本发明涉及油气管道领域，特别涉及一种水下开孔装置及方法。
背景技术
对于油气的长距离运输，无论在海洋还是陆地，管道输送无疑是最快、最高效的输送方式。特别地，在海洋中使用管道进行油气运输时，如果管道发生损坏，不易修复，容易导致油气大量泄漏，进而对环境污染、人身安全等方面产生严重影响。因此，为了避免油气在海洋中大量泄漏，有必要及时修复损坏的管道，而在管道修复之前，需要将其内部的油气排空，以确保修复作业的安全进行。
为了实现该油气排空作业，现有技术通过如下所述的方法进行：将设置有液压站的作业船驶于待修复管道的上方，将通过液压管线与该液压站连接的水下开孔机下放至管道的待修复管段处，液压站对水下开孔机提供液压动力，人工操作水下开孔机对待修复管段两端的管壁进行开孔，然后使用封堵件通过开孔处插入管道内部，以将待修复管段与其余管段隔离开来。随后将待修复管段内的油气通过封堵结合器导出，从而实现将其内部油气排空。然后，即可对待修复管段进行修复作业。在利用水下开孔机进行开孔作业过程中，通过潜水员潜入海底对水下开孔机进行监控，不断将水下开孔机的工作状态通过对讲机等通讯设备反馈给作业船上的技术人员，随后，技术人员对潜水员发出指令，潜水员根据该指令控制水下开孔机进行开孔作业。
发明人发现现有技术至少存在以下问题：
现有技术通过潜水员来将水下开孔机的工作状态反馈至地面，其具有滞后性，导致地面对潜水员发出指令，潜水员根据该指令控制水下开孔机进行开孔作业也具有滞后性，不利于开孔作业的精确进行。
技术实现要素：
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供了一种能够将水下开孔机的工作状态实时反馈给地面，并且能够根据水下开孔机的工作状态随时对其进行控制的水下开孔装置及方法。具体技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种水下开孔装置，包括液压站、通过液压管线与所述液压站连接的水下开孔机，所述装置还包括：远程控制台，与所述液压站通过通信线路电连接，用于对所述液压站的作业状态进行监控和控制；
所述水下开孔机内置有水下处理模块和水下执行模块；
所述远程控制台通过电缆与所述水下处理模块电连接，所述水下处理模块还通过信号线与所述水下执行模块电连接；
所述远程控制台用于发送控制信号，所述水下处理模块用于接收并处理所述控制信号并发送给所述水下执行模块，所述水下执行模块根据所述控制信号对所述水下开孔机的作业状态进行控制；
所述水下处理模块还用于获取所述水下开孔机的作业状态，处理后发送给所述远程控制台。
具体地，作为优选，所述水下执行模块包括多个子模块，分别用于控制所述水下开孔机的启停、转换所述水下开孔机切削或进给工作状态、调节所述水下开孔机工作时的切削速度及压力、进给转速及压力。
具体地，作为优选，所述远程控制台包括顺次电连接的控制面板、工控机、不间断电源；
所述工控机通过所述通信线路和所述电缆分别与所述液压站和所述水下处理模块电连接；
所述控制面板上设置有控制旋钮、控制按钮和拨动开关。
具体地，作为优选，所述装置还包括绞车，所述绞车上设置有第一滑环和第二滑环；
所述液压管线包括第一液压管线和第二液压管线，所述第一液压管线的一端与所述液压站连接，另一端与所述第一滑环连接；
所述第二液压管线的一端与所述第一滑环连接，同时通过所述第一滑环与所述第一液压管线导通，另一端与所述水下开孔机连接；
所述电缆包括第一电缆和第二电缆，所述第一电缆的一端与所述远程控制台电连接，另一端与所述第二滑环电连接；
所述第二电缆的一端与所述第二滑环电连接，另一端与所述水下处理模块电连接。
具体地，作为优选，所述第二液压管线和所述第二电缆铠装在一起，形成脐带缆；
所述脐带缆还包括：套装在所述第二液压管线和所述第二电缆外部的护套、以及设置在所述护套内部用于隔离所述第二液压管线、所述第二电缆的隔离件。
具体地，作为优选，所述护套包括：由内向外依次套装的内层护套、内层铠装钢丝、外层护套、外层铠装钢丝。
具体地，作为优选，所述装置还包括固定在所述水下开孔机上的脐带缆固定筒；
