绳索钻探系统和方法

专利名称：绳索钻探系统和方法
技术领域：
本发明涉及利用被称为Rovdrill 3的钻探系统的水下钻探、取芯、现场取样以及 测量。Rovdrill 3钻探系统基本上是佛罗里达、朱庇特的:Perry Slingsby System Inc.(佩里 斯林斯比系统股份有限公司)的Rovdrill系统的较大型式，该钻探系统使用传统的金刚石 取芯钻探系统并且是通过引用并入本文的均于2008年1月10日提交的共同待决美国申请 No.ll/972,080 和 No.ll/972,088 的主题。
背景技术：
陆地钻井作业已经使用绳索钻探技术很多年了，并且存在生产用于陆地操作的 绳索钻具的若干公司。陆地绳索钻井作业使用由钻井人员手工操作的工具。手工方法不 能用于在海底上钻探，因为钻工由于环境条件而不能位于海底的钻探现场。因此海底钻 井作业使用机器人系统。
油气工业也使用一种形式的绳索配置，虽然它们的应用被用来监控现已存在的 石油井并且增加井的生产流量。那些方法被称为测井和油井维修。发明内容
因此本发明的目的在于提供一种绳索钻探系统和方法，该绳索钻探系统和方法 克服了通用类型的迄今已知的装置和方法的本文前面提及的缺点。更具体地讲，本发明 的目的在于提供一种用于利用Rovdrill 3进行海底和水底绳索钻探、岩芯取样以及测量应 用的改进的方法和设备。
在旋转或推动式样品取芯的情况下，利用绳索绞车和打捞筒/绳针从钻柱取回 岩芯。利用绳索绞车和打捞筒/绳针组件将包括但不限于锥形、球形以及T字形透度计 的现场测量设备配置在钻柱下面，并且回收到钻柱上面。这种形式的钻探、取样或测量 比传统方法快，因为钻柱不必被拆下以从钻柱的底部取回芯管或测量装置，并且不必当 每个岩芯或数据测量被取回时再次被重新装配。所述绳索方法也不具有在一些土壤情况 下常常可以出现的钻孔坍塌问题，因为所述钻柱可以在操作期间停留在钻孔中。钻孔坍 塌对岩芯质量潜在地造成损害，并且在传统的钻井作业中是普遍的。
关于已提出的前述目的和其他目的，根据本发明，提供一种用于海底和水底钻 探、岩芯取样以及测量的装置。该装置包括可竖直移动并且水平固定的横梁、固定至所 述横梁并且缠绕有绳的绞车、设置在所述横梁上的钻探头、在其中形成有孔并且由所述 钻探头驱动的主轴、以及打捞筒，所述打捞筒具有连接至所述绳的一端和通过所述主轴 中的所述孔的另一端，所述打捞筒附接至钻柱的钻具并从钻具上拆下。在将所述打捞筒 附接至所述钻具和将其从该钻具拆下期间以及在钻探期间，所述主轴、所述绳以及所述 钻柱一起限定共同中心线。
对于以上发明目的，还提供一种用于海底和水底钻探、岩芯取样以及测量的方 法。该方法包括从连接至竖直可移动且水平固定的横梁的绞车解开绳，将所述绳从所述绞车通过主轴中的孔放下到打捞筒，将所述打捞筒附接至钻柱的钻具并且将该打捞筒 从该钻具拆下，通过连接至所述横梁的钻探头使所述钻具旋转，以及在将所述打捞筒附 接至所述钻具和将其从该钻具拆下期间以及在钻探期间，限定所述主轴、所述绳以及所 述钻柱的共同中心线。
本发明允许更换所述钻具而没有横向移动所述横梁，没有拆卸所述钻柱以从该 钻柱的底部回收芯管或测量装置，当每个岩芯或数据测量被取回时没有再次重新装配所 述钻柱，并且没有现有技术的钻孔坍塌问题。
根据本发明的另一个特征，在所述绳和所述打捞筒之间连接旋转接头。所述打 捞筒和所述旋转接头构造成被所述绞车拉起到所述主轴的所述孔内，以允许所述钻具更换。
根据本发明的另一个特征，在所述绳和所述打捞筒之间连接提升杆。所述提升 杆构造成在开始旋转钻探之前被拉入所述主轴的所述孔，以密封该孔的顶部。当所述提 升杆位于最高位置时，水仅向下流过所述主轴孔和所述钻柱。因此，水然后可以被泵入 所述主轴孔和所述钻柱并且进入到所述孔内，使钻切过程润滑并且冲刷来自所述孔的钻 屑。因为所述主轴的顶部被密封，所以水不能流出所述主轴的所述顶部，必须依照要求 下降到所述孔。
根据本发明的附加的特征，抓取器和对准臂将钻具从可移动工具架输送到沿所 述钻柱的所述共同中心线的一个位置。踏板式夹具(foot clamp)与所述抓取器和对准臂 合作以更换所述钻具。当该绳被向外展开时，张紧装置维持所述绳中的张力并且防止绳 松弛。
根据本发明的附加特征，所述打捞筒具有用于与所述钻具上的矛紧密配合的锁 扣件。
