一种深海底锥形螺旋取土钻机及方法与流程

本发明涉及深海海底资源勘探技术领域，尤其涉及一种深海底锥形螺旋取土钻机及方法。

背景技术：

深海海底底质情况比较复杂，既有很硬的岩石，也有很稀的淤泥，还有介于岩石和淤泥之间的土质，其硬度和贯入阻力差异很大。对于岩石一般采用高速旋转钻机进行取样，通过钻头切削作用获取岩芯；对于淤泥一般采用重力取样器，利用重力将取样钻管贯入淤泥里，获取长柱状淤泥样品。然而，对于岩石和淤泥之间的土质底质，由于其贯入阻力很大，重力取样器贯入深度非常有限，而高速旋转钻机结构复杂，振动大，也不适合。在此情况下，需要针对深海海底土质特性，开发一套结构简单、便于操作、成本低廉的深度取样装置。

技术实现要素：

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种深海底锥形螺旋取土钻机及方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种深海底锥形螺旋取土钻机，包括钻机底座、钻机支架和液压系统，钻机支架的内侧设置有导轨；钻机支架、液压系统和导轨均安装在钻机底座上；钻机支架的上端设置有铠装电缆接头，钻机通过电缆接头上方连接的电缆与海面船只相连接；铠装电缆接头的下方设置有液压动力头和传动件；传动件通过矩形传动螺纹与两侧的导轨相连接；传动件的上端通过花键与液压动力头相连接、下端通过螺纹与取样钻管相连接；钻机底座的下方设置有调平支腿；钻机底座上开设有取样钻孔；取样钻管从钻机底座的取样钻孔中穿出；

取样钻管的下端设置有钻头、内部设置有密封器和样品管；密封器设置在取样钻管的底部中心；样品管设置在密封器的外围，下端与取样钻管的底部相连接；取样钻管的外围设置有螺旋叶片；钻机底座上设置有倾斜传感器；倾斜传感器通过数字传输模块与船只上的调平系统相连接。

螺旋叶片采用不锈钢材料制成，螺旋叶片的外径从下到上逐渐变大。螺旋叶片的外径在取样钻管上按2mm/m的比例增加。

密封器为花瓣型密封器，通过卡扣与取样钻管相连接。

钻机支架2和导轨6均通过焊接与钻机底座3相连接。

调平支腿为四个，通过液压系统进行调平支腿的调节。

本发明还提供一种深海底锥形螺旋取土钻机的取土方法：具体步骤：

一、钻机下放：将上述深海底锥形螺旋取土钻机在海面船只上安装完毕后，通过铠装电缆下放到海中，海面船只通过铠装电缆进行信号传输，对钻机进行控制；

二、钻机调平：上述钻机通过自身的重力到达海底之后，设置在钻机底座上的倾斜传感器开始测量钻机底座与海底的倾斜角，然后发出信号给调平系统，通过调平支腿实现钻机的调平；

三、钻机取样：上述钻机按步骤二的方法调平之后，海面船只将工作信号发送给液压动力头，液压动力头带动传动件和取样钻管一起转动，并在传动件和导轨之间的传动螺纹的作用下，一边通过钻头破开海底土层，一边向下钻进取样，样品通过钻头、花瓣型密封器进入样品管。

四、取样封存：海面船只通过收绞铠装电缆将取样完成的钻机进行回收，在起拔过程中，花瓣型密封器剪断样品同时将样品封存在样品管内。

本发明将取样钻管设计为一个中空、外套锥形螺旋叶片的结构，通过旋转取样钻管，在管外螺旋作用下产生向深部土层推进的贯入力，具有以下优点：

①、本发明结构简单，不需要较高的钻压，对设备重量没有太高要求，因此成本低廉；②、螺旋叶片采用由下往上逐渐增大外径，因此形成的钻孔上大下小，回拔时不易卡住，摩擦阻力小，可以实现快速回收取样钻管；③、采 用低速旋转进行取样，不需排渣，系统功率小；④、本发明的取土方法采用慢速钻进，针对岩石和淤泥之间的土质底质，对土层扰动小，能够保留原状土层的信息。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为图1的工作示意图。

