[發明專利]深海沉積物連續保壓取芯海底鉆機及作業方法

有效

• 申請號: 201210419116.X
• 申請日: 2012-10-26
• 公開（公告）號: CN102913162A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: 王進全;任克忍;王兵;楊紅剛;魏代鋒
• 申請（專利權）人: 寶雞石油機械有限責任公司
• 主分類號: E21B25/00
• 分類號: E21B25/00;E21B25/18
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 羅笛

1.一種深海沉積物連續保壓取芯海底鉆機，其特征在于：包括底座（20），在底座（20）上分別設置有取樣管機械手（1）、多個樁腿（5）、井架（8）、鉆桿機械手（11）、排管架（12）、液壓系統（15）、液壓沖扣鉗（16）、鉆桿卡座（17）及水下控制系統（19），這些部件一起構成鉆機主體（4）；

在底座（20）上固定安裝有主體框架（3），主體框架（3）的上端與海上平臺的鎧裝吊纜連接；

在底座（20）上沿外表面均勻固定設置有多組豎直的樁腿滑槽（21），每個樁腿滑槽（21）中滑動安裝有一個樁腿（5），每個樁腿（5）的下端鉸接有一個樁靴（7），樁靴（7）與樁腿（5）上端外側之間鉸接有翻轉油缸（6），每個樁腿（5）的上端內側與一個升降油缸（18）鉸接；

排管架（12）設置在底座（20）上表面，排管架（12）中排放設置有保壓鉆桿（13）和取樣管（14），保壓鉆桿（13）排放在外圈，取樣管（14）排放在內圈；

在井架（8）中安裝有水下頂驅（9）。

2.根據權利要求1所述的深海沉積物連續保壓取芯海底鉆機，其特征在于：所述的鉆桿機械手（11）用于對排管架（12）中的保壓鉆桿（13）進行取出和放入，以及將保壓鉆桿（13）送至井口及移出；

所述的取樣管機械手（1）用于在排管架（12）上方定點位置吊出取樣管（14），放入井口處保壓鉆桿（13）下端聯接的取芯鉆桿（10）內；以及從井口處保壓鉆桿（13）下部聯接的取芯鉆桿（10）內吊出取樣管（14），放入排管架（12）上。

3.根據權利要求1所述的深海沉積物連續保壓取芯海底鉆機，其特征在于：所述的排管架（12）為回轉型結構，排管架（12）上部外圈為開口式鉆桿接頭卡槽板，排管架（12）上部內圈為孔板，排管架（12）下部下層板為承載板，用于支撐所有保壓鉆桿（13）和取樣管（14）。

4.根據權利要求1所述的深海沉積物連續保壓取芯海底鉆機，其特征在于：所述的水下頂驅（9）的中心管空心軸下端與取芯鉆桿（10）或保壓鉆桿（13）通過螺紋聯接，中心管上端設有喇叭口，水下頂驅（9）的下部配有背鉗。

5.根據權利要求1所述的深海沉積物連續保壓取芯海底鉆機，其特征在于：所述的液壓沖扣鉗（16）安裝在井架（8）的下部、鉆桿卡座（17）的上方，液壓沖扣鉗（16）包括下部的背鉗、上部的沖扣鉗、夾緊油缸、沖扣油缸和進退油缸組成。

6.根據權利要求1所述的深海沉積物連續保壓取芯海底鉆機，其特征在于：所述底座（20）上的井口位置安裝有鉆桿卡座（17），鉆桿卡座（17）打開時能使鉆具通過，鉆桿卡座（17）閉合時能夠卡住鉆桿接頭。

7.一種深海沉積物連續保壓取芯作業方法，其特征在于，利用權利要求1到6任一裝置，按照以下步驟實施：

步驟1、下入鉆機主體

當鉆機主體（4）即將到達海底時，多組樁靴（7）在翻轉油缸（6）的驅動下翻轉到工作位，并接觸到海底；各個樁腿（5）通過升降油缸（18）將鉆機主體（4）升起，通過水平傳感器反饋的信號，水下控制系統（19）發出控制信號，液壓系統（15）分別控制每個樁腿（5）的升降調節，調平底座（20）；

