CN111379521A - 多模式导向钻具 - Google Patents

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葛彤
庄广胶
赵敏
吴超
王猛
苏婧
项锋
吴峰
张春文
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Abstract

一种多模式导向钻具，包括：依次设置的钻具机构、定位舱和换向驱动器，其中：换向驱动器与液压油管相连以提供钻具机构动力，换向驱动器的旋转端与定位舱相连，定位舱中设有定位传感器和与之相连的传输电缆，将位置信息给导航定位系统用于定位和控向。本发明内部定位传感器用来对钻头姿势和姿态进行实时测量，外部操控换向驱动器来进行定向钻进，根据不同地质更换不同钻头和钻具来进行钻进，大大提高了钻进效率。

Description

多模式导向钻具
技术领域
本发明涉及的是一种深水打捞领域的技术，具体是一种深水攻泥用多模式导向钻具。
背景技术
在沉船打捞中，传统的穿千斤作业模式一直采用潜水员手持分级攻泥管，蹬在预先开挖于沉船旁的工作井中，利用高压水完成水下穿引千斤任务，作业效率低下、劳动强度大、危险程度高，而且受自然条件限制，沉船水域地质情况复杂时工作几乎无法开展。水下自动化穿引千斤装备(即水下攻泥器)的出现大大提升了沉船打捞效率，有效降低了作业风险。水下攻泥器装备一般采用陆上非开挖钻具，适用于一般以沉积地质为主的海域。但由于海底地质差别较大，对钻具的破土及导向要求千差万别，因此在实施钻孔作业时，同种钻具不能一直进行钻孔，需要准备多种钻具应对不同土质和钻孔行径需求，这样会大大降低作业的效率，同时增加额外的成本。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种多模式导向钻具，内部定位传感器用来对钻头姿势和姿态进行实时测量，外部操控换向驱动器来进行定向钻进，根据不同地质更换不同钻头和钻具来进行钻进，大大提高了钻进效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：依次设置的钻具机构、定位舱和换向驱动器，其中：换向驱动器与液压油管相连以提供钻具机构动力，换向驱动器的旋转端与定位舱相连，定位舱中设有定位传感器和与之相连的传输电缆，将位置信息给导航定位系统用于定位和控向。
所述的钻具机构、定位舱和换向驱动器之间通过连接器相连。
所述的换向驱动器为大扭矩转动驱动装置，可在0-360°范围内旋转并定位，并能承受钻进或回拖过程中钻头所受的轴向力；所述的驱动装置采用液压油缸或电机驱动，内设有用于测量转速的传感器。
所述的定位传感器采用微型的高精度惯性测量单元，实时测量钻头体的空间运动参数，如姿态角度、角速度、角加速度以及三轴向运动速度、加速度等。
所述的钻具机构采用钻头体实现，该钻头体内设有多方位的喷嘴，喷嘴包括用于钻进喷冲破土的破土喷嘴和用于清洗钻头的清洗喷嘴。
所述的钻头体采用导向板钻头、鹰爪钻头或牙轮钻头，当采用导向板钻头时，其与连接器直接相连，当采用鹰爪钻头时，其与换向器直接连接也可以与泥浆马达相连，当采用牙轮钻头时，则与泥浆马达连接。
所述的钻头体和定位舱之间进一步设有泥浆马达，其中：泥浆马达具有固定导向弯角，由换向器驱动马达整体旋转进行控向，并通过调整马达外部导向平面面积增大或减小导向强度，该泥浆马达包括：动力部分、传动部分和轴承部分，其中：动力部分以高压海水或泥浆作为动力源，利用压力差形成驱动力驱动马达转子转动，从而带动钻头快速、连续旋转破土。
所述的动力部分包括定子和转子，传动部分包括用于转向的弯接头，轴承部分承受整个马达的载荷。
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。
所述的扩孔器为表面有螺旋形凹型水槽的锥形结构，扩孔器上设有点或线状分布的切削刃，扩孔器与换向器或泥浆马达连接，在钻杆回拖力作用下进行旋转扩孔。