根据本发明的再一个特征，所述装置具有至少一个ROV(遥控潜水器)/潜水员 干预面板。特别是，钻探模块和基础模块均可具有相互独立并且用于不同功能/目的的 ROV/潜水员干预面板。
根据本发明的伴随特征，沉箱被搁在所述海底或水底的表面上、与所述表面接 合或穿入所述表面，并且在执行钻探、取岩芯或取样任务以前，插入管设置在所述沉箱 上以容纳取样工具，诸如在设置基础之前预安装的推式岩芯取样器。这达到了在基础的 初始穿透期间获得水底或海底表面和浅的穿透深度样品的目的。
被认为是发明的特性的其他特征在附加的权利要求中阐明。
虽然本发明在本文中被说明和描述为实施成绳索钻探系统和方法，但是它并不 旨在限于所示的细节，因为在没有脱离本发明的精神并且在权利要求的等同要求的范围 和界限内的情况下，可以进行各种修改和结构变化。
然而，当与附图结合阅读时从具体实施方式
的下列描述中将最佳地理解本发明 的结构和其附加的目的和优点。


图1A、IB、IC以及ID是根据本发明的绳索组件、其沉箱组件、其基础组件以 及沉箱组件的插入管(stinger)的示意立体图2是绳索组件的横梁组件的立体图3是绳索组件的绞车组件的立体图4是绳索组件的对准和抓取器组件的立体图5是绳索组件的踏板式夹具组件的立体图6是绳索组件的矛、锁扣件以及芯管组件的立体图7是绳索组件的矛、锁扣件以及工具组件的立体图8是具有绳索组件的打捞筒的钻床主轴的局部纵剖视图9是图8的钻床主轴和打捞筒的放大局部纵剖视图10是图2所示的绳索组件的横梁组件的侧视图11是图10的一部分Xt的放大局部纵剖视图12是图10的提升杆组件的放大立体图；并且
图13-52是除工具架组件、钻杆和钻具以及底部钻具组合之外的绞车、钻床主 轴、打捞筒、抓取器和对准组件以及踏板式夹具组件的高度概略的侧视图，通过该侧视 图将描述根据本发明的方法步骤的顺序。
具体实施方式
现在详细地参照附图中的图，并且首先具体地参照其图1A，可见根据本发明的 改进的绳索组件，该绳索组件包括水下基础组件1，该基础组件1被搁在海底或水底的表 面上，与该表面接合或穿入该表面。该结构可以是但不限于现有技术的重力基座、吸力 式沉箱、带裙部的防沉板或多支脚顶起基础，支脚的长度可调节，并且所述结构实际上 可以是单级或多级伸缩的，并且可以包括各种几何形状和功能的脚垫，该脚垫包括刚性 或柔性连接的、扁平的、凸起的或凹入的支承板组件，螺旋钻或膨胀机械锚组件。所示 的基础组件1是沉箱，该沉箱在图IB中被示出为从绳索组件的剩余部分拆下。图IC示 出了具有与沉箱的附着点对准的销3的顶起组件2。
这种用于延长和缩回支脚或驱动膨胀锚和螺丝钻组件的机构可以包括但不限于 液压驱动或电力驱动的线性或旋转致动器、包括齿轮和小齿条的机械齿轮机构、蜗杆与 蜗轮以及螺纹轴和浮动螺母、循环滚珠传动器。
对现有技术吸力式沉箱、带裙部的防沉板或多支脚顶起基础组件的进一步改进 包括图ID所示的现有技术空心插入管11，该空心插入管11通过沉箱或防沉板的最高基 板被垂直地安装，并且向下延伸到比沉箱或防沉板垂直壁的总高度小的某个初始尺寸。 为了在基础的初始穿透期间获得水底或海底表面和浅的穿透深度样品，该现有技术插入 管11通过在孔内包括锁扣接口而改进，在执行钻探、取芯或取样任务以前，该锁扣接口 可以允许在设置基础之前能预安装诸如推式芯取样器的取样工具。这种接口也将允许安 装可移除钻管，以提高随后的钻探、取芯或取样操作，并且防止井塌。
对现有技术空心插入管11的进一步改进包括位于管的下自由端的机械连接接 口，以允许增加各种数量、直径、功能以及长度的另外的插入管或工具以及套管。这种 连接接口可以包括但不限于螺纹连接、机械联锁以及摩擦过盈配合。
图IA所示的Rovdrill 3海底组件由两个主要子组件形成
钻孔模块5 ；和
基础模块1。
上述子组件中均具有相互独立并且用于不同功能/目的的ROV/潜水员干预面 板
