专利名称：海底钻探系统和操作该钻探系统的方法
技术领域：
本发明涉及一种海底钻探系统，更具体地说涉及一种具有遥控潜水器(Remote Operated Vehicle，简称R0V)的系统。本发明还涉及用于操作海底钻探系统的方法。
背景技术：
为蒙特利研究所(Monterey Research Institute)建造的一台现有设备具有在两 台遥控潜水器上安装并操作的水平钻机。同样为蒙特利湾研究所(Monterey Bay Research Institute)建造的另一台设备使用了撬装(skid)。但是，在该设备中，转盘固定并水平安 装。该海底钻探系统具有竖直安装的可移除转盘。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种海底钻探系统和一种操作该海底钻探系统的方 法，其克服了这种通用型的已知设备和方法的上述缺点，其中可在海面或海底移除转盘，该 转盘由销和引导座引导到适当位置，并且可以采用另一个遥控潜水器在水下进行移除或更 换，其中该系统能够在水下与遥控潜水器配合，使得遥控潜水器可以连接到该海底钻探系 统上并且操作该海底钻探系统，并且其中遥控潜水器还能够在水下与海底钻探系统的橇装 成套设备脱开，并且该遥控潜水器能够在位于支持船的甲板上的同时迅速移除或安装在海 底钻探系统上。鉴于上述及其它目的，根据本发明提供了一种海底钻探系统。该系统包括钻探模 块，所述钻探模块具有可以在水中或在水外移除和更换的工具转盘；撬装模块；和遥控潜 水器，所述遥控潜水器在水中或在水外与所述撬装模块连接和脱开以便用所述遥控潜水器 操作所述海底钻探系统。鉴于本发明的目的，还提供了一种用于操作该海底钻探系统的方法。该方法包括 在水中或水外将工具转盘从钻探模块移除并用另一个工具转盘更换所述工具转盘；在水中 或水外将遥控潜水器连接到撬装模块以及将所述遥控潜水器与所述撬装模块脱开；并且利 用所述遥控潜水器操作所述海底钻探系统。根据本发明的海底钻探系统配置成通过使用传统的金刚石钻探技术在3000米或 9840英尺的水深钻取地质岩芯样品。该系统配置成优选与重型工作型遥控潜水器协同工 作并且利用陆地钻探和取芯技术。传统的取芯工具和钻探系统与反向循环钻探系统一起使用。在该海底钻探系统中设置有两个主要的组件或成套设备，即海底钻探成套设备和 海面控件成套设备。根据本发明的海底钻探系统可以连接到优选的遥控潜水器，例如型号 为“Triton ST 200”的遥控潜水器。该海底钻探系统通过采用该优选的遥控潜水器来提供 用于液压能和电能的通信线路而操作。该海底钻探系统使用ST 200型遥控潜水器、或任何 工作型号的遥控潜水器来确定供给、服务和操作。对基本海底钻探系统的功能系统性能要求是取芯深度为12米或39. 4英尺，岩
4芯密度采取3. 5的比重。每个钻管的岩芯直径和长度的公称尺寸为51. 8毫米(2. 04英 寸)X 1. 5米(59英寸)。钻探进给力为0至40千牛顿，即9000磅每英尺，回缩力与进给力 相同。管道杆处理能力容纳长度为2. 0米或79英寸的杆外加每分钟形成或断开一个接 合。杆进给和回缩的行进速度在没有负载的情况下是O至0. 2米每秒或0. 66英尺每秒，而 在40千牛顿或9000磅每英尺的负载下是0至0. 025米每秒或1英寸每秒。钻探头以15. 2 米每分或50英尺每分的速度向下行进，以10. 7米每分或35英尺每分的速度向上行进。钻 探扭矩范围是15牛顿米至250牛顿米或者11英尺磅至185英尺磅。在使用双速电机的情 况下，钻探速度范围为0至900转每分，连续可变；最大钻钻主轴速度为1200转每分。该海底钻探系统结构根据挪威船级社(DNV)起重设备认证规范而构造并且挪威 船级社见证了加载试验。被认为是本发明特征的其它特征在所附的权利要求书中阐述。虽然本文将本发明例示并描述为具体化的海底钻探系统和用于操作该海底钻探 系统的方法，但是本发明不局限于所示的这些细节，因为不偏离本发明的精神并在权利要 求书范围和等同物范围内可以做出各种更改和结构改变。但是，结合附图阅读下面的具体实施方案的描述将会更清楚地理解本发明的结 构、操作方法和其它目的及优点。
