CN116792086A - 一种海底钻机深海沉积物原位测温系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及深海沉积物原位测温技术领域，特指一种海底钻机深海沉积物原位测温方法,一种海底钻机深海沉积物原位测温系统，配合海底钻机使用，海底钻机深海沉积物原位测温系统包括有动力装置、旋转钻杆仓和钻具及测温装置；动力装置分别与钻具及测温装置以及旋转钻杆仓相连接；钻具及测温装置设置在旋转钻杆仓中，钻具及测温装置包括有海底钻具、钻杆、取心工具和测温装置，海底钻具与钻杆相连接，且海底钻具可分别与取芯工具或测温装置相连接；动力装置包括有动力头、机械手和夹钳，机械手可用于抓取海底钻具。在本发明中的测温装置使用时，测温探头超出钻头，直接测量原位未受干扰的沉积物的温度，提高温度测量的准确度。

Description

一种海底钻机深海沉积物原位测温系统及方法
技术领域
本发明涉及深海沉积物原位测温技术领域，特指一种海底钻机深海沉积物原位测温系统及方法。
背景技术
海洋型天然气水合物是天然气水合物的一种，一般埋藏在海底沉积物地层。根据天然气水合物的稳定性理论，天然气水合物的稳定性和地层温度和压强等条件密切相关。精确的海洋沉积物的原位地温测量可为天然气水合物成藏模式、矿藏边界等的计算提供依据。海底沉积物温度测量一般和地温梯度、热流等物理量相关，多个探针在不同深度进行温度测量可计算地温梯度，地温梯度联合沉积物的导热系数可计算热流值。
以往的地温测量方式一般采用Ewing型探针，固定在重力柱取样器的取样管外壁，作业时，依靠重力贯入海底表层沉积物(参考文献：新型深海地温梯度测量设备(FY2)研发)。由于重力柱贯入深度的限制，其原位测温的深度一般不超过10米；贯入深度不能确定，一般多个探针组合使用，根据测量值计算沉积物的温度梯度及热流值；深层的温度虽然可依据温度梯度推算，但是地层一般非均质，热导率差异等因素会造成误差。
国外有钻孔热流原位探测技术(参考网址：http://www.aixsensor.com/news/hy/202003/20200318156.html)，一般指船载钻机的的原位地层热流探测，能探测海底平面以下数十米甚至数百米的地层温度。由于船载钻机容易受海浪影响，存在钻柱升沉，进而影响井底温度测量；在深水海域，船载钻机需用绞车携带测温装置往复上千米的行程，测温成本高效率低。
由于天然气水合物的埋藏深度一般超过10米，当采用现有的用于测温的方法时，热流探针贯入深度限制不能实现原位测量；而船载钻机钻孔温度测量成本高、效率低。同时，现有技术中取心工具和测温装置不能自由切换，当二者需要相互更换时，就需要把装置整体取出，严重影响工作效率。再者，若取心工具和测温装置的更换需要整体取出才能更换，多次的取放会影响原位测温的效果，也会严重影响原位测温效率。
为解决现有技术测量地层温度测量深度较浅的问题，提出一种探测深度较大的低成本海底钻机深海沉积物原位测温方法及装置。
发明内容
本发明的发明目的在于：为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种海底钻机深海沉积物原位测温系统及方法。
为了解决现有技术中所存在的问题，本发明采用以下技术方案：
一种海底钻机深海沉积物原位测温系统，配合海底钻机使用，所述海底钻机深海沉积物原位测温系统包括有动力装置、旋转钻杆仓和钻具及测温装置；
所述动力装置分别与所述钻具及测温装置以及所述旋转钻杆仓相连接，并为所述钻具及测温装置以及所述旋转钻杆仓提供动力；
