阅读说明：本技术 一种深海硬岩高效绳索取心系统及其取心钻进方法 (Deep sea hard rock efficient rope coring system and coring drilling method thereof ) 是由 蔡家品 陈云龙 阮海龙 赵义 邓都都 贾美玲 刘协鲁 李春 梁涛 刘海龙 沈立娜 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种深海硬岩高效绳索取心系统及其取心钻进方法,包括取心外管总成和内管总成；内管总成包括绳索打捞机构、悬挂机构、剪切滑动机构、密封总成机构和高速回转管；还包括与高速回转管可拆卸更换连接的取心器机构和扩孔钻具机构；当取心外管总成单独与钻杆连接时,用于对海水以下的非硬岩地层的其他地层取心或扫孔；当内管总成采用取心器机构且与取心外管总成配合时,高速回转管用于带动取心器机构对硬岩地层取心；当内管总成采用扩孔钻具机构且与取心外管总成配合时,高速回转管用于带动扩孔钻具机构对取心段底部扩孔。本发明通过液压驱动原理,完成硬岩取心钻进与取心段扩孔作业,解决了深海硬岩地层钻探取心效率低下的难题。(The invention discloses a deep sea hard rock high-efficiency rope coring system and a coring drilling method thereof, wherein the deep sea hard rock high-efficiency rope coring system comprises a coring outer pipe assembly and a coring inner pipe assembly; the inner pipe assembly comprises a rope fishing mechanism, a suspension mechanism, a shearing sliding mechanism, a sealing assembly mechanism and a high-speed rotary pipe; the core extractor mechanism and the hole expanding drilling tool mechanism are detachably connected with the high-speed rotary pipe in a replaceable way; when the coring outer pipe assembly is independently connected with the drill rod, the coring outer pipe assembly is used for coring or sweeping other strata of the non-hard rock stratum below the seawater; when the inner pipe assembly adopts the coring mechanism and is matched with the coring outer pipe assembly, the high-speed rotary pipe is used for driving the coring mechanism to core the hard rock stratum; when the inner pipe assembly adopts the hole expanding drilling tool mechanism and is matched with the coring outer pipe assembly, the high-speed rotary pipe is used for driving the hole expanding drilling tool mechanism to expand the hole at the bottom of the coring section. According to the invention, the hard rock core drilling and core section reaming operation is completed by a hydraulic driving principle, and the problem of low core drilling efficiency of deep sea hard rock stratum is solved.)

一种深海硬岩高效绳索取心系统及其取心钻进方法

技术领域

本发明涉及钻探技术领域，更具体的说是涉及一种深海硬岩高效绳索取心系统及其取心钻进方法，适用于湖泊、江河、海洋等钻探取心施工。

背景技术

随着国家科技创新规划将深海地质调查列为战略性、前瞻性重大科学问题，此外，国际大洋发现计划(IODP)未来几年将重新启动地幔莫霍钻计划及其它多项大洋钻探计划，深海硬岩钻探取心技术是核心，如何实现深海硬岩全程、高效、连续获取，对于我国深海科学研究、“莫霍面”及大洋钻探具有十分重要的意义。

对于深海钻探，遇到诸如调整钻探工艺、更换钻头等情况时，需要提钻后将钻柱重新返回孔位，作业环境、条件及作业流程都较陆地上更加复杂，这将导致取心作业效率大大降低。目前，我国深海硬岩取心方面的工程实施尚属空白，严重制约了深海及大洋科学钻探研究。

因此，如何提供一种无隔水管工况下的深海硬岩高效绳索取心系统及其取心钻进方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种深海硬岩高效绳索取心系统，旨在解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种深海硬岩高效绳索取心系统，与钻杆连接；包括：取心外管总成，以及通过带有钢丝绳的绳索打捞器放入或提出所述取心外管总成的内管总成；

所述取心外管总成的顶部与所述钻杆连通；

所述内管总成包括由上至下依次连接的绳索打捞机构、悬挂机构、剪切滑动机构、密封总成机构和高速回转管；还包括与所述高速回转管可拆卸更换连接的取心器机构和扩孔钻具机构；所述绳索打捞机构用于与所述绳索打捞器连接；所述悬挂机构用于连接所述绳索打捞机构和所述剪切滑动机构；所述密封总成机构用于连接所述剪切滑动机构和所述高速回转管，并形成密封空间获取泥浆压力；所述高速回转管在所述钻杆内的高压泥浆驱动下转动解锁所述剪切滑动机构，使所述高速回转管能够同时上下滑动；

