CN115341867B - 一种船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置及工艺，该装置包括钻柱、BHA、补偿油缸、顶驱、液气蓄能器、空压机以及取心工具；其中，所述液气蓄能器包括腔体，在所述腔体内设置有活塞，以将腔体分隔为压缩空气腔和液压油腔；所述空压机连接蓄能器的压缩空气腔，液压油腔的液压油通过油管连接到补偿油缸的活塞杆腔，空压机至补偿油缸所连接起来的气路到油路部分组成液气系统；补偿油缸的活塞杆连接顶驱，顶驱下方连接钻柱及BHA，取心工具通过钻柱及BHA驱动。本发明取心率高，一般情况下，贯入长度等于样品长度，取芯率接近100％；无岩心扰动，贯入过程不需要泥浆、无钻具旋转不会扰动岩心，原状性好。
Description
技术领域
本发明涉及海洋水下地质勘探取样设备，具体涉及一种船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置及工艺。
背景技术
海洋表层沉积物一般为淤泥或粘土，采用回转取心容易出现样品扰动，取芯率低等问题。因此这个表层的沉积物比较适宜用贯入取心法。贯入取心即将敞口管状取心器直接压入土层，到达一定行程后，将取心器从土层拔出，留在取心器的样品即为所需样品，这一系列过程没有旋转扰动，样品质量高。
在海洋沉积物取样中，利用贯入取心原理的取心器有重力活塞取心、泥浆静压取心、液压贯入取心、锤击贯入取心等。
重力活塞取心的贯入力来源于铅块配重的重力，其取心过程为将取心器用绞车下放至接近海底，当取心器的释放机构接触海底时，取心器会瞬间释放，整个取心器在重力的作用下压入海底表层沉积物，然后绞车回收取心器，获取岩心。这种方法取样深度不可预测且有限，一般为几米至十几米的范围。
泥浆静压取心广泛应用于大洋钻探，其原理为适用泥浆憋压，达到一定压力后取心管瞬间被释放，在最大12.5kN水压作用下，取芯管以3～6m/s的速度，超前钻头贯入沉积层，从而获取沉积物样品。这种方法的释放方式一般为剪切销断裂释放，一次性使用，且安装过程费事费力；为防止剪切销受冲击，需要将取心工具下放至井底，同时需要将缆绳回收才能开始憋压，一系列准备工作耗时较长。
液压贯入取心即利用液压缸带动取心管贯入地层取心。船载液压系统提供压力，通过脐带缆中的液压管道传递动力至孔底液压缸，液压缸带动取心器，贯入土层，完成贯入后回收取心器。这种方式附件较多，且液压系统容易受污染，成本较高。
锤击贯入取心即利用绞车牵引重锤，将取心管锤入土层，达到一定深度后回收取心器，从而获取沉积物样品的方法。这种方法纯人工操作，自动化程度低，需要一定的经验；单次取心深度有限，较硬的土层容易出现真空吸附效应而难以回收取心器的问题。
发明内容
为了解决现有技术所存在的至少一技术问题，本发明提供一种船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置及工艺
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置，包括钻柱、BHA、补偿油缸、顶驱、液气蓄能器、空压机以及取心工具；其中，
所述液气蓄能器包括腔体，在所述腔体内设置有活塞，以将腔体分隔为压缩空气腔和液压油腔；
所述空压机连接蓄能器的压缩空气腔，液压油腔的液压油通过油管连接到补偿油缸的活塞杆腔，空压机至补偿油缸所连接起来的气路到油路部分组成液气系统；补偿油缸的活塞杆连接顶驱，顶驱下方连接钻柱及BHA，取心工具通过钻柱及BHA驱动。
进一步地，所述的船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置还包括压力传感器，用于监测所述液气系统中液压油的压力大小，以换算成偿油缸的提升力，所述补偿油缸的提升力的调节通过空压机泵气来实现，提升力与补偿油缸悬挂的顶驱和钻柱的重量之和的关系根据工况不同调节；非工作状态下，提升力与顶驱和钻柱的重量之和应相同；贯入取样时，提升力应小于顶驱和钻柱的重量之和，两者的差值为贯入取样的贯入压力。
进一步地，所述的船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置还包括游车、举升油缸、绳索；所述举升油缸设置有两，分别垂直设置在游车横向相对两端的外侧，举升油缸的活塞杆顶端安装有滑轮；所述补偿油缸安装于游车，游车连接绳索，绳索通过缠绕于举升油缸上的滑轮，连接于甲板。