如图IA所见，安装至钻孔模块组件5的遥控潜水器(ROV)或潜水员干预接口 或面板4包括两个水下电连接器和与顶行交叉的两个热插座，以及底行中的两个ROV机 械对接插座。这种未示出的ROV是由弗罗里达、朱庇特的:Perry Slingsby Systems，Inc. (佩里斯林斯比系统股份有限公司)制造的Perry Slingsby Triton XLS 150HP ROV,并且 在以引用方式并入本文的均于2008年1月10日提交的共同未决美国申请No.11/972,080 和No.11/972,088中示出。然而，绳索系统不需要使用来自优选制造商的任何具体的 ROV。相反，本发明的优点是绳索系统可由任何工作类ROV提供动力。该接口 1包括 但不限于ROV机械对接接口(多个接口)，液压(包括水和油)和电热插入接口(hot-stab interface),用于基础支脚操作、吸力式沉箱或带裙部的防沉板泄水阀超控操作的可供潜 水员和ROV操作的超驰控制机构，以及与基础结构1的机构接合/脱离的绳索外壳结 构。
更具体地讲，图IA中的钻孔模块干预面板4包括ROV机械对接插座，该插座 是可从Perry Slingsby Systems, Inc.(佩里斯林斯比系统股份有限公司)获得的部件；和 液压电热插座/联接器(液压插座)，该插座/联接器又是可从Perry Slingsby Systems, bic.(佩林斯林斯比系统股份有限公司)获得的部件；以及商业现货供应(COTS)的电路 联接器，例如来自Ocean Design Inc.(海洋设计股份有限公司)(ODI)的Nautilus水下电连 接器。通过经由ROV与这些接口连接，所有的液压功率和电功率以及控制信号/遥测被 传递到Rovdrill钻孔模块以驱动并控制所有的机构，Rovdrill使用这些机构以执行钻探、 取样以及测量过程。
b)图IA和IB中的基础组件1还包括ROV/潜水员干预面板46，该干预面板46 包括水热插座47，该水热插座47的目的是允许ROV安装抽吸泵和沉箱之间的连接。如 果为了 Rovdrill稳定性而需要将沉箱更深地穿入海底，则高流量水热插头可以被插入插座 47，该插座47经软管被连接至ROV安装抽吸泵，并且泵运行使得水被泵出沉箱，从而在 该沉箱内产生真空效应，以将该沉箱拉进海底/水底。因此，液压或电热插入接口可以 设置在基础面板46上。
如图ID所见，绳索水下子组件和部件外壳结构通过可遥控操作和可手工超控的 锁止系统或对接机构10横向并垂直地固定至基础结构1，该绳索水下子组件和部件外壳 结构包括钻孔模块组件5、工具架或工具转盘6、横梁组件7、具有抓取器的臂8和对准臂 9的抓取臂和对准组件30、以及ROV干预接口或面板4。
该结构还包括具有可拆开的索具的展开和回收索终端接口，该可拆开的索具包 括可供ROV或潜水员操作的起重卸扣和漂浮模块。
遥控潜水器(ROV)或潜水员干预接口或面板4结合在绳索水下子组件和部件外 壳结构的外构件上。该接口 4包括但不限于ROV机械对接接口、液压(包括水和油)和 电热插入接口、用于主要的绳索功能的可供潜水员和ROV操作的超驰控制机构。
绳索系统的主要部件和组件是
图3所示的绳索绞车；
图3所示的绳索绞车绳；
图2、8以及9所示的打捞筒/绳针；
图2、8以及9所示的钻床主轴；
图6和7所示的钢索芯管、工具、矛以及锁扣件；以及
图IA所示并且在上述共同待决申请中的工具操作和存储组件。
绳索绞车
图3所示的绳索绞车12的功能是将图6所示的钢索芯管20或图7所示的推式取 样工具或现场测试工具25输送到钻柱内并且将其从钻柱取回。绞车12包括由液压马达 14提供动力的滚筒13。根据希望的应用可以使用电机来代替液压马达。
绳索绞车滚筒13 (诸如TX0114-3A20-00)包括具有附接在任一端上的凸缘15的 圆筒(滚筒芯)。滚筒芯或凸缘中的开口允许绞车索能够安装并且终止于滚筒。滚筒电 动机14(诸如MOT-X40518)通过不锈钢链16和链轮17向滚筒13提供动力，一个链轮 17位于驱动电动机14上并且一个链轮17附接至滚筒13的轴。选择能够改进所需的滚筒 转矩和速度的链轮传动比。
绞车索在滚筒处离开的角被称为绳索偏角。绞车需要小的绳索偏角(一般0.5至 2度)以适当地缠绕绳索。为补偿并使绳索偏角最小化，绞车包括水平绞线器组件(诸如 由加拿大、温哥华，Cellula Robotics Ltd.(细胞机器人技术股份有限公司)制造的)，该水 平绞线器组件确保绳索或绳18能够被缠绕在滚筒13上并从该滚筒13放出，使得绳缠绕 在滚筒芯上并且当缠绕操作进行时与绳下层适当地对准。