图1是表示根据本发明的海底钻探系统的各个部件的图表；图2A是海底橇装成套设备的示意性侧前立体图，该海底撬装成套设备包括钻探 模块和橇装模块；图2B是遥控潜水器的侧前立体图；图2C是安装有遥控潜水器的钻探模块和橇装模块的侧前立体图；图3是与图2C类似的侧前立体图，其中支腿伸展并且示出了钻探头组件和工具转 盘；图4是钻探头组件的放大正视图；图5是钻探头组件的进一步放大剖视图；图6是钻探头组件的更进一步放大剖视图；图7是钻探模块中的工具转盘的俯视立体图；图8和图9是工具转盘的不同的放大正视图；图10是具有转盘销座的工具转盘的正视图；图11是驱动机构的立体图；图12是压脚(foot clamp)的立体图；图13是处于回缩位置的工具臂的立体图；图14是处于伸展位置的工具臂的立体图；图15是工具臂的夹持器的放大立体图；图16、图17和图18分别是校平支腿的外立体图、内正视图和局部放大内正视图；图19是钻探模块的结构框架的前侧立体5
图20是钻探水泵的立体图；图21至图23是钻探模块岐管的液压系统的示意图；图24是电气布线示意图和海底控件示意图；图25是橇装模块的结构框架的立体图；图26是海面控制站的立体图；图27A、图27B和图28示出了主钻探屏幕、工具更换屏幕和数据记录器；图29是反向循环钻探头的立体图；图30是循环钻头的局部立体图；和图31和32是循环钻头的各个部分的局部放大立体图。
具体实施例方式现在详细参考附图，首先特别参考其中的图1，该图示出了根据本发明的海底钻探 系统的各个部件，包括海底橇装成套设备和海面控制成套设备，这些将在下面详细说明。图2A示出了海底橇装成套设备，该海底撬装成套设备包括钻探模块1和橇装模块 100。图2B示出了与海底橇装成套设备一起使用的遥控潜水器3，并且图2C示出了安装在 海底橇装成套设备上的遥控潜水器3。在这个实例中优选示出的遥控潜水器的型号为XLXS 125，但是也可以采用其它型号。在改进的三角架结构中，钻探模块1具有两个稳定校平支 腿80，橇装模块100具有一个稳定校平支腿80。这些支腿80可以如图2A所示一样伸展， 如图2C所示一样回缩，或者部分伸展以补偿海底的不平整性。这些支腿80的最大伸展长 度为53英寸，不过它们可以构造成具有更长或更短的最大伸展长度。在图2C中还可以看 到将在下面更详细描述的两个工具臂70和钻探头10。也示出了伸展的支腿80的图3示出 向下展开的钻探头10，而在图2C中该钻探头10向上展开。最后，图2A、图2C和图3还示 出用于钻探模块1的结构框架90和用于橇装模块100的结构框架130。在图2B、图2C和图3中所示的遥控潜水器优选是能够在海底与海底钻探系统配合 的遥控潜水器。海底钻探系统自身不能单独工作，而是通过遥控潜水器操作。还可以在海 底采用具有一个遥控潜水器的几个海底钻机，该遥控潜水器可以从一个海底钻探系统行进 到另一个海底钻探系统并以各种配置操作海底钻探系统。遥控潜水器在位置12处具有配 合的销和湿配合连接器，这使得能够对遥控潜水器进行电气、液压和通信连接以便操作海 底钻探系统。该海底钻探系统为钻探和取芯系统。该系统的一般要求是需要遥控潜水器提供液 压能和电能、遥感勘测和备用光纤。该系统能够用所示结构和金刚石钻具钻取20米的岩 芯。采用被称为ROV 275钻管和杆件组件(R0V 275 Core Barrel and Rod Assembly)的 专用钻管系统。使用XLS 125遥控潜水器作为基本系统，但是许多其它类型的重作业型遥 控潜水器也可以与根据本发明的海底钻探系统一起使用。该系统采用了两个成套设备，即 如图1所示的海面控制成套设备和具有钻探模块1的海底撬装成套设备。