一种海域钻探快速换取钻探岩心管的装置及工作方法与流程

1.本发明涉及海洋底部岩石钻探设备技术领域，具体涉及一种海域钻探快速换取钻探岩心管的装置及工作方法。


背景技术：

2.岩心管是指岩心钻探中连接在钻头上部用以容纳和保护岩心的一段管材。 在每一次钻探工作过程中，需要从钻孔中抽出岩心管，然后将岩心管内的岩心取出来。现有的操作方法均是采用在钻杆的套杆内部伸入钢丝和接头，将岩心管提出，然后同样的操作方法再将新的岩心管伸入底部，更换新的岩心管。这种方法需要分步完成拆卸提升旧岩心管，然后下放和安装新岩心管，操作效率较低，尤其是在海底勘探作业时，由于海水有深度，加上需要向下钻探海床的深度，造成钻杆的整体较长，这种方式极为浪费时间。为了提高效率，也有专利申请号202111257800 .8公开的一种中控式海底多头连续取样钻机，采用了存储仓式的结构，能同时容纳多个岩心管，对岩心管进行保存和更换，提高了钻探效率和换心效率，但是整体结构较为复杂，岩心管存储在海底，不能及时上运，同样会对样本的准确性产生影响。因此，需要设计一种海域钻探快速换取钻探岩心管的装置及工作方法，以解决现有岩心管换心效率低以及岩心管上运不及时的问题。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种海域钻探快速换取钻探岩心管的装置及工作方法。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种海域钻探快速换取钻探岩心管的装置，包括钻探机构、岩心管升降机构和换心操作平台，所述钻探机构和岩心管升降机构安装在驳船上，岩心管升降机构设有两组，岩心管升降机构上提和下送岩心管；换心操作平台安装在海床面上，换心操作平台上安装有两个换心机械手和两组岩心管拆装机构，换心机械手抱住岩心管旋转进行拆卸或安装，岩心管拆装机构将岩心管拆卸或安装到岩心管升降机构。
5.具体的是，所述钻探机构包括钻机、钻杆、岩心管和钻头，钻机安装在驳船上，钻机下面安装多节钻杆，钻杆的下部连接岩心管，岩心管的下部连接钻头。
6.具体的是，所述岩心管升降机构设有卷扬机一、卷扬机二和两个钢丝稳定架，卷扬机一上设有钢丝一，卷扬机二上设有钢丝二，钢丝一和钢丝二底部均连接轴承，轴承转动安装在岩心管固定罩上，岩心管固定罩下部外周固定有齿环。
7.具体的是，所述钢丝稳定架固定在驳船的底部，钢丝稳定架上安装多个钢丝稳定器，钢丝稳定器设有两个稳定器电机和两个钢丝夹臂，稳定器电机驱动钢丝夹臂摆动，钢丝一或钢丝二穿过钢丝稳定架后，稳定器电机驱动钢丝夹臂套在钢丝一或钢丝二的外部进行限位，钢丝夹臂内侧设有辊轴。
8.具体的是，所述换心操作平台包括环形骨架、竖向支撑和电动推杆，环形骨架和竖
向支撑形成圆筒型框架结构，竖向支撑的底部安装电动推杆，电动推杆的底部安装支撑板，支撑板支撑在海床面上。
9.具体的是，所述换心操作平台上还安装有定位器、水平仪和摄像头，水平仪识别换心操作平台的水平度并通过电动推杆调节整体水平。
10.具体的是，所述换心机械手设有上下分布的两个，换心机械手包括机械臂、轨道车和夹持臂，所述机械臂一端连接摆动电机，摆动电机控制机械臂摆动，摆动电机转动安装在轨道车上，轨道车的车轮在环形轨道内限位移动，环形轨道安装在换心操作平台内侧，轨道车内设有驱动电机，驱动电机驱动轨道车沿环形轨道移动，机械臂的另一端安装两个夹持电机，夹持电机连接夹持臂，夹持电机控制两个夹持臂的开合夹紧岩心管。
