阅读说明：本技术 一种连续杆钻进式水平定向钻及水下无人穿缆作业方法 (Continuous rod drilling type horizontal directional drill and underwater unmanned cable penetrating operation method ) 是由 姜志广 潘宏明 于 2020-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种连续杆钻进式水平定向钻及水下无人穿缆作业方法,通过特殊的液压加载楔形夹持机构实现连续杆钻进施工工艺,液压加载楔形夹持机构在受到液压缸加载作用力的情况下,所述楔形夹持机构的两个楔式夹套同时向相反方向运动,并分别挤压各自对应的楔形夹块,楔形夹块受到夹持套的径向分力而自动夹紧连续性钻杆并保持位置相对固定,在抱夹式动力头的推进下,将整个楔形夹持机构连同连续性钻杆共同向预定方向旋转推进；由于本发明实现了,连续杆钻进,一次性连接钻杆,中途无需新接钻杆,解决了水平钻机水下钻进的难题,实现水下无人穿缆作业,实现对沉船打捞过程中钢缆的快速穿引工作,解决原来工作中对人员的依赖程度高,作业强度大,作业时间长,作业效率低,甚至影响沉船打捞工程成败的问题。(The invention provides a continuous rod drilling type horizontal directional drill and an underwater unmanned cable penetrating operation method.A continuous rod drilling construction process is realized through a special hydraulic loading wedge-shaped clamping mechanism, under the condition that the hydraulic loading wedge-shaped clamping mechanism is loaded with acting force by a hydraulic cylinder, two wedge-shaped clamping sleeves of the wedge-shaped clamping mechanism move towards opposite directions at the same time and respectively extrude respective corresponding wedge-shaped clamping blocks, the wedge-shaped clamping blocks automatically clamp a continuous drill rod and keep the position relatively fixed under the action of radial component force of the clamping sleeves, and the whole wedge-shaped clamping mechanism and the continuous drill rod are rotationally pushed towards a preset direction together under the pushing of a clamp type power head; the invention realizes continuous rod drilling, one-time connection of the drill rod and no need of new connection of the drill rod midway, solves the problem of underwater drilling of a horizontal drilling machine, realizes underwater unmanned cable-penetrating operation, realizes quick penetrating and guiding work of a steel cable in the process of salvaging a sunken ship, and solves the problems of high dependence on personnel, high operation strength, long operation time, low operation efficiency and even influence on success or failure of a sunken ship salvaging project in the original work.)

一种连续杆钻进式水平定向钻及水下无人穿缆作业方法

技术领域

本发明涉及水下沉船打捞技术领域，具体地说，涉及一种连续杆钻进式水平定向钻及作业方法。

背景技术

目前，沉船打捞一直是人工进行打捞钢缆的穿引作业。主要作业过程是潜水员先在沉船两侧相应位置冲两个泥坑，然后潜水员在冲好的泥坑中，用攻泥器借助喷射头高压水的冲力，在船底泥沙中冲出一个洞孔到船体另一侧，由于船体较长而攻泥器的管子短，每当潜水员攻过一节管子都要探摸攻泥器方向是否准确，以便及时纠偏。当预计需要攻穿的攻泥器节管数已全部攻过船底时，在最后一节管旁侧的接头上接压缩空气，当空气从攻泥器顶端冒出时，另一名潜水员在沉船另一舷的泥坑中可摸到攻泥器顶端，并在其上栓紧一根细钢缆，通知对面潜水员收拉攻泥器，再将细钢缆拉过船底。当引过细钢缆绳后，在细钢缆绳端接一根较粗的钢缆绳作为引索，通知工程船作业人员收绞细钢缆绳将引索拉过船底，并在引索末端接打捞钢缆，工程船再绞拉引索拖打捞钢缆过船底，直至打捞钢缆两端各按规定长度露出在沉船两舷旁为止，再通过穿缆机构将钢缆连接实现穿缆工作。

该方法易受水下作业环境限制，对人员依赖度高，对潜水员来说作业强度大，花费时间长，往往占据整个打捞工程时间一半以上，甚至直接关系到打捞工程的成败，对打捞作业造成了很大的不利影响。