绳索或绳18通过顺时针或反时针方向的滚筒旋转和水平绞线器组件中的从动块 的横向运动的结合而在操作期间被缠绕在绳索绞车滚筒13上以及从该滚筒上放出。回动 螺旋(诸如TX0114-3A00-28)帮助这种运动。绞车滚筒13可以如所述的绕其自己的轴 线双向旋转，但是在任何情况下都不可以横向移动，并且当静止地安装有该滚筒13的横 梁7通过升降机构39沿该方向移动时，该滚筒13仅可以在垂直面中移动。
图10是图2的横梁组件7的侧视图，并且图11是图10的横梁组件7的放大部 分XL 图11的剖视图经过提升杆60和主轴孔61的密封界面。图11的中心中的圆表 示提升杆密封区域。当提升杆60如图所示位于最高位置时，水仅向下流过主轴孔61和 钻柱。提升杆60在图12的分解图中示出，从图12可以看见安全销沈、水密封圈62以 及双O形环密封件63。
提升杆60的具有安全销沈的一端与绳索或绳18相连接，并且其另一端与打捞 筒21相连接。通过在开始旋转钻探之前将提升杆60—直拉入到主轴M的顶部，可以密 封主轴孔的顶部。这样的优点是水因而可以被泵入主轴孔和连接的钻柱并且进入孔内， 使钻切过程润滑并且冲刷来自孔的钻屑，并且因为主轴M的顶部被密封，所以水不能流 出主轴M的顶部并且必须只能依照要求下降到孔。
水平绞线器组件基本上是绳索偏角导向机构，并且可以包括
驱动轴或驱动机构，该驱动轴或驱动机构机械地或电子地联接至滚筒驱动机 构，使得水平绞线器的运动与滚筒的运动同步。该机构可以包括但不限于
金刚石轴；
导杆；
再循环滚珠传动螺杆组件；
电操作或液压操作的线性滑轨；
齿条-小齿轮传动；以及
蜗杆-蜗轮齿轮传动。
水平绞线器驱动机构构造成沿滚筒轴线以固定量移动从动块组件，该固定量取 决于绳的直径，使得适当铺设连续圈而没有间隙。
假如金刚石螺杆被用于水平绞线器驱动机构，则从动块的方向可以被自动改 变，而不会使螺杆沿相反的旋转方向旋转。该方向的自动改变维持适当的绳索偏角并且 允许一层以上的绳能被安装在滚筒上。
从动块组件安装至上述的驱动轴或机构。该从动块纵向地并且与绞车滚筒13的 水平轴线平行地横动，该从动块结合绳导向机构，该绳导向机构可以包括以某一标示距 离轴向分开设置的一对垂直定向的自由转辊，并且在该转辊之间绳索或绳18在滚筒13和 张紧轮之间被导向，或者绳导向机构可以包括执行相同功能的旋转和水平转动的滑轮组 件。
结果生成较窄的绞车滚筒13，该滚筒可以保持用于钻探应用的所需量的绳索或 绳18，而绞车组件12本身没有横向运动。该组件12具有非常适于安装在称作水下钻孔 机的横梁7的主轴基部结构上的紧凑结构。将绳索绞车12安装在横梁7上具有优于安装 在静态结构上的若干优点，如下
当横梁7在正常操作期间上下移动时，绳索或绳18的长度不需要向内或外调 整；绞车12的拖拉可以被限制，因为横梁升降系统39可以用来继续拉绳索或绳18，该 绳索或绳18应该被添加所需的线力，结果是更紧凑的绞车12 ；
假如内部芯管20通过使用绞车制动并且剪切位于图8所示的打捞筒21的旋转接 头的顶部的销而被卡住，则绳索或绳18可以被分开；
横梁7不需要离开钻柱中心线横向地或垂直地移动，以允许将绳索引入钻柱/主 轴中心线，因为通过该系统主轴、绳索以及钻柱中心线一直是共同的。
绳索绞车索
用于绳索绞车12的绳18可以是各种类型的，包括但不限于用于监控向下打眼传 感器的合成导线和具有内部导体的导线。测量导线将需要将滑动环安装在绞车12的一侧 上。
至滚筒13和打捞筒21的终止可以结合传统方法，这取决于使用的绳索或绳18 的类型和所需的终止效率。
根据本发明供绳索系统之用的预期的绳索或绳18是1/4”直径的高性能合成的 Amsteel 绳。
绞车索张紧装置
在张力下将绳索或绳18安装在滚筒13上，以确保滚筒上的圈被恰当地缠绕并且 随后的层上的圈不切入下面层的圈。假如绳索或绳18在绞车滚筒13上变得松弛，则绳将 松开并且潜在地交叉在邻近的圈之上，并且防止绳适当地缠绕在滚筒上。由佛罗里达、 朱庇特，Perry Slingsby System Inc.(佩里斯林斯比系统股份有限公司)设计和制造的作为 专利组件的绳张紧装置23防止在操作期间在滚筒上发生绳松弛。当绞车绳索或绳18被向外展开时，张紧装置23提供所需的绳张力，始终防止绳在绞车滚筒13和张紧装置23 之间松弛。通过利用液压马达驱动和液压回路使这变成可能。当绳被绞车12向内展开 时，张紧装置23供给向后张力以再次防止松弛。
