CN111379519A - 用于水下环境的连续管钻机系统 - Google Patents

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庄广胶
吴超
赵敏
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吴峰
张春文
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Abstract

一种用于水下环境的连续管钻机系统，用于提供钻孔作业所需的足够钻进力及回拖力的水下注入头、连续管、用于钻孔、扩孔及取样的钻具机构和具有与水下注入头同步控制和自动排管的水下盘管绞车，其中：连续管搭载于水下盘管绞车上，连续管的末端与钻具机构相连，作业过程中，通过水下注入头对连续管的加持力来实现连续管的推送和回拖。为水下钻孔、扩孔及取样的主要设备，可以安装于装备平台上并通过水面遥控操作实现海底自动定向钻进作业，适用于海底沉船打捞、海底管线非开挖安装、海底地质探测与采样等。

Description

用于水下环境的连续管钻机系统
技术领域
本发明涉及的是一种水下勘探设备领域的技术，具体是一种用于水下钻孔、扩孔及取样的连续管钻机系统。
背景技术
用于水下环境的连续管钻机系统是水下钻孔、扩孔及取样的主要设备，可以通过水面遥控操作实现海底自动定向钻孔作业，相比于水面延伸式钻孔，该方法不仅具有装备体积小、成本低、安全性高等优点，而且大大提高了作业的效率。现有的海底定向钻孔作业大多采用陆用钻机从水面延伸作业，这种作业方式势必存在较长的悬跨段，而且容易受水面母船升沉影响。个别采用水下接杆式钻机可实现海底坐底作业，但钻杆安装及拆卸过程复杂，作业故障率高，且定位精度低。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于水下环境的连续管钻机系统，为水下钻孔、扩孔及取样的主要设备，可以安装于装备平台上并通过水面遥控操作实现海底自动定向钻进作业，适用于海底沉船打捞、海底管线非开挖安装、海底地质探测与采样等。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：用于提供钻孔作业所需的足够钻进力及回拖力的水下注入头、连续管、用于钻孔、扩孔及取样的钻具机构和具有与水下注入头同步控制和自动排管的水下盘管绞车，其中：连续管搭载于水下盘管绞车上，连续管的末端与钻具机构相连，作业过程中，通过水下注入头对连续管的加持力来实现连续管的推送和回拖。
本发明涉及一种基于上述系统的施工方法，包括钻进阶段和回拖阶段，在钻进阶段中水下注入头提供钻孔作业所需的钻进力，盘管绞车液压马达处于被动拖动状态，使绞车与注入头之间的连续管保持张紧状态；连续管与水下注入头通过定位传感器对钻头位置及姿态进行实时测量和调整，完成钻进过程的控向以及连续管与水下注入头的同步控制；在回拖阶段中水下注入头回收连续管及钻头机构，盘管绞车回收连续管并将其盘绕至滚筒上，绞车液压马达处于主动拖动状态，使钻杆产生弯曲变形并按顺序盘绕到滚筒上。
技术效果
与现有技术相比，本发明能够在海底实现定向钻孔、扩孔及取样等施工作业，作业深度不再受钻杆长度及强度的限制，通过在钻头安装定位传感器可在水面遥控进行高精度定向钻孔作业，提高作业的安全性、可靠性和作业效率，同业也降低了设备对母船的要求，节约作业成本。
附图说明
图1是水下注入头外形图；
图中：a为侧视图；b为正视图；
图2是水下钻具外形图；
图中：a为立体图；b为正视图；
图3是水下盘管绞车外形图；
图中：第一液压马达1、减速器2、卡瓦结构3、链轮4、水下角度传感器5、链条6、外框架7、夹紧油缸8、张紧力调整螺栓9、惰轮10、导向滚子11、矫直滚子12、校直度调整螺栓13、油管矫直系统14、限位传感器15、支撑套管16、传动齿轮组17、高压流体滑环 18、第二液压马达19、滚筒20、水下电滑环21、支座22、底座23。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种用于水下环境的连续管钻机系统中的水下注入头示意图，连续管搭载于图3所示的水下盘管绞车上，连续管的末端与钻具机构相连，作业过程中，通过水下注入头对连续管的加持力来实现连续管的推送和回拖。