图3为本发明锥形螺旋取样钻管的局部示意图。

图4为本发明钻头底部剖面图。

图5为本发明钻头的结构示意图。

图中：1、铠装电缆接头；2、钻机支架；3、钻机底座；4、液压动力头；5、传动件；6、导轨；7、取样钻管；8、样品管；9、花瓣型密封器；10、调平支腿；11、液压系统；12、螺旋叶片；13、钻头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图2所示，本发明包括钻机底座3、钻机支架2和液压系统11，钻机支架2的内侧设置有导轨6；钻机支架2、液压系统11和导轨6均安装在钻机底座3上；其中，钻机支架2和导轨6均可通过焊接的方式与钻机底座3相连接。钻机支架2的上端设置有铠装电缆接头1，钻机通过电缆接头1上方连接的电缆与海面船只相连接；铠装电缆接头1的下方设置有液压动力头4和传动件5；传动件5通过矩形传动螺纹与两侧的导轨6相连接；传动件5的上端通过花键与液压动力头4相连接、下端通过螺纹与取样钻管7相连接；钻机底座3的下方设置有调平支腿10；钻机底座3上开设有取样钻孔；取样钻管7从钻机底座3的取样钻孔中穿出；

如图4-图5所示，取样钻管7的下端设置有钻头13、内部设置有密封器9和样品管8；密封器9设置在取样钻管7的底部中心；样品管8设置在密封器9的外 围，下端与取样钻管7的底部相连接；取样钻管7的外围设置有螺旋叶片12；钻机底座3上设置有倾斜传感器；倾斜传感器通过数字传输模块与船只上的调平系统相连接。

螺旋叶片12采用不锈钢材料制成，如图3所示，螺旋叶片12的外径在取样钻管7上按2mm/m的比例从下到上逐渐变大。

本实施例采用花瓣型密封器，通过卡扣与取样钻管7的底部相连接，这种方式结构简单，连接和拆卸都比较方便。

调平支腿10为四个，通过液压系统11进行调平支腿的调节。

采用本发明进行深海海底的取土方法：具体取土步骤如下：

(一)、钻机下放：将权利要求1的深海底锥形螺旋取土钻机在海面船只上安装完毕后，通过铠装电缆下放到海中，海面船只通过铠装电缆进行信号传输，对钻机进行控制；

(二)、钻机调平：上述钻机通过自身的重力到达海底之后，设置在钻机底座3上的倾斜传感器开始测量钻机底座3与海底的倾斜角，然后发出信号给调平系统，通过调平支腿10实现钻机的调平；

(三)、钻机取样：上述钻机按步骤二的方法调平之后，海面船只将工作信号发送给液压动力头4，液压动力头4带动传动件5和取样钻管7一起转动，并在传动件5和导轨6之间的传动螺纹的作用下，一边通过钻头13破开海底土层，一边向下钻进取样，样品通过钻头13、花瓣型密封器9进入样品管8。

(四)、取样封存：海面船只通过收绞铠装电缆将取样完成的钻机进行回收，在起拔过程中，花瓣型密封器9剪断样品同时将样品封存在样品管8内。

本发明的深海底土样取样方法，不同于对海底软泥的重力取样方法和对海底硬岩的圆管钻进取样方法，通过取样钻管7外侧设置的螺旋叶片12的旋转产生的钻进力破开海底土层，通过传动件5与导轨6间的传动螺纹将液压动力头4的旋转力转化为匀速稳定的向下钻进的力，使取样钻管7慢慢钻进到深部土层，对土样扰动小，因此获得的土样能够较为完整的保留原状土层的信息，这样对根据得到的土样进行后续分析和实验结果更为准确。

本发明借鉴自钻螺钉的工作原理，将取样钻管7设计为一个中空、外套锥形螺旋叶片的结构，通过旋转取样钻管，在管外螺旋叶片作用下产生向深部土层推进的贯入力。本发明将取样钻管7外设置的螺旋叶片设置成上大下小，形成一个锥形，因此形成的钻孔随深度增加，口径减小，回拔时不易与孔壁摩擦，可以实现快速回拔。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。