11.具体的是，所述岩心管拆装机构安装在横梁上，横梁固定在换心操作平台的内侧上部，岩心管拆装机构设有夹紧块一、夹紧块二和反向螺杆，反向螺杆通过轴承座转动安装在横梁底部，反向螺杆的一端连接螺杆电机，螺杆电机驱动反向螺杆转动，夹紧块一和夹紧块二上部均设有丝母座，丝母座丝接在反向螺杆上，反向螺杆转动控制夹紧块一和夹紧块二的相对或相反移动，用于夹紧块一和夹紧块二夹紧或松开岩心管固定罩，夹紧块一和夹紧块二的下部均设有拆装电机，拆装电机的电机轴连接齿轮，齿轮啮合连接岩心管固定罩外部的齿环，拆装电机控制岩心管固定罩旋转拆卸或安装岩心管。
12.具体的是，所述换心操作平台下部设有钻头夹具，钻头夹具采用夹具电机驱动钻头夹臂，夹具电机控制钻头夹臂摆动夹紧钻头。
13.一种海域钻探快速换取钻探岩心管的装置的工作方法，包括以下步骤：1）在驳船上搭建钻机，钻机的钻杆和钻头伸向海床面，海床面上且在钻杆的外周安装换心操作平台，钻机旁安装卷扬机一和卷扬机二，驳船的底部安装钢丝稳定架和钢丝稳定器；2）需要更换岩心管时，卷扬机一的岩心管固定罩上丝接新岩心管，卷扬机一和卷扬机二同时向下移动，钢丝稳定器的钢丝夹臂抱住钢丝一和钢丝二，带有新岩心管的钢丝一和钢丝二均下落至换心操作平台的上部；3）钻机控制旧岩心管和钻头上升至换心操作平台处，钻头夹具向内夹紧钻头，两个换心机械手的摆动电机控制机械臂移动至指向旧岩心管方向，夹持电机控制夹持臂夹紧旧岩心管，两个换心机械手均夹紧旧岩心管，驱动电机驱动轨道车沿同一方向移动，带动旧岩心管转动，将旧岩心管拆卸下来；4）然后，钢丝一和钢丝二继续下降至换心操作平台内部，下部的换心机械手松开旧岩心管，摆动电机和驱动电机驱动夹持臂移动至新岩心管处，夹持电机驱动夹持臂夹紧新岩心管，上部的换心机械手夹持旧岩心管通过摆动电机和驱动电机驱动移动至钢丝二的岩心管固定罩处；5）两个螺杆电机同时工作驱动两组夹紧块一和夹紧块二分别夹紧钢丝一和钢丝二上的岩心管固定罩，夹紧块一和夹紧块二的齿轮啮合岩心管固定罩上的齿环，拆装电机控制齿轮转动带动齿环转动和岩心管固定罩转动，使钢丝一上的新岩心管卸下由下部的换心机械手夹紧，钢丝二上拧上旧岩心管，夹紧块一和夹紧块二均向两边松开，钢丝二带动旧岩心管上升至驳船，并下降带回新岩心管；6）下部的换心机械手带动新岩心管回到中心位置，上部的换心机械手同样抓紧新
岩心管，通过驱动电机驱动轨道车反向转动，将新岩心管安装在钻杆和钻头之间，两个换心机械手摆动到一侧，钻头夹具松开，开始新的钻探工作。
14.本发明具有以下有益效果：本发明设计的海域钻探快速换取钻探岩心管的装置及工作方法更换岩心管时，新岩心管待命，实现更快捷的更换岩心管，更换完的岩心管直接上运至驳船，保证样本的完整性和准确性，然后再下运新岩心管待命，更换岩心管效率高，整体钻探效率高；整体结构简单，操作方便，通过海底摄像头可视化操作，设计的钢丝稳定器，使岩心管的上下运输更加稳定。
附图说明
15.图1是海域钻探快速换取钻探岩心管的装置的结构示意图一。
16.图2是海域钻探快速换取钻探岩心管的装置的结构示意图二。
17.图3是换心操作平台的俯视图。
18.图4是岩心管拆装机构的结构示意图。
19.图5是岩心管拆装机构的侧视图。
20.图6是钢丝稳定器合并状态的结构示意图。
21.图7是钢丝稳定器张开状态的结构示意图。