所述脐带缆固定筒内部设置有第一固定环和第二固定环；
所述第一固定环穿过所述脐带缆端部伸出的所述第二液压管线；
所述第二固定环穿过所述脐带缆端部伸出的所述第二电缆。
第二方面，本发明实施例提供了利用上述装置进行水下开孔的方法，所述方法包括：
利用远程控制台监控和控制液压站的作业状态，并使用所述液压站为水下开孔机提供液压动力；
与此同时，所述远程控制台发送控制信号，水下处理模块接收并处理所述控制信号并发送给水下执行模块，所述水下执行模块根据所述控制信号对所述水下开孔机的作业状态进行控制，使所述水下开孔机进行开孔作业；
在所述水下开孔机的作业过程中，所述水下处理模块还实时获取所述水下开孔机的作业状态信息，并将处理后的所述作业状态信息发送给所述远程控制台，所述远程控制台根据所述作业状态信息对所述水下开孔机的作业状态进行调整。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例提供的水下开孔装置，通过水下处理模块接收并处理远程控制台发送来的控制信号，并将处理后的控制信号发送给水下执行模块，进以控制水下开孔机进行开孔作业。同时，水下处理模块可以实时获取水下开孔机的作业状态信息，并将处理后的作业状态信息发送给远程控制台。如此，保证了水下开孔机的工作状态可以实时反馈至地面，并且根据反馈信息可以实时对水下开孔机进行远程控制，有利于开孔作业的精确进行，并且，通过对水下开孔机进行实时监控和远程控制，不仅缩短了施工周期，而且还降低了开孔作业难度，使开孔作业更加自动化、智能化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的水下开孔装置的连接关系示意图；
图2是本发明实施例提供的脐带缆的截面示意图。
其中，图1中的波浪线表示水面。
附图标记分别表示：
1液压站，
2水下开孔机，
201水下处理模块，
202水下执行模块，
3远程控制台，
4绞车，
5脐带缆，
501护套，
5011内层护套，
5012内层铠装钢丝，
5013外层护套，
5014外层铠装钢丝，
502隔离件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
第一方面，本发明实施例提供了一种水下开孔装置，如附图1所示，该装置包括液压站1、水下开孔机2、远程控制台3、水下处理模块201、水下执行模块202。其中，水下开孔机2通过液压管线与液压站1连接，远程控制台3与液压站1通过通信线路电连接，用于对液压站1的作业状态进行监控和控制，并且，水下开孔机2内置有水下处理模块201和水下执行模块202；远程控制台3通过电缆与水下处理模块201电连接，水下处理模块201还通过信号线与水下执行模块202电连接；远程控制台3用于发送控制信号，水下处理模块201用于接收并处理控制信号并发送给水下执行模块202，水下执行模块202根据控制信号对水下开孔机2的作业状态进行控制；水下处理模块201还用于获取水下开孔机2的作业状态，处理后发送给远程控制台3。
本发明实施例特别针对于海洋内油气运输管道抢修作业中的开孔作业，当海洋内的油气运输管道发生损坏时，将该水下开孔装置的作业船驶于待修复管道的上方，将水下开孔机2下放至管道的待修复管段处，利用液压站1对水下开孔机2提供液压动力，通过远程控制台3操控水下开孔机2对待修复管段两端的管壁进行开孔。然后使用封堵件通过开孔处插入管道内部，以将待修复管段与其余管段隔离开来。随后将待修复管段内的油气通过封堵结合器导出，从而实现将其内部油气排空。然后，即可对待修复管段进行修复作业。
在进行开孔作业时，利用远程控制台3监控和控制液压站1，并使用液压站1为水下开孔机2提供液压动力；与此同时，远程控制台3发送控制信号，水下处理模块201接收并处理该控制信号并发送给水下执行模块202，水下执行模块202根据控制信号对水下开孔机2的作业状态进行控制；在水下开孔机2的作业过程中，水下处理模块201实时获取水下开孔机2的作业状态信息，并将处理后的作业状态信息发送给远程控制台3，远程控制台3根据作业状态信息再对水下开孔机2的作业状态进行调整，以确保水下开孔机2的作业状态满足要求。