进一步地，在所述举升油缸和液气系统中均设置有编码器，以实时计算顶驱和钻具向下运动的行程。
进一步地，所述举升油缸举升油缸通过井架固定于竖直位置。
进一步地，所述补偿油缸设置有两。
进一步地，所述绳索为钢丝绳。
进一步地，所述取心工具部分超出BHA。
进一步地，所述取心工具包括打捞部、单向阀和岩心管部；所述打捞部设置有张开状的弹卡，以用于卡接于BHA中；所述岩心管部包括岩心管，岩心管和所述单向阀相连接，岩心进入岩心管时，岩心管里面的水通过单向阀排出。
一种船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心工艺，基于上述的装置，包括：
将钻柱及BHA接驳接近海底、投下取心工具；然后开启空压机，往液气蓄能器压缩空气腔打压，压力通过蓄能活塞传递到液压油腔，蓄能器液压油腔的液压油通过油管输送到补偿油缸，压力会工过压力传感器换算成补偿油缸的提升力；
起初补偿油缸完全伸出，蓄能器的液压油输入补偿的活塞杆腔；当空压机一直打压，补偿油缸提升力等于顶驱、钻柱及BHA、取心工具的重量之和时，补偿油缸开始回缩，当打压至补偿油缸缩回至中位时，停止打压；然后举升油缸回缩，滑轮下落，游车以及补偿油缸连接的顶驱、钻柱及BHA也随之下降，当取心工具接触沉积物地层地面时，地面反力通过钻柱及BHA、顶驱反馈到补偿油缸，补偿油缸提升力大于钻柱及BHA、顶驱之和减地面反力，补偿油缸回缩；此时释放压缩空气，减小补偿油缸提升力，使补偿油缸提升力小于钻柱及BHA、顶驱之和，两者差值为钻柱贯入地层的压力，钻柱贯入沉积物地层；贯入一定深度后，岩心管部完全贯入沉积物地层，回收取心工具。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
1、采用船载钻机液气液气系统系统提供贯入取心压力，压力通过钻柱传递到井底的取心工具，实现压力贯入取心。钻柱本身有自重，一般情况下，钻柱本身重量会大于所需贯入压力。液气系统是一个悬挂钻柱液气系统，可通过调节液气系统改变悬挂力，并且允许钻柱在一定范围内活动，通过这个液气系统的这个原理，实现相对恒定的贯入压力，无岩心扰动，贯入过程不需要泥浆、无钻具旋转不会扰动岩心，原状性好。船载钻机的起拔力大，可达60吨，可轻松解决真空吸附问题。
2、贯入过程中可根据实际贯入深度调节举升油缸，通过换算举升油缸和液气系统高度差可计算取心工具贯入的深度，从而可以实时获取进尺数据，并控制进尺。
3、采用简易可靠的钻具组合。采用绳索取心方式取心，超前式取心工具，取心工具包含打捞部，单向阀，岩心管部。打捞部用于取心钻具回收以及压力传递，有张开状的弹卡卡于BHA(底部钻具组合)，当施压贯入时，压力从钻柱及BHA传递到弹卡，从而传递到取心工具，取心工具贯入沉积物。当取心工具回收时，通过单向阀用于排出岩心管里的水。当钻具贯入地层时，岩心进入岩心管，岩心管里面的水通过单向阀排出。岩心管部分用于获取并承载岩心样品。
附图说明
图1为本发明实施例提供的船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置的整体结构示意图；
图2-图3为井底取样过程示意图；
图中：1、钻柱；2、BHA；3、补偿油缸；4、顶驱；5、压力传感器；6、液气蓄能器；7、空压机；8、取心工具；9、游车；10、举升油缸；11、钢丝绳；12、滑轮；13、井架；14、油管；61、活塞；62、压缩空气腔；63、液压油腔；81、打捞部；82、单向阀；83、岩心管部；100、沉积物地层。
具体实施方式
实施例：
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
参阅图1所示，本实施例提供的船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置主要包括钻柱1、BHA2(Bottom hole assembly，底部钻具组合)补偿油缸3、顶驱4、压力传感器5、液气蓄能器6、空压机7、取心工具8。