22.图中：1-钻探机构，1.1-钻机，1.2-钻杆，1.3-岩心管，1.4-钻头；2-岩心管升降机构，2.1-卷扬机一，2.2-卷扬机二，2.3-钢丝一，2.4-钢丝二，2.5-钢丝稳定架，2.6-钢丝稳定器，2.7-稳定器电机，2.8-岩心管固定罩，2.9-齿环，2.10-轴承，2.11-钢丝夹臂；3-换心操作平台，3.1-环形骨架，3.2-竖向支撑，3.3-电动推杆；4-换心机械手，4.1-机械臂，4.2-环形轨道，4.3-轨道车，4.4-摆动电机，4.5-夹持臂，4.6-夹持电机；5-岩心管拆装机构，5.1-横梁，5.2-夹紧块一，5.3-夹紧块二，5.4-反向螺杆，5.5-丝母座，5.6-螺杆电机，5.7-拆装电机，5.8-齿轮，5.9-轴承座；6-驳船；7-海平面；8-海床面。
具体实施方式
23.以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地进一步详细的说明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.如图1-7所示，一种海域钻探快速换取钻探岩心管的装置，包括钻探机构1、岩心管升降机构2、换心操作平台3、换心机械手4和岩心管拆装机构5，钻探机构1和岩心管升降机构2安装在驳船6上，岩心管升降机构2设有两组，岩心管升降机构2上提和下送岩心管1.3。
25.换心操作平台3安装在海床面8上，换心操作平台3上安装有两个换心机械手4和两组岩心管拆装机构5，换心机械手4抱住岩心管1.3旋转进行拆卸或安装，岩心管拆装机构5将岩心管1.3拆卸或安装到岩心管升降机构2的岩心管固定罩2.8上。
26.钻探机构1包括钻机1.1、钻杆1.2、岩心管1.3和钻头1.4，钻机1.1安装在驳船6上，
钻机1.1下面安装多节钻杆1.2，钻杆1.2的下部连接岩心管1.3，岩心管1.3的下部连接钻头1.4。
27.岩心管升降机构2设有卷扬机一2.1、卷扬机二2.2、钢丝一2.3、钢丝二2.4和两个钢丝稳定架2.5，卷扬机一2.1上设有钢丝一2.3，卷扬机二2.2上设有钢丝二2.4，钢丝一2.3和钢丝二2.4底部均连接轴承2.10，轴承2.10转动安装在岩心管固定罩2.8上，岩心管固定罩2.8下部外周固定有齿环2.9。
28.钢丝稳定架2.5固定在驳船6的底部，钢丝稳定架2.5上安装多个钢丝稳定器2.6，钢丝稳定器2.6设有两个稳定器电机2.7和两个钢丝夹臂2.11，钢丝夹臂2.11内侧设有辊轴，钢丝移动更流畅，稳定器电机2.7驱动钢丝夹臂2.11摆动，钢丝一2.3或钢丝二2.4穿过钢丝稳定架2.5后，稳定器电机2.7驱动钢丝夹臂2.11套在钢丝一2.3或钢丝二2.4的外部进行限位。为增加钢丝的稳定性，避免海流的影响，洋面下100m以内由细的钢杆做为稳定架，带有绳索稳定机械抓手做为稳定器稳定绳索，下送岩心管1.3时，钢丝稳定器2.6限定钢丝位置，加之钢丝及岩心管1.3的自身重量，很好地到达相应位置，有岩心管换心机械手4准确抓取。上送岩心管1.3时，钢丝稳定器2.6呈180度张开，岩心管1.3可顺畅的被送至驳船6的操作面上。
29.换心操作平台3包括环形骨架3.1、竖向支撑3.2和电动推杆3.3，环形骨架3.1和竖向支撑3.2形成圆筒型框架结构，竖向支撑3.2的底部安装电动推杆3.3，电动推杆3.3的底部安装支撑板，支撑板支撑在海床面8上。换心操作平台3上还安装有定位器、水平仪和摄像头，海底摄像头实现海底操作的可视化，水平仪识别换心操作平台3的水平度并通过电动推杆3.3调节整体水平，整个机构底座有水平面调节功能。
