一种用于深水湖泊取心钻探的系统装置

技术领域

本发明涉及水上钻探技术领域，特别是涉及一种用于深水湖泊取心钻探的系统装置。

背景技术

深水湖泊水上取心钻探工作不同于陆地钻探，其特点在于：湖水深(通常水深大于30米)、风浪大(最大风力7-8级)、湖底淤泥厚(通常大于4米)、湖底钻遇地层常见砂层和砂卵石地层，通常需要采取套管护壁。如西藏纳木错湖实施深水湖泊水上取心钻探工作时，水上钻探施工点位于湖中心距最近湖岸约8公里，施工点水深94.5米，湖底淤泥厚度4-5米，施工期间最大风力7级，湖底钻遇地层见砂层和砂卵石地层。

目前，国内针对陆地取心钻探技术已较为成熟。但对于水上钻探尤其是深水湖泊的取心钻探技术尚不成熟，其问题表现为：尚未见安全适用的深水湖泊钻探水上工作平台及其配套的锚固系统装置和相应的送锚及下锚技术及系统装置；尚未见安全可靠的深水套管扶正及套管顶部相对于工作平台的防位移系统装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于深水湖泊取心钻探的系统装置，用于解决上述现有技术存在的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种用于深水湖泊取心钻探的系统装置，包括水上工作平台、推进系统、锚固系统、钻探系统和套管系统，所述推进系统、所述锚固系统和所述钻探系统安装于所述水上工作平台上，所述钻探系统包括钻机和钻杆，所述套管系统套设于所述钻杆外侧，所述套管系统包括泥浆循环接管、顶部活接套管、套管对接锥套、浮体、深水套管组合结构和防窜动及阻水装置，所述顶部活接套管的底端通过所述套管对接锥套与所述深水套管组合结构的顶端可分离式连接，所述套管对接锥套包括固定于所述顶部活接套管底端的上锥套和固定于所述深水套管组合结构上端的下锥套，所述上锥套的内锥面能够与所述下锥套的外锥面贴合，所述防窜动及阻水装置固定于所述深水套管组合结构底部，所述泥浆循环接管与所述顶部活接套管连通，所述浮体固定于所述深水套管组合结构外侧。

优选地，所述深水套管组合结构包括固定相连的上部小径套管和下部大径套管，所述浮体为气囊组或泡沫塑料套管浮筒组；所述浮体为所述气囊组时，所述上部小径套管的外壁上固定有上固定盘和下固定盘，所述气囊组位于所述上固定盘与所述下固定盘之间，所述气囊组通过固定绳分别与所述上固定盘、所述下固定盘相对固定；所述浮体为所述泡沫塑料套管浮筒组时，所述上部小径套管的外壁上固定有所述上固定盘，所述泡沫塑料套管浮筒组位于所述上固定盘下方。

优选地，还包括充气系统，所述充气系统安装于所述水上工作平台上，所述充气系统包括空压机、充气管和压力表，所述充气管的一端与所述空压机的出气口相连，所述压力表安装于所述充气管上，所述充气管的另一端与所述气囊组的进气口相连。

优选地，所述防窜动及阻水装置包括套管托盘和海带纱布阻水包裹层，所述套管托盘固定于所述深水套管组合结构的外壁上，所述海带纱布阻水包裹层包裹于所述深水套管组合结构的外壁上且位于所述套管托盘下侧。

优选地，所述套管托盘包括盘体、边缘立板和加强立筋，所述盘体为圆盘，所述边缘立板垂直固定于所述盘体下表面边缘位置且呈环状，所述加强立筋沿径向垂直固定所述盘体的下表面，多个所述加强立筋沿所述盘体的圆周方向均布。

优选地，所述水上工作平台包括横向工字钢和桶排，所述桶排包括桶排框架和圆浮筒，所述桶排框架由纵向槽钢、角钢以及立筋焊接而成，每两个所述桶排框架和竖直设置于两个所述桶排框架之间的多个纵向排列的所述圆浮筒通过绑扎方式固定组成一组纵向桶排，多组所述桶排并列设置，所述横向工字钢同时与多组所述桶排的所述桶排框架固定相连，组成所述水上工作平台。