图4为放大图，示出了钻探模块1的钻探头10的更多细节，可以看出该钻探头10 包括铝横梁14、两个液压升降缸15和16、主轴组件18、液压主轴驱动马达19和非金属主轴 传动带20。有关钻探头10的更多细节由图5的剖视图给出。其中可以看出主轴组件18具有主轴21、主轴锁紧缸22、水旋转接头23和保护接头24。主轴锁紧缸22锁住该缸使其可以 用于传递扭矩。水旋转接头23位于水进入钻探头10并且向下进入钻管以便润滑所钻的孔 并且清除钻屑的位置。保护接头24连接到钻管或岩芯钻管以进行钻探。液压主轴驱动马 达19连接到悬挂的马达转接器26，并且使用非金属主轴传动带20连接到驱动链轮27。在图6中所示的主轴组件18的进一步放大视图也示出主轴21、主轴锁紧缸22、水 旋转接头23和可更换的保护接头24。主轴21具有四个主轴棘爪29、八个主轴驱动滚珠30 以及具有主轴链轮25和主轴锁紧弹簧28的主轴锁紧缸。滚珠促动管路31通向能够受压 并且具有滑动件36的部分，该滑动件36能够向上滑动用于将滚珠向内推压并且对着主轴 21将其锁住。钻探头10还包括上滚珠轴承32和下滚珠轴承33以便承载钻探应用引起的 沿着任一方向的负载。上轴承补偿器管路34设置成用于将油加入到轴承中不让海水进入。 安装在位置35处的未示出的每分钟转数传感器测量钻探头10的每分钟转数。图7示出作为钻探模块1的一部分的工具转盘40。工具转盘40由钻探模块框架 90支撑，该钻探模块框架90还保持以向上位置或升起位置示出的钻探头10。工具转盘40 为圆柱形结构，它具有能够承载工具的十二个狭槽。每个狭槽能够承载两个工具，从而提供 了使用工具转盘40中的多达二十四个工具的可能性。图8和图9放大示出了工具转盘40的更多细节。工具转盘40的底部具有驱动轮 43，该驱动轮作为分度驱动轮用来一个狭槽一个狭槽地驱动转盘。可以看出，钻具45和46 位于相应的狭槽中并且由工具保持指状件76保持。钻具还包括如下面所述的岩芯钻管，该 岩芯钻管可以设置在转盘上。虽然如上所述具有十二个狭槽，但是一个狭槽可以保持为空 的，从而留下十一个狭槽可以供二十二个钻具45、46使用。一个狭槽保留为空的是为了防 止钻具45、46在启动和回收操作中脱离转盘40。转盘40具有上保持环42，其中形成有开 口以便能够进入，从而使得钻具45、46能够放入到转盘40中并能够从转盘40中取出。转 盘40还具有吊眼43和多个转盘引导座44，在图9中只示出其中一个，如图7中所见这些转 盘引导座与位于框架90上的上导销配合。下面将对也存在的下保持环进行说明。可以通 过使用吊眼43将驱动组件下放在海底钻探系统上而在一片海底中拉动并更换转盘，从而 在需要装载另外的工具或者继续钻探至更深的钻井结构时可以用不同的转盘更换该转盘。图10为工具转盘40的下部的放大图，可以根据当时系统操作人员进行的操作在 海底拉动该工具转盘并且更换为另一个工具转盘。附图标记48表示具有用于容纳下导销 51的下导销座49的下保持环。作为转盘40自身的一部分的导销座53容纳作为驱动机构 50的一部分的方形凸驱动销54。在转盘40向下滑动时，下导销51朝向转盘底部，而上导 销朝向转盘顶部，如图7中所见。转盘座置在这些导销上并且可以由驱动系统操作。在拉 动转盘时，方形驱动销54与座53脱开，底部上的导销51与座49脱开并且顶部上的导销与 其座脱开。图11示出驱动机构50，它采用了公知的用于分度驱动的槽轮机构(Geneva drive)组件，用于驱动工具转盘40。驱动机构50具有360度转动的槽轮机构马达55。油 补偿马达的装配接头56坐落在驱动马达55上方，由马达55驱动的槽轮58承载着驱动销 54，以便与工具转盘40连接和脱开。槽轮58在马达55每次转动时转动其圆周的十二分之 一。通过具有接合在狭槽57中的轴的销59来进行该分度旋转。图12示出钻探模块1的压脚组件60。该压脚组件60包括在移除了盖子的情况下