30.换心机械手4设有上下分布的两个，换心机械手4包括机械臂4.1、环形轨道4.2、轨道车4.3、摆动电机4.4、夹持臂4.5和夹持电机4.6，机械臂4.1一端连接摆动电机4.4，摆动电机4.4控制机械臂4.1摆动，摆动电机4.4转动安装在轨道车4.3上，轨道车4.3的车轮在环形轨道4.2内限位移动，环形轨道4.2安装在换心操作平台3内侧，轨道车4.3内设有驱动电机，驱动电机驱动轨道车4.3沿环形轨道4.2移动，机械臂4.1的另一端安装两个夹持电机4.6，夹持电机4.6连接夹持臂4.5，夹持电机4.6控制两个夹持臂4.5的开合夹紧岩心管1.3。
31.岩心管拆装机构5安装在横梁5.1上，横梁5.1固定在换心操作平台3的内侧上部，岩心管拆装机构5设有夹紧块一5.2、夹紧块二5.3和反向螺杆5.4，反向螺杆5.4通过轴承座5.9转动安装在横梁5.1底部，反向螺杆5.4的一端连接螺杆电机5.6，螺杆电机5.6驱动反向螺杆5.4转动，夹紧块一5.2和夹紧块二5.3上部均设有丝母座5.5，丝母座5.5丝接在反向螺杆5.4上，反向螺杆5.4转动控制夹紧块一5.2和夹紧块二5.3的相对或相反移动，用于夹紧块一5.2和夹紧块二5.3夹紧或松开岩心管固定罩2.8，夹紧块一5.2和夹紧块二5.3的下部均设有拆装电机5.7，拆装电机5.7的电机轴连接齿轮5.8，齿轮5.8啮合连接岩心管固定罩2.8外部的齿环2.9，拆装电机5.7控制岩心管固定罩2.8旋转拆卸或安装岩心管1.3。
32.换心操作平台3下部设有钻头夹具，钻头夹具采用夹具电机驱动钻头夹臂，夹具电机控制钻头夹臂摆动夹紧钻头。
33.一种海域钻探快速换取钻探岩心管的装置的工作方法，包括以下步骤：1）在驳船6上搭建钻机1.1，钻机1.1的钻杆1.2和钻头1.4伸向海床面8，海床面8上且在钻杆1.2的外周安装换心操作平台3，钻机1.1旁安装卷扬机一2.1和卷扬机二2.2，驳船
6的底部安装钢丝稳定架2.5和钢丝稳定器2.6；2）需要更换岩心管1.3时，卷扬机一2.1的岩心管固定罩2.8上丝接新岩心管，卷扬机一2.1和卷扬机二2.2同时向下移动，钢丝稳定器2.6的钢丝夹臂2.11抱住钢丝一2.3和钢丝二2.4，带有新岩心管的钢丝一2.3和钢丝二2.4均下落至换心操作平台3的上部；3）钻机1.1控制旧岩心管和钻头1.4上升至换心操作平台3处，钻头夹具向内夹紧钻头1.4，两个换心机械手4的摆动电机4.4控制机械臂4.1移动至指向旧岩心管方向，夹持电机4.6控制夹持臂4.5夹紧旧岩心管，两个换心机械手4均夹紧旧岩心管，驱动电机驱动轨道车4.3沿同一方向移动，带动旧岩心管转动，将旧岩心管拆卸下来；4）然后，钢丝一2.3和钢丝二2.4继续下降至换心操作平台3内部，下部的换心机械手4松开旧岩心管，摆动电机4.4和驱动电机驱动夹持臂4.5移动至新岩心管处，夹持电机4.6驱动夹持臂4.5夹紧新岩心管，上部的换心机械手4夹持旧岩心管通过摆动电机4.4和驱动电机驱动移动至钢丝二2.4的岩心管固定罩2.8处；5）两个螺杆电机5.6同时工作驱动两组夹紧块一5.2和夹紧块二5.3分别夹紧钢丝一2.3和钢丝二2.4上的岩心管固定罩2.8，夹紧块一5.2和夹紧块二5.3的齿轮5.8啮合岩心管固定罩2.8上的齿环2.9，拆装电机5.7控制齿轮2.8转动带动齿环2.9转动和岩心管固定罩2.8转动，使钢丝一2.3上的新岩心管卸下由下部的换心机械手4夹紧，钢丝二2.4上拧上旧岩心管，夹紧块一5.2和夹紧块二5.3均向两边松开，钢丝二2.4带动旧岩心管上升至驳船6，并下降带回新岩心管；6）下部的换心机械手4带动新岩心管回到中心位置，上部的换心机械手4同样抓紧新岩心管，通过驱动电机驱动轨道车4.3反向转动，将新岩心管安装在钻杆1.2和钻头1.4之间，两个换心机械手4摆动到一侧，钻头夹具松开，开始新的钻探工作。