其中，该液气蓄能器6包括腔体，在腔体内设置有活塞61，以将腔体分隔为压缩空气腔和62液压油腔63；该空压机7连接液气蓄能器6的压缩空气腔62，，液压油腔63的液压油通过油管14连接到补偿油缸3的活塞杆腔，空压机7至补偿油缸3所连接起来的气路到油路组成液气系统，相当于一个可调节压力的空气弹簧；补偿油缸3的活塞杆连接顶驱4，顶驱4下方连接钻柱1及BHA2，取心工具8通过钻柱及BHA驱动。
由此可见，本装置采用船载钻机液气液气系统系统提供贯入取心压力，压力通过钻柱传递到井底的取心工具，实现压力贯入取心。钻柱本身有自重，一般情况下，钻柱本身重量会大于所需贯入压力。液气系统是一个悬挂钻柱液气系统，可通过调节液气系统改变悬挂力(悬挂力是指补偿油缸对顶驱和钻柱的悬挂)，并且允许钻柱在一定范围内活动，通过这个液气系统的这个原理，实现相对恒定的贯入压力，无岩心扰动，贯入过程不需要泥浆、无钻具旋转不会扰动岩心，原状性好。船载钻机的起拔力大，可达60吨，可轻松解决真空吸附问题。
在一具体实施例中，该船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置还包括游车9、举升油缸10、钢丝绳11；该举升油缸10设置有两，分别垂直设置在游车9横向相对两端的外侧，举升油缸10的活塞杆顶端安装有滑轮12；该补偿油缸3安装于游车9，游车9连接钢丝绳11，钢丝绳11通过缠绕于举升油缸10上的滑轮12，连接于甲板；如此，即可以实现将补偿油缸3、顶驱4以及钻柱1等悬挂起来，液压缸上的滑轮为动滑轮，起到行程的倍增的效果，可以节约空间。该举升油缸10则通过井架13固定于竖直位置上，以保证安装的稳固性。
在一具体实施例中，该船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置还包括压力传感器5，用于监测所述液气系统中液压油的压力大小，以换算成补偿油缸3的提升力；该补偿油缸3的提升力的调节通过空压机7泵气来实现，提升力与补偿油缸3悬挂的顶驱4和钻柱1的重量之和的关系根据工况不同调节；非工作状态下，提升力与顶驱4和钻柱1的重量之和应相同；贯入取样时，提升力应小于顶驱4和钻柱1的重量之和，两者的差值为贯入取样的贯入压力，从而实现调节液气系统改变悬挂力。
此外，在该举升油缸10和液气系统中均设置有编码器，以实时计算顶驱和钻具向下运动的行程。如此，即可以实时计算顶驱和钻具向下运动的行程，贯入过程中可根据实际贯入深度调节举升油缸，通过换算举升油缸和液气系统高度差可计算取心工具贯入的深度。
在一具体实施例中，该取心工具8部分超出BHA，如此取心工具8下压的时候先接触沉积物地层100；取心工具8包括打捞部81、单向阀82和岩心管部83；该打捞部81用于取心钻具回收以及压力传递，有张开状的弹卡卡于BHA，当施压贯入时，压力从钻柱1及BHA2传递到弹卡，从而传递到取心工具8，取心工具8贯入沉积物。当取心工具8回收时，通过单向阀82排出岩心管部83里的水；当贯入地层时，岩心进入岩心管部83，岩心管部83里面的水通过单向阀82排出，岩心管部83则用于获取并承载岩心样品。
利用本装置实现取心的工艺包括：
由于钻柱是由一根一根钻杆连接起来的，取心前需要将钻杆和BHA总长连接至接近海底，投下取心工具8，然后开启空压机7，往液气蓄能器压缩空气腔62打压，压力通过活塞61传递到液压油腔63，蓄能器液压油腔63的液压油通过油管输送到补偿油缸3，压力会经过压力传感器5换算成补偿油缸3的提升力。起初补偿油缸3完全伸出，液气蓄能器的液压油输入补偿油缸3的活塞杆腔。当空压机7一直打压，补偿油缸3的提升力等于顶驱、钻柱及BHA、取心工具的重量之和时，补偿油缸3开始回缩，当打压至补偿油缸3缩回至中位时，停止打压，然后举升油缸10回缩，滑轮12下落，游车9以及补偿油缸3连接的顶驱4、钻柱1及BHA2也随之下降，当取心工具8接触地面时，地面反力通过钻柱1及BHA2、顶驱4反馈到补偿油缸3，补偿油缸3提升力大于钻柱1及BHA2、顶驱4之和减地面反力，补偿油缸3回缩，因此缓慢释放压缩空气，减小补偿油缸3的提升力，使钻柱1缓慢贯入沉积物地层100，也就是说，可根据沉积物硬度，通过液气蓄能器、空压机等调节贯入压力。贯入一定深度后，取心工具8的岩心管部83完全贯入沉积物地层，回收取心工具8。下个回次扫除已经贯入取心地层，提升钻柱1及BHA2一定高度，再次投入取心工具8，重复上述步骤连续取心，如图2所示。