张紧装置23还具有安装在组件中的传感器，该传感器被用来指示展开的绳的数 量和施加至绳的力。
张紧装置组件23包括若干个部件，如下
张紧轮将驱动力提供给绳索或绳18以防止绳滑动，并且被用来将绳从绞车12转 向钻孔中心的竖轴线。这是加工成绳直径的具有高摩擦塑料材料的衬套的铝轮。
惰轮提供抵抗张紧轮的力以防止绳在张紧轮中滑动。该轮由塑料制成，并且包 括切入轮的周向凹槽以匹配绳。压缩弹簧被用来将绳上的设定张力施加于张紧轮。惰轮 还具有用来测定绳或缆的展开量的传感器。
液压马达被安装在张紧轮轴线上，并且用来通过液压驱动张紧轮以将绳放出。 当绞车将绳放入时，该马达充当制动器。
测力传感器被安装在张紧轮上方的结构上，并且用来测量绞车绳索或绳18上的 负荷。
整个组件通过水平的回转接头被沿悬挂方位安装至适当的结构构件。该回转运 动确保横跨从动块横向移动的整个范围在水平绞线器从动块绳导向件和张紧轮之间维持 最佳的绳索偏角。
打捞筒/绳针组件
图8所见的打捞筒21是图2所见的打捞筒/绳针组件22的一部分，并且是本文 所述的绳索钻探系统的关键部件。它被用来利用图4所示的对准/抓取器组件30的对准 臂9将空的芯管20配置到钻柱内，并且通过利用释放和锁扣机构收回满的绳索芯管20。 当钻探时它也被用来密封水道。在钻探操作期间，打捞筒21被附接至绳索18，并且被收 纳在主轴M内。钻探头38被设置在主轴M的顶上。打捞筒21的上部包括图9所见的 旋转接头讨，当钻床主轴M被操作时，该旋转接头M用来防止绳索或绳18旋转。该部 分还包括安全销，该安全销将绳与旋转接头M分离，打捞筒21和/或芯管20应该变得 向下钻进被卡住。重要的是注意绳索或绳18必须被从钻柱移除，以允许钻柱能被拆开并 且被带回表面。
打捞筒组件22的部件如下
旋转接头M位于打捞筒21的顶部，并且当主轴M旋转时防止绳索或绳18旋 转。当绳被拉紧时，旋转接头M的顶部抵靠主轴M被拉动并且密封主轴以允许水能够 被通过钻柱泵出。安全销26被安装在绳端处以允许绳能够与钻柱分开，打捞筒21或芯 管20将在钻柱中变得被堵塞。
图9所示的打捞筒锁扣组件27具有指部，该指部通过矛观和锁扣组件27的分 开/拆开组件锁扣至芯管20的内部组件，该锁扣组件27提供芯管20或工具25与打捞筒 组件22之间的连接接口。图9还示出了水封50、改良的顶部主轴盖51、对准臂释放轴 环52以及波形弹簧53。
钻床主轴
钻床主轴M类似于均于2008年1月10日提交的共同待决美国申请No.ll/972080和No.11/972,088中公开的绳索系统上产生的一个钻床主轴。对该海底钻探系统的主要改 变是，打捞筒组件(旋转接头和打捞筒)22可以被拉起到主轴M内，从而允许更紧凑的 组件。
所使用的绳索芯管20是普通结构的，该芯管20包括位于顶部的锁扣件27，该锁 扣件27根据标准表面绳索取芯系统结构锁扣到外芯管内。
工具操作和存储组件
工具操作和存储组件被一体地安装在绳索水下组件和部件外壳结构内。该组件 可以包括
工具转盘，该工具转盘在图IA中示出并且在2008年1月10日提交的共同待决 美国申请No.11/972,080中描述。
工具转盘具有加工工具架6，该加工工具架6基本上是并排的许多排或狭槽中的 沿垂直定向的工具架保持工具和测量装置，以及每狭槽/排的许多工具保持站。工具架6 可以横向移动使得任一狭槽或排的工具可以被定位在图4所示的对准/抓取器组件30的 加工臂8、8的区域内，以抽出或更换进入工具架内的任何工具。
允许工具架6可横向移动的机构或驱动器可以包括但不限于
齿轮和小齿条；
液压或电动旋转致动器或线性致动器；
链或皮带以及链轮传动；
金刚石轴；
螺纹导杆和螺母；
再循环滚珠和螺母；以及
间歇工作轮和销驱动。
此外，在水下操作期间或当单元位于水上方时，该加工工具架6可以遥控或手 动地从绳索水下子组件和部件外壳结构完全移除。
如图4所见，对准/抓取器组件30包括伸缩筒31(诸如CYLX40533)，夹持器 指部32 (诸如TXOl 14-7200-00)，第一、第二以及第三级33、；34以及；35，以及基级或第 四级；35。