7示出的上压脚62、以及下压脚64，该上压脚62和该下压脚64由安装在框架上的板65分开。 上压脚62具有压脚夹持缸66、67和夹持器滑动轴承68。下压脚也采用了与夹持缸66、67 一样的缸和与滑动轴承68 —样的滑动轴承。该压脚组件60用来夹住管道并用于形成和断 开接合。旋转缸69用来使得上压脚62转动，该上压脚62可以安装在轴承上并且通过用来 形成和断开接合的液压缸旋转100度。下压脚64不转动，而是静止的并安装在框架上。所 用的压脚为专用夹具，该夹具由高强度极硬材料形成并用来夹持管道。防故障特征使得夹爪在液压工具断开情况下打开。这些夹爪构造为具有25mm至 70mm的工具尺寸夹持范围，对于达89mm的更大尺寸需要另一组夹爪。通过开口的最大尺寸 设定为108mm。扭矩性能达到1000英尺磅。图13示出在图2C和图3中所示的钻探模块1的两个工具臂70中的一个。上工 具臂70为夹持工具臂，而下工具臂70为对准工具臂。可以单独或一起由液压装置操作的 工具臂70均包括夹持臂72和安装托架74。工具臂70用来抵抗由钻探头10产生的最大扭 矩并且用来紧固和松开在主轴处的工具接合。工具臂70因此具有带夹持器76的延伸部。 下对准工具臂70用于相对于压脚组件60的中心线定位工具。用于使软管平移的能链73 设在夹持臂72上。而图13显示出回缩的夹持臂72，图14显示出伸展的夹持臂。从图15 的放大图中可以看出，夹持工具臂的夹持器76具有硬质合金镶块77，而在下工具臂或对准 工具臂上设有塑料镶块。工具臂70由铝制成，并且由液压缸操作，使其可以被推动而滑进滑出。通过打开 和关闭夹爪76来实现的夹持功能也是液压型的。另外还具有碰撞功能，这能够使得臂沿着 任一方向侧向移动一英寸以帮助精细对准。在图16至图18中所示的稳定校平支腿80具有由可调节夹具附接到框架上的外 缸82和可以在外缸82内以液压方式伸展和回缩的内缸84。内缸84还具有可移除的支腿 垫块86。两个滑动轴承环组件87在支腿80伸展或回缩时承受滑动负载。同样，支腿80的 功能在于在海底操作期间使得整个系统的高度上升和下降。这些支腿可以在系统在海底处 于各种地形条件下时校平20度角。图19示出用于钻探模块1的结构框架90，它具有可移除的引导梁92、滑动件和用 于使钻探头10行进的辊子。框架90由铝制成，顶部和底部焊接，具有通过螺栓连接的竖直 构件，并且经过加载测试至三倍重力(3Gs)。图20示出撬装模块100的钻探水泵102，该钻探水泵与钻探模块1 一起形成海底 撬装成套设备。钻探水泵102是由液压马达驱动的传统现成设备。钻探水泵102用于使水 沿着钻管向下流向钻头，在钻头处可以用来冲刷钻屑。图21、图22和图23是钻探模块岐管1、2和3的相应液压系统105、110和115的 示意图，它们由在ST 200型号的遥控潜水器上的液压系统供能。换句话说，遥控潜水器将 通过给海底钻探系统供应液压流体然后使之返回到遥控潜水器来执行液压功能。在海底钻 探系统上安装有三至九个用于控制海底钻探系统的控制岐管。更具体地说，图21示出岐管1中的液压系统105的总体视图，该岐管为具有前四 个运动控件的三个岐管中的第一个，这四个运动控件从左向右用于钻头进给控制、钻头升 降控制和升降机钻探控制。第五个控件用于转盘马达。后四个液压控件的平衡用于压脚和 主轴锁定。
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图22示出岐管2中的液压系统110。同样，从左向右的前两个阀门用来控制驱动 主轴的液压马达的速度。第三阀门用于变速，这用于控制液压马达的高档位或低档位。其 它阀门用于夹持器或握持器、对准臂和碰撞功能，主要用于工具臂。图23示出在岐管3中的液压系统115，它控制着撬装和选项。第一阀门被关闭。 第二阀门用于控制水泵的马达，该水泵用于将水沿着钻杆向下送至钻头。其它三个阀门用 于稳定支腿并且可以用于使支腿向上或向下运动。图24示出电气布线图120和海底控件125。布线图基本上类似于液压系统，并且 具有用于所有三个岐管(即岐管1和岐管2以及撬装岐管3)的控件。