基于上述，通过水下处理模块201接收并处理远程控制台3发送来的控制信号，并将处理后的控制信号发送给水下执行模块202，进以控制水下开孔机2进行开孔作业。同时，水下处理模块201可以实时获取水下开孔机2的作业状态信息，并将处理后的作业状态信息发送给远程控制台3。如此，保证了水下开孔机2的工作状态可以实时反馈至地面，并且根据反馈信息可以实时对水下开孔机2进行远程控制，有利于开孔作业的精确进行。并且，通过对水下开孔机2进行实时监控和远程控制，不仅缩短了施工周期，而且还降低了开孔作业难度，使开孔作业更加自动化、智能化。
此外，通过将水下开孔机2的工作状态实时反馈至地面，并且根据反馈信息实时对水下开孔机2进行远程控制。避免了由于潜水员不熟知水下开孔机2的技术原理而导致的以下问题：潜水员对水下开孔机2当前作业状态的反馈具有不准确性和不全面性，间接影响技术人员对水下开孔机2当前的作业状态，具有一定的风险性。
在本发明实施例中，通信线路指的是控制器局部网(controllerareanetwork，简称can)总线，是一种支持分布式控制或实时控制的串行通信网络总线。液压站1和远程控制台3之间通过通信线路电连接，可以实现远程控制台3对液压站1的控制，以及两者之间的数据交互。
液压站1作为水下开孔机2的液压动力源，其结构为本领域所常见的，一般包括液压泵、电动机、油箱、多个阀门。应用时，电动机带动液压泵旋转，液压泵从油箱中吸油后打油，将机械能转化为液压油的压力能，并通过多个阀门实现方向、压力、流量的调节后经液压管线传输到水下开孔机2，从而为水下开孔机2提供液压动力。举例来说，液压站1的结构可以参考专利文献：一种内置式电泵一体液压站(申请号cn201310495941.2)，本领域技术人员通过参考该文献即可容易地获得液压站的结构，本发明实施例在此并不对其结构作具体限定。
本领域技术人员可以理解的是，液压管线包括进油管和回油管。应用时，液压站1通过进油管向水下开孔机2内注入液压油，以传输液压动力，液压油经水下开孔机2后再由回油管流回至液压站1，以完成对开孔机2的动力传输。通过如此设置，使进油管和回油管形成了一个液压油回路，在保证对水下开孔机2进行动力传输的同时，便于对液压油的循环使用。
水下开孔机2也称水下管道开孔机，为本领域所常见的，包括差动机构、通过传动轴与该差动机构相连的钻杆，该钻杆的下端设置有开孔刀和中心钻。应用时，在液压驱动力的作用下，差动机构通过传动轴带动钻杆移动和旋转，具体地，通过钻杆下端的开孔刀和中心钻分别实现了开孔刀的切削和进给功能，进而实现对管道的开孔作业。
基于水下密封舱具有良好的密封性，为了保证水下处理模块201稳定工作，水下开孔机2上设置有水下密封舱，水下处理模块201位于该密封舱内，以接收远程控制台3发出的控制信号，并将该控制信号处理后传输给水下执行模块202。水下密封舱的结构可以参考专利文献：一种水下摄像头密封舱(申请号cn201320830252.8)，本领域技术人员通过参考该文献即可容易地获得水下密封舱的结构，本发明实施例在此并不对其结构作具体限定。
水下执行模块202包括多个子模块，分别用于控制水下开孔机2的启停、转换水下开孔机2的切削或进给工作状态、调节水下开孔机2工作时的切削速度及压力、进给转速及压力。
水下处理模块201在接收到远程控制台3传来的控制信号后，只需将控制信号处理后传输给与该控制信号功能对应的子模块，通过该子模块即可实现水下开孔机2的启停、水下开孔机2中开孔刀的切削、中心钻的进给、水下开孔机2切削或进给工作状态的转换，以及对上述切削速度及压力、进给转速及压力的调节。
通过设置多个子模块，便于实现对水下开孔机2进行不同功能操作的控制。其中，子模块可以为不同结构的阀门，具体地，水下执行模块202包括多个能够实现对水下开孔机2进行不同功能操作的开关阀和比例阀，开关阀用于实现对水下开孔机2的启停、功能的开关，比例阀则用于调节水下开孔机2工作时切削、进给转速及压力大小，举例来说，当需要水下开孔机2进行进给操作时，通过远程控制台3向水下执行模块202发出打开与该进给操作对应的开关阀的指令即可。此外，还可以通过远程控制台3向水下执行模块202发出调节比例阀的开度的指令，以对水下开孔机2进给的速度及压力进行调节。