步驟2、鉆進、取芯作業

2.1）水下頂驅（9）啟動，水下頂驅（9）的中心管低速正轉，同時水下頂驅（9）以與中心管轉速相關聯的速度邊下降邊鉆進，沉積物通過空心鉆頭進入取芯鉆桿（10）內卡住的取樣管（14），直至取芯鉆桿（10）完全鉆入海底沉積物，沉積物巖芯全部進入取樣管（14）中，中心管停止轉動；水下頂驅（9）上升拔斷巖芯，繼續上升使取芯鉆桿（10）上端的接頭位于鉆桿卡座（17）之上，閉合鉆桿卡座（17），水下頂驅（9）緩慢下降，使取芯鉆桿（10）上端接頭坐在鉆桿卡座（17）上；取樣管機械手（1）旋轉至井口位置，其上的繩索取芯工具（2）下放，通過中心管上端的喇叭口進入中心管內，到達取芯鉆桿（10）內的取樣管（14）處，解卡、抓住、并吊起充滿了巖芯的取樣管（14）出中心管；然后取樣管機械手（1）旋轉至排管架（12）上方的定點位置，下放取樣管（14）按照順序進入排管架（12）的空位并排放好，繩索取芯工具（2）松開取樣管（14），提升設定高度后待命，一段巖芯鉆取作業完成；

2.2）水下頂驅（9）下部的背鉗夾緊取芯鉆桿（10）上端接頭，頂驅中心管反轉，旋松中心管與鉆桿接頭之間的螺紋，中心管停轉，背鉗松開，中心管再次反轉、同時水下頂驅（9）上升，旋開接頭螺紋；水下頂驅（9）繼續上升至最高位，鉆桿機械手（11）的手臂伸出至排管架（12）定點位置，卡爪夾緊保壓鉆桿（13）并舉升設定高度、回縮取出保壓鉆桿（13），旋轉設定角度后再伸出，將保壓鉆桿（13）送至井口，水下頂驅（9）邊正轉邊緩慢下降，與鉆桿機械手（11）夾持的保壓鉆桿（13）上端的接頭聯接、旋上，水下頂驅（9）停止下降、中心管停轉，水下頂驅（9）下部的背鉗夾緊鉆桿上端接頭，中心管再次正轉將此接頭旋緊，中心管停轉，背鉗松開；鉆桿機械手（11）的卡爪松開保壓鉆桿（13），回縮、下降、旋轉回安裝位置待命；水下頂驅（9）中心管連同與之聯接好的保壓鉆桿（13）再次邊正轉邊緩慢下降，與鉆桿卡座（17）卡住的取芯鉆桿（10）上端接頭或保壓鉆桿（13）上端接頭聯接、旋上，頂驅停止下降、中心管停轉；液壓沖扣鉗（16）移入到井口位置，背鉗夾緊卡座卡住的取芯鉆桿（10）上端接頭或保壓鉆桿（13）上端接頭，沖扣鉗先反轉至極限位置后再夾緊與取芯鉆桿（10）上端接頭或保壓鉆桿（13）上端接頭聯接的新保壓鉆桿（13）下端接頭；然后，沖扣油缸推動沖扣鉗正轉，旋緊聯接的螺紋，一根新保壓鉆桿（13）聯接完畢；背鉗、沖扣鉗分別松開，沖扣鉗轉回原始位，液壓沖扣鉗（16）移出井口位置，排管架（12）步進旋轉設定角度并鎖緊，使下一根保壓鉆桿（13）和取樣管（14）位于待取出的定點位置；

2.3）下放繩索取芯工具（2），從排管架（12）抓住并吊起取樣管（14）至設定高度，然后旋轉至井口位置水下頂驅（9）中心管上端喇叭口上方，下放取樣管（14）通過喇叭口進入中心管、保壓鉆桿（13）的內腔，直到到達取芯鉆桿（10）內孔中并卡住，繩索取芯工具（2）松開取樣管（14）、提出至水下頂驅（9）中心管上端喇叭口上方待命；水下頂驅（9）上升到設定高度，鉆桿卡座（17）打開；

2.4）水下頂驅（9）啟動，中心管以與下降速度相關聯的低速旋轉，邊下降邊鉆進，直至保壓鉆桿（13）鉆完，沉積物巖芯全部進入取樣管（14）中，頂驅中心管停轉，上提拔斷巖芯，繼續上升使與中心管聯接的鉆桿上端接頭位于鉆桿卡座（17）之上，閉合卡座，水下頂驅（9）緩慢下降，使保壓鉆桿（13）上端接頭坐在卡座上；下放繩索取芯工具（2），通過中心管喇叭口進入中心管及保壓鉆桿（13）內腔，到達取芯鉆桿（10）內的取樣管（14）處，解卡、抓住、并吊起充滿了巖芯的取樣管（14）出中心管；然后旋轉至排管架（12）上方的定點位置，下放取樣管（14）至排管架（12）的空位并按照順序排放好，繩索取芯工具（2）松開取樣管（14）、并提升設定高度后待命，又一段巖芯鉆取作業完成；

排管架（12）步進旋轉設定角度并鎖緊，使下一根保壓鉆桿（13）和取樣管（14）位于待取出的定點位置；

2.5）重復2.1）、2.2）、2.3）、2.4）項操作，直到所有保壓鉆桿（13）依次聯接完、鉆完，所有充滿了巖芯的取樣管（14）依次全部排放在排管架（12）中，取芯作業完成；