所述的水下注入头包括：外框架7以及设置于其内部的控制实现钻进或回拖速度连续可调并具有连续管长度测量、过载保护功能的液压系统、卡瓦结构3、夹紧系统、张紧系统、角度测量单元、张力测量单元、油管矫直系统14以及支撑套管16。
所述的液压系统包括：轴向柱塞马达和多级行星减速机，其中：多级行星减速机设置于轴向柱塞马达的对面，并通过中心的链轮4驱动。这样设计的水下注入头结构紧凑，载荷分布均衡。
所述的夹紧系统包括：多组夹紧油缸8和滑道板，当连续油管穿过夹持区域的时候会被夹紧在油缸之间。
所述的卡瓦结构3采用快速更换连接结构，可在短时间内更换所有的卡瓦。除热处理外，还在卡瓦上增设有沟槽使其有更大的牵引力和更长的寿命。另外，在每一个卡瓦的后面设有聚合物衬垫使得对油管的牵引力均匀分布。
所述的张紧系统通过两组丝杠调节机构以及链条6实现，每次作业前调节张紧力调整螺栓9使链条6产生一定的张紧力，这种张紧力可防止链条松弛及由此引起的油管和夹持块损坏。
所述的油管矫直系统14由导向滚子11和多组矫直滚子12组成，其中一组或多组矫直滚子12位置采用螺栓调整进而调整连续管的矫直度。
所述的支撑套管16包括：套管、铜合金套筒和钻头限位传感器，其中：套管作为连续管钻进的支撑结构其末端设有喇叭形开口结构，主要便于钻头出入，防止刮碰；铜合金套筒与连续管滑动接触并将表面附着物挂掉；限位传感器主要感应钻头位置，当钻头达到指定位置后进行报警甚至紧急停车。
所述的外框架7为驱动和加持结构安装结构，通过销轴式测力传感器与注入头搭载平台连接，可实时测量钻进力或回拖力。
所述的连续管长度测量采用水下角度传感器5设置于注入头驱动轴端，通过旋转角度与连续管长度换算关系计算连续管的实际长度。
所述的链条6、张紧系统及链轮4通过设置于结构内部的喷嘴及管路进行集中润滑，避免了牵引面有过多的润滑油，且为适应水下作业需求，所述的水下注入头的链条6、链轮及链轮轴4、活动部件(如轴承、导轨等)、夹紧油缸8、液压接头等全部采用耐海水材料或防海水腐蚀处理。第一液压马达1、第二液压马达19及减速机内部充油并做压力补偿处理，可满足深水作业要求。
所述的钻具机构包括：依次相连的钻头体、定位传感器舱、泥浆马达、换向驱动器和连接器，也是水下导向深海水平定向钻进及扩孔的主要工具。
所述的钻头体上优选进一步设有扩孔器，使得在回拖钢缆时的扩大钻孔直径的功能。
所述的定位传感器舱内设有用于对钻头位置及姿态进行实时测量的定位传感器，该定位传感器通过有线方式将数据传输至水面控制系统，使用人员根据钻进轨迹要求实时调整钻具的导向方位，完成钻进过程的控向。
所述的水下盘管绞车作为连续管内高压泥浆和电液信号的中转站，能够缠绕和存储连续管，并在钻进和回收过程中保持绞车运动与注入头运动的同步性，该水下盘管绞车包括：绞车支座22、滚筒20、高压流体滑环18、水下电滑环21、第二液压马达19和传动齿轮组17，其中：绞车一端与高压流体滑环18相连从而连通绞车内外两端的高压泥浆管路和换向器液压管路，另一端与水下电滑环21相连以连通钻头定位传感器信号电缆，第二液压马达19、传动齿轮组17及滚筒20依次连接并驱动绞车旋转，保持连续管的稳定拉力，使连续管较紧地缠绕在滚筒20上。
所述的水下盘管绞车底座23上设有滑轨、液压油缸及位移传感器，控制系统结合连续管长度信息及位移传感器数据换算绞车横向移动距离，并控制液压油缸推动绞车底座横向移动实现自动排管。
所述的水下盘管绞车顶部设有防脱管装置，防止在连续管松弛或排管故障情况下发生连续管脱离滚筒事故。
所述的控制系统，包括：中央控制器、导航控制器、信号采集模块、信息传输模块、隔离模块以及电源模块等，其中：中央控制器、导航控制器与信息传输模块相连并向水面发送或接收控制信息，信号采集模块与中央控制器、导航控制器及外围传感器相连并将传感器信息转换为通讯数据传输给中央或导航控制器，隔离模块位于外围传感器与信号采集模块之间可在调试或紧急状态下隔断二者之间连接关系，电源模块与所有内部模块及外围传感器相连并提供稳定电压及电流。
本实施例涉及上述用于水下环境的连续管钻机系统，其作业过程如下：
钻进阶段：水下注入头提供钻孔作业所需的足够钻进力，操作人员通过液压系统控制可实现钻进速度连续可调。与此同时，盘管绞车液压马达始终处于被动拖动状态，使绞车与注入头之间的连续管保持张紧状态；连续管与注入头保持同步控制。钻具内置定位传感器可对钻头位置及姿态进行实时测量，并采用有线传输将数据传输给主控系统，操作人员根据钻进轨迹要求实时调整钻具的导向方位，完成钻进过程的控向。