所述钻具及测温装置设置在所述旋转钻杆仓中，所述钻具及测温装置包括有海底钻具、钻杆、取芯工具和测温装置，所述海底钻具与所述钻杆相连接，且所述海底钻具可分别与所述取芯工具或所述测温装置相连接；
所述动力装置包括有动力头、机械手和夹钳，所述机械手可用于抓取所述海底钻具，且所述机械手带动所述钻具及测温装置的钻进和更换；所述动力头固定在导轨上，所述动力头可在所述导轨上上下移动，且所述夹钳设置在所述导轨上。
作为本发明海底钻机深海沉积物原位测温系统的技术方案的一种改进，海底钻机深海沉积物原位测温系统还包括有结构框架，所述动力装置、所述钻杆仓和所述钻具及测温装置均设置在所述结构框架内；
沿所述框架结构的高度方向，所述框架结构内设置有所述导轨；所述结构框架内还设置有绞车，所述绞车可通过牵引缆与吊装装置相连接。
作为本发明海底钻机深海沉积物原位测温系统的技术方案的一种改进，所述机械手包括有至少一个液压机械臂；
所述动力头包括有液压动力组件，所述液压动力组件分别与所述旋转钻杆仓、至少一个夹钳和所述机械手相连接，每个所述夹钳包括有至少两个液压缸，且所述夹钳可用于夹持所述钻杆；
所述机械手包括有至少两个液压机械臂，所述机械手用于抓取所述钻杆、所述取心工具和所述测温装置，并把所述钻杆、所述取心工具和所述测温装置从所述旋转钻杆仓取出或放回所述旋转钻杆仓中。
作为本发明海底钻机深海沉积物原位测温系统的技术方案的一种改进，所述旋转钻杆仓的底部设置有至少三个液压支脚，每个所述液压支脚的末端设置有固定部件。
作为本发明海底钻机深海沉积物原位测温系统的技术方案的一种改进，所述旋转钻杆仓包括有至少一个固定部和穿设在所述固定部中的连接杆，所述连接杆可竖直设置，所述固定部的外周设置有多个用于放置所述钻具及测温装置的卡槽。
作为本发明海底钻机深海沉积物原位测温系统的技术方案的一种改进，所述旋转钻杆仓内设置有多个卡槽，多个所述卡槽包括有至少一个第一卡槽和至少一个第二卡槽，所述第一卡槽用于放置所述海底钻具和所述钻杆，所述第二卡槽用于放置所述取心工具和所述测温装置。
作为本发明海底钻机深海沉积物原位测温系统的技术方案的一种改进，每个所述第一卡槽可放置至少两个所述海底钻具和/或至少两根所述钻杆；每个所述第二卡槽可放置至少两个所述取心工具和/或所述测温装置。
作为本发明海底钻机深海沉积物原位测温系统的技术方案的一种改进，所述测温装置包括有杆体，所述杆体的上部设置有与所述海底钻具相连接的卡紧及回收部件，所述杆体内设置有电池及数据采集电路，所述杆体的下部依次设置有探头支撑结构和温度探头，且所述温度探头与所述电池及数据采集电路电连接。
作为本发明海底钻机深海沉积物原位测温系统的技术方案的一种改进，所述测温装置、所述钻杆和所述取心工具的水平截面的面积和形状相一致，且所述测温装置、所述钻杆和所述取心工具与所述海底钻具相适配。
一种海底钻机深海沉积物原位测温方法，使用如上述的海底钻机深海沉积物原位测温系统，包括有以下步骤：在海底钻具中预装取心工具或测温装置；把海底钻机着陆于海底，并调整整体的姿态；转动旋转钻杆仓，通过机械手抓取海底钻具，并置于夹钳上，在动力装置和夹钳的作用下，海底钻具上下给进，把测温装置和/或取心工具向沉积物伸出，完成原位测温或取心的工作。
本发明的有益效果：
1、在本发明中，测温装置和取心工具可分别与海底钻具连接，提高了更换的效率以及保证了原位测温的效率,同时，可实现温度探测和钻进取心作业的自由切换，二者在作业时互不干扰；
2、测温装置使用时，测温探头超出钻头，直接测量原位未受干扰的沉积物的温度，提高温度测量的准确度；
