一种海底钻进与抓斗一体化取样系统

1.本发明涉及海洋工程技术装备领域，具体涉及一种海底钻进与抓斗一体化取样系统。


背景技术：

2.深海岩石钻机是一种钻探系统完全工作于海底的钻探设备，与通常的海洋钻机需要依托钻探船或钻井平台有着完全不同的工作方式。该装备搭载于大型海洋科学考察船上，通过甲板的可视化控制系统，控制钻机本体的站位寻址，通过长脐带进行高压供电、光纤通信，对站位进行有目的的钻进取芯，获得想要的岩芯资料。与海洋钻机相比，具有钻探成本低、效率高，样品扰动小、设备体积小、易操作和船舶适应性强等优点。
3.深海岩石抓斗取样设备与上述深海岩石钻机原理相似，区别为取样方式的不同，该设备利用液压抓斗对海底表层的岩石进行抓取，可以采集较大体积的岩石样品。目前，该两种设备都是相互独立的，不能同时实现抓取与钻取岩石样品的目标，无法满足海底岩石地层与表层岩石的可视化精准对比与分析。
4.因此，开展海底钻进与抓斗一体化取样系统的研究，实现海底岩石钻取与海底表面块状岩石抓取，满足海底岩石地层与表层岩石的可视化精准对比与分析，实现一次座底实现多种取样能力。该取样系统可极大的提高海底资源勘探和地质调查的范围，提升我国海洋地质勘查装备技术水平，对我国海洋事业的发展有着不可或缺的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种海底钻进与抓斗一体化取样系统，解决目前不能同时实现抓取与钻取岩石样品的目标，无法满足海底岩石地层与表层岩石的可视化精准对比与分析的问题。
6.为解决技术问题，本发明的解决方案是：
7.提供一种海底钻进与抓斗一体化取样系统，包括：底座与保护框架、回转钻进系统、机械液压抓斗系统、供电与动力系统、防扭转系统和测控系统；
8.所述回转钻进系统包括竖向布置的钻架，是由两条平行的竖板、顶板和底部的孔口板组成的框架式结构；在两条竖板的同侧边缘活动安装一块动力头压板，在动力头压板上装有动力头回转钻进系统，在两条竖板之间装有钻进提升系统，所述动力头压板能在钻进提升系统的驱动下实现竖直方向上的位移；
9.所述动力头回转钻进系统包括固定在动力头压板上的液压动力头，其下方依次连接水龙头和主轴，主轴下端竖向安装钻杆套件，钻杆套件中的钻头够穿过孔口板上的通孔。
10.作为优选方案，所述底座与保护框架的内部装有防腐锌块，外部安装防撞条，其顶端连接脐带缆。
11.作为优选方案，所述钻进提升系统包括设于钻架的竖板之间的滑轮组，以及绕设于滑轮组上的链条，两者组成倍程机构；链条分为上部链条和下部链条，两者配合用于实现
液压动力头的上下行程，进而实现钻杆套件中钻头的下放与提升。
12.作为优选方案，所述滑轮组包括上导轮、链轮和下导轮，上导轮和下导轮分别通过销轴固定在钻架上下两端部作为定滑轮；链轮通过销轴固定在链轮架中作为动滑轮，链轮架的两侧设置链轮导杆，链轮导杆活动安装在钻架侧边上的竖向滑槽中；在钻架中设有用于提供倍程机构的初始行程的液压行程油缸。
13.作为优选方案，所述机械液压抓斗系统包括抓斗安装架，由水平布置的支撑板、两块斗体安装板和两块油缸安装板组成；两个相对布置的抓斗斗体通过斗体销轴活动安装在斗体安装板之间，在支撑板的上侧装有液压伸缩油缸，在两块油缸安装板上各设有一组油缸吊挂板，在同侧的油缸吊挂板与抓斗斗体之间分别设置液压抓取油缸。
14.作为优选方案，所述抓斗安装架上安装有摄像头和照明灯。
15.作为优选方案，所述供电与动力系统包括供电系统和液压动力系统；其中，供电系统包括水下电池舱，通过线缆连接至各用电设备(如换向阀、照明灯、摄像机、高度计、电控系统、传感器等)；液压动力系统包括水下电机泵、液压油源、液压阀箱和连接各油缸的液压管路。
16.作为优选方案，所述防扭转系统包括搭载于底座与保护框架上的位姿传感器和水下推进器；水下推进器有两个，其螺旋桨的轴向相互垂直。
17.作为优选方案，所述测控系统包括水下电子舱，水下电子舱中设置控制单元、通信单元和测量单元，测量单元包括高度计，通信单元通过光纤连接摄像机和母船，实现视频数据和控制信号的传送。
18.作为优选方案，该系统还包括压力补偿系统，由弹簧式液压补偿器和相应管件组成。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.1、本发明的一体化取样系统具备可视化的钻取与抓取功能，利用可视化功能可以实现对海底岩层的自主钻取，还可以自主抓取海底块状岩石。
