无动力抛管系统、具有其的岩芯钻机及换管方法与流程

本发明涉及勘探技术领域，具体而言，涉及一种无动力抛管系统、具有其的岩芯钻机及换管方法。

背景技术：

深海钻探是矿产资源勘探的关键环节，通过钻探取样分析，可以确定矿藏储量、品位和埋藏形态；深海钻探将为全国海洋科学家提供记录处于海表以下海底沉积物和岩中的地质和环境信息的巨大知识库。通过这些信息会使我们对地球的过去、现在和将来有更好的认识。

深海潜器在水下有着灵活的机动性，深海潜器装备岩芯取样钻机，解决了大型钻机不能对复杂地形的地质钻探问题。在中国发明专利201410734179中公开了一种搭载式深海岩芯钻机；中国发明专利201410777710中公开了一种基于载人深潜器机械手操作的小型岩芯取样钻机；中国实用新型专利201320798560中公开了一种深海小型电动取芯潜。上述的岩芯钻机都只具有单根钻管，采用这样的岩芯钻机在水下作业时，每次只能进行一次取芯作业，当需要多次钻探时，只能多次下潜分别取样，效率低下。在中国发明专利201610446948中公开了一种深海小型多管取芯钻机，其岩芯钻机虽然具备多根钻管，但结构仍比较复杂。

另外，研究人员在研究过程中发现，相关技术中的岩芯钻机在发生卡钻或岩芯钻机失去深海潜器的动力时，由于深海潜器本身没有能力强制拔出钻管，一旦发生卡钻，相当于潜器锚在岩石上，将会造成巨大的损失；尤其是受到深海潜器自身平稳性影响，并随着岩芯取样深度的增加，卡钻几率较大。因此，如何在搭载型深海岩芯钻机卡钻后及时脱困，是亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种无动力抛管系统、具有其的岩芯钻机及换管方法，以至少解决相关技术中搭载型深海岩芯钻机卡钻后无法及时脱困的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种岩芯钻机的无动力抛管系统，包括：抛载油缸(31)、岩芯钻机的动力头上的套管(21)、钻管顶部的自动卡销(81)和抛载驱动弹簧(32)，其中，

所述抛载油缸(31)，包括油缸腔和设置在所述油缸腔中的带有活塞杆的活塞，其中，所述活塞将所述油缸腔分为无杆腔和有杆腔，所述活塞受到弹簧或者液压油的驱动在所述油缸腔中运动；

所述自动卡销(81)，用于卡入所述套管(21)中，以及还用于在受到所述抛载油缸(31)的活塞杆的带动时与所述套管(21)脱离；

所述抛载驱动弹簧(32)设置在所述抛载油缸(31)之内或者所述抛载油缸(31)之外，以在所述抛载油缸(31)无动力的情况下复位所述活塞杆。

第二方面，本发明实施例提供了一种岩芯钻机，所述岩芯钻机包括第一方面所述的无动力抛管系统。

第三方面，本发明实施例提供了一种岩芯钻机的换管方法，包括：

在所述动力头(2)上尚未安装钻管的情况下，所述动力头升降系统(9)将所述动力头(2)抬升到第一位置；

所述第二驱动油缸(61)驱动所述第二储管架(6)水平移动，以将所述第二储管架(6)上的钻管(8)移动到所述动力头(2)的正下方；

所述动力头升降系统(9)驱动所述动力头(2)下降到第二位置，以使所述钻管(8)上的自动卡销(81)卡入所述动力头(2)上的套管(21)中；且所述中位h机能三位四通阀的a油口不给油、b油口给油，以使设置在无杆腔中的所述抛载驱动弹簧(32)压缩储能；

所述第二驱动油缸(61)驱动所述第二储管架(6)水平移动复位。

本发明实施例提供的抛管系统、具有其的岩芯钻机及换管方法中，无动力抛管系统包括：抛载油缸31、岩芯钻机的动力头上的套管21、钻管顶部的自动卡销81和抛载驱动弹簧32，其中，抛载油缸31，包括油缸腔和设置在油缸腔中的带有活塞杆的活塞，其中，活塞将油缸腔分为无杆腔和有杆腔，活塞受到驱动在油缸腔中运动；自动卡销81，用于卡入套管21中，以及还用于在受到抛载油缸31的活塞杆的带动时与套管21脱离；抛载驱动弹簧32设置在抛载油缸31之内或者抛载油缸31之外，以在抛载油缸31无动力的情况下复位活塞杆。由于在岩芯钻机失去动力时，活塞杆受到抛载驱动弹簧32的驱动而复位活塞杆，进而带动自动卡销81与套管21脱离，解决了搭载型深海岩芯钻机卡钻后无法及时脱困的问题，降低了搭载型深海岩芯钻机卡钻后的经济损失，也降低了深海潜器的运行风险。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的无动力抛管系统的使用状态图；