优选地，所述锚固系统包括卷扬机、连接锁链和二爪锚，所述二爪锚包括主锚直杆、两个锚爪和平衡杆，所述主锚直杆的第一端设有主锚环，所述连接锁链的一端与所述主锚环相连，所述连接锁链的另一端缠绕于所述卷扬机的卷筒上，所述卷扬机安装于所述水上工作平台上，两个所述锚爪固定于所述主锚直杆的第二端且关于所述主锚直杆对称，所述锚爪包括主锚弯杆、加强筋板和柳叶状锚板，所述主锚弯杆包括依次相连的弯曲段、第一直杆段和第二直杆段，所述弯曲段的端部与所述主锚直杆的第二端相连，所述第一直杆段与所述第二直杆段不共线，所述第二直杆段偏向所述主锚直杆，所述柳叶状锚板固定于所述第二直杆段，所述柳叶状锚板的尖端朝向所述主锚直杆折弯，使得所述锚爪整体为三段弯曲结构，所述加强筋板位于所述主锚弯杆的弯曲内侧，且同时与所述弯曲段、所述第一直杆段固定相连，所述第一直杆段上设有下锚及起锚拉环，所述主锚直杆与所述主锚弯杆共面，所述平衡杆的中点固定于所述主锚直杆的第二端，所述平衡杆垂直于所述主锚直杆、所述主锚弯杆所在平面。

优选地，所述连接锁链包括相互连接的主锚绳和锚链，所述主锚绳的端部缠绕在所述卷扬机的卷筒上，所述锚链的端部与所述主锚环相连。

优选地，还包括泥浆泵、泥浆箱、高压管、泥浆回流管、吸水管、钻杆、钻具和钻头，所述钻头安装于所述钻具上，所述钻具连接在所述钻杆上，所述钻杆承接所述钻机提供的扭矩以及沿所述钻杆轴心方向的上行力和下行力，所述泥浆泵和所述泥浆箱安装于所述水上工作平台上，所述泥浆泵的泥浆出口通过所述高压管与所述钻杆相连，所述泥浆循环接管通过所述泥浆回流管与所述泥浆箱相连，所述泥浆泵的泥浆入口与所述吸水管相连，所述吸水管伸入所述泥浆箱内。

优选地，所述推进系统包括推进器支架和船用推进器，所述推进器支架安装于所述水上工作平台上，所述船用推进器安装于所述推进器支架上。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1.水上工作平台设计结构合理、受力均衡，通过桶排的结构间隙可有效分散和降低由风浪产生的水平推力、安装时不需要水下作业、可自主航行，可满足结构合理，受力均衡，自重较轻、安全可靠等条件，可保证平台的安全和正常运行；该平台目前设计最大钻进深度包含水深可达到400米，如加大桶排的排水量，加大框架的结构强度，其设计最大钻进深度(包含水深)可达到1000米；

2.二爪锚的设计结构简单、安全可靠，通过加大主锚直杆、弯杆和平衡杆的几何尺寸、缩小锚板的宽度、以及对主锚弯杆进行两次折弯、对锚板进行一次折弯，使得锚板、弯杆具有合理的入泥角度，从而使所述二爪锚的锚板能够穿过湖底的厚淤泥层吃入深层软泥，从而大幅度提高了所述二爪锚的锚固抓力，有效的减少了平台的风后位移，可满足深水湖泊水上取心钻探工作平台系统锚固定位的要求；

3.深水套管系统装置设计新颖合理，通过套管对接锥套实现顶部活接套管与深水套管组合结构的实时对接和脱离，从而实现对接后可进行泥浆循环正常钻进，脱离后可避免平台系统水平位移影响套管稳定，并且上锥套和下锥套对接时目测可见，可保证钻杆和套管系统的同轴性，不易发生钻杆呈绕曲变形旋转造成的折断事故；巧妙利用浮体垂直向上的浮力抵消和平衡套管系统因自重产生向下弯曲倾斜和倒伏的力量，实现了套管系统在水中尤其是在深水中自主扶正，使套管系统始终保持垂直稳定的状态，从而保证了深水湖泊水上取心钻探工作的顺利实施。

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为本实施例中水上工作平台及其上部结构分布方式的俯视方向示意图；