当所述取心外管总成单独与所述钻杆连接时，用于对海水以下的非硬岩地层的其他地层取心或扫孔；

当所述内管总成采用所述取心器机构且与所述取心外管总成配合时，所述高速回转管用于带动所述取心器机构对硬岩地层取心；

当所述内管总成采用所述扩孔钻具机构且与所述取心外管总成配合时，所述高速回转管用于带动所述扩孔钻具机构对取心段底部扩孔。

通过上述技术方案，本发明通过稳定可靠的液压驱动原理，完成硬岩取心钻进与取心段扩孔作业，避免了取心外管总成钻头的损耗，只需在甲板上更换内管总成的取心钻头及扩孔钻头，实现深海硬岩无隔水管工况下不提钻长时间连续取心，解决了深海硬岩地层钻探取心效率低下的难题，本发明对深海科学研究、“莫霍面”及大洋无隔水管钻探有着积极的促进作用。

优选的，在上述一种深海硬岩高效绳索取心系统中，所述绳索打捞机构包括绳索打捞矛头、滑动管、第一弹簧、弹卡和弹卡座；绳索打捞矛头通过开口弹性销连接在所述滑动管上；所述第一弹簧与所述弹卡安装在所述弹卡座内，所述弹卡和所述弹卡座通过开口弹性销连接，所述第一弹簧处于绷紧状态将所述弹卡撑开，与所述取心外管总成内壁卡接定位；所述弹卡座通过螺纹与所述悬挂机构连接。通过弹卡的设置能够实现对高速回转管的反扭功能。

优选的，在上述一种深海硬岩高效绳索取心系统中，所述悬挂机构包括悬挂环和连接座；所述悬挂环套设在所述弹卡座上，所述连接座和所述弹卡座通过螺纹连接并将所述悬挂环夹紧固定。连接结构稳定可靠。

优选的，在上述一种深海硬岩高效绳索取心系统中，所述剪切滑动机构包括导向管外套、限位接头、导向管和剪切销钉；所述导向管外套一端与所述连接座通过螺纹连接；所述限位接头与所述导向管外套的另一端通过螺纹连接；所述导向管同轴套设在所述导向管外套内部，且与所述限位接头滑动连接，使其与所述导向管外套能够产生轴向的滑动；所述剪切销钉通过螺纹安装在所述导向管外套的剪切孔上，并插入所述导向管的端头侧壁。导向管与导向管外套在取心钻进前处于相对静止状态，取心钻进时剪断剪切销钉，导向管相对于导向管外套不能回转，但能上下自由滑动，当高速回转管驱动取心器机构进入地层取心钻进时，带动导向管向下滑动，至限位接头处时，完成一次取心钻进，限位接头对取心内管总成有锁止功能，起到限位作用。

优选的，在上述一种深海硬岩高效绳索取心系统中，所述密封总成机构包括密封上座、密封组和密封下座；所述密封上座与所述导向管通过螺纹连接；所述密封组套设在所述密封上座上；所述密封下座与所述密封上座通过螺纹连接，并夹紧固定所述密封组，所述密封下座通过螺纹与所述高速回转管连接。密封总成机构可在密封外管内上下自由滑动，形成密封空间，并由此获取泥浆压力，驱动高速回转管，推动取心器机构回转取心钻进或扩孔。

优选的，在上述一种深海硬岩高效绳索取心系统中，所述取心器机构包括外管接头、单动组件、外管、岩心卡取组件、钻头、内管和扩孔器；所述外管接头通过螺纹与所述高速回转管连接；所述单动组件一端通过螺纹与所述外管接头连接；所述外管一端与所述单动组件连接；所述岩心卡取组件的一端通过螺纹与所述外管的另一端连接；所述钻头通过螺纹与所述岩心卡取组件的另一端连接；所述内管同轴套设在所述外管内部，且一端与所述单动组件固定连接；所述扩孔器与所述内管的另一端固定连接。能够有效实现钻心取样。

优选的，在上述一种深海硬岩高效绳索取心系统中，所述扩孔钻具机构包括与所述高速回转管螺纹连接的上接头；所述上接头向下螺纹连接有上活塞；所述上活塞的外壁滑动套设有限位外管；所述限位外管向下依次螺纹连接有活塞外管、扩孔钻头外管和限位外管接头；所述上活塞的下部套设有第二弹簧，并通过弹簧垫环支撑固定；所述上活塞的底端螺纹连接有轴心贯通的支撑腿内管，所述支撑腿内管上均匀开设有多个喷嘴；所述扩孔钻头外管的外壁铰接有多个扩孔钻头；所述扩孔钻头的内侧壁与所述支撑腿内管之间铰接有支撑连杆；所述支撑腿内管上固套有支撑腿内限位，所述扩孔钻头外管的外壁固套有支撑腿外限位。