图5所示的踏板式夹具组件40包括旋转筒41(诸如CYL-X39259)、环形轴 承座42 (诸如TXOl 14-4100-00)、下夹具43和上夹具44以及工具导向件45 (诸如 TXOl 14-4000-25)。
改进的绳索操作的操作顺序的描述
以下描述具体涉及绳索钻探方法和其步骤的操作顺序。该方法可以应用于利用 推式取样工具和测量装置的操作，并且差别主要是工具类型。对于绳索绞车和打捞筒工 具的展开和回收的方法基本上相同。
最初参看图13，钻探以位于海底或水底的钻探系统开始。在展开水下钻探之 前，所有的工具都被以特定顺序安装在工具转盘或工具架6中。这些工具可以包括传统 的绳索芯管20、工具25、底部钻具组合四、杆和钻头。横梁7被配置到其最高停放位 置，该横梁7支承钻床主轴M以及绳索绞车12、绳张紧装置、绳针/打捞筒组件22的打 捞筒21以及保护接头37。抓取臂和对准臂组件30的臂8、9被缩回停放位置并且踏板式夹具组件40是打开的。
将通过利用下列方法步骤在下面描述该方法
参照图13，假如上沉淀物或浅穿透取样器已经被安装在基础插入管11中，则它 首先必须被利用打捞筒21移除并且被放入转盘或工具架6内，以从插入管11捕获并且取 回工具。否则，方法跳到步骤2。
利用绳索绞车12将打捞筒21拉起到主轴M内。绞车12上的制动器将打捞筒 /绳针组件22保持在主轴M中。
转盘或工具架6被定位至恰当的位置，这将允许接近待配置的第一工具。第一 工具将是底部钻具组合(BHAU9。
如图14可见，工具架6被对准使得BHA 29与抓取器和对准臂8、9相对，并且 两臂展开或延伸至转盘或工具架6的位置并且抓紧至BHA四。
图15示出了抓取器和对准臂8、9都通过转盘或工具架6中的保持指部拉动或缩 回BHA 29,并且将BHA 29定位在与主轴M和保护接头37成一直线并在其下方的孔中 心线处。
根据图16，横梁7被降低，直到保护接头37的阳螺纹进入位于BHA^端部的 阴螺纹。
如图16进一步所示，主轴M利用来自上抓取器的臂8的阻力拧进BHA四，以 提供扭矩从而组成保护接头37和BHA 29之间的接头。
图17显示抓取器的臂8被缩进装载区域，并且根据图18，当主轴M旋转或保持 静止时横梁7降低BHA29，将BHA^钻进或推进(或两种运动的结合，取决于主要的土壤强度)土壤以产生第一孔。
在图18中，然后通过BHA^继续钻探/取芯直到达到最大穿透，S卩，BHA/主 轴接头到达位于踏板式夹具40正上方的“接头制造”位置。
图19示出了在钻探之后，通过将BHA静止地保持在踏板式夹具40中并且使主 轴M旋转以打开接头，而在保护接头37处使BHA 29从主轴M打开。
如图19所示，横梁7然后被升到上停放位置，并且工具架6被定位成使第一芯 管20或工具25与抓取器和对准臂8、9对准。
图20所见的工具架6或转盘定位成使得空的芯管20或测量工具25被定位在抓 取器和对准臂8、9对面。
根据图20，对准和抓取臂8、9从工具架或转盘6选择空的绳索内芯管20或工具 25，使该绳索内芯管20或工具25从架离开并且将其定位在钻孔上方的钻柱的中心线上。
图22示出了通过从绳索绞车12放出绳索或绳18，将打捞筒/绳针组件22从位 于顶部的钻床主轴M内的停放位置向下放，直到它降落并且定位在内芯管20或工具25 的顶端上的矛观上，并且横梁7保持静止。
图23示出了绞车12继续降下打捞筒/绳针，直到该打捞筒/绳针机构22关闭， 并且芯管20或工具25的顶部上的矛组件观被锁扣。横梁7保持静止。
如图M所见，芯管20或工具25现在经矛观被锁扣到打捞筒21内，该打捞筒 21进而经旋转接头M连接至绳索。绞车12收紧以在绳索上取得张力并且使打捞筒/绳 针机构22延伸，并且横梁7保持静止。
在图25中，抓取和对准组件30的臂8、9现在被从芯管20或工具25释放，并 且缩回到它们的停放位置。
根据图沈，芯管20或工具25通过绳索绞车12被向下放，直到芯管或工具的下 端进入位于钻孔下的BHA 29的孔。
如图27所见，绳索绞车12继续放出绳索或绳18，以将芯管20或工具25进一步 向下放入到BHA^内。