21.2、本发明可以针对海底不同地层，特别是海底表层有块状石区域(如结壳区等)进行可视化取样，可用于深海海底地质条件的浅表层勘探。
22.3、本发明还可以搭载其他传感器如ctd，采水器，从而拓宽深海岩石采样系统的功能。
附图说明
23.图1是海底钻进与抓斗一体化取样系统的结构示意图。
24.图2是图1中取样系统的后侧向视图。
25.图3是钻进提升系统的结构示意图。
26.图4是图3中钻进提升系统的正向视图。
27.图5是钻进提升系统的上部局部示意图。
28.图6是钻进提升系统的中部局部示意图。
29.图7是钻进提升系统的底部局部示意图。
30.图8是钻进提升系统的原理示意图。
31.图9是机械液压抓斗系统的整体示意图。
32.图10是图8中机械液压抓斗系统的侧仰方向视图。
33.图中附图标记：1底座与保护框架；2回转钻进系统；2-1上导轮组件；2-1-1上导轮；2-1-2上导轮销轴；2-1-3上导轮销轴挡板；2-2链条接头组件；2-2-1链条接头；2-2-2链条拉杆；2-3动力头组件；2-3-1动力头压板；2-3-2液压动力头；2-3-3水龙头；2-3-4主轴；2-4液压行程油缸；2-5链条拉杆；2-6链轮；2-6-1链轮架；2-6-2链轮；2-6-3链轮销轴；2-6-4链轮导杆；2-7钻架；2-8链条拉杆；2-9下导轮；2-10孔口板；2-10-1孔口导正板；2-10-2孔口尼龙套；3水下接口箱；4水下推进器；5水下电池舱；6液压油源；7液压阀箱；8水下电机泵；9机械液压抓斗系统；9-1液压伸缩油缸；9-2支撑板；9-3抓斗安装架；9-4油缸吊挂板；9-5液压抓取油缸；9-6抓斗斗体；9-7斗体销轴；9-8液压抓取油缸；9-9抓斗斗体；10水下电子舱；11液压补偿器。
具体实施方式
34.本技术中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
35.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
36.下面结合附图和实施方式进一步说明本发明的技术方案。以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。
37.如图所示，本发明所述海底钻进与抓斗一体化取样系统包括：底座与保护框架1、回转钻进系统、机械液压抓斗系统、供电与动力系统、防扭转系统和测控系统；其中，
38.底座与保护框架1的内部装有防腐锌块，外部安装防撞条，其顶端连接脐带缆。
39.回转钻进系统包括竖向布置的钻架2-7，是由两条平行的竖板、顶板和底部的孔口板2-10组成的框架式结构；在两条竖板的同侧边缘活动安装一块动力头压板2-3-1，在动力头压板2-3-1上装有动力头回转钻进系统，在两条竖板之间装有钻进提升系统，所述动力头压板能在钻进提升系统的驱动下实现竖直方向上的位移；
40.动力头回转钻进系统如图3至图8所示，包括固定在动力头压板上的液压动力头2-3-2，其下方依次连接水龙头2-3-3和主轴2-3-4，主轴2-3-4下端竖向安装钻杆套件，钻杆套件中的钻头够穿过孔口板2-10上的通孔。
41.钻进提升系统包括设于钻架的竖板之间的滑轮组，以及绕设于滑轮组上的链条，两者组成倍程机构；倍程机构的主要功能是控制动力头的上下行程，从而实现钻探工具的下放与提升。链条的一端连接动力头压板2-3-1上的链条接头2-2-1，另一端连接滑轮组中
链轮组件2-6上的链条拉杆2-5。滑轮组包括上导轮2-1-1、链轮组件2-6和下导轮2-9，上导轮2-1-1和下导轮2-9分别通过销轴固定在钻架上下两端部作为定滑轮；链轮组件2-6包括作为动滑轮的链轮组件2-6-2，通过链轮销轴2-6-3固定在链轮架2-6-1中，链轮架2-6-1的两侧设置链轮导杆2-6-4，链轮导杆2-6-4活动安装在钻架侧边上的竖向滑槽中。链条包括上部链条(图8中点状线)和下部链条(图8中虚线)两部分。上部链条在滑轮组中的绕设方式是：链条一端固定在链条接头2-2-1，环绕过上导轮2-1-1，继续环绕链轮组件2-6-2后固定于链条拉杆2-5。在上导轮组件2-1下端设有液压行程油缸，液压行程油缸下部固连链轮架2-6-1。下部链条在滑轮组中的绕设方式是：一端固定在链条接头2-2-2，环绕过下导轮2-9，继续环绕链轮组件2-6-2后固定于链条拉杆2-8，液压行程油缸用于提供倍程机构的初始行程。