图2是根据本发明实施例的无动力抛管系统的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的中位h机能三位四通阀与抛载油缸31连接的示意图；

图4是根据本发明实施例的无动力抛管系统在锁定状态时的示意图；

图5是根据本发明实施例的岩芯钻机的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例1

在本实施例中提供了一种无动力抛管系统，该无动力抛管系统应用于岩芯钻机上，优选应用于搭载型深海岩芯钻机上。图1是根据本发明实施例的无动力抛管系统的使用状态图；图2是根据本发明实施例的无动力抛管系统的结构示意图，如图1和图2所示，该无动力抛管系统包括：抛载油缸31、抛载驱动弹簧32、岩芯钻机的动力头上的套管21、钻管顶部的自动卡销81和抛载驱动弹簧32，其中，

抛载油缸31，包括油缸腔和设置在油缸腔中的带有活塞杆的活塞，其中，活塞将油缸腔分为无杆腔和有杆腔，即没有活塞杆的腔为无杆腔，有活塞杆的腔为有杆腔；活塞受到抛载驱动弹簧32或者其他的外力驱动，而在油缸腔中运动；

自动卡销81，用于卡入套管21中，以使动力头和钻管固定连接在一起；以及自动卡销81还用于在受到抛载油缸31的活塞杆的带动时与套管21脱离，以实现抛管；

抛载驱动弹簧32设置在抛载油缸31之内或者抛载油缸31之外，以在抛载油缸31无动力的情况下复位活塞杆，其中活塞杆复位的位置即为能够使自动卡销81与套管21脱离的位置。

采用上述的结构，一方面，在岩芯钻机卡钻后，可以通过驱动抛载油缸31的活塞，使活塞杆向外推出或向内推入，带动自动卡销81；自动卡销81受到活塞杆的带动后，改变自动卡销的状态，即将自动卡销81的锁定状态变为脱离状态，从而实现有动力抛管；另一方面，在岩芯钻机卡钻后，或者岩芯钻机失去动力时，抛载驱动弹簧32释放积蓄的弹性势能，活塞杆受到抛载驱动弹簧32的驱动而复位活塞杆至能够使自动卡销81与套管21脱离的位置，从而带动自动卡销81与套管21脱离，即实现了无动力抛管。

通过上述的描述，可以清楚地知道：本发明实施例中所称的“无动力抛管系统”中的“无动力”旨在强调该抛管系统能够在无动力的情况下实现抛管，并不限制该抛管系统还能具有有动力抛管的能力；且根据上述描述也能够明了，无动力抛管系统同样具备有动力抛管的能力。

在实际应用中，是选择活塞杆向外推出时自动卡销81变为脱离状态，还是选择活塞杆向内推入时自动卡销81变为脱离状态，这是根据自动卡销的结构来决定的。而只要是受到活塞杆的推动或者拉动就能够改变锁定状态/脱离状态的自动卡销结构都能够应用到本发明实施例中，并实现相同或者相近的抛管效果，因此，在本发明实施例中虽然会例举自动卡销的一些具体实现方式，但并不意味着本发明实施例仅能够采用例举的自动卡销来实现相应的功能；即其他具有相同或者相近功能的自动卡销结构也是可以被考虑并应用在本发明实施例的抛管系统中的，限于篇幅将不会逐一介绍。

优选地，在自动卡销81受到活塞杆推动时与套管21脱离的情形下，抛载驱动弹簧32设置在抛载油缸31的无杆腔中。该抛载驱动弹簧32在活塞不受到其他外力(例如三位四通阀)驱动的情况下，能够利用压缩所蓄积的能量，自行将活塞杆向外推出，从而实现了在岩芯钻机失去动力时的无动力抛管。

类似地，在自动卡销81受到活塞杆拉动时与套管21脱离的情况下，则可以在抛载油缸31的有杆腔中设置该抛载驱动弹簧32。该抛载驱动弹簧32在活塞不受到其他外力(例如三位四通阀)驱动的情况下，能够利用压缩所蓄积的能量，自行将活塞杆向内推入，从而也实现了在岩芯钻机失去动力时的无动力抛管。