3、本发明固定在深海沉积物上时，通过向下伸出的测温装置可在海底钻机取样系统钻进深度能力范围内(现阶段可达20米)的任意深度实现原位温度探测；
4、测温装置为自容式，具备电池和存储器，完成钻孔后和岩芯一同回收至甲板，操作高效便捷，获取数据成本低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中的海底钻具的结构示意图；
图3为本发明中的钻杆的结构示意图；
图4为本发明中的取心工具的结构示意图；
图5为本发明中的测温装置的结构示意图；
图6为本发明中的旋转钻杆仓的结构示意图；
图7为本发明中的夹钳的结构示意图；
图8为本发明中的测温作业示意图。
附图标记说明：1-旋转钻杆仓；2-钻具及测温装置；3-支脚；4-机械手；5-动力头；6-上夹钳；7-下夹钳；8-绞车；9-结构框架；10-海底钻具；11-钻杆；12-取心工具；13-测温装置；14-卡紧及回收部件；15-电池及数据采集电路；16-探头支撑结构；17-温度探头，18-机械手旋转轴，19-导轨；20–卡槽；21–盖板；22–夹紧液压缸；23–连接杆；24–固定部。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1至图8所示，一种海底钻机深海沉积物原位测温系统，配合海底钻机使用，海底钻机深海沉积物原位测温系统包括有动力装置、旋转钻杆仓1和钻具及测温装置2；
动力装置分别与钻具及测温装置2以及旋转钻杆仓1相连接，并为钻具及测温装置2以及旋转钻杆仓1提供动力；
钻具及测温装置2设置在旋转钻杆仓1中，钻具及测温装置2包括有海底钻具10、钻杆11、取心工具12和测温装置13，海底钻具10与钻杆11相连接，且海底钻具10可分别与取心工具12或测温装置13相连接；
动力装置包括有动力头5、机械手4和夹钳，机械手4可用于抓取海底钻具10；动力头5固定在导轨19上，动力头5可在导轨19上上下移动，且夹钳设置在导轨19上。
其中，夹钳包括有上夹钳6，上夹钳6固定在动力头5上，可以通过上夹钳6夹持钻杆11。
在本发明中，动力装置用于为与钻机及测温装置13以及旋转钻杆仓1相连接，并为钻具及测温装置2以及旋转钻杆仓1提供动力，钻具及测温装置2包括有海底钻具10、钻杆11、取心工具12和测温装置13，海底钻具10与钻杆11相连接，且海底钻具10可分别与取心工具12或测温装置13相连接，当海底钻具10和取心工具12或测温装置13相连接时，整体形成底部钻具组合。其中，钻具为常规的钻具，用于地层钻进、钻孔扩孔、取心工具12和测温装置13的井底固定，其包括有钻头、扩张器、坐环、弹卡室等常规部件，在此不再赘述。钻杆11与钻头相连接，用于实现地层深入钻进的效果。优选的钻杆11为中空的管材，且钻杆11的两端带有螺纹。
其中，旋转钻杆仓1包括有至少一个固定部24和穿设在固定部24中的连接杆23，连接杆23可竖直设置，以便钻具及测温装置2可放置在旋转钻杆仓1中。
在本发明的一些实施方式中，海底钻机沉积物原位测温系统还包括有结构框架9，动力装置、旋转钻杆仓1和钻具及测温装置2均设置在结构框架9内；
沿框架结构的高度方向，框架结构内设置有导轨19；结构框架9内还设置有绞车8，绞车8可通过牵引缆与吊装装置相连接。
在结构框架9内设置有导轨19，动力头5和上夹钳6在导轨19上可上下移动，实现了动力头5和上夹钳6固定在导轨19上的效果，通过框架结构固定海底钻机，实现了海底钻机深海沉积物原位测温系统的结构优化的效果。优选的，结构框架9采用合金材质制成，保证了其强度，也保证了其使用寿命。优选的，绞车8钢缆末端安装重锤和打捞钩，用于取心工具12和测温装置13的回收。