42.机械液压抓斗系统如图9、10所示，包括由水平布置的支撑板、两块斗体安装板和两块油缸安装组成的抓斗安装架9-3；两个相对布置的抓斗斗体9-6通过斗体销轴9-7活动安装在斗体安装板之间，在支撑板的上侧装有液压伸缩油缸9-1，在两块油缸安装板上各设有一组油缸吊挂板9-4，在同侧的油缸吊挂板9-4与抓斗斗体9-6之间分别设置液压抓取油缸9-5、9-8。抓斗安装架9-3上开有安装孔，用于安装摄像头和照明灯。
43.供电与动力系统包括供电系统和液压动力系统；其中，供电系统包括水下电池舱5，通过线缆连接至各用电设备(如水下推进器、换向阀、照明灯、摄像机、高度计、电控系统、传感器等)；供电系统由船上高压控制柜通过铠装光电复合缆、水下接口箱、水下高压插接件等实现供电。该系统可采用低压控制、升压输出的工作方式，利用水下变电箱进行电压转换，为水下电子舱、水下电机泵、液压阀件、照明灯等提供动力。液压动力系统包括水下电机泵8、液压油源6、液压阀箱7和连接各油缸的液压管路，其功能是为回转钻进、钻进提升系统等机构提供动力，并起着存放、冷却、过滤液压油的作用。液压阀箱7由箱体、液压阀、阀座和相应管件组成。
44.防扭转系统包括搭载于底座与保护框架1上的位姿传感器和水下推进器4；水下推进器4有两个，其螺旋桨的轴向相互垂直。在取样系统的布放过程中，利用搭载的位姿传感器对其行进姿态进行实时监测。如其姿态发生大幅度的变化，启动两个水下推进器进行姿态纠偏、保持姿态稳定，减少海流对其产生的影响，使取样系统可以平稳地着底。
45.测控系统包括水下电子舱10，水下电子舱10中设置控制单元、通信单元和测量单元，测量单元包括高度计，通信单元通过光纤连接摄像机和母船，实现视频数据和控制信号的传送。高清视频输入接口为hd-sdi高清数字同轴，视频信号无损传输，视频带宽不低于1.25g，模拟视频通道、数据控制通道、网络通道总带宽不低于1.25g，光纤的通信总带宽不少于2.5gb/s。
46.该系统还包括压力补偿系统，由弹簧式液压补偿器和相应管件组成。其功能是为液压动力系统进行油量补偿，同时作为采用充油平衡深水压力的部件的压力补偿器。
47.更为详细的实施例子描述如下：
48.海底钻进与抓斗一体化取样系统的整体结构如图1、2所示，回转钻进系统2、水下接口箱3、推进器4、水下电池舱5、液压油源6、液压阀箱7、水下电机泵8、机械液压抓斗系统9、水下电子舱10、液压补偿器11均安装在底座与保护框架1上。
49.图3至7所示为回转钻进系统2的结构示意图，包括动力头回转系统和钻进提升系
统。其中，动力头压板2-3-1上部安装链条接头2-2-1，下部有链条拉杆2-2-2，动力头压板2-3-1与钻架2-7上竖板侧缘的滑道相配合实现活动连接，在链条的带动下可以上下移动。动力头2-3-2安装在动力头压板2-3-1上，下部为水龙头2-3-3(为冲洗液提供接口)，水龙头2-3-3下部安装主轴2-3-4，主轴2-3-4下端连接钻杆套件。回转钻进系统主要为钻机提供正反回转扭矩，接卸移运钻杆钻具，为冲洗液提供接口及辅助卸扣动作。
50.钻进提升系统主要包括架2-7、液压行程油缸2-4、以及由滑轮组与链条组成的倍程机构。在倍程机构中，与链条接头2-2-1连接的上部链条，绕过上导轮组件2-1与链轮组件2-6后连接于链条拉杆2-5；动力头压板2-3-1下部有链条拉杆2-2-2，下部链条连接链条拉杆2-2-2后绕过下导轮2-9、链轮组件2-6，连接于链条拉杆2-8。当链轮组件2-6向上移动时，通过下部链条带动动力头压板2-3-1向下移动，当链轮组件2-6向下移动时，通过上部链条带动动力头压板2-3-1向上移动，进而控制液压动力头2-3的上下行程，实现钻杆套件中钻头的下放与提升。液压行程油缸2-4提供倍程机构的初始行程。
51.如图9、10所示，为机械液压抓斗系统9的结构示意图。当海底钻进与抓斗一体化取样系统吊放至海底时，首先通过液压抓取油缸9-5、9-8使抓斗张开，然后驱动液压伸缩油缸9-1将抓斗下放至合适位置；然后驱动液压抓取油缸9-5、9-8再将抓斗缓慢关闭，对海底表面块状岩石样品进行抓取。抓取完成后利用液压伸缩油缸9-1缓慢提升抓斗，将抓斗回收至合适位置。抓斗上安装有摄像头和灯光，在抓取过程中，可以进行实时的可视化操作。
52.最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。