远程控制台3包括顺次电连接的控制面板、工控机、不间断电源(uninterruptiblepowersystem/uninterruptiblepowersupply，简称ups)。工控机通过通信线路和电缆分别与液压站1和水下处理模块201电连接；控制面板上设置有控制旋钮、控制开关和拨动开关。
应用时，不间断电源在紧急断电情况下对远程控制台3进行供电，工控机对液压站1和水下处理模块201的数据信号进行接收、计算和显示，随后对显示的液压站1和水下处理模块201传来的数据信息，工作人员对该信息进行判断后，确定水下开孔机2的后续作业过程，通过控制面板向工控机发出控制信号，并将控制信号通过电缆传输给水下处理模块201和液压站1，以驱动水下开孔机2进行不同功能的操作。
基于上述，通过使用工控机接收数据参数，控制面板发出控制指令，不仅实现了远程控制台3分别与液压站1、水下处理模块201的数据交互，进一步保证了开孔作业的精确进行。而且，通过使用不间断电源在紧急断电状态下对整个远程控制台3供电，避免了供电问题或电源线故障对水下开孔机2作业状态的影响。
控制面板上设置有控制旋钮、控制开关、拨动开关，将开关和旋钮配合使用，以向水下开孔机2发出不同的控制信号，进而通过操作控制面板即可实现对水下开孔机2不同功能的控制。举例来说，可以实现水下开孔机2的启停，以及水下开孔机2钻杆的旋转、进给、切削等。
该控制旋钮优选包括具备相同功能的主旋钮和备用旋钮，在正常的作业过程中，只需要旋转主旋钮即可实现对水下开孔机2的远程控制，但当工控机所显示的数据出现问题导致主旋钮不能正常工作时，则使用备用旋钮进行后续操作，进而保证了远程控制台3在作业过程中的稳定性和安全性。
在本发明实施例中，如附图1所示，水下开孔装置还包括绞车4，该绞车4上设置有第一滑环和第二滑环；液压管线包括第一液压管线和第二液压管线，其中，第一液压管线的一端与液压站1连接，另一端与第一滑环连接，第二液压管线的一端与第一滑环连接，并通过该第一滑环与第一液压管导通，另一端与水下开孔机2连接；电缆包括第一电缆和第二电缆，其中，第一电缆的一端与远程控制台3电连接，另一端与第二滑环电连接，第二电缆的一端与第二滑环电连接，另一端与水下处理模块201电连接。
应用时，将第二液压管线与第二电缆缠绕在绞车4上并将绞车4固定在作业船的甲板上，将第一液压管线与第一滑环相连，第一电缆与第二滑环电连接，组装完成后。随后，将第二液压管线与第二电缆随水下开孔机2下放至海底待修复管道处，进行开孔作业。基于绞车4具有转移方便、下放便捷等特点，因此，可以使用绞车4下放第二液压管线与第二电缆。
其中，滑环是一种负责为旋转体连通、输送能源与信号的连接件。在本发明实施例中，第一滑环为流体滑环，包括壳体、固定于壳体内的定子，以及与定子可转动连接的转子，定子和转子上设置有一个或多个相对的通液孔，用于输送液体。应用时，转子端固定在绞车4上，并与第二液压管线相连，定子端用于与第一液压管线相连，以实现第一液压管线和第二液压管线的导通，从而对水下开孔机2的液压动力输送。
第二滑环为导电滑环，包括壳体、固定于壳体内的中轴，中轴的外圆周上设置有滑环环道，并且，壳体与中轴之间设置有滑环电刷，滑环环道与滑环电刷电连接。应用时，中轴的一端固定在绞车4上，与第二电缆电连接，另一端用于与第一电缆电连接，以实现对水下开孔机2的数据信号传输。
为了避免第二液压管线与第二电缆在向海底下放的过程中发生损坏，将第二液压管线和第二电缆铠装在一起，形成脐带缆5(参见附图1、附图2)。其中，铠装指的是将第二液压管线与第二电缆放在一起后在两者的外壁上套装一层金属保护，该金属保护可以设置为多种，举例来说，可以设置为由钢丝、铁丝等金属制成的管状结构等。
如附图2所示，脐带缆5包括：第二液压管线、第二电缆、套装在第二液压管线和第二电缆外部的护套501、以及设置在护套501内部用于隔离第二液压管线、第二电缆的隔离件502。
