分體式海洋沉積物深孔鉆機及使用方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于水下鉆探技術領域，涉及一種分體式海洋沉積物深孔鉆機及使用方法。
【背景技術】
[0002]在勘探開發(fā)天然氣水合物的各種技術手段中，通常需要對數(shù)十米到上百米的沉積物進行鉆探取芯，鉆探是最直接的技術手段。目前國內的海底取樣鉆機，適用的海水深度一般不超過100m，且取樣只有幾十米。由于船只會受到海流和風浪的影響，完成取樣后用船上的卷揚機起拔，經(jīng)常會拉彎巖心管，取不上來海底沉積物樣品。對于200米深水鉆機，鉆機鉆進結束后，鉆桿內充滿了樣品，此時重量大大超過鉆機整體系統(tǒng)鉆進前的重量；另外往上拉的過程中受到水的阻力，大大超過科考船的光電復合纜的承載能力，從而限制了深水鉆機的鉆探深度和取樣能力。
[0003]為了提高鉆機鉆探深度和取出更多的樣品，可按照“整體下放，分段上提”的思路提出技術方案:(I)在鉆機系統(tǒng)下放時，鉆機主體、承重框架、已經(jīng)放在鉆桿倉內的空鉆桿整體下放；(2)在鉆機鉆進結束后，先把鉆機提升至船上，再把承重框架及裝滿樣品的鉆桿提升至船上。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種分體式海洋沉積物深孔鉆機及使用方法，該分體式海洋沉積物深孔鉆機可對海底最深200m的沉積物進行取樣。
[0005]本發(fā)明的分體式海洋沉積物深孔鉆機包括光電復合纜承重頭、彈簧滑塊、鉆機主體、承重框架、十字形二次起吊支架、導向輪、零浮力牽引纜、牽引纜張緊系統(tǒng)、限位塊、鉆桿倉、配重倉、牽引纜張緊系統(tǒng)倉和牽引頭；所述承重框架的兩側對稱分布兩個彈簧滑塊，并對稱開設兩個第一連接孔；所述的十字形二次起吊支架支撐在承重框架底部，并與承重框架的側部構成滑動副；十字形二次起吊支架的側面對稱開設兩個第二連接孔；鉆機主體頂部液壓缸伸出的活塞桿進入承重框架的第一連接孔內，實現(xiàn)鉆機主體與承重框架的固定連接；鉆機主體底部液壓缸伸出的活塞桿進入十字形二次起吊支架的第二連接孔內，實現(xiàn)鉆機主體與十字形二次起吊支架的固定連接；所述的鉆機主體起吊完成后，牽引頭用于起吊十字形二次起吊支架和承重框架；所述的牽引頭由牽引頭連接圓蓋、U形環(huán)、牽引頭主體和銷組成；所述的U形環(huán)固定在牽引頭連接圓蓋下方；所述的銷固定在牽引頭主體的銷孔中，并與U形環(huán)構成轉動副；牽引頭主體的重心與銷的中心重合。
[0006]所述的彈簧滑塊設置在承重框架上部；彈簧滑塊包括彈簧和滑塊；所述彈簧的一端與滑塊連接，另一端與承重框架連接；所述的滑塊限制十字形二次起吊支架向下滑動。
[0007]所述的鉆機主體包括鉆進系統(tǒng)和機械手；所述光電復合纜承重頭的下端與鉆機主體固定，且船體通過光電復合纜與鉆機主體信號連接。
[0008]所述的承重框架是一個空心框架，內部放置十字形二次起吊支架和連接鉆機主體，其四周分別設置了對稱布置且重量相等的兩個鉆桿倉、對稱布置且重量相等的配重倉和牽引纜張緊系統(tǒng)倉。
[0009]所述的十字形二次起吊支架與固定在承重框架內的導向柱構成滑動副；所述的限位塊固定在承重框架頂部，限制十字形二次起吊支架向上滑動；所述十字形二次起吊支架的頂部和限位塊的底部均設有壓力傳感器，壓力傳感器與船體信號連接。
[0010]所述的導向輪把牽引纜張緊系統(tǒng)引出的零浮力牽引纜導向到十字形二次起吊支架中心孔內，并與鉆機主體連接。
[0011]所述的牽引纜張緊系統(tǒng)包括蓄電池、電機、減速機構、轉輪、排纜系列和張緊機構；電機與船體信號連接；所述的蓄電池給電機供電，電機經(jīng)減速機構驅動轉輪，排纜系列和張緊機構張緊零浮力牽引纜；零浮力牽引纜被鉆機主體上拉狀態(tài)下，電機發(fā)電并將電能存儲于蓄電池。