步驟3、起鉆作業

3.1）水下頂驅（9）上升到設定高度，鉆桿卡座（17）打開，水下頂驅（9）繼續上升提出一根保壓鉆桿（13），并使與之聯接的下一根的保壓鉆桿（13）上端接頭位于鉆桿卡座（17）之上，閉合卡座，水下頂驅（9）緩慢下降，使下一根保壓鉆桿（13）上端的接頭坐在卡座上；液壓沖扣鉗（16）移入到井口位置，背鉗夾緊卡座卡住的保壓鉆桿（13）上端接頭，沖扣鉗夾緊與之聯接的保壓鉆桿（13）的下端接頭；然后，沖扣油缸推動沖扣鉗反轉，旋松聯接螺紋；背鉗、沖扣鉗分別松開，沖扣鉗轉回原始位，液壓沖扣鉗（16）移出井口位置；水下頂驅（9）中心管反轉、同時上升，旋開接頭螺紋并繼續上升，使中心管聯接的保壓鉆桿（13）下端的接頭下平面提出至卡座卡住的保壓鉆桿（13）上端接頭的上平面之上設定高度，并在中心管聯接的保壓鉆桿（13）下端的接頭上裝上保壓護帽；

3.2）鉆桿機械手（11）由安裝位旋轉至對準井口的位置，手臂伸出至井口并升高，卡爪夾緊保壓鉆桿（13）；水下頂驅（9）下部的背鉗夾緊保壓鉆桿（13）上端的接頭，水下頂驅（9）中心管反轉，旋松中心管與保壓鉆桿（13）上端接頭之間的螺紋，中心管停轉，背鉗松開，水下頂驅（9）中心管再次反轉、同時上升，旋開接頭螺紋；水下頂驅（9）上升至最高位，中心管下端接頭螺紋的下平面高于保壓鉆桿（13）上端接頭的上平面；鉆桿機械手（11）回縮、旋轉對準排管架（12）定點位置的排放空位、伸出、下降，將保壓鉆桿（13）排放在排管架（12）中；卡爪松開、手臂回縮、升高、旋轉對準井口待命；排管架（12）步進旋轉設定角度并鎖緊，使下一根保壓鉆桿（13）排放空位位于定點位置；

3.3）水下頂驅（9）邊正轉邊下降，到達鉆桿卡座（17）卡住的保壓鉆桿（13）上端接頭處再緩慢下降與接頭聯接、旋上，水下頂驅（9）中心管停轉；水下頂驅（9）下部的背鉗夾緊卡座卡住的保壓鉆桿（13）上端接頭，水下頂驅（9）中心管再次正轉，將此接頭旋緊，之后背鉗松開；

3.4）重復3.1）、3.2）、3.3）項操作，直到所有保壓鉆桿（13）依次全部起出，取芯鉆桿（10）與水下頂驅（9）中心管聯接好，水下頂驅（9）上升至入海前的高度，起鉆作業完成；

步驟4、保壓作業

4.1）取樣管機械手（1）旋轉至排管架（12）上方定點位置，下放其上的繩索取芯工具（2）至排管架（12）上內圈排放的充滿沉積物巖芯的取樣管（14）上端，繩索取芯工具（2）抓住并吊起取樣管（14），提吊至其下端高于保壓鉆桿（13）上端接頭上平面的位置，取樣管機械手（1）旋轉一個小角度，使取樣管（14）位于排管架（12）外圈排放的保壓鉆桿（13）的上方，下放取樣管（14）入保壓鉆桿（13）中并裝好，繩索取芯工具（2）松開取樣管（14）并提出，取樣管機械手（1）旋轉至排管架（12）上方定點位置待命；排管架（12）步進旋轉設定角度并鎖緊，使下一根取樣管（14）和空心的保壓鉆桿（13）位于定點位置；

4.2）重復4.1）項操作，直到所有取樣管（14）分別裝入每一個對應的保壓鉆桿（13）中；

4.3）鉆桿機械手（11）旋轉至安裝位，手臂伸出至排管架（12）定點位置，卡爪夾緊已裝好取樣管（14）的保壓鉆桿（13），并在上端接頭上裝上保壓護堵；鉆桿機械手（11）卡爪松開、手臂回縮待命；排管架（12）步進旋轉設定角度并鎖緊，使下一根未安裝保壓護堵的保壓鉆桿（13）位于定點位置；

4.4）重復4.3）項操作，直到所有保壓鉆桿（13）都安裝好一個保壓護堵，保壓作業完成；

步驟5、樁腿（5）通過升降油缸（18）將鉆機主體（4）降下，樁靴（7）在翻轉油缸（6）的驅動下收回到入海前的位置；然后，利用鎧裝吊纜通過主體框架（3）將鉆機主體（4）回收至甲板，全部作業完成。