扩孔钻具机构工作时，在高压泥浆的作用下，推动上活塞下移，带动支撑腿内管下移，使支撑连杆向外撑开，扩孔钻头张开，进行扩孔工作，支撑腿内管上有喷嘴，可以喷射一定流量的泥浆，用于冷却扩孔钻头；

扩孔钻具机构回收时，关闭泥浆泵，下放绳索打捞器，依靠弹簧的张力和绳索打捞器的上提力完成扩孔钻头的回收。

优选的，在上述一种深海硬岩高效绳索取心系统中，所述限位外管与活塞外管的连接处、所述支撑腿内管底端外壁与所述扩孔钻头外管内壁的接触处、所述上活塞与支撑腿内管的连接处均设置有O型密封。能够有效提高连接件的密封性能。

优选的，在上述一种深海硬岩高效绳索取心系统中，所述取心外管总成包括通过螺纹依次连接的钻杆接头、弹卡室、座环室、密封外管、扶正器和取心钻头；所述钻杆接头通过螺纹与所述钻杆连接；所述座环室内套设有座环；所述座环靠近所述弹卡室与所述座环室的连接端头；所述弹卡卡设在所述弹卡室内，能够实现对所述高速回转管的反扭功能。取心外管总成能够有效与内管总成配合连接。

本发明还提供了一种深海硬岩高效绳索取心系统的取心钻进方法，包括以下步骤：

S1、组装取心外管总成，连接钻杆下入至海底表面，开启泥浆泵取心或扫孔至硬岩地层后，关闭泥浆泵；

S2、采用取心器机构组装内管总成，用带有钢丝绳的绳索打捞器将组装完成的内管总成投入钻杆中，并最终进入取心外管总成内，通过解卡装置将绳索打捞器解卡，提出打捞器，开启泥浆泵循环系统；

S3、调整泥浆泵排量，依靠泥浆压力驱动高速回转管剪断剪切销钉，推动取心器机构回转取心钻进；

S4、完成设定取心行程后，泥浆泵压力通过泄压孔短时间内突然下降，表明取心钻进结束，将绳索打捞器投入钻杆中，通过绳索打捞机构将内管总成提离地层，完成取心作业；

S5、采用扩孔钻具机构再次组装内管总成，用带有钢丝绳的绳索打捞器将组装完成的扩孔钻具机构投入钻杆中，并最终进入取心外管总成内，通过解卡装置将绳索打捞器解卡，提出打捞器，外管总成上提一定行程，开启泥浆泵循环系统；

S6、调整泥浆泵排量，依靠泥浆压力剪断剪切销钉，驱动扩孔钻具机构底部的扩孔钻头张开，同时利用高压泥浆驱动高速回转管带动扩孔钻头回转，依靠取心外管总成推动扩孔钻具机构前进；

S7、完成设定扩孔行程后，关闭泥浆泵，下放绳索打捞器，依靠扩孔钻具机构中第二弹簧的张力和绳索打捞器的上提力完成扩孔钻头的回收，完成扩孔作业；

S8、启动泥浆泵，下放取心外管总成至已完成扩孔作业的孔段底部，准备下一次取心作业。

通过上述技术方案，本发明采用的循环取心与扩孔过程，不依靠外管总成钻头进行取心段扩孔，结合绳索取心工艺，只需在甲板上更换内管钻头及扩孔钻头，实现深海硬岩不提钻长时间连续取心，解决了深海硬岩地层钻探取心效率低下的难题。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种深海硬岩高效绳索取心系统及其取心钻进方法，具有以下有益效果：

1、本发明通过稳定可靠的液压驱动原理，完成硬岩取心钻进与取心段扩孔作业，避免了取心外管总成钻头的损耗，只需在甲板上更换内管总成的取心钻头及扩孔钻头，实现深海硬岩无隔水管工况下不提钻长时间连续取心，解决了深海硬岩地层钻探取心效率低下的难题，本发明对深海科学研究、“莫霍面”及大洋无隔水管钻探有着积极的促进作用。

2、本发明采用的循环取心与扩孔过程，不依靠外管总成钻头进行取心段扩孔，结合绳索取心工艺，只需在甲板上更换内管钻头及扩孔钻头，实现深海硬岩不提钻长时间连续取心，解决了深海硬岩地层钻探取心效率低下的难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的深海硬岩高效绳索取心钻进其他地层取心或扫孔者示意图；