[0012]所述的鉆桿倉在鉆機取樣前放置空的鉆桿，在鉆機取樣后放置裝滿樣品的鉆桿；所述的牽引纜張緊系統(tǒng)倉放置牽引纜張緊系統(tǒng)和零浮力牽引纜，配重倉是配重放置倉；所述的配重倉和牽引纜張緊系統(tǒng)倉保持整個鉆機系統(tǒng)平衡。
[0013]所述的牽引頭下放時，牽引頭連接圓蓋與光電復合纜承重頭固定，牽引頭主體的一端與零浮力牽引纜固定；牽引纜張緊系統(tǒng)將零浮力牽引纜、牽引頭和光電復合纜承重頭一起牽引至十字形二次起吊支架的中心孔內。
[0014]本發(fā)明的分體式海洋沉積物深孔鉆機使用方法，具體步驟如下:
步驟1.船上安裝。
[0015]I)光電復合纜承重頭的下端與鉆機主體固定，承重框架內依次放入十字形二次起吊支架和鉆機主體；
2)鉆機主體通過頂部液壓缸伸出的活塞桿進入承重框架的第一連接孔，實現(xiàn)鉆機主體與承重框架的固定；
3)鉆機主體通過底部液壓缸伸出的活塞桿進入十字形二次起吊支架的第二連接孔，實現(xiàn)鉆機主體與十字形二次起吊支架的固定；
4)牽引纜張緊系統(tǒng)引出的零浮力牽引纜通過導向輪引到十字形二次起吊支架的中心孔，并與鉆機主體連接。
[0016]步驟2.整體下放及鉆機工作。鉆機工作過程中，機械手將鉆桿倉內的鉆桿安裝在鉆機主體上，鉆機鉆進結束后，裝滿樣品的鉆桿通過機械手重新放置在鉆桿倉內。
[0017]步驟3.鉆機上提準備。
[0018]I)鉆進結束，鉆機主體起吊前，牽引纜張緊系統(tǒng)啟動，把零浮力牽引纜張緊；
2)船上通過光電復合纜給鉆機主體信號，收回鉆機主體頂部液壓缸的活塞桿，鉆機主體與承重框架脫離；
3)鉆機主體起吊，十字形二次起吊支架順著導向柱上拉，承重框架的限位塊和彈簧滑塊把十字形二次起吊支架限制在承重框架的上部；
4)船上得到限位塊上的壓力傳感器發(fā)出的限位信號后，收回鉆機主體底部液壓缸的活塞桿，鉆機主體與十字形二次起吊支架脫離。
[0019]步驟4.鉆機上提。
[0020]I)鉆機主體起吊到船上的過程中，零浮力牽引纜被鉆機主體上拉，牽引纜張緊系統(tǒng)中的電機相當于發(fā)電機，發(fā)電并將電能存儲于蓄電池；
2)鉆機主體到達船上后，人工拆開光電復合纜承重頭與鉆機主體，并把牽引頭連接在光電復合纜承重頭和零浮力牽引纜之間。
[0021]步驟5.牽引頭下放。
[0022]I)在牽引纜張緊系統(tǒng)帶動下，零浮力牽引纜、牽引頭、光電復合纜承重頭一起被牽引至十字形二次起吊支架的中心孔內；
2)牽引頭連接圓蓋接觸到十字形二次起吊支架時，十字形二次起吊支架上的壓力傳感器將壓力信號傳給牽引纜張緊系統(tǒng)，牽引纜張緊系統(tǒng)中的電機接到信號停止工作，并反轉幾圈，松開零浮力牽引纜；
3)沒有零浮力牽引纜拉力，牽引頭主體重力及水浮力作用下以銷為中心保持水平狀態(tài)；
步驟6.承重框架上提。
[0023]光電復合纜承重頭上提，牽引頭以及承重框架一起上提。
[0024]本發(fā)明的有益效果:
1、本發(fā)明下放時，鉆機主體、承重框架、放在鉆桿倉內的空鉆桿整體下放；在鉆機鉆進結束后，先把鉆機提升至船上，再把承重框架及裝滿樣品的鉆桿提升至船上。
[0025]2、具有輕微張緊功能的牽引纜張緊系統(tǒng)能把牽引頭及光電復合纜承重頭一起牽引至十字形二次起吊支架的中心孔內。
[0026]3、牽引頭設計:如果沒有牽引繩拉力，牽引頭主體以銷為中心保持水平，如果存在牽引繩拉力，牽引頭主體向下并保持垂直狀態(tài)。
[0027]4、本發(fā)明能在深海工作，可對海底200m深的沉積物取芯，所采用的“整體下放，分段上提”方法克服了纜繩承載能力不足的問題，能取出更多的海洋沉積物。
[0028]5、本發(fā)明適合于各類軟巖層的鉆探取芯，如沉積物、土壤、凍土、冰，尤其適合于沉積物的鉆探取芯。
【附圖說明】
[0029]圖1為本