当然，上述的将抛载驱动弹簧32设置在油缸腔内也仅仅是本发明实施例中的一种具体应用，在一些情况下，抛载驱动弹簧32也能够设置在油缸腔外，例如，抛载驱动弹簧32可以套在活塞杆的伸出油缸腔的外部，抛载驱动弹簧32的一端压紧抛载油缸31的外壳，另一端压在活塞杆的凸点上，从而产生将活塞杆向外推出的力，亦能够达到无动力抛管的相同作用。

可选的，无动力抛管系统还包括三位四通阀，用于驱动活塞在油缸腔中运动。优选地，本发明实施例中采用中位h机能三位四通阀。中位h机能三位四通阀的结构特点是：在中位时，各油口全开，系统没有油压。机能特点是：进油口p、回油口t与工作油口a、b全部连通，使工作机构成浮动状态，可在外力作用下运动，能用于带手摇的机构；液压泵可以卸荷；从停止到启动有冲击，制动时油口互通，制动较为平稳。

图3是根据本发明实施例的中位h机能三位四通阀与抛载油缸31连接的示意图，如图3所示，在本发明实施例中，中位h机能三位四通阀的a油口接入抛载油缸31的无杆腔；中位h机能三位四通阀的b油口接入抛载油缸31的有杆腔；中位h机能三位四通阀的p油口给油；中位h机能三位四通阀的t油口回油。

传统的动力头通过螺纹与钻管固定连接，以实现钻管接受动力头的扭矩传递。本实施例中采用了无动力抛管系统，在套管21与自动卡销81固接在一起时，为了防止钻管在动力头内相对转动，并实现钻管接受动力头的扭矩传递，在套管21的内管壁和自动卡销81的外壁(优选为圆弧形)分别设有相互配合的花键槽。

在本实施例中还提供了一种自动卡销81的优选结构。其中，套管21内管壁上设置有自动卡销81限位用的子口台阶；自动卡销81包括：套轴87、触发顶杆83、定位连杆销84、连杆85和复位弹簧86，其中，触发顶杆83套入套轴87内；定位连杆销84的一端铰接在套轴87内，另一端从套轴87的管壁向外伸出；连杆85的一端铰接在触发顶杆83的底部，另一端铰接在定位连杆销84的中部；复位弹簧86的一端顶住触发顶杆83的尾部，另一端压紧套轴87的底部。

可选的，自动卡销81还包括：调节螺栓88，安装在套轴87的底部；通过调节螺栓88用以调节复位弹簧86的预紧力。

图4是根据本发明实施例的无动力抛管系统在锁定状态时的示意图，参考图4所示。在本实施例中，抛载油缸31初始状态是活塞杆在抛载驱动弹簧32作用下处于伸出位置；

自动卡销81初始状态是触发顶杆83伸出套轴87，定位连杆销84张开，形成锁定状态；触发顶杆83受力向下移动时，触发顶杆83通过连杆85拉动定位连杆销84，使定位连杆销84发生向内收缩转动，形成脱离状态。

抛管系统液压原理：中位h机能三位四通阀处于中位，三位四通阀的a油口接入抛载油缸31的无杆腔，三位四通阀的b油口接入抛载油缸31的有杆腔，三位四通阀的p油口给油，三位四通阀的t油口回油；钻机泵站启动工作时，中位h机能三位四通阀右侧电磁阀通电，其阀芯向左移动，p口进油，p口接通b口，液压油导入抛载油缸31有杆腔，油缸杆收缩，抛载驱动弹簧32同时被压缩蓄能；钻管8的自动卡销81套入动力头2内的套管21时，定位连杆销84先被套管21挤压收缩，复位弹簧86被压缩蓄能，定位连杆销84通过套管21限位用的子口台阶，套管21内部空间变大，挤压力消失，被蓄能的复位弹簧86推动触发顶杆83，将定位连杆销84向外翻转，定位连杆销84卡入套管21限位用的子口台阶，并进行锁定，此时活塞处于收缩状态，活塞杆顶点与触发顶杆83顶点存在一小段距离，钻管锁定后不会掉落。

当液压泵站失去动力时，中位h机能三位四通阀右侧电磁阀断电，三位四通阀复位，同时液压油从p口直接到t口回油箱，抛载油缸31活塞两端压力相同，蓄能被压缩的抛载驱动弹簧32推动活塞伸出，活塞杆(即油缸杆)推动触发顶杆83向下移动，定位连杆销84从套管21限位用的子口台阶脱离，钻管8与动力头2分离；此过程为无源抛载，能够使深水潜器在发生故障时及时脱困。