通过如此设置，避免了在作业过程中第二液压管线与第二电缆相互碰撞而发生损坏，从而影响第二液压管线的动力传输和第二电缆的数据传输。
其中，隔离件502的材质可以为多种，例如，其可以为橡胶、塑料等，只要能够将第二液压管线与第二电缆分隔开即可，为了进一步保证第二液压管线和第二电缆通过隔离件502分隔后不会发生损坏，可以优选弹性较强的材质，例如，橡胶等；其数量可以为多个，例如，其可以为2个、3个、4个等；对于隔离件502的结构，举例来说，可以为管状、柱状等，只要具有足够的长度，能够保证第二液压管线与第二电缆不会因相互碰撞而发生损坏即可。
进一步地，护套501包括：由内向外依次套装的内层护套5011、内层铠装钢丝5012、外层护套5013、外层铠装钢丝5014(参见附图2)。
通过如此设置，在第二液压管线与第二电缆外形成了两个保护层，进一步提高了对第二液压管线与第二电缆的保护效果。其中，内层护套5011和外层护套5013优选为橡胶管状结构。
通过使用内层铠装钢丝5012和外层铠装钢丝5014，在实现对第二液压管线与第二电缆保护作用的同时，还可以将第二液压管线与第二电缆捆束紧固，避免两者在内层护套5011内发生窜动，从而影响后续作业。其中，内层铠装钢丝5012与外层铠装钢丝5014的结构可以为多种，举例来说，可以为缠绕在内层护套5011和外层护套5013外壁上的钢丝结构，也可以为套装在内层护套5011和外层护套5013上的钢丝网状结构等。
在本发明实施例中，水下开孔装置还包括固定在水下开孔机2上的脐带缆固定筒；脐带缆固定筒内部设置有第一固定环和第二固定环；第一固定环穿过脐带缆5端部伸出的第二液压管线；第二固定环穿过脐带缆5端部伸出的第二电缆。
应用时，将脐带缆5穿过脐带缆固定筒，对脐带缆5穿过脐带缆固定筒的部分解除铠装，使自脐带缆5端部伸出的第二液压管线穿过第一固定环后与水下开孔机2上的液压管线接口相连，自脐带缆5端部伸出的第二电缆穿过第二固定环后与水下处理模块201电连接。
通过设置脐带缆固定筒，使脐带缆5穿过脐带缆固定筒后解除铠装，第二液压管线与第二电缆分离，便于实现第二液压管线与第二电缆分别与水下开孔机2上的液压管线接口和水下处理模块201的连接。其中，脐带缆固定筒为端部设置有通孔的筒状结构，其内部设置有第一固定环和第二固定环，用于实现第二液压管线与第二电缆的分离。脐带缆固定筒可以通过在水下开孔机2上设置支座，并在该支座上安装左、右支架，将脐带缆固定筒焊接在左、右支架上，以实现脐带缆固定筒在水下开孔机2上的固定。
第二方面，基于上述提供的水下开孔装置，本发明实施例提供了利用该装置进行水下开孔的方法，具体地，该方法包括：
利用远程控制台3监控和控制液压站1的作业状态，并使用液压站1为水下开孔机2提供液压动力；与此同时，远程控制台3发送控制信号，水下处理模块201接收并处理该控制信号并发送给水下执行模块202，水下执行模块202根据控制信号对水下开孔机2的作业状态进行控制，使水下开孔机2进行开孔作业；在水下开孔机2的作业过程中，水下处理模块201还实时获取水下开孔机2的作业状态信息，并将处理后的作业状态信息发送给远程控制台3，远程控制台3根据作业状态信息对水下开孔机2的作业状态进行调整。
通过使用上述方法控制水下开孔机2进行开孔作业，保证了水下开孔机2的工作状态可以实时反馈至地面，并且根据反馈信息可以实时对水下开孔机2进行远程控制，有利于开孔作业的精确进行。并且，通过实现对水下开孔机2的实时监控和远程控制，不仅缩短了施工周期，而且还降低了开孔作业难度，使开孔作业更加自动化、智能化。
根据水下开孔的实际作业情况，有时也需要潜水员或遥控无人潜水器(remoteoperatedvehicle，简称rov)在开孔作业过程中对水下开孔机2进行数据校核。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，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。