经过验证，通过上述的工艺来进行取心，取心率高，一般情况下，贯入长度等于样品长度，取芯率接近100％，而且无岩心扰动，贯入过程不需要泥浆、无钻具旋转不会扰动岩心，原状性好。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置，包括钻柱、BHA，其特征在于，还包括补偿油缸、顶驱、液气蓄能器、空压机以及取心工具；其中，
所述液气蓄能器包括腔体，在所述腔体内设置有活塞，以将腔体分隔为压缩空气腔和液压油腔；
所述空压机连接液气蓄能器的压缩空气腔，液压油腔的液压油通过油管连接到补偿油缸的活塞杆腔，空压机至补偿油缸所连接起来的气路到油路部分组成液气系统；补偿油缸的活塞杆连接顶驱，顶驱下方连接钻柱及BHA，取心工具通过钻柱及BHA驱动；
还包括压力传感器，用于监测所述液气系统中液压油的压力大小，以换算成补偿油缸的提升力；所述补偿油缸的提升力的调节通过空压机泵气来实现，提升力与补偿油缸悬挂的顶驱和钻柱的重量之和的关系根据工况不同调节，非工作状态下，提升力与顶驱和钻柱的重量之和应相同；贯入取样时，提升力应小于顶驱和钻柱的重量之和，两者的差值为贯入取样的贯入压力；
还包括游车、举升油缸、绳索；所述举升油缸设置有两，分别垂直设置在游车横向相对两端的外侧，举升油缸的活塞杆顶端安装有滑轮；所述补偿油缸安装于游车，游车连接绳索，绳索通过缠绕于举升油缸上的滑轮，连接于甲板。
2.如权利要求1所述的船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置，其特征在于，在所述举升油缸和液气系统中均设置有编码器，以实时计算顶驱和钻具向下运动的行程。
3.如权利要求2所述的船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置，其特征在于，所述举升油缸通过井架固定于竖直位置。
4.如权利要求3所述的船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置，其特征在于，所述补偿油缸设置有两。
5.如权利要求3所述的船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置，其特征在于，所述绳索为钢丝绳。
6.如权利要求1所述的船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置，其特征在于，所述取心工具部分超出BHA。
7.如权利要求3所述的船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心装置，其特征在于，所述取心工具包括打捞部、单向阀和岩心管部；所述打捞部设置有张开状的弹卡，以用于卡接于BHA中；所述岩心管部包括岩心管，岩心管和所述单向阀相连接，岩心进入岩心管时，岩心管里面的水通过单向阀排出。
8.一种船载钻机海洋沉积物贯入绳索取心工艺，基于权利要求7所述的装置，其特征在于，包括：
将钻柱及BHA接驳接近海底，投下取心工具；然后开启空压机，往液气蓄能器压缩空气腔打压，压力通过活塞传递到液压油腔，液气蓄能器的液压油腔的液压油通过油管输送到补偿油缸，压力会通过压力传感器换算成补偿油缸的提升力；
起初补偿油缸完全伸出，液气蓄能器的液压油输入补偿油缸的活塞杆腔；当空压机一直打压，补偿油缸提升力等于顶驱、钻柱及BHA以及取心工具的重量之和时，补偿油缸开始回缩，当打压至补偿油缸缩回至中位时，停止打压；然后举升油缸回缩，滑轮下落，游车以及补偿油缸连接的顶驱、钻柱及BHA也随之下降，当取心工具接触沉积物地层地面时，地面反力通过钻柱及BHA以及顶驱反馈到补偿油缸，补偿油缸提升力大于钻柱及BHA以及顶驱之和减地面反力，补偿油缸回缩；此时释放压缩空气，减小补偿油缸提升力，使补偿油缸提升力小于钻柱及BHA以及顶驱之和，两者差值为钻柱贯入地层的压力，钻柱贯入沉积物地层；贯入一定深度后，岩心管部完全贯入沉积物地层，回收取心工具。
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