在本发明的一些实施方式中，机械手4包括有至少一个液压机械臂和机械手旋转轴18，机械手4在机械手旋转轴18上转动；动力头5包括有液压动力组件，液压动力组件分别与旋转钻杆仓1、至少一个夹钳和机械手4相连接，每个夹钳包括有至少两个夹紧液压缸22，且夹钳可用于夹持钻杆11；机械手4包括有至少两个液压机械臂，机械手4用于抓取钻杆11、取心工具12和测温装置13，并把钻杆11、取心工具12和测温装置13从旋转钻杆仓1取出或放回旋转钻杆仓1中。优选的，夹钳还包括有下夹钳7。作为夹钳的一个实施例，至少两个液压缸相对设置，通过至少两个液压缸的设置，可以实现夹钳松紧的效果，也可实现了夹钳松开钻杆11或夹紧钻杆11的效果。
详细地说，在本发明中，上夹钳6和下夹钳7的结构相同，以上夹钳6为例进行说明，上夹钳6包括有夹紧液压缸22，夹紧液压杆的上面和下面均设置有盖板21；在夹紧液压缸22的作用下，实现了上夹钳6夹紧或放开的效果。
在本发明的一些实施方式中，由于旋转钻杆仓1包括有至少一个固定部24和穿设在固定部24中的连接杆23，连接杆23可竖直设置，以便钻具及测温装置2可放置在旋转钻杆仓1中。
详细地说，旋转钻杆仓1设置有多个卡槽20，多个卡槽20包括有至少一个第一卡槽20和至少一个第二卡槽20，第一卡槽20用于放置海底钻具10和钻杆11，第二卡槽20用于放置取心工具12和测温装置13。优选的，每个第一卡槽20可放置至少两个海底钻具10和/或至少两根钻杆11；每个第二卡槽20可放置至少两个取心工具12和/或测温装置13，在旋转钻杆仓1中设置第一卡槽20和第二卡槽20，以便于把取心工具12、测温装置13、海底钻具10和/或钻杆11的备储，在作业的时候，在动力装置的作用下，实现了取心工具12和测温装置13的抓取和更换，同时通过动力头5与海底钻具10的连接以及海底钻具10与钻杆11之间的连接，实现了取心工具12和测温装置13的长度的增长，特别是在测温装置13使用时，测温探头的深度超出钻头的深度，静置一段时间后，可以直接测量原位未受干扰的沉积物的温度，提高温度测量的准确度。
在本发明的一些实施方式中，旋转钻杆仓1的底部设置有至少三个液压支脚3，每个液压支脚3的末端设置有固定部24件。通过至少三个液压支撑海底钻机，并通过每个支脚3的单独液压控制，以调整本发明整体的姿态。优选的，固定部24件为圆盘状支撑腿板，通过圆盘状支撑腿板增加了支脚3与海底的接触面积，更好地保证了本发明在深海的稳定性。
在本发明的一些实施方式中，测温装置13包括有杆体，杆体的上部设置有与海底钻具10相连接的卡紧及回收部件14，杆体内设置有电池及数据采集电路15，杆体的下部依次设置有探头支撑结构16和温度探头17，且温度探头17与电池及数据采集电路15电连接。其中，卡紧及回收部件14用于与海底钻具10相配合，将测温装置13固定于井底；电池及数据采集电路15用于装置的供电及数据处理、存储；探头支撑结构16用于支撑、保护温度探头17；温度探头17用于温度感应。
取心工具12的上部设置有卡紧及回收部件14，其结构与测温装置13的结构相同，卡紧及回收部件14用于与海底钻具10相配合连接。
在本发明的一些实施方式中，测温装置13和取心工具12的水平截面的面积和形状相一致，且测温装置13、钻杆11和取心工具12与海底钻具10相适配，以便于测温装置13和取心工具12与海底钻具10的连接。而且，测温装置13和取心工具12可分别与海底钻具10连接，提高了更换的效率以及保证了原位测温的效率,同时，可实现温度探测和钻进取心作业的自由切换，二者在作业时互不干扰。
