一种海底自动化钻探系统及钻探方法与流程

本发明涉及钻探设备，特别涉及一种海底自动化钻探系统及钻探方法。

背景技术：

1、珊瑚礁在我国南海有着广泛的分布，是我国在南海唯一的陆地国土，针对南海珊瑚礁的研究主要集中在珊瑚礁生态系统、气候变化、军事海洋学、资源(鱼类、油气和水合物等)和岛礁工程等领域；2013-2017年，中国科学院武汉岩土力学研究所和南海海洋研究所共同在南海诸岛礁开展珊瑚礁科学研究项目；贵州省地质矿产勘查开发局一一五地质大队作为钻探施工单位参与了研究过程，根据中国科学院研究需要前后实施各类型科研钻井数百口；

2、项目实施过程中，珊瑚岛礁第四系覆盖层钻探取心是一个重要技术难题。珊瑚岛礁第四系覆盖层结构为珊瑚砂和珊瑚骨架的松散堆积物，无胶结、遇水即散、极易垮塌，钻探过程中主要有两个难点：①岩心采取率极低；②成井困难，难以正常钻进；主要采用“常规小型立轴钻机+泥浆护壁”传统钻进方法，具体情况如下：设备型号为xy-180型钻机；钻进方式为普钻单管钻进；泥浆配备以黏土粉为主，用量约每立方水中加入200kg；这种方法是陆地上钻覆盖层的最常规技术，高比重、高黏度的泥浆对于松散井壁有较好的支护作用，在对覆盖层取心不做要求或对取心质量要求极低的情况下，是一种很好的成井方式，广泛应用于各类工程勘察工作中；

3、例如公开号为：cn217101126u的中国实用新型专利公开一种钻探岩芯取样存放装置，其组成包括：侧箱板、前箱板、后箱板和底板，底板与后箱板和侧箱板垂直连接，前箱板与两个侧箱板连接，底板的上板面上连接有一组矩形结构的挡板，一组挡板等距排列，挡板的顶端与侧箱板的顶端在同一水平面上；侧箱板上开设有贯通与侧箱板的插孔，插孔内插入有螺纹杆，螺纹杆的端部穿出插孔，且螺纹杆的穿出部分通过羊角螺母固定连接；但是该设备不能实现连接杆的自动取放和更换，无法防止孔壁的塌陷；

4、基于此，中国科学院采用了该工艺登岛施工；但是施工过程中，出现了严重的弊端，主要有：(1)松散的珊瑚岛礁覆盖层跟泥浆搅合在一起，混乱污染，根本无法再进行研究使用；(2)高比重、高黏度的泥浆几乎完全堵塞地层通道，抽水试验进行时，地层无法向井内透水，又不能做洗井工作，因为泥皮洗净后井壁会完全坍塌，最终抽水结果是地层渗透性极差，而实际该地层透水性极好，与大海联通，这一点在更改钻探工艺后得到验证；(3)有时泥浆无法完全护住井壁，一旦发生坍塌，无论如何调整泥浆配比，都无法再有效恢复正常钻进。这种情况下必须下入套管，但是xy-180型泥浆污染混杂后的岩心；钻机的能力限制了下管工艺，一是钻机动力差、扭矩小，不能满足大口径套管回转钻进需求，二是钻机行程短，不能跟管钻进，提钻倒杆时，抽吸井眼垮塌，加不起钻杆；该工艺直接导致中国科学院科研项目无法继续开展，因此需要本发明的自动化钻探系统以及钻探方法。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供了一种海底自动化钻探系统及钻探方法，以解决在珊瑚岛在钻探过程中连接杆的自动取放和更换，防止孔壁坍塌的技术问题。

2、本发明所使用的技术方案是：一种海底自动化钻探系统及钻探方法，包括移动部、钻孔部、钻头部、更换部；其特征在于，所述的移动部带动设备在地面上及水面上移动；钻孔部中的连接杆a一端转动安装在移动部中的车体前侧挡板的凹槽中；钻头部中的连接杆b有多个，多个连接杆b可以连接起来，钻孔部中的转动连接杆可以与连接杆b连接操作连接杆b转动与下降；更换部中的固定板固定安装在两个连接杆a中间，更换部给设备供给连接杆b与支撑套筒，并可以将连接起来的连接杆b进行拆除。