所述的钻头体上设有连接孔环，当水下由潜水员或潜水器操作时用于将穿引钢丝绳利用卸扣连接至钻头体上，在不扩孔的情况下直接进行穿引回拖；所述的扩孔器上设有连接孔环，可在水下由潜水员或潜水器操作将粗钢丝绳利用卸扣连接至扩孔器上，在扩孔的情况下进行重钢丝绳回拖。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过不同钻具组合来实现对不同地质的作业，针对沉积型地质、硬粘性地质和软岩等海底地质可分别采用导向板钻头、鹰爪钻头和牙轮钻头(配泥浆马达)进行破土作业。钻具内部设有定位传感器用来对钻头姿态和位置进行实时测量，外部操控换向驱动器来进行定向钻进，从而实现多模式海底导向钻进与钢丝绳(或千斤)穿引作业，不同部件可进行替换以实现不同作业模式，结构简单并且节约了成本，大大提高了钻进的效率。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明换向驱动器结构示意图；
图3为本发明扩孔器结构示意图；
图中：钻头体1、定位舱2、换向驱动器3、定位传感器4、传输电缆5、液压油管6、泥浆马达7、扩孔器8、连接器9、连接孔10。
具体实施方式
如图1～图3所示，为本实施例涉及的一种多模式导向钻具，包括：依次设置的钻具机构、定位舱2和换向驱动器3，其中：换向驱动器3与液压油管6相连以提供钻具机构动力，换向驱动器3的旋转端与定位舱2相连，定位舱2中设有定位传感器4和与之相连的传输电缆5，将位置信息给导航定位系统用于定位和控向
所述的钻具机构、定位舱2和换向驱动器3之间通过连接器9相连，
所述的换向驱动器3为大扭矩转动驱动装置，可在0-360°范围内旋转并定位，并能承受钻进或回拖过程中钻头所受的轴向力；所述的驱动装置采用液压油缸或电机驱动，内设有用于测量转速的传感器4。
所述的定位传感器4采用微型的高精度惯性测量单元，实时测量钻头体1的空间运动参数，如姿态角度、角速度、角加速度以及三轴向运动速度、加速度等。
所述的钻具机构采用钻头体1实现，该钻头体1采用导向板钻头、鹰爪钻头或牙轮钻头，当采用导向板钻头时，其与连接器9直接相连，当采用鹰爪钻头时，其与换向器直接连接也可以与泥浆马达7相连，当采用牙轮钻头时，则与泥浆马达7连接。
如图2所示，所述的钻头体1和定位舱2之间进一步设有泥浆马达7，其中：泥浆马达7具有固定导向弯角，由换向器驱动马达7整体旋转进行控向，并通过调整马达7外部导向平面面积增大或减小导向强度，该泥浆马达7包括：动力部分、传动部分和轴承部分，其中：动力部分以高压海水或泥浆作为动力源，利用压力差形成驱动力驱动马达7转子转动，从而带动钻头快速、连续旋转破土。
所述的动力部分包括定子和转子，传动部分包括用于转向的弯接头，轴承部分承受整个马达7的载荷。
如图3所示，所述的钻头体1上优选进一步设有扩孔器8，使得在回拖钢缆时的扩大钻孔直径的功能；
所述的钻头设有用于多方位破土和清洗喷嘴，喷嘴数量和方向根据破土原理进行设计，喷嘴直径及流量需要满足钻机高压泥浆(或海水)的实际供给要求。
所述的钻头具有连接孔10，一般布置在钻头最前部，直径在30-40mm左右，可与标准卸扣连接，并能承受10吨以上的拉力。
所述的扩孔器8为表面有螺旋形凹型水槽的锥形结构，扩孔器8上设有点或线状分布的切削刃，扩孔器8最大直径不超过400mm，可与换向器或泥浆马达7连接，在钻杆回拖力作用下进行旋转扩孔。
扩孔器8上设有连接孔10，孔径一般在40mm以上，可在水下由潜水员或潜水器操作将粗钢丝绳利用卸扣连接至扩孔器8上，整体可承受30吨以上的拉力。
本实施例中的模组可以分为以下组合：
Figure BDA0001924443490000031
Figure BDA0001924443490000041
在淤泥、沙土等中软硬度地质作业时，采用图1中的结构，钻进过程主要通过注入头顶推力、高压泥浆喷冲力以及钻头体1旋转(换向器驱动)来综合实现。钻头体1在连续旋转时，可进行直线钻进；而当钻头体1停止旋转时，则会在顶推力和导向面反力的综合作用下形成导向钻进。由于该地质条件下破土相对容易，采用压板钻头可以提高导向强度，作业轨迹短且可实现精确控向。
在粘土或硬土地质作业时，采用图2a中的结构，主要采用鹰爪钻头破土，既可以采用泥浆马达7高速旋转破土，也可以直接连接换向器驱动。采用泥浆马达7做定向钻进时，通过换向器调整泥浆马达7的弯曲角度方位进行控向。
在硬土或软岩地质作业时，采用图2b中的结构，主要采用牙轮钻头，由泥浆马达7高速旋转破土。定向钻进时，通过换向器调整泥浆马达7的弯曲角度方位进行控向。
在钻头出土后，可采用图3中的结构进行扩孔作业，根据钻进模式可采用泥浆马达7驱动扩孔器8，也可以采用换向器直接连接扩孔器8作业。
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)