本发明的工作流程如下：
在海底钻具10中预装取心工具12或测温装置13；把海底钻机着陆于海底，并调整整体的姿态；转动旋转钻杆仓1，通过机械手4抓取海底钻具10，并置于下夹钳7中且夹紧，在动力装置和夹钳的作用下，海底钻具10上下给进，把测温装置13和/或取心工具12向沉积物伸出，完成原位测温或取心的工作。
详细地说，一种海底钻机深海沉积物原位测温方法，包括有以下步骤：
海底钻机着陆于海底，调节液压支脚3伸出量，伸出量包括有角度和长度，将钻机姿态调整至竖直，使海底钻机姿态稳定。
待海底钻机姿态稳定后，可以开始钻进。
预装取心工具12或测温装置13至海底钻具10中，转动旋转钻杆仓1，将存放海底钻具10中的第一卡槽20旋转至机械手4抓取位，伸出机械手4抓取海底钻具10，然后机械手4缩回并把底部钻具井口送至井口位置。
把动力头5向下移动，直至海底钻具10进入上夹钳6中，通过上夹钳6夹持海底钻具10。
把机械手4松开，并把海底钻具10送至正对旋转钻杆仓1的位置，防止动力头5上下移动时产生碰撞的情况出现。
动力头5夹持住海底钻具10，并向下移动，直至海底钻具10进入到下夹钳7中，通过下夹钳7夹持钻杆11。
松开上夹钳6，转动动力头5并向下进给，使动力头5和海底钻具10螺纹连接。
此时，若海底钻具10预装的是取心工具12，松开下夹钳7，通过预先设置的钻进参数，实现钻杆11和取心工具12自动钻进的效果，直至动力头5向下进给至预设的行程终点位置；
若海底钻具10预装的是测温装置13，松开下夹钳7，手动设置进给力阈值，动力头5带动海底钻具10下压一定深度或到达进给力阈值的位置，静待一定时间后，完成原位测温。优选的，一定深度为0.5米；一定时间为20min。
当完成取心钻进或温度测量后，通过下夹钳7夹持钻杆11，解开动力头5和海底钻具10的螺纹连接，启动绞车8打捞取心工具12或测温装置13。
通过机械手4抓取回收至井口的取心工具12或测温工具，放回至旋转钻杆仓1中，并抓取另外一个取心工具12或测温装置13，然后放置至海底钻具10中。
机械手4继续抓取钻杆11至井口，动力头5夹持钻杆11上部，松开机械手4，并把海底钻具10送至正对旋转钻杆仓1的位置，防止动力头5上下移动时产生碰撞的情况出现。
动力头5夹持钻杆11往下作旋转运动，完成钻杆11和海底钻具10之间的连接。并打开上夹钳6，动力头5往下旋转，完成动力头5和钻杆11之间的连接。
此时，若海底钻具10预装的是取心工具12，松开下夹钳7，通过预先设置的钻进参数，实现钻杆11和取心工具12自动钻进的效果，直至动力头5向下进给至预设的行程终点位置；
若海底钻具10预装的是测温装置13，松开下夹钳7，手动设置进给力阈值，动力头5带动海底钻具10下压一定深度或到达进给力阈值的位置，静待一定时间后，完成原位测温。优选的，一定深度为0.5米；一定时间为20min。
根据需要多次重复上述步骤，直至取样或测温结束。回收全部钻杆11和海底钻具10，完成钻孔的取和/或温度测量。最后，把海底钻机回收至甲板。
基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种海底钻机深海沉积物原位测温系统，配合海底钻机使用，其特征在于，所述海底钻机深海沉积物原位测温系统包括有动力装置、旋转钻杆仓和钻具及测温装置；