34.本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
35.本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

技术特征：
1.一种海域钻探快速换取钻探岩心管的装置，其特征在于，包括钻探机构、岩心管升降机构和换心操作平台，所述钻探机构和岩心管升降机构安装在驳船上，岩心管升降机构设有两组，岩心管升降机构上提和下送岩心管；换心操作平台安装在海床面上，换心操作平台上安装有两个换心机械手和两组岩心管拆装机构，换心机械手抱住岩心管旋转进行拆卸或安装，岩心管拆装机构将岩心管拆卸或安装到岩心管升降机构。2.根据权利要求1所述的海域钻探快速换取钻探岩心管的装置，其特征在于，所述钻探机构包括钻机、钻杆、岩心管和钻头，钻机安装在驳船上，钻机下面安装多节钻杆，钻杆的下部连接岩心管，岩心管的下部连接钻头。3.根据权利要求1所述的海域钻探快速换取钻探岩心管的装置，其特征在于，所述岩心管升降机构设有卷扬机一、卷扬机二和两个钢丝稳定架，卷扬机一上设有钢丝一，卷扬机二上设有钢丝二，钢丝一和钢丝二底部均连接轴承，轴承转动安装在岩心管固定罩上，岩心管固定罩下部外周固定有齿环。4.根据权利要求3所述的海域钻探快速换取钻探岩心管的装置，其特征在于，所述钢丝稳定架固定在驳船的底部，钢丝稳定架上安装多个钢丝稳定器，钢丝稳定器设有两个稳定器电机和两个钢丝夹臂，稳定器电机驱动钢丝夹臂摆动，钢丝一或钢丝二穿过钢丝稳定架后，稳定器电机驱动钢丝夹臂套在钢丝一或钢丝二的外部进行限位，钢丝夹臂内侧设有辊轴。5.根据权利要求1所述的海域钻探快速换取钻探岩心管的装置，其特征在于，所述换心操作平台包括环形骨架、竖向支撑和电动推杆，环形骨架和竖向支撑形成圆筒型框架结构，竖向支撑的底部安装电动推杆，电动推杆的底部安装支撑板，支撑板支撑在海床面上。6.根据权利要求5所述的海域钻探快速换取钻探岩心管的装置，其特征在于，所述换心操作平台上还安装有定位器、水平仪和摄像头，水平仪识别换心操作平台的水平度并通过电动推杆调节整体水平。7.根据权利要求1所述的海域钻探快速换取钻探岩心管的装置，其特征在于，所述换心机械手设有上下分布的两个，换心机械手包括机械臂、轨道车和夹持臂，所述机械臂一端连接摆动电机，摆动电机控制机械臂摆动，摆动电机转动安装在轨道车上，轨道车的车轮在环形轨道内限位移动，环形轨道安装在换心操作平台内侧，轨道车内设有驱动电机，驱动电机驱动轨道车沿环形轨道移动，机械臂的另一端安装两个夹持电机，夹持电机连接夹持臂，夹持电机控制两个夹持臂的开合夹紧岩心管。8.根据权利要求1所述的海域钻探快速换取钻探岩心管的装置，其特征在于，所述岩心管拆装机构安装在横梁上，横梁固定在换心操作平台的内侧上部，岩心管拆装机构设有夹紧块一、夹紧块二和反向螺杆，反向螺杆通过轴承座转动安装在横梁底部，反向螺杆的一端连接螺杆电机，螺杆电机驱动反向螺杆转动，夹紧块一和夹紧块二上部均设有丝母座，丝母座丝接在反向螺杆上，反向螺杆转动控制夹紧块一和夹紧块二的相对或相反移动，用于夹紧块一和夹紧块二夹紧或松开岩心管固定罩，夹紧块一和夹紧块二的下部均设有拆装电机，拆装电机的电机轴连接齿轮，齿轮啮合连接岩心管固定罩外部的齿环，拆装电机控制岩心管固定罩旋转拆卸或安装岩心管。9.根据权利要求1所述的海域钻探快速换取钻探岩心管的装置，其特征在于，所述换心
