一种配备变径岩芯取样钻杆动力头的深海钻机及方法与流程

本发明涉及一种深海钻机，尤其涉及一种配备变径岩芯取样钻杆动力头的深海钻机及方法。

背景技术：

随着陆地金属矿产资源的日益枯竭，海洋固体矿产资源已成为世界各国瞩目的对象，海底资源的开发将有效缓解全球资源匮乏的局面，所以对海底矿产资源进行勘探尤为重要。深海岩芯取样钻机是进行深海海底地质探测，进行海底深层地质取样的主要技术手段，同时也是测量海底岩石力学性质的重要工具。

在勘探的过程中，对于深海硬岩矿床，一般采用高速旋转钻机进行取样。在钻取岩芯样品时，钻机钻进参数以及钻杆直径之间匹配关系的不同会导致取芯率存在较大差异。在实际应用中，与电机相连的动力头只能与单一直径的钻杆相连接，在面对硬度不同的深海矿石时，如多金属硫化物、富钴结壳等，无法找到针对此种矿石的钻机参数、取样钻杆直径的最优匹配，导致钻取效果差，取芯率低的后果。因此，如何应用一个钻机动力头，在一次作业时可以与多种不同直径的钻杆连接，并获得最佳的钻取效果，进而获测得针对某种深海矿石的最佳钻进参数，是目前亟待解决的问题。目前还未发现有同一钻机动力头可以同时与不同直径钻杆相连接的文献报道。

技术实现要素：

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种配备变径岩芯取样钻杆动力头的深海钻机及方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种配备变径岩芯取样钻杆动力头的深海钻机，包括变径取样钻杆动力头、机架和支腿系统和钻杆系统；

所述机架和支腿系统包括钻机底座和安装在钻机底座上的机架；所述机架顶端设置有脐带缆接头，脐带缆接头一侧与外部控制系统脐带缆相连接，另一次与机内脐带缆相连接，所述机内脐带缆与变径取样钻杆动力头相连接；

所述变径取样钻杆动力头包括依次连接的给进油缸、油缸活塞杆、横臂、电动机、倒塔式钻杆连接头，所述给进油缸竖直方向设置，所述油缸活塞杆位于给进油缸下方且一端竖直方向设置于给进油缸内；所述横臂为水平方向的连接杆，横臂两端分别连接油缸活塞杆和电动机，电动机下端设置有倒塔式钻杆连接头；所述倒塔式钻杆连接头为若干层直径自上而下递减的阶梯式圆台结构，每层圆台的竖直面设有螺纹结构；

所述钻杆系统包括钻杆架和取样钻杆；所述钻杆架固定在机架内部，钻杆架设置环形的水平架，取样钻杆通过卡扣固定于水平架；钻杆系统设置有若干直径不同的取样钻杆，取样钻杆上端设置螺纹结构，每根取样钻杆的螺纹可以与倒塔式钻杆连接头的其中一层螺纹相对应。

进一步地，所述横臂的长度与钻杆架的环形水平架半径相同，所述横臂带动电动机和倒塔式钻杆连接头在以给进油缸为中心的圆周自由运动，所述取样钻杆的上端均设置在所述倒塔式钻杆连接头运动的圆周上。

进一步地，所述倒塔式钻杆连接头为有3层的阶梯式圆台结构，所述钻杆系统设置有三种不同直径的取样钻杆各两根。

进一步地，所述机架和支腿系统还包括液压系统，所述液压系统设置在钻机底座上；钻机底座上设置有倾斜传感器；所述倾斜传感器与外部控制系统相连。

进一步地，所述取样钻杆内部设置有样品管；取样钻杆底端与取样钻头相连接；所述钻机底座设置有与取样钻头相对应的取样钻孔。

进一步地，钻机底座上设置有倾斜传感器；所述倾斜传感器与外部控制系统相连。

进一步地，所述的倒塔式钻杆连接头采用三角形单线粗牙螺纹与取样钻杆连接。

进一步地，所述机架和支腿系统还包括调平支腿，所述机架、调平支腿和钻杆架与钻机底座通过焊接相连接。

进一步地，所述电动机与倒塔式钻杆连接头通过花键联接相连。

进一步地，所述取样钻杆的上部外表面为方形，便于钻杆钳夹持。

本发明还公开了一种利用上述的深海钻机获得深海矿石最佳钻进参数的方法，包括以下步骤：

一、利用绞车和脐带缆将深海钻机吊入海中，利用外部控制系统操作对深海钻机进行控制；

二、当深海钻机到达矿岩上后，根据倾斜传感器数据，调节调平支腿，对深海钻机进行调平；

三、启动变径取样钻杆动力头，带动取样钻杆和取样钻头，取样钻头穿过取样钻孔进行破土取样，岩芯样品进入样品管；钻进完成后，油缸活塞杆缩进回收取样钻杆，岩芯储存在取样管内；

四、变径取样钻杆动力头中横臂旋转，带动倒塔式钻杆连接头移动至另一位置取样钻杆位置，电动机运转使倒塔式钻杆连接头旋进所述另一位置取样钻杆；

五、重复步骤三、四完成一次取芯作业，每次取芯可改变钻机钻压、旋转速度参数，直至所有钻杆完成取样；

六、取样完成后，回收深海钻机；

七、测试不同直径钻杆的取芯率，结合在钻进过程中，钻机的钻压和旋转速度参数，测得针对此种深海矿石的最佳钻进参数。

本发明结构简单，可靠性较强，取样钻杆的数量可根据钻机工作的需要进行增减，单台钻机一次下水可使用多种直径不同的取样钻杆进行钻取；通过综合分析深海矿石特性，钻机钻进压力、转速等参数以及不同钻杆的取芯率，可测得与矿石特性匹配的最佳钻进参数，为深海矿产资源调查提供支持。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的变径取样钻杆动力头结构示意图。