图27还示出了当芯管20或工具25完全降落在BHA^中时，打捞筒/绳针组 件或机构22关闭并且将芯管或工具矛28从打捞筒/绳针组件释放。芯管或工具现在被 锁扣到BHA内并且被从打捞筒/绳针拆下。
根据图观、四以及30，绳索绞车然后收紧，取得绳索张力，使打捞筒/绳针组 件22延伸以从芯管20或工具25的矛观拆下，并且打捞筒/绳针组件被升到BHA 29外， 将打捞筒/绳针组件22拉起到主轴中的上停放位置内。
如图31-35所见，工具架6移动，以将对准和抓取器组件30的臂8、9与相对嵌 套的钻杆对准，臂向前移动并且从转盘或工具架6选择和抓住钻杆，将钻杆定位在孔中 心线，并且通过降低横梁7并利用主轴M和踏板式夹具40的旋转以制造钻杆和保护接头 之间的接头，而以前述方式将钻杆配对到BHA 29的顶部和主轴保护接头37。对准和抓 取器组件30的臂8、9释放钻杆并且回到停放位置。
图36示出了第一绳索旋转取芯或推式取样现在可以开始，并且在主轴M静止或 旋转的情况下横梁7向下前进直到第一钻杆25被击出例如3m。
根据图36和37，钻探、取芯或测量被停止并且打捞筒/绳针22然后被从钻杆 25的孔下面的主轴M中的其上停放位置向下配置，直到它与定位在BHA 29中的绳索内 芯管或工具的上部上的矛观锁扣，并且从BHA打开芯管或工具，此时横梁保持静止。
图38示出了绳索绞车12然后收紧，芯管20或工具25被升起并从BHA^拔出 并且进入到钻杆内，此时横梁7保持静止。
如图39所见，然后通过将钻杆夹紧在踏板式夹具40中并且使主轴M旋转以破 坏接头，将主轴从位于保护接头37的钻杆取出。
图39另外示出了横梁7被升到上停放位置，以从钻柱拉出芯管20或工具25。
根据图40和41，对准和抓取器组件30的臂8、9被从停放位置展开以抓住孔中 心线上的芯管20或工具25，并且绳索绞车12被暂时操作以放出并降低打捞筒/绳针机构 22，使得打捞筒关闭，从芯管或工具矛分离打捞筒/绳针，此时横梁7保持静止。
如图42和43所见，绞车12收紧，使得打捞筒21被升到钻床主轴M的顶部内 的其上停放位置，并且芯管20或工具25的矛观现在完全从打捞筒/绳针拆下，然而横 梁7保持静止。
在图44中，通过使对准和抓取器组件30的臂8、9前进，可以将芯管20或工具 25放回到转盘或工具架6。在图45中，对准和抓取器组件30的臂释放芯管20或工具25 并且回到停放位置。
通过重复上述步骤2-8，现在可以将空的绳索芯管20或工具25放到BHA组件 29内，在这之后如上述每个步骤9可以添加附加的钻杆。
钻孔以上述方式前进，直到达到或不允许目标钻孔深度，或者使用所有的钻杆、芯管20以及工具25。
当最后的芯管20或工具25已被从底部钻具组合四取回时，整个钻柱可以被分 解并且放回到转盘或工具架6。
更具体地讲，关于步骤31-33，在图46中，横梁7被降低，使得保护接头37进 入钻杆，并且主轴M旋转以制造保护接头和钻管之间的接头。
根据图47，横梁7被升起，使得钻杆和BHA 29之间的接头位于接头破坏位置中 踏板式夹具40中的中间，但是钻杆不与BHA分离。
如图48所见，横梁7被升起，使得钻杆和BHA^之间的接头在接头制造位置 中位于踏板式夹具40上方。
图49示出了横梁7被升到架6的高度，同时使主轴M旋转以使钻杆与BHA 29 完全分离。
在图50中，对准和抓取器组件30的臂8、9被前移以抓住钻杆。
图51示出了主轴M被旋转并且横梁7被升到上停放位置，以使钻杆与保护接头 37完全分离。
最后，根据图52，对准和抓取器组件30的臂8、9被延长，以将钻杆放回到架6中。
权利要求
1.一种用于海底和水底钻探、岩芯取样以及测量的装置，该装置包括 可竖直移动并且水平固定的横梁；固定至所述横梁的绞车，该绞车具有缠绕在其上的绳； 设置在所述横梁上的钻探头；在其中形成有孔的主轴，所述主轴被所述钻探头驱动；以及 打捞筒，所述打捞筒的一端连接至所述绳，另一端通过所述主轴中的所述孔，所述 打捞筒用于附接至钻柱的钻具以及从所述钻具拆下；在将所述打捞筒附接至所述钻具及将其从该钻具拆下期间，以及在钻探期间，所述 主轴、所述绳以及所述钻柱一起限定共同中心线。
2.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括连接在所述绳和所述打捞筒之间的旋转 接头，所述打捞筒和所述旋转接头构造成被所述绞车拉起到所述主轴中的所述孔内。