该图示出各种传感 器和各种应用。这些岐管中的每一个岐管内具有Perry Slingsby公司的智能阀组控制器 或局部阀门控制器(local valve controller)。每个板块控制其岐管内的特定功能。图25示出为各种接口构建的用于撬装模块100的结构框架130。所示的结构框 架130特别设置成用于ST 200型号的遥控潜水器的接口。结构框架130也由铝制焊接框 架制成并且测试至三倍重力(3Gs)。图26示出具有海面控件140的海面控制成套设备，该海面控件140包括独立的控 制台，该控制台具有带显示器142的机架141、带有两个钻探控制杆的倾斜控制面板145、19 英寸触摸屏IXD彩色监视器143、带有连接到设备的USB接口的IBM刀片式计算机(blade computer) 144, RS 232至RS 485转换器、键盘和鼠标。所显示的不同页面用于设置、加载 和操作该系统。图27A和图27B示出海面控件140的主钻探屏幕和工具更换屏幕的示例，它们显 示在触摸屏监视器上。所用的所有软件集成在该系统内。图28示出海面控件140的数据记录器，示出了在钻探操作期间功能如何记录和保 存的示例。该记录在钻井之后由地质学者随后用来验证已经成功进行的钻探进程。图29示出用于反向循环钻探的结构，其因利用反向循环水而有别于传统钻探。水 通过钻具环形部分的外侧向下输送并通过中央向上引。从根本上说，反向循环钻探取出钻 井岩屑，不是将其供给到岩芯钻管中，而是将其引到捕集袋组件中。图4与图29的对比显示出要将钻探头10转换成反向循环需要怎么做。增设了第 二旋转接头131，以及通向样品捕集袋的鹅颈管或软管连接部132。反向循环钻探采用了不 同的钻具，即RCD(反向循环钻探)钻杆133和不同的钻头。图30为放大图，示出RCD钻杆133和RCD钻头134。可以看到设置有供水沿着箭 头方向流过的外管136和内管137。这些箭头示出水经过外管136被向下推然后进入到钻 头134，接着穿过内管137的中央被向上引回，通过连接部132进入到捕集袋。图31和图32分别进一步放大示出双管或反向循环管结构136、137和钻头134的
更多细节。
权利要求
一种海底钻探系统，所述海底钻探系统包括钻探模块，所述钻探模块具有能在水中或在水外移除和更换的工具转盘；撬装模块；和遥控潜水器，所述遥控潜水器在水中或在水外与所述撬装模块连接和脱开以便利用所述遥控潜水器操作所述海底钻探系统。
2.如权利要求1所述的海底钻探系统，其中所述钻探模块具有结构框架，并且所述工 具转盘由销和引导座引导至所述结构框架上的适当位置。
3.如权利要求2所述的海底钻探系统，其中所述工具转盘能通过另一个遥控潜水器在 水下移除和更换。
4.如权利要求2所述的海底钻探系统，其中所述销中的一个销驱动所述工具转盘。
5.如权利要求1所述的海底钻探系统，其中所述工具转盘具有用于容纳钻具的狭槽。
6.如权利要求1所述的海底钻探系统，其中所述钻探模块具有带主轴组件的钻探头和 用于驱动钻杆的驱动马达，并且所述钻探头能在液压升降缸上上下移动。
7.如权利要求1所述的海底钻探系统，其中所述钻探模块具有用于夹持管道并形成和 断开接合的压脚。
8.如权利要求5所述的海底钻探系统，其中所述钻探模块具有用于将所述钻具插入到 所述狭槽中并用于将所述钻具从所述狭槽中移除的工具臂。
9.如权利要求1所述的海底钻探系统，其中所述钻探模块具有结构框架，所述撬装模 块具有结构框架，并且稳定校平支腿附接到所述框架以补偿不平整的水下地形。
10.如权利要求1所述的海底钻探系统，其中所述撬装模块具有水泵，所述水泵用于使 水沿着钻管行进到钻头以便冲刷钻屑。
11.如权利要求1所述的海底钻探系统，其中所述撬装模块具有用于接收所述遥控潜 水器的结构框架。
12.如权利要求11所述的海底钻探系统，其中所述结构框架具有用于所述遥控潜水器 的销和连接器。