回拖阶段：连续管及钻头回收主要由水下注入头完成，注入头提供回拖力。盘管绞车负责回收连续管并将其盘绕至滚筒上，绞车液压马达处于主动拖动状态，使钻杆产生弯曲变形并按顺序盘绕到滚筒上。此外，根据实际需求，钻头前面还可以连接扩孔器或取样器，实现扩大钻孔直径及地质取样等功能。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种用于水下环境的连续管钻机系统，其特征在于，包括：用于提供钻孔作业所需的足够钻进力及回拖力的水下注入头、连续管、用于钻孔、扩孔及取样的钻具机构和具有与水下注入头同步控制和自动排管的水下盘管绞车，其中：连续管搭载于水下盘管绞车上，连续管的末端与钻具机构相连，作业过程中，通过水下注入头对连续管的加持力来实现连续管的推送和回拖；
所述的水下注入头包括：外框架以及设置于其内部的控制实现钻进或回拖速度连续可调并具有连续管长度测量、过载保护功能的液压系统、卡瓦结构、夹紧系统、张紧系统、角度测量单元、张力测量单元、油管矫直系统以及支撑套管。
2.根据权利要求1所述的用于水下环境的连续管钻机系统，其特征是，所述的液压系统包括：轴向柱塞马达和多级行星减速机，其中：多级行星减速机设置于轴向柱塞马达的对面，并通过中心的链轮驱动。这样设计的水下注入头结构紧凑，载荷分布均衡。
3.根据权利要求1所述的用于水下环境的连续管钻机系统，其特征是，所述的夹紧系统包括：多组夹紧油缸和滑道板，当连续油管穿过夹持区域的时候会被夹紧在油缸之间。
4.根据权利要求1所述的用于水下环境的连续管钻机系统，其特征是，所述的卡瓦结构采用快速更换连接结构，该卡瓦上增设有沟槽使其有更大的牵引力和更长的寿命，在每一个卡瓦后侧增设有聚合物衬垫使得对油管的牵引力均匀分布。
5.根据权利要求1所述的用于水下环境的连续管钻机系统，其特征是，所述的张紧系统通过两组丝杠调节机构以及链条实现，每次作业前调节张紧力调整螺栓使链条产生张紧力以防止链条松弛及由此引起的油管和夹持块损坏。
6.根据权利要求1所述的用于水下环境的连续管钻机系统，其特征是，所述的油管矫直系统由导向滚子和多组矫直滚子组成，其中一组或多组矫直滚子位置采用螺栓调整进而调整连续管的矫直度。
7.根据权利要求1所述的用于水下环境的连续管钻机系统，其特征是，所述的支撑套管包括：套管、铜合金套筒和钻头限位传感器，其中：套管作为连续管钻进的支撑结构其末端设有喇叭形开口结构。
8.根据权利要求1所述的用于水下环境的连续管钻机系统，其特征是，所述的钻具机构包括：依次相连的钻头体、定位传感器舱、泥浆马达、换向驱动器和连接器。
9.根据权利要求1所述的用于水下环境的连续管钻机系统，其特征是，所述的控制系统，包括：中央控制器、导航控制器、信号采集模块、信息传输模块、隔离模块以及电源模块等，其中：中央控制器、导航控制器与信息传输模块相连并向水面发送或接收控制信息，信号采集模块与中央控制器、导航控制器及外围传感器相连并将传感器信息转换为通讯数据传输给中央或导航控制器，隔离模块位于外围传感器与信号采集模块之间可在调试或紧急状态下隔断二者之间连接关系，电源模块与所有内部模块及外围传感器相连并提供稳定电压及电流。
10.一种基于上述任一权利要求所述系统的施工方法，其特征在于，包括钻进阶段和回拖阶段，在钻进阶段中水下注入头提供钻孔作业所需的钻进力，盘管绞车液压马达处于被动拖动状态，使绞车与注入头之间的连续管保持张紧状态；连续管与水下注入头通过定位传感器对钻头位置及姿态进行实时测量和调整，完成钻进过程的控向以及连续管与水下注入头的同步控制；在回拖阶段中水下注入头回收连续管及钻头机构，盘管绞车回收连续管并将其盘绕至滚筒上，绞车液压马达处于主动拖动状态，使钻杆产生弯曲变形并按顺序盘绕到滚筒上。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112145169A (zh) * 2020-10-28 2020-12-29 中国科学院空间应用工程与技术中心 一种连续油管式深层月壤钻进系统
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