分)的岩石样品；

当获取到所需高度的岩石样品后，驱动油缸2带动钻杆13、钻头14回收，再重复步骤二，进行岩石样品的累积钻取；

步骤三：断芯，当驱动油缸2达到满量程后，利用ROV机械手摇动钻机取样器，使岩石样品在钻头14端断芯，边旋转钻杆13，边回收钻头14，直至驱动油缸2全部收回；

步骤四：岸基端样品获取，利用ROV带钻机取样器回收到甲板，从钻机取样器上拆卸钻杆13、钻头14，拿出该钻杆13内层获取的相应的岩石样品。

驱动油缸2和液压马达11之间配合度直接影响到进样的长度和速度，驱动油缸2的一次伸出的长度、液压马达11的旋转速度应与岩石成分有关，硬质底时驱动油缸2驱动一次应不超过五公分，液压马达11应先慢后快进行操作，一旦发生卡钻现象，应利用驱动油缸2回收设定距离，再进行旋转钻取，直到完成钻取样品，如此就获得了真实的深海岩石样品。

本发明用于ROV水下操作，具有结构比较紧凑、安全性好、受取样深度影响小，且耐腐蚀性能强，工作灵活稳定，并可适用于多种深度、温度及洋流环境下的复杂海底环境，可广泛应用于需要多角度岩石短距取样的大洋深海取样，并可快速、有效地转运样品。

Claims (7)

1.一种基于ROV的全方位水下短距钻机取样器，其特征在于：包括抓取把手(1)、垂直驱动机构、旋转驱动机构、外框架(4)、定芯机构、钻杆(13)及钻头(14)，其中垂直驱动机构安装在外框架(4)上，输出端与位于该外框架(4)内的旋转驱动机构相连，所述钻杆(13)的上端与旋转驱动机构的输出端连接，下端与钻头(14)螺纹连接，所述钻杆(13)、钻头(14)及旋转驱动机构通过垂直驱动机构带动下放或回收，该钻杆(13)及钻头(14)通过所述旋转驱动机构驱动旋转、获取样品；所述外框架(4)的上部设有能够供ROV机械手多角度抓取的抓取把手(1)，所述外框架(4)上安装有使钻杆(13)、钻头(14)、垂直驱动机构的输出轴线及旋转驱动机构的输出轴线共线的定芯机构；

所述定芯机构包括滚动滑槽(5)、滑动导轨(6)、导向滑轮(9)及开设在外框架(4)底部支撑板(19)上的导向孔(10)，该滑动导轨(6)安装在所述外框架(4)上，所述旋转驱动机构通过滚动滑槽(5)与该滑动导轨(6)滑动连接，所述导向滑轮(9)为多个、均匀设置于钻杆(13)的外部，所述钻杆(13)由各导向滑轮(9)之间穿过，分别与各导向滑轮(9)滚动接触；所述钻杆(13)及钻头(14)由垂直驱动机构带动由所述导向孔(10)下放或回收；

所述外框架(4)包括固定盘(3)、框架支杆(20)及支撑板(19)，该固定盘(3)与支撑板(19)之间沿圆周方向均布有多根框架支杆(20)，所述支撑板(19)外边缘沿圆周方向均布数量与框架支杆(20)数量相同、且一一对应的支脚(7)，每根所述框架支杆(20)的一端均与固定盘(3)相连，另一端分别连接于一个支脚(7)的上表面，各所述支脚(7)的下表面分别设有增大摩擦力的齿盘(8)。

2.根据权利要求1所述基于ROV的全方位水下短距钻机取样器，其特征在于：所述导向滑轮(9)的轮轴为T型连接轴(17)，该T型连接轴(17)的竖边与所述钻杆(13)的轴向垂直，所述T型连接轴(17)横边的两端均转动连接有滑轮；所述外框架(4)上沿高度方向开设有多列通孔(18)，各所述导向滑轮(9)的T型连接轴(17)的竖边插设于等高的通孔(18)中。

3.根据权利要求1所述基于ROV的全方位水下短距钻机取样器，其特征在于：所述抓取把手(1)包括侧向T型把手(15)及垂直端T型把手(16)，该垂直端T型把手(16)安装于所述外框架(4)的上部，所述侧向T型把手(15)与垂直端T型把手(16)倾斜连接。

4.根据权利要求1所述基于ROV的全方位水下短距钻机取样器，其特征在于：所述垂直驱动机构为驱动油缸(2)，该驱动油缸(2)的缸体安装在所述外框架(4)的上部，驱动油缸(2)的输出端位于外框架(4)内、与所述旋转驱动机构相连；所述旋转驱动机构为液压马达(11)，该液压马达(11)的输出端通过钻杆连接件(12)与钻杆(13)的上端连接。

5.一种权利要求1至4任一权利要求所述基于ROV的全方位水下短距钻机取样器的取样方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：选址，利用ROV的探测能力，对获取样品点进行浅剖测量和外观检测，初步判定取样位置，利用ROV的机械手抓取抓取把手(1)，把所述钻机取样器放置于取样点，利用所述外框架(4)放置到海底；

步骤二：深海取样，所述垂直驱动机构工作，带动所述旋转驱动机构下放，随之带动所述钻杆(13)、钻头(14)下放到岩石端面上方设定位置后，所述旋转驱动机构工作，带动所述钻杆(13)、钻头(14)旋转，该钻杆(13)、钻头(14)在所述垂直驱动机构及旋转驱动机构的带动下边下放边旋转，获取设定高度的岩石样品；

步骤三：断芯，当所述垂直驱动机构达到满量程后，利用ROV机械手摇动所述钻机取样器，使岩石样品在钻头(14)端断芯，边旋转钻杆(13)，边回收钻头(14)，直至所述垂直驱动机构全部收回；

步骤四：岸基端样品获取，利用ROV带所述钻机取样器回收到甲板，从钻机取样器上拆卸所述钻杆(13)、钻头(14)，拿出该钻杆(13)内层获取的相应的岩石样品。

6.根据权利要求5所述的取样方法，其特征在于：所述步骤二中，当获取到所需高度的岩石样品后，该垂直驱动机构带动所述钻杆(13)、钻头(14)回收，再重复步骤二，进行岩石样品的累积钻取。

7.根据权利要求5所述的取样方法，其特征在于：所述垂直驱动机构驱动一次不超过五公分，所述旋转驱动机构先慢后快地进行操作；一旦发生卡钻现象，所述垂直驱动机构回收设定距离，再进行旋转钻取，直到完成钻取岩石样品。

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