3、优选地，所述的移动部包括：履带、u形板、涡轮组、动力组a；

4、所述的车体两侧转动安装有两个履带两侧轮的连接轴；履带与地面接触；u形板中部挡板下端安装有伸缩杆，伸缩杆下端固定安装在车体下挡板的内侧；涡轮组有两个，两个涡轮组通过链条组连接起来，涡轮组的轴转动安装在u形板两侧挡板下端的凹槽中；动力组a包括：电机与齿轮组，电机固定安装在车体的下挡板上，齿轮组转动安装在车体下挡板安装的挡板的凹槽中。

5、优选地，所述的钻孔部包括：连接挡板、支撑杆a、u形下压板、动力组b、转动连接杆、套环、动力组c、连接卡块a、旋转卡块、控制机构；

6、所述的连接杆a的下端转动安装在车体前侧挡板的凹槽中，连接杆a有两个，两个连接杆a的上端通过轴连接起来，两个连接杆a的连接轴转动安装在连接杆a后侧的凹槽中；两个支撑杆a上部的轴分别转动安装在连接挡板两侧的凹槽中；u形下压板两侧挡板滑动安装在连接挡板两侧的凹槽中；两个动力组b的齿条分别固定安装在u形下压板两侧挡板的凹槽中，动力组b的电机固定安装在连接挡板上；转动连接杆的凹槽滑动安装在套环内侧的凸块上，转动连接杆外侧安装有弹簧，弹簧连接转动连接杆上端安装的挡板与连接挡板；套环转动安装在连接挡板中部的凹槽中；动力组c的一个齿轮固定安装在套环的下部，动力组c的电机固定安装在连接挡板的凹槽中；多个连接卡块a分别滑动安装在转动连接杆下部的凹槽中，连接卡块a一端安装有弹簧，弹簧与转动连接杆连接；旋转卡块的孔转动安装在转动连接杆下部的凹槽中的轴上，旋转卡块的孔内侧安装有卷簧，卷簧与转动连接杆下部的凹槽中的轴连接；控制机构的下挡板固定安装在转动连接杆下端的凹槽中，控制机构的上挡板滑动安装在转动连接杆下端的凹槽中。

7、优选地，所述的钻头部包括：支撑套筒、连接杆c、气囊a、钻头、气囊b、气囊连接筒；所述的连接杆b有多个，两个连接杆b可以连接起来；支撑套筒套在连接杆b的外侧，支撑套筒上设有凹槽，方便水流渗出；连接杆c上端为凹槽，通过连接杆b下端的插板与连接杆b连接起来；气囊a上端固定安装在连接杆c下端外侧凹槽的顶部，气囊a下端安装有挡板，挡板可以推动钻头合拢；钻头转动安装在连接杆c下端的凹槽中安装的轴上；气囊b上端固定安装在连接杆c下端内侧的顶部，气囊b下端安装有挡板，挡板可以推动钻头打开；气囊连接筒连接气囊a与气囊b。

8、优选地，所述的更换部包括：动力组d、丝杆、弧形板a、分离块、上支撑板、下支撑板、弧形板b、夹紧块、旋转气缸、分离卡块、支撑板a、中部连接板、支撑板b、分离气缸、支撑板c；

9、所述的固定板两侧固定安装在两个连接杆a上，丝杆一侧转动安装在固定板上的凹槽中，另一侧螺纹安装在上支撑板两侧挡板上的螺纹孔中；动力组d的链条组的两侧齿轮分别固定安装在两个丝杆的一侧，动力组d的电机固定安装在固定板上的挡板上；弧形板a上端面固定安装在连接挡板的下端面上，弧形板a的下端固定安装在下支撑板上；分离块有两个，分别固定安装在固定板内侧的两侧；上支撑板一侧固定安装在固定板上；下支撑板一侧固定安装在固定板上；弧形板b滑动安装在上支撑板与下支撑板中部的凹槽中；夹紧块转动安装在弧形板b中间的凹槽的轴上，夹紧块中间孔内安装有卷簧，卷簧与弧形板b中间凹槽的轴连接；旋转气缸下端安装有凸块，凸块滑动安装在夹紧块上端的凹槽中，旋转气缸上端固定安装在弧形板b中间凹槽的上端；分离卡块滑动安装在上支撑板中间凹槽两侧的凹槽中；两个支撑板a分别滑动安装在上支撑板两侧的凹槽中，支撑板a滑动安装在中部连接板的中部凹槽中，支撑板a的侧面安装有弹簧，弹簧末端安装与挡板，挡板滑动安装在上支撑板侧部凹槽侧面的凹槽中；两个中部连接板分别滑动安装在上支撑板两侧下端的凹槽中；支撑板b滑动安装在中部连接板两侧的凹槽中，支撑板b一侧安装有弹簧，弹簧末端安装有挡板，挡板滑动安装在上支撑板下端的凹槽中；两个分离气缸的一端分别固定安装在上支撑板中间的两个凹槽的侧面上；两个支撑板c分别滑动安装在下支撑板两侧的凹槽中，支撑板c侧面安装有弹簧，弹簧的末端安装有挡板，挡板滑动安装在下支撑板的凹槽中，支撑板c与弧形板b固定安装。