1.一种多模式导向钻具，其特征在于，包括：依次设置的钻具机构、定位舱和换向驱动器，其中：换向驱动器与液压油管相连以提供钻具机构动力，换向驱动器的旋转端与定位舱相连，定位舱中设有定位传感器和与之相连的传输电缆，将位置信息给导航定位系统用于定位和控向；
所述的钻具机构、定位舱和换向驱动器之间通过连接器相连。
2.根据权利要求1所述的多模式导向钻具，其特征是，所述的换向驱动器为大扭矩转动驱动装置，该驱动装置采用液压油缸或电机驱动，内设有用于测量转速的传感器。
3.根据权利要求1所述的多模式导向钻具，其特征是，所述的定位传感器采用微型的高精度惯性测量单元，实时测量钻头体的空间运动参数，如姿态角度、角速度、角加速度以及三轴向运动速度、加速度。
4.根据权利要求1所述的多模式导向钻具，其特征是，所述的钻具机构采用钻头体实现，该钻头体内设有多方位的喷嘴，喷嘴包括用于钻进喷冲破土的破土喷嘴和用于清洗钻头的清洗喷嘴。
5.根据权利要求4所述的多模式导向钻具，其特征是，所述的钻头体采用导向板钻头、鹰爪钻头或牙轮钻头，当采用导向板钻头时，其与连接器直接相连，当采用鹰爪钻头时，其与换向器直接连接也可以与泥浆马达相连，当采用牙轮钻头时，则与泥浆马达连接。
6.根据权利要求1所述的多模式导向钻具，其特征是，所述的钻具机构和定位舱之间进一步设有泥浆马达，其中：泥浆马达具有固定导向弯角，由换向器驱动马达整体旋转进行控向，并通过调整马达外部导向平面面积增大或减小导向强度，该泥浆马达包括：动力部分、传动部分和轴承部分，其中：动力部分以高压海水或泥浆作为动力源，利用压力差形成驱动力驱动马达转子转动，从而带动钻头快速、连续旋转破土。
7.根据权利要求6所述的多模式导向钻具，其特征是，所述的动力部分包括定子和转子，传动部分包括用于转向的弯接头，轴承部分承受整个马达的载荷。
8.根据上述任一权利要求所述的多模式导向钻具，其特征是，所述的钻头体上进一步设有扩孔器，使得在回拖钢缆时的扩大钻孔直径的功能。
9.根据权利要求8所述的多模式导向钻具，其特征是，所述的扩孔器为表面有螺旋形凹型水槽的锥形结构，扩孔器上设有点或线状分布的切削刃，扩孔器与换向器或泥浆马达连接，在钻杆回拖力作用下进行旋转扩孔。
10.根据权利要求8所述的多模式导向钻具，其特征是，所述的钻头体上设有连接孔环，当水下由潜水员或潜水器操作时用于将穿引钢丝绳利用卸扣连接至钻头体上，在不扩孔的情况下直接进行穿引回拖；所述的扩孔器上设有连接孔环，可在水下由潜水员或潜水器操作将粗钢丝绳利用卸扣连接至扩孔器上，在扩孔的情况下进行重钢丝绳回拖。
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