图2附图为本发明提供的深海硬岩高效绳索取心钻进硬岩地层取心示意图；

图3附图为本发明提供的深海硬岩高效绳索取心钻进取心段底部扩孔示意图；

图4附图为本发明提供的取心外管总成结构示意图；

图5附图为本发明提供的内管总成结构示意图；

图6附图为本发明提供的绳索打捞机构和悬挂机构连接的局部剖视放大图；

图7附图为本发明提供的悬挂机构、剪切滑动机构、密封总成机构和高速回转管连接的局部剖视放大图；

图8附图为本发明提供的高速回转管和取心器机构连接的局部剖视放大图；

图9附图为本发明提供的深海硬岩高效绳索取心系统扩孔钻具机构张开扩孔的结构示意图；

图10附图为本发明提供的深海硬岩高效绳索取心系统扩孔钻具机构收回的结构示意图；

图11附图为本发明提供的扩孔钻具机构收回的结构示意图；

图12附图为本发明提供的扩孔钻具机构张开扩孔的结构示意图。

其中：

1-海水； 2-其他地层； 3-硬岩地层；

4-钻杆接头； 5-弹卡室； 6-座环；

7-座环室； 8-密封外管； 9-扶正器；

10-取心钻头； 11-绳索打捞机构； 12-悬挂机构；

13-剪切滑动机构； 14-密封总成机构； 15-高速回转管；

16-取心器机构； 17-圆柱状岩心样品； 18-扩孔钻具机构；

19-绳索打捞矛头； 20-滑动管； 21-第一弹簧；

22-弹卡； 23-弹卡座； 24-悬挂环；

25-连接座； 26-剪切销钉； 27-导向管；

28-导向管外套； 29-限位接头； 30-密封上座；

31-密封组； 32-密封下座； 33-外管接头；

34-单动组件； 35-外管； 36-内管；

37-扩孔器； 38-岩心卡取组件； 39-钻头；

40-上接头； 41-上活塞； 42-限位外管；

43-O型密封； 44-活塞外管； 45-第二弹簧；

46-弹簧垫环； 47-支撑腿内限位； 48-喷嘴；

49-支撑腿外限位； 50-扩孔钻头； 51-支撑连杆；

52-支撑腿内管； 53-扩孔钻头外管； 54-限位外管接头。

具体实施方式

下面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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

参见附图1至附图12，本发明实施例公开了一种深海硬岩高效绳索取心系统，与钻杆连接；包括：取心外管总成，以及通过带有钢丝绳的绳索打捞器放入或提出取心外管总成的内管总成；

取心外管总成的顶部与钻杆连通；

内管总成包括由上至下依次连接的绳索打捞机构11、悬挂机构12、剪切滑动机构13、密封总成机构14和高速回转管15；还包括与高速回转管15可拆卸更换连接的取心器机构16和扩孔钻具机构18；绳索打捞机构11用于与绳索打捞器连接；悬挂机构12用于连接绳索打捞机构11和剪切滑动机构13；密封总成机构14用于连接剪切滑动机构13和高速回转管15，并形成密封空间获取泥浆压力；高速回转管15在钻杆内的高压泥浆驱动下转动解锁剪切滑动机构13，使高速回转管15能够同时上下滑动；

当取心外管总成单独与钻杆连接时，用于对海水1以下的非硬岩地层的其他地层2取心或扫孔；

当内管总成采用取心器机构16且与取心外管总成配合时，高速回转管15用于带动取心器机构16对硬岩地层3取心；

当内管总成采用扩孔钻具机构18且与取心外管总成配合时，高速回转管15用于带动扩孔钻具机构18对取心段底部扩孔。

为了进一步优化上述技术方案，绳索打捞机构11包括绳索打捞矛头19、滑动管20、第一弹簧21、弹卡22和弹卡座23；绳索打捞矛头19通过开口弹性销连接在滑动管20上；第一弹簧21与弹卡22安装在弹卡座23内，弹卡22和弹卡座23通过开口弹性销连接，第一弹簧21处于绷紧状态将弹卡22撑开，与取心外管总成内壁卡接定位；弹卡座23通过螺纹与悬挂机构12连接。

为了进一步优化上述技术方案，悬挂机构12包括悬挂环24和连接座25；悬挂环24套设在弹卡座23上，连接座25和弹卡座23通过螺纹连接并将悬挂环24夹紧固定。

为了进一步优化上述技术方案，剪切滑动机构13包括导向管外套28、限位接头29、导向管27和剪切销钉26；导向管外套28一端与连接座25通过螺纹连接；限位接头29与导向管外套28的另一端通过螺纹连接；导向管27同轴套设在导向管外套28内部，且与限位接头29滑动连接，使其与导向管27外套能够产生轴向的滑动；剪切销钉26通过螺纹安装在导向管外套28的剪切孔上，并插入导向管27的端头侧壁。