操作平台下部设有钻头夹具，钻头夹具采用夹具电机驱动钻头夹臂，夹具电机控制钻头夹臂摆动夹紧钻头。10.根据权利要求1-9任一所述的海域钻探快速换取钻探岩心管的装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：1）在驳船上搭建钻机，钻机的钻杆和钻头伸向海床面，海床面上且在钻杆的外周安装换心操作平台，钻机旁安装卷扬机一和卷扬机二，驳船的底部安装钢丝稳定架和钢丝稳定器；2）需要更换岩心管时，卷扬机一的岩心管固定罩上丝接新岩心管，卷扬机一和卷扬机二同时向下移动，钢丝稳定器的钢丝夹臂抱住钢丝一和钢丝二，带有新岩心管的钢丝一和钢丝二均下落至换心操作平台的上部；3）钻机控制旧岩心管和钻头上升至换心操作平台处，钻头夹具向内夹紧钻头，两个换心机械手的摆动电机控制机械臂移动至指向旧岩心管方向，夹持电机控制夹持臂夹紧旧岩心管，两个换心机械手均夹紧旧岩心管，驱动电机驱动轨道车沿同一方向移动，带动旧岩心管转动，将旧岩心管拆卸下来；4）然后，钢丝一和钢丝二继续下降至换心操作平台内部，下部的换心机械手松开旧岩心管，摆动电机和驱动电机驱动夹持臂移动至新岩心管处，夹持电机驱动夹持臂夹紧新岩心管，上部的换心机械手夹持旧岩心管通过摆动电机和驱动电机驱动移动至钢丝二的岩心管固定罩处；5）两个螺杆电机同时工作驱动两组夹紧块一和夹紧块二分别夹紧钢丝一和钢丝二上的岩心管固定罩，夹紧块一和夹紧块二的齿轮啮合岩心管固定罩上的齿环，拆装电机控制齿轮转动带动齿环转动和岩心管固定罩转动，使钢丝一上的新岩心管卸下由下部的换心机械手夹紧，钢丝二上拧上旧岩心管，夹紧块一和夹紧块二均向两边松开，钢丝二带动旧岩心管上升至驳船，并下降带回新岩心管；6）下部的换心机械手带动新岩心管回到中心位置，上部的换心机械手同样抓紧新岩心管，通过驱动电机驱动轨道车反向转动，将新岩心管安装在钻杆和钻头之间，两个换心机械手摆动到一侧，钻头夹具松开，开始新的钻探工作。

技术总结
本发明涉及海洋底部岩石钻探设备技术领域，具体公开了一种海域钻探快速换取钻探岩心管的装置及工作方法，包括钻探机构、岩心管升降机构和换心操作平台，钻探机构和岩心管升降机构安装在驳船上，岩心管升降机构设有两组，岩心管升降机构上提和下送岩心管；换心操作平台安装在海床面上，换心操作平台上安装有两个换心机械手和两组岩心管拆装机构，换心机械手抱住岩心管旋转进行拆卸或安装，岩心管拆装机构将岩心管拆卸或安装到岩心管升降机构；本发明实现更快捷的更换岩心管，更换完的岩心管直接上运至驳船，保证样本的完整性和准确性，然后再下运新岩心管待命，更换岩心管效率高，整体钻探效率高；结构简单，操作方便，通过海底摄像头可视化操作。像头可视化操作。像头可视化操作。


技术研发人员：周长祥 孙雨沁 牛志力 于立栋 张晨西 徐珺
受保护的技术使用者：山东省地质科学研究院
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/7/18