13.如权利要求1所述的海底钻探系统，所述海底钻探系统还包括用于远程控制该海 底钻探系统的海面控制成套设备，该海面控制成套设备具有显示器、监视器、计算机和接
14.如权利要求6所述的海底钻探系统，其中所述钻杆是反向循环钻杆，并且一旋转软 管连接到所述主轴组件并通向捕集袋以便进行反向循环钻探。
15.一种操作海底钻探系统的方法，该方法包括以下步骤在水中或水外将工具转盘从钻探模块移除并用另一个工具转盘更换所述工具转盘；在水中或水外将遥控潜水器连接到撬装模块以及将所述遥控潜水器与所述撬装模块 脱开；并且利用所述遥控潜水器操作所述海底钻探系统。
16.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括通过销和引导座将所述工具转盘引导 至所述钻探模块的结构框架上的适当位置。
17.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括利用另一个遥控潜水器在水下执行移 除和更换所述工具转盘的所述步骤。
18.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括用所述销中的一个销驱动所述工具转
19.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括将钻具放入到所述工具转盘的狭槽中 以及将所述钻具从所述转盘工具的狭槽中移除。
20.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括利用在所述钻探模块的钻探头上的主 轴组件和驱动马达来驱动钻杆，并且使所述钻探头在液压升降缸上上下移动。
21.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括利用所述钻探模块的压脚夹住管道并 且形成和断开接合。
22.如权利要求19所述的方法，所述方法还包括用所述钻探模块的工具臂将所述钻具 插入到所述狭槽中以及将所述钻具从所述狭槽中移除。
23.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括用附接到所述钻探模块的结构框架和 所述撬装模块的结构框架上的稳定校平支腿来补偿水下的不平整地形。
24.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括利用所述撬装模块的水泵使水沿着钻 管行进至钻头以便冲刷钻屑。
25.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括使所述遥控潜水器与所述撬装模块的 结构框架上的销和连接器相配合。
26.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括用具有显示器、监视器、计算机和接口 的海面控制成套设备来远程控制所述海底钻探系统。
27.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括引导来自反向循环钻杆的钻探岩屑穿 过主轴组件和旋转软管进入到捕集袋以进行反向循环钻探。
全文摘要
一种海底钻探系统包括钻探模块，所述钻探模块具有可以在水中或在水外移除和更换的工具转盘；撬装模块；和遥控潜水器，所述遥控潜水器在水中或在水外与所述撬装模块连接和脱开以便用所述遥控潜水器操作所述海底钻探系统。一种操作海底钻探系统的方法包括在水中或水外从钻探模块上移除工具转盘并用另一个工具转盘更换该工具转盘。遥控潜水器在水中或水外与撬装模块连接和脱开。所述海底钻探系统由遥控潜水器操作。
文档编号E21B43/017GK101970787SQ200980108311
公开日2011年2月9日 申请日期2009年1月12日 优先权日2008年1月10日
发明者乔纳森·马金, 哈罗德·帕代, 彼得·小内勒森 申请人:佩里斯林斯比系统公司