如何实现水下无人穿缆，提高穿缆作业的效率，是当下沉船打捞领域迫切需要解决的问题，各个机构也提出了不同的解决方案，比如公开号为CN108032971A的专利公开了一种基于HDD穿缆技术的水下导向架及其工作方法，该专利提出将陆地常用的水平定向钻机技术应用在水下沉船打捞穿缆作业上，在打捞船上设置水平定下钻机，以一定角度向水下沉船底部钻进穿缆，该专利为了保障钻杆方向的准确性，采用导向架设置，理论上该专利能够实现利用水平定向钻机完成穿缆作业，而实际操作上，因水面距离水底的距离较大，因为钻杆的入泥角度不能过大（一般不能超过20°），而为了保证合适的入泥角度，打捞船与沉船位置的水平距离至少是水深的1.75倍以上，水平钻机距离入泥点过远，极大的影响钻进的稳定性和准确性，且施工作业范围太大，因为打捞沉船的作业周期往往会很长，打捞施工作业范围过大，会进一步加剧航道堵塞，因此该专利所提出的将水平定向钻机置于打捞作业船上进行水下穿缆作业的方法不符合沉船打捞的实际需求。

基于此，本发明人提出一种将水平钻机置于水下进行钻进行穿缆作业的思路，通过发明具有在水底实施钻进、转向功能的水平钻机，实现将钻杆按设计要求穿过沉船底部完成导向和钻孔工作，通过钻头前方的挂缆机构，与缆绳连接实现缆绳穿引和回拖工作，完成船底穿缆工作。

实现水平钻机在水底工作，面临以下几个问题：

1、传统的水平定向钻机采用顶驱是式动力头，通常每根钻杆的长度为3米，由于沉船的船身较宽，在船底进行穿进钻孔需要多根钻杆衔接，现有的抱夹式动力头采用顶驱的方式驱动钻杆，因此需要在钻进过程频繁地进行拧卸扣工作及钻杆连接螺纹处润滑脂涂抹工作、更换新钻杆的工作。由于作业空间的限制和作业水面泥沙，使得涂抹润滑脂的工作难以顺利进行甚至混入泥沙，导致拧扣不紧或后续卸扣困难，无法更换新钻杆等困难，钻机在水下作业时，由潜水员在水底更换钻杆非常不便，几乎难以完成，增加了作业的难度和危险系数；

2、为了保证钻机的钻杆按设计要求穿过沉船底部完成导向和钻孔工作，需要在钻头上安装遥控的导向装置，因为水下及地下的信号干扰比较大，船体本身也会对无线信号形成干扰，为保证导向精度，导向装置需要采用有线的方式，将钻头上导向探头实时数据即时传输到控制台进行控制，将导向装置通过控制线缆与水上作业的操控台连接，控制线缆需要设置在钻杆内部，因此每次卸扣和连接新钻杆的时候，都需要将控制线缆断开重新连接，在水下重新连接线缆无法保证线缆的防水与密封。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续杆钻进式水平定向钻及作业方法，采用一种新型结构的钻机推进机构，以抱夹的方式推进钻杆前进，实现提前将所需钻杆一次性连接安装，无需在水下进行二次连接，解决了现有技术所存在的问题。

本发明采用如下技术方案实现：

一种连续杆钻进式水平定向钻，包括水下钻进机构、水上动力站及水上操作台。

所述水下钻进机构由基座、钻机大梁、抱夹式动力头构成，所述钻机大梁设置在基座上，所述抱夹式动力头设置在钻机大梁上。

所述抱夹式动力头上设有楔形夹持机构，所述楔形夹持机构由钻杆轴套、第一楔式夹套及第二楔式夹套构成。

所述钻杆轴套前后两端各设有若干沿圆周分布的楔形孔，所述楔形孔内设有楔形夹块，所述楔形夹块背侧设有外锥面，所述钻杆轴套前端的楔形夹块与所述钻杆轴套后端的楔形夹块外锥面倾斜方向相反。

所述第一楔式夹套及第二楔式夹套分别设置于所述钻杆轴套的前端及后端，所述第一楔式夹套及第二楔式夹套上均设有与所述楔形夹块匹配的楔形槽，所述楔形槽内设有与所述楔形夹块外锥面匹配的内锥面。

所述第一楔式夹套及第二楔式夹套之间通过夹持油缸连接，所述夹持油缸的缸体与所述第一楔式夹套连接，所述夹持油缸的活塞杆与所述第二楔式夹套连接。

所述楔形夹持机构的原理如下：

通过控制夹持油缸驱动第一楔式夹套及第二楔式夹套相向或背向运动，通过第一楔式夹套及第二楔式夹套的楔形槽内锥面与楔形夹块外锥面的相互作用，对楔形夹块进行挤压或释放，从而对钻杆轴套内的钻杆实施夹持动作或释放动作。