为了进一步优化上述技术方案，密封总成机构14包括密封上座30、密封组31和密封下座32；密封上座30与导向管27通过螺纹连接；密封组31套设在密封上座30上；密封下座32与密封上座30通过螺纹连接，并夹紧固定密封组31，密封下座32通过螺纹与高速回转管15连接。

为了进一步优化上述技术方案，取心器机构16包括外管接头33、单动组件34、外管35、岩心卡取组件38、钻头39、内管36和扩孔器37；外管接头33通过螺纹与高速回转管15连接；单动组件34一端通过螺纹与外管接头33连接；外管35一端与单动组件34连接；岩心卡取组件38的一端通过螺纹与外管35的另一端连接；钻头39通过螺纹与岩心卡取组件38的另一端连接；内管36同轴套设在外管35内部，且一端与单动组件34固定连接；扩孔器37与内管36的另一端固定连接。

为了进一步优化上述技术方案，扩孔钻具机构18包括与高速回转管15螺纹连接的上接头40；上接头40向下螺纹连接有上活塞41；上活塞41的外壁滑动套设有限位外管42；限位外管42向下依次螺纹连接有活塞外管44、扩孔钻头外管53和限位外管接头54；上活塞41的下部套设有第二弹簧45，并通过弹簧垫环46支撑固定；上活塞41的底端螺纹连接有轴心贯通的支撑腿内管52，支撑腿内管52上均匀开设有多个喷嘴48；扩孔钻头外管53的外壁铰接有多个扩孔钻头50；扩孔钻头50的内侧壁与支撑腿内管52之间铰接有支撑连杆51；支撑腿内管52上固套有支撑腿内限位47，扩孔钻头外管53的外壁固套有支撑腿外限位49。

为了进一步优化上述技术方案，限位外管42与活塞外管44的连接处、支撑腿内管52底端外壁与扩孔钻头外管53内壁的接触处、上活塞41与支撑腿内管52的连接处均设置有O型密封43。

为了进一步优化上述技术方案，取心外管总成包括通过螺纹依次连接的钻杆接头4、弹卡室5、座环室7、密封外管8、扶正器9和取心钻头10；钻杆接头4通过螺纹与钻杆连接；座环室7内套设有座环6；座环6靠近弹卡室5与座环室7的连接端头；弹卡22卡设在弹卡室5内，能够实现对高速回转管15的反扭功能。

本发明提供的深海硬岩高效绳索取心系统的取心钻进方法，包括以下步骤：

S1、组装取心外管总成，连接钻杆下入至海底表面，开启泥浆泵取心或扫孔至硬岩地层后，关闭泥浆泵；

S2、采用取心器机构组装内管总成，用带有钢丝绳的绳索打捞器将组装完成的内管总成投入钻杆中，并最终进入取心外管总成内，通过解卡装置将绳索打捞器解卡，提出打捞器，开启泥浆泵循环系统；

S3、调整泥浆泵排量，依靠泥浆压力驱动高速回转管15剪断剪切销钉26，推动取心器机构16回转取心钻进；

S4、完成设定取心行程后，泥浆泵压力通过泄压孔短时间内突然下降，表明取心钻进结束，将绳索打捞器投入钻杆中，通过绳索打捞机构11将内管总成提离地层，完成取心作业；

S5、采用扩孔钻具机构18再次组装内管总成，用带有钢丝绳的绳索打捞器将组装完成的扩孔钻具机构18投入钻杆中，并最终进入取心外管总成内，通过解卡装置将绳索打捞器解卡，提出打捞器，外管总成上提一定行程，开启泥浆泵循环系统；

S6、调整泥浆泵排量，依靠泥浆压力剪断剪切销钉26，驱动扩孔钻具机构18底部的扩孔钻头50张开，同时利用高压泥浆驱动高速回转管15带动扩孔钻头50回转，依靠取心外管总成推动扩孔钻具机构18前进；

S7、完成设定扩孔行程后，关闭泥浆泵，下放绳索打捞器，依靠扩孔钻具机构18中第二弹簧45的张力和绳索打捞器的上提力完成扩孔钻头50的回收，完成扩孔作业；

S8、启动泥浆泵，下放取心外管总成至已完成扩孔作业的孔段底部，准备下一次取心作业。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。