当需要换管或主动抛杆时，中位h机能三位四通阀右侧电磁阀断电，左侧电磁阀通电，电三位四通阀先复位，阀芯再向右移动，此时液压油从p口进过a口进入抛载油缸31无杆腔，在液压油和蓄能被压缩的抛载驱动弹簧32同时作用下推动活塞伸出，活塞杆推动触发顶杆83向下移动，定位连杆销84从套管21限位用的子口台阶脱离，钻管8与动力头2分离；此过程为有源抛载，在钻机换杆时用，或在卡钻时进行有源抛管。

实施例2

在本实施例中提供了一种岩芯钻机，该岩芯钻机可以搭载在深海潜器上。图5是根据本发明实施例的岩芯钻机的结构示意图。该岩芯钻机的动力头和所使用的钻管即采用了实施例1所描述的无动力抛管系统。

在本实施例中提供的岩芯钻机，包括：钻机机架1、动力头2、无动力抛管系统3、液压泵站4、冲水泵7、钻管8。

可选的，本实施例中提供的岩芯钻机还可以包括：第一储管架5及其第一油缸51，第二储管架6及其第二油缸61，并且，动力头还包括动力头升降系统9。

可选地，该第一储管架5和第二储管架6采用立式储管架，弹仓式内部结构，由弹簧驱动自动排管。储管架左右两排分布，左侧为第一储管架5，用于收集取芯后的钻管8；右侧为第二储管架6，用于存放取芯前的钻管8。

实施例3

在本实施例中提供了一种采用实施例2的岩芯钻机的换管方法，该方法包括如下步骤：

步骤301，在动力头2上尚未安装钻管的情况下，动力头升降系统9将动力头2抬升到第一位置；

步骤302，第二驱动油缸61驱动第二储管架6水平移动，以将第二储管架6上的钻管8移动到动力头2的正下方；

步骤303，动力头升降系统9驱动动力头2下降到第二位置，以使钻管8上的自动卡销81卡入动力头2上的套管21中；且中位h机能三位四通阀的a油口不给油、b油口给油，以使设置在无杆腔中的抛载驱动弹簧32压缩储能；

步骤304，第二驱动油缸61驱动第二储管架6水平移动复位。

可选地，在动力头2上已经安装有钻管8的情况下，方法还包括：

步骤311，动力头升降系统9驱动动力头2抬升到第一位置；

步骤312，第一驱动油缸51驱动第一储管架5水平移动，以将第一储管架5上的储管卡座移动到动力头2的正下方；

步骤313，动力头升降系统9驱动动力头2下降到第二位置，以使钻管8落入储管卡座中；

步骤314，中位h机能三位四通阀的a油口给油、b油口不给油，以使抛载油缸31的活塞杆伸出，带动钻管8上的自动卡销81与动力头2上的套管21脱离；

步骤315，动力头升降系统9驱动动力头2抬升到第一位置；

步骤316，第一驱动油缸51驱动第一储管架5水平移动复位。

采用上述的步骤，油缸61驱动第二储管架6水平移动，将第一根钻管8移至动力头2下方，动力头升降系统9驱动动力头2向下移动一定距离，将钻管8导入动力头2的套管21内，钻管8上的自动卡销81自动落锁，接杆动作完成；钻管8钻进时，冲水泵7通过动力头顶部注水口22进行钻进冲水，钻管8完成钻进后，动力头2提升到换杆位置，油缸51驱动第一储管架5移动，并将钻管8卡入第一储管架5的一个储管卡座内，启动无动力抛管系统3实施抛杆动作，抬升动力头2使动力头2与钻管8分离，第一储管架5的储管卡座抓住钻管8在油缸51回缩作用下复位，此时一个钻管的钻进取样流程完成。重复以上动作，可完成第二根钻管和后续多根钻管的钻进取样动作。

通过上述描述可知，通过上述第一储管架5及其第一油缸51，以及第二储管架6及其第二油缸61，并配合动力头升降系统和无动力抛管系统，能够实现换管储管过程，从而使得一次作业能够进行多次岩芯采样作业。并且，上述结构简单可靠，易于实现。

综上所述，通过本发明实施例提供的上述实施方式，采用由抛载油缸31、岩芯钻机的动力头上的套管21、钻管顶部的自动卡销81和抛载驱动弹簧32构成的无动力抛管系统，不仅能够实现有动力抛管，还能够实现无动力抛管。并且，在执行抛管操作之后，抛掉的仅仅是在钻管顶部具有自动卡销81的钻管，岩芯钻机的其余部分全部能够脱困收回；该方式相对于相关技术中岩芯钻机卡钻或岩芯钻机失去动力后无法抛管脱困，或者抛管脱困时会将动力头的部分结构一同抛弃的方式而言，显著降低了相关损失。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。