3.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括连接在所述绳和所述打捞筒之间的提升 杆，所述提升杆构造成在开始旋转钻探之前被拉入到所述主轴中的所述孔内，以密封所 述孔的顶部。
4.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括可移除工具架以及抓取器和对准臂，所 述抓取器和对准臂用于将所述钻具从所述工具架输送到沿着所述钻柱的所述共同中心线 的位置。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述打捞筒具有用于与钻具上的矛紧密配合的 锁扣件。
6.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括至少一个ROV/潜水员干预面板。
7.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括沉箱，所述沉箱被搁在所述海底或 水底的表面上、与所述表面接合或穿入该表面；和插入管，所述插入管设置在所述沉箱 上以接纳取样工具。
8.根据权利要求4所述的装置，该装置还包括与所述抓取器和对准臂协作以更换所述 钻具的踏板式夹具。
9.根据权利要求4所述的装置，该装置还包括张紧装置，所述张紧装置当所述绳被向 外展开时维持该绳中的张力并且防止该绳松弛。
10.—种用于海底和水底钻探、岩芯取样以及测量的方法，该方法包括以下步骤 从连接至可竖直移动并且水平固定的横梁的绞车解开绳；将所述绳从所述绞车通过主轴中的孔降到打捞筒； 将所述打捞筒附接至钻柱的钻具以及从所述钻具拆下该打捞筒； 通过连接至所述横梁的钻探头使所述钻具旋转；以及在将所述打捞筒附接至所述钻具及将其从该钻具拆下期间，以及在钻探期间，限定 所述主轴、所述绳以及所述钻柱的共同中心线。
11.根据权利要求10所述的方法，该方法还包括在所述绳和所述打捞筒之间连接旋转 接头，并且通过所述绞车将所述打捞筒和所述旋转接头拉起到所述主轴中的所述孔内， 以附接和拆下钻具。
12.根据权利要求10所述的方法，该方法还包括在所述绳和所述打捞筒之间连接提升 杆，并且在开始旋转钻探之前将所述提升杆拉入所述主轴的所述孔内，以密封该孔的顶部。
13.根据权利要求10所述的方法，该方法还包括将所述钻具存储在可移除工具架中， 并且通过抓取器和对准臂将所述钻具从所述工具架输送到沿所述钻柱的所述共同中心线 的位置。
14.根据权利要求10所述的方法，该方法还包括使所述钻具上的矛与所述打捞筒上的 锁扣件紧密配合。
15.根据权利要求10所述的方法，该方法还包括使遥控潜水器或潜水员与至少一个干 预面板相互作用。
16.根据权利要求10所述的方法，该方法还包括将取样工具放入设置在沉箱上的插入 管内，并且将所述沉箱搁在所述海底或水底的表面上、使所述沉箱与所述表面接合或使 所述沉箱穿入所述表面。
17.根据权利要求13所述的方法，该方法还包括利用与所述抓取器和对准臂协作的踏 板式夹具更换所述钻具。
18.根据权利要求13所述的方法，该方法还包括当所述绳被向外展开时，通过与所述 绞车协作的张紧装置维持所述绳中的张力并且防止该绳松弛。
全文摘要
本发明提供一种用于海底和水底钻探、岩芯取样以及测量的装置和方法，该装置包括可竖直移动并且水平固定的横梁，固定至所述横梁并且缠绕有绳的绞车，设置在所述横梁上的钻探头，在其中形成有孔并且被所述钻探头驱动的主轴，以及附接至钻柱的钻具并从所述钻具拆下的打捞筒，所述打捞筒具有连接至所述绳的一端和通过所述主轴中的所述孔的另一端。在将所述打捞筒附接至所述钻具并将其从该钻具拆下期间，以及在钻探期间，所述主轴、所述绳以及所述钻柱一起限定共同中心线。连接在所述绳和所述打捞筒之间的提升杆在开始旋转钻探之前可以被拉入到所述主轴中的所述孔内，以密封所述孔的顶部。
文档编号E21B19/22GK102027187SQ200980117311
公开日2011年4月20日 申请日期2009年4月14日 优先权日2008年4月14日
发明者彼得·内勒森, 格雷戈里·哈姆, 艾伦·斯彭赛尔 申请人:佩里斯林斯比系统公司