10、本发明还提供一种适用于上述一种海底自动化钻探系统的的钻探方法，包括以下步骤：

11、s1、设备移动，通过动力组a带动设备进行移动，在海面上时可以通过动力组a带动涡轮组，使设备移动，移动到准备工作的位置停止；

12、s2、将工作部准备好，连接杆a与支撑杆a将工作部分进行支撑，使工作部分竖直起来，方便工作；

13、s3、钻孔作业，将转动连接杆与连接杆c连接，转动连接杆带动连接杆c转动并移动，进行钻孔作业，当连接杆c下将一定的位置后，转动连接杆上升，在转动连接杆上升过程中，转动连接杆与连接杆c脱离，及连接杆c留在孔中；

14、s4、添加支撑，将支撑套筒放到弧形板b上，弧形板b将支撑套筒运输到钻好的孔的位置，并将起放下，使支撑套筒落到孔中，将孔壁进行支撑，防止塌陷；

15、s5、添加连杆，将连接杆b放到弧形板b上，弧形板b运输连接杆b到指定位置，连接杆b与连接杆c进行连接，转动连接杆与连接杆b连接，继而使转动连接杆带动连接杆b与连接杆c转动并下移，进行钻孔作业，依次添加连接杆b与支撑套筒，将孔钻到一定的深度；

16、s6、取出连接杆b与连接杆c，钻头向内测翻转，使钻头包裹住连接杆c中的土壤，钻头翻转后使钻头上部不在支撑连接杆c，转动连接杆通过旋转卡块与连接杆b连接，继而使转动连接杆带动连接杆b与连接杆c上升，土壤在连接杆b与连接杆c的管道中，跟随着上升，到达一定位置后，更换部将连接杆b一个一个的取下。

17、本发明与现有技术相比的有益效果是：

18、1.设备可以在地面与海面上移动，方便运输；

19、2.将设备直立起来，转动连接杆与连接杆c连接，动力组c与动力组b带动钻头转动，下移在地面上钻孔，可以自动连接设备，并进行钻孔作业；

20、3.转动连接杆上移到的位置，将支撑套筒套在连接杆c的外侧，在孔壁上添加支撑防止塌陷；

21、4.连接杆b放到弧形板b中，夹紧块夹紧，弧形板b移动，支撑板a打开，连接杆b掉落，弧形板b移动，分离卡块将连接杆b与弧形板b分离，自动运输连接杆b；

22、5.支撑板b脱离连接杆b，连接杆b在重力的作用下与连接杆c连接，转动连接杆下移与连接杆b连接，进行钻孔作业，自动连接连接杆b，连接后自动开始钻孔；

23、6.将钻头向内侧旋转一定的角度，转动连接杆与连接杆b连接，连接杆c与钻头上移，支撑套筒被留在孔中，将钻孔的连接杆取出，并在孔壁留下支撑套筒；

24、7.两个连接杆b分离，弧形板b到连接杆b位置，支撑板c将连接杆b分离，转动连接杆与连接杆b脱离连接，弧形板b的带动连接杆b移动，自动将连接杆分离并取下；

25、8.转动连接杆与下个连接杆b连接，转动连接杆带动连接杆b上升，依次工作，将安装好的连接杆取下，使设备恢复原状，可以自动的将连接杆取下，设备可以恢复原状，方便下次使用；

26、9.这样及可以在珊瑚岛上进行打孔作业，又可以在打孔的时候，在孔中放入支撑套筒将孔壁支撑起来，使孔不易坍塌，方便观察。