优选的，所述基座上设有大梁摆角装置，所述大梁摆角装置由摆角底座及摆角油缸构成，所述摆角底座前端固定在所述基座前端的转轴上；所述摆角油缸水平设置在所述基座上，所述摆角油缸的活塞杆顶端与所述摆角底座的后端连接；所述摆角底座前部设有大梁支架，后部设有支撑油缸，所述大梁支架与钻机大梁前部连接，所述支撑油缸的缸体底部设置在摆角底座上，所述支撑油缸的活塞杆与钻机大梁后部连接。

优选的，所述基座的四角处各设有一个液压马达驱动的锚固装置。

优选的，所述抱夹式动力头上设有驱动钻杆轴套旋转的液压旋转马达。

一种水下无人穿缆作业方法：

（1）、将水下钻进机构安放于水下预定位置，利用锚固装置固定，并按照预先设定要求控制大梁摆角装置调整大梁的方向及角度；

（2）、根据作业需求，连接所需长度的连续钻杆，布置导向装置控制线缆；

（3）、将连接好的连续钻杆设置于水下钻进机构上，并设置钻头及导向装置；

（4）、通过水下钻进系统的抱夹式动力头夹持连续钻杆按预设角度钻进穿缆，并通过水上操作台监控并校正钻头钻进方向；

（5）、当抱夹式动力头推进至行程末端时，松开连续钻杆退回原位后继续夹持连续钻杆钻进。

（6）、钻杆在导向系统和监控系统的支持下，按设计要求穿过沉船底部完成导向和钻孔工作后，在钻头处挂接钢缆，通过水下钻进机构的抱夹式动力头夹持钻杆完成回拖工作，从而完成穿缆作业。

本发明的有益技术效果是：

本发明提供了一种连续杆钻进式水平定向钻及水下无人穿缆作业方法，通过特殊的液压加载楔形夹持机构实现连续杆钻进施工工艺，液压加载楔形夹持机构在受到液压缸加载作用力的情况下，所述楔形夹持机构的两个楔式夹套同时向相反方向运动，并分别挤压各自对应的楔形夹块，楔形夹块受到夹持套的径向分力而自动夹紧连续性钻杆并保持位置相对固定，在抱夹式动力头的推进下，将整个楔形夹持机构连同连续性钻杆共同向预定方向旋转推进；由于本发明实现了，连续杆钻进，一次性连接钻杆，中途无需新接钻杆，解决了水平钻机水下钻进的难题，实现水下无人穿缆作业，实现对沉船打捞过程中钢缆的快速穿引工作，解决原来工作中对人员的依赖程度高，作业强度大，作业时间长，作业效率低，甚至影响沉船打捞工程成败的问题。

附图说明

图1是本发明的连续杆钻进式水平定向钻的结构示意图；

图2是抱夹式动力头的立体图；

图3是抱夹式动力头的剖视图；

图4是抱夹式动力头的的B-B剖视图。

图中：1、水下钻进机构，2、水上动力站，3、水上操作台，4、液压管路，5、基座，5.1、大梁摆角装置，5.2、摆角底座，5.3、摆角油缸，5.4、转轴，5.5、大梁支架，5.6、支撑油缸，6、钻机大梁，7、抱夹式动力头，8、楔形夹持机构，8.1、钻杆轴套，8.2、第一楔式夹套，8.3、第二楔式夹套，8.4、楔形孔，8.5、楔形夹块，8.6、外锥面，8.7、楔形槽，8.8、内锥面，8.9夹持油缸，9、导向装置控制线缆，10、锚固装置，11、液压旋转马达。

具体实施方式

通过下面对实施例的描述，将更加有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限制，任何对部件或技术特征的定义进行改变和/或对整体结构作形式的而非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。

本实施例提供一种连续杆钻进式水平定向钻，结构入图1-4所示，包括水下钻进机构1、水上动力站2及水上操作台3。

所述水上动力站2通过液压管路4与所述水下钻进机构1的油缸装置连接。

所述水下钻进机构1由基座5、钻机大梁6、抱夹式动力头7构成；所述钻机大梁6设置在基座5上，所述抱夹式动力头7设置在钻机大梁上。

所述基座5上设有大梁摆角装置5.1，所述大梁摆角装置5.1由摆角底座5.2及摆角油缸5.3构成，所述摆角底座5.2前端固定在所述基座5前端的转轴5.4上；所述摆角油缸5.3水平设置在所述基座5上，所述摆角油缸5.3的活塞杆顶端与所述摆角底座的5.2后端连接；所述摆角底座5.2前部设有大梁支架5.5，后部设有支撑油缸5.6，所述大梁支架5.5与钻机大梁6前部连接，所述支撑油缸5.6的缸体底部设置在摆角底座5.2上，所述支撑油缸5.6的活塞杆与钻机大梁6后部连接。