图3为本发明的倒塔式连接头结构示意图。

图4为本发明的钻杆系统结构示意图。

图中：11、外部控制系统脐带缆；12、机内脐带缆；2、脐带缆接头；31、给进油缸；32、油缸活塞杆；33、横臂；34、电动机；35、倒塔式钻杆连接头； 41、机架；42、钻机底座；43、调平支腿；51、取样钻杆；52、钻杆架；53、取样钻头；54、样品管；55、水平架；6、液压系统；7、取样钻孔。

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。

图1所示的配备变径取样钻杆动力头的深海钻机，包括变径取样钻杆动力头、机架和支腿系统、钻杆系统和液压系统6；

机架和支腿系统包括钻机底座42和安装在钻机底座42上的机架41和调平支腿43；液压系统6也安装在钻机底座42上。机架41用于安装脐带缆接头2、变径取样钻杆动力头、钻杆架52。机架41、调平支腿43与钻机底座42通过焊接相连接。

脐带缆接头2设置于机架顶端，脐带缆接头一侧与外部控制系统脐带缆11相连接，另一次与机内脐带缆12相连接，所述机内脐带缆12与变径取样钻杆动力头相连接；其中，外部控制系统位于海面勘探船只上，外部控制系统脐带缆从勘探船只连接到海底的深海钻机。钻机底座上设置有倾斜传感器；倾斜传感器与位于勘探船只的外部控制系统相连。

图2所示的变径取样钻杆动力头，包括依次连接的给进油缸31、油缸活塞杆 32、横臂33、电动机34、倒塔式钻杆连接头35，给进油缸31竖直方向设置，油缸活塞杆32位于给进油缸31下方且一端竖直方向设置于给进油缸内；所述横臂 33为水平方向的连接杆，横臂33两端通过螺纹分别与油缸活塞杆32和电动机34 连接，电动机34下端通过花键与倒塔式钻杆连接头35连接。

倒塔式钻杆连接头如图3所示，设有三层直径自上而下递减的阶梯式圆台结构，每层圆台的竖直面设有三角形单线粗牙螺纹结构；本实施例中，三层螺纹，可分别连接直径为50mm、100mm、150mm的取样钻杆。

钻杆系统包括钻杆架52、取样钻杆51和取样钻头53。如图4所示,所述钻杆架52焊接固定在机架41内部，钻杆架52设置环形的水平架55，取样钻杆51通过卡扣固定于水平架55；钻杆系统5设置有配置三种不同直径的取样钻杆51各两根，本实施例中，三种取样钻杆的直径分别为50mm、100mm、150mm。取样钻杆 51上端设置螺纹结构，每根取样钻杆的螺纹可以与倒塔式钻杆连接头的其中一层螺纹相对应。取样钻杆51中螺纹部分与取样部分分割开，既防止岩土破坏螺纹，又防止卡钻时钻杆继续上旋破坏螺纹。

横臂33的长度与钻杆架52的水平架55半径相同，所述横臂带动电动机34和倒塔式钻杆连接头35在以给进油缸31为中心的圆周自由运动，所述取样钻杆51 的上端均设置在所述倒塔式钻杆连接头35运动的圆周上，使倒塔式钻杆连接头 35与取样钻杆51正对。倒塔式钻杆连接头采用三角形单线粗牙螺纹与取样钻杆连接。

取样钻杆51底端与取样钻头53相连接；所述钻机底座42设置有与取样钻头 53相对应的取样钻孔7。取样钻杆51的上部设置为方钻杆，便于钻杆钳夹持。

本实施例用于钻取深海硬岩样品，并获得最佳钻进参数，具体的步骤如下：

一、海上勘探船只到达指定采样地点后，确认本本发明所述钻机处于正常可使用状态。利用绞车和脐带缆将钻机吊入海中。船只可通过电子监控系统对钻机进行控制；

二、钻机到达矿岩上后，钻机底座42上的倾斜传感器通过脐带缆将倾斜角度信息传输到船只，船只控制调平系统调节钻机倾角，通过调平支腿43来实现，液压系统提供动力。钻机位置确定后，继续下放10-15m脐带缆(视动力定位情况和海况而定)；

三、钻机经过调平后，海上船只通过脐带缆传输工作信号，启动变径取样钻杆动力头，带动取样钻杆51和取样钻头53一起转动，取样钻头53穿过取样钻孔7进行破土取样，岩芯样品通过钻头进入样品管54；钻进完成后，油缸活塞杆缩进回收钻杆，岩芯被拔断，储存在取样管内；

四、放置好已经完成取样的钻杆，旋转变径取样钻杆动力头，使倒塔式钻杆连接头35与取样钻杆51正对，电动机34旋进更换另一直径的取样钻杆；

五、重复步骤三、四完成一次取芯作业，每次取芯可改变钻机钻压、旋速度等参数，直至所有钻杆完成取样；

六、取样完成后，海面船只通过绞车和脐带缆将钻机吊起回收；

七、测试不同直径钻杆的取芯率，结合在钻进过程中，钻机的钻压和旋转速度等参数，测得针对此种深海矿石的钻机的最佳钻进参数。

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。