所述动力装置分别与所述钻具及测温装置以及所述旋转钻杆仓相连接，并为所述钻具及测温装置以及所述旋转钻杆仓提供动力；
所述钻具及测温装置设置在所述旋转钻杆仓中，所述钻具及测温装置包括有海底钻具、钻杆、取芯工具和测温装置，所述海底钻具与所述钻杆相连接，且所述海底钻具可分别与所述取芯工具或所述测温装置相连接；
所述动力装置包括有动力头、机械手和夹钳，所述机械手可用于抓取所述海底钻具，且所述机械手带动所述钻具及测温装置的钻进和更换；所述动力头固定在导轨上，所述动力头可在所述导轨上上下移动，且所述夹钳设置在所述导轨上。
2.根据权利要求1所述的海底钻机深海沉积物原位测温系统，其特征在于，海底钻机深海沉积物原位测温系统还包括有结构框架，所述动力装置、所述钻杆仓和所述钻具及测温装置均设置在所述结构框架内；
沿所述框架结构的高度方向，所述框架结构内设置有所述导轨；所述结构框架内还设置有绞车，所述绞车可通过牵引缆与吊装装置相连接。
3.根据权利要求1或2所述的海底钻机深海沉积物原位测温系统，其特征在于，所述机械手包括有至少一个液压机械臂；
所述动力头包括有液压动力组件，所述液压动力组件分别与所述旋转钻杆仓、至少一个夹钳和所述机械手相连接，每个所述夹钳包括有至少两个液压缸，且所述夹钳可用于夹持所述钻杆；
所述机械手包括有至少两个液压机械臂，所述机械手用于抓取所述钻杆、所述取心工具和所述测温装置，并把所述钻杆、所述取心工具和所述测温装置从所述旋转钻杆仓取出或放回所述旋转钻杆仓中。
4.根据权利要求2所述的海底钻机深海沉积物原位测温系统，其特征在于，所述旋转钻杆仓的底部设置有至少三个液压支脚，每个所述液压支脚的末端设置有固定部件。
5.根据权利要求1所述的海底钻机深海沉积物原位测温系统，其特征在于，所述旋转钻杆仓包括有至少一个固定部和穿设在所述固定部中的连接杆，所述连接杆可竖直设置，所述固定部的外周设置有多个用于放置所述钻具及测温装置的卡槽。
6.根据权利要求5所述的海底钻机深海沉积物原位测温系统，其特征在于，所述旋转钻杆仓内设置有多个卡槽，多个所述卡槽包括有至少一个第一卡槽和至少一个第二卡槽，所述第一卡槽用于放置所述海底钻具和所述钻杆，所述第二卡槽用于放置所述取心工具和所述测温装置。
7.根据权利要求6所述的海底钻机深海沉积物原位测温系统，其特征在于，每个所述第一卡槽可放置至少两个所述海底钻具和/或至少两根所述钻杆；每个所述第二卡槽可放置至少两个所述取心工具和/或所述测温装置。
8.根据权利要求1所述的海底钻机深海沉积物原位测温系统，其特征在于，所述测温装置包括有杆体，所述杆体的上部设置有与所述海底钻具相连接的卡紧及回收部件，所述杆体内设置有电池及数据采集电路，所述杆体的下部依次设置有探头支撑结构和温度探头，且所述温度探头与所述电池及数据采集电路电连接。
9.根据权利要求1所述的海底钻机深海沉积物原位测温系统，其特征在于，所述测温装置、所述钻杆和所述取心工具的水平截面的面积和形状相一致，且所述测温装置、所述钻杆和所述取心工具与所述海底钻具相适配。
10.一种海底钻机深海沉积物原位测温方法，其特征在于，使用如权利要求1-9任意一项所述的海底钻机深海沉积物原位测温系统，包括有以下步骤：在海底钻具中预装取心工具或测温装置；把海底钻机着陆于海底，并调整整体的姿态；转动旋转钻杆仓，通过机械手抓取海底钻具，并置于夹钳上，在动力装置和夹钳的作用下，海底钻具上下给进，把测温装置和/或取心工具向沉积物伸出，完成原位测温或取心的工作。
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