所述抱夹式动力头7上设有楔形夹持机构8，所述楔形夹持机构8由钻杆轴套8.1、第一楔式夹套8.2及第二楔式夹套8.3构成。

所述钻杆轴套8.1前后两端各设有若干沿圆周分布的楔形孔8.4，所述楔形孔8.4内设有楔形夹块8.5，所述楔形夹块8.5背侧设有外锥面8.6，所述钻杆轴套8.1前端的楔形夹块8.5的外锥面8.6向后倾斜，所述钻杆轴套8.1后端的楔形夹块8.5外锥面8.6向前倾斜。

所述第一楔式夹套8.2及第二楔式夹套8.3分别设置于所述钻杆轴套8.1的前端及后端，所述第一楔式夹套8.2及第二楔式夹套8.3上均设有与所述楔形夹块8.5匹配的楔形槽8.7，所述楔形槽内设有与所述楔形夹块8.5外锥面8.6匹配的内锥面8.8。

所述第一楔式夹套8.2及第二楔式夹套8.3之间通过夹持油缸8.9连接，所述夹持油缸8.9的缸体与所述第一楔式夹套8.2连接，所述夹持油缸8.9的活塞杆与所述第二楔式夹套8.3连接。

所述楔形夹持机构的原理如下：

通过控制夹持油缸8.9活塞杆扩张，驱动第一楔式夹套8.2向前、第二楔式夹套8.3向后运动，通过第一楔式夹套8.2及第二楔式夹套8.3的楔形槽8.7内锥面8.8与楔形夹块8.5外锥面8.6的相互作用，对楔形夹块8.5形成径向压力，从而对钻杆轴套8.1内的钻杆12实施夹持动作抱紧；通过控制夹持油缸8.9活塞杆收缩，驱动第一楔式夹套8.2向后、第二楔式夹套8.3向前运动，从而释放第一楔式夹套8.2及第二楔式夹套8.3对楔形夹块8.5的压力，从而促使楔形夹块8.5释放钻杆12。

所述基座1的四角处各设有一个液压马达驱动的锚固装置10。

所述抱夹式动力头7上设有驱动钻杆轴套8.1旋转的液压旋转马达11。

本实施例还提供水下无人穿缆作业方法：

（1）、将水下钻进机构安放于水下预定位置，利用锚固装置固定，并按照预先设定要求控制大梁摆角装置调整大梁的方向及角度；

（2）、根据作业需求，连接所需长度的连续钻杆，布置导向装置控制线缆；

（3）、将连接好的连续钻杆设置于水下钻进机构上，并设置钻头及导向装置；

（4）、通过水下钻进系统的抱夹式动力头夹持连续钻杆按预设角度钻进穿缆，并通过水上操作台监控并校正钻头钻进方向；

（5）、当抱夹式动力头推进至行程末端时，松开连续钻杆退回原位后继续夹持连续钻杆钻进。

（6）、钻杆在导向系统和监控系统的支持下，按设计要求穿过沉船底部完成导向和钻孔工作后，在钻头处挂接钢缆，通过水下钻进机构的抱夹式动力头夹持钻杆完成回拖工作，从而完成穿缆作业。

本发明的有益技术效果是：

本发明提供了一种连续杆钻进式水平定向钻及水下无人穿缆作业方法，通过特殊的液压加载楔形夹持机构实现连续杆钻进施工工艺，液压加载楔形夹持机构在受到液压缸加载作用力的情况下，所述楔形夹持机构的两个楔式夹套同时向相反方向运动，并分别挤压各自对应的楔形夹块，楔形夹块受到夹持套的径向分力而自动夹紧连续性钻杆并保持位置相对固定，在抱夹式动力头的推进下，将整个楔形夹持机构连同连续性钻杆共同向预定方向旋转推进；由于本发明实现了，连续杆钻进，一次性连接钻杆，中途无需新接钻杆，解决了水平钻机水下钻进的难题，实现水下无人穿缆作业，实现对沉船打捞过程中钢缆的快速穿引工作，解决原来工作中对人员的依赖程度高，作业强度大，作业时间长，作业效率低，甚至影响沉船打捞工程成败的问题。

需要注意，本发明提供的附图1中，连续的钻杆较长，由于重力作用后端会向下弯曲，因为附图篇幅有限，图中钻杆的弯曲弧度较实际弯曲弧度更大，实际中，钻杆比附图中更长，弯曲弧度也更平缓一些。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。