图2为本实施例中水上工作平台的结构示意图；

图3为本实施例用于深水湖泊取心钻探的系统装置的抛锚过程示意图；

图4为本实施例中二爪锚的结构示意图；

图5为图4中锚板的A方向放大图；

图6为图4中B方向的向视图；

图7为图4中C部分的局部放大图；

图8为本实施例中套管系统的结构示意图；

图9为本实施例中套管对接锥套的对接方式示意图；

图10为本实施例中套管系统的又一结构示意图；

图11为使用泡沫塑料套管浮筒组作为浮体时套管系统的结构示意图；

图12为本实施例中防窜动及阻水装置的结构示意图；

图13为本实施例中套管托盘的仰视图；

附图标记说明：1-水上工作平台；101-纵向槽钢；102-角钢；103-立筋；104-圆浮筒；105-铁丝；106-横向工字钢；107-钢丝绳；2-推进系统；201-推进器支架；202-船用推进器；3-锚固系统；301-卷扬机；302-主锚绳；303-锚链；304-二爪锚；3041-主锚直杆；3042-主锚弯杆；a-弯曲段；b-第一直杆段；c-第二直杆段；3043-加强筋板；3044-柳叶状锚板；3045-平衡杆；3046-主锚环；3047-下锚及起锚拉环；4-钻探系统；5-套管系统；501-泥浆循环接管；502-顶部活接套管；503-套管对接锥套；5031-上锥套；5032-下锥套；504-气囊组；505-深水套管组合结构；5051-上部小径套管；d-上固定盘；e-下固定盘；5052-下部大径套管；506-防窜动及阻水装置；5061-套管托盘；507-泡沫塑料套管浮筒；f-盘体；g-边缘立板；h-加强立筋；5062-海带纱布阻水包裹层；6-送锚船；601-送锚下锚挑梁；602-起锚绳；603-浮筒；7-泥浆箱；8-泥浆泵；9-高压管；10-泥浆回流管；11-吸水管；12-空压机；13-充气管；14-压力表。

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。

本发明的目的是提供一种用于深水湖泊取心钻探的系统装置，用于解决上述现有技术存在的技术问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-13所示，本实施例提供一种用于深水湖泊取心钻探的系统装置，包括水上工作平台1、推进系统2、锚固系统3、钻探系统4和套管系统5。

其中，推进系统2、锚固系统3和钻探系统4安装于水上工作平台1上，钻探系统4包括钻杆，套管系统5套设于钻杆外侧。套管系统5位于湖底泥层和钻机之间，其主要作用在于隔开湖水，为钻探工作过程中的泥浆循环提供通道，并同时为钻杆提下钻和钻探取心工作提供工作空间。钻杆通过套管系统5内部空间完成钻探取心工作，并把所取岩心带出钻孔。套管系统5包括泥浆循环接管501、顶部活接套管502、套管对接锥套503、浮体、深水套管组合结构505和防窜动及阻水装置506。顶部活接套管502的底端通过套管对接锥套503与深水套管组合结构505的顶端可分离式连接，套管对接锥套503包括固定于顶部活接套管502底端的上锥套5031和固定于深水套管组合结构505上端的下锥套5032，上锥套5031的内锥面能够与下锥套5032的外锥面贴合。本实施例中，下锥套5032位于水上工作平台1底面以下1.5-5米处。通过利用套管对接锥套503，实现顶部活接套管502与深水套管组合结构505的实时对接和脱离，从而实现对接后可进行泥浆循环正常钻进，脱离后可避免水上工作平台1水平位移影响套管稳定。顶部活接套管502及上锥套5031和下锥套5032及深水套管组合结构505对接时，目测可见，可保证钻杆和套管系统5的同轴性，不易发生钻杆呈绕曲变形旋转造成的折断事故。防窜动及阻水装置506固定于深水套管组合结构505底部，用于提高套管的稳定性，同时可有效防止套管内泥浆向湖底泄露，以及泥浆泄露导致的套管底部周围泥层被泥浆冲蚀造成的套管倾斜甚至倒伏，从而保证深水湖泊取心钻探工作的正常进行。泥浆循环接管501与顶部活接套管502连通，以便于泥浆的排出。浮体固定于深水套管组合结构505外侧，本实施例中，气囊组504位于距水面5～30米处，气囊组504数量依据套管系统5重量及所需浮力确定，可以为1-3组，每组气囊数量可为1-3只，每只气囊的直径可为0.3-0.6米，每只气囊的长度可为3-4.5米，气囊耐压﹥0.3MPa。充气后气囊组504所受浮力大于重力，将对套管系统5施加垂直向上的推力，套管在自身重力、自身浮力、气囊组504对其施加的推力和泥层的摩擦力作用下保持垂直状态，从而达到扶正套管的作用。通过巧妙利用浮体垂直向上的浮力抵消和平衡套管系统5因自重产生向下弯曲倾斜和倒伏的力量，实现了套管系统5在水中尤其是在深水中始终保持垂直稳定的状态，从而保证了深水湖泊水上取心钻探工作的顺利实施。

本实施例的用于深水湖泊取心钻探的系统装置在使用时，先通过推进系统2将水上工作平台1航行到钻孔位置，通过锚固系统3将水上工作平台1进行锚固，下放深水套管组合结构505，并通过套管对接锥套503将顶部活接套管502与深水套管组合结构505对接，将钻杆沿套管系统5内部下放至湖底泥层，并将泥浆循环接管501与水上工作平台1上的泥浆抽吸系统相连，调整完毕后启动钻探系统4。通过设置套管系统5，为深水湖泊取心钻探工作提供孔底到平台系统的泥浆循环通道，并在工作过程中为钻杆提供旋转时的限位保护。

进一步的，本实施例中，浮体为气囊组504，本领域技术人员也可选择泡沫塑料套管浮筒等其它类型的浮体，只要能够提供浮力即可。本实施例中深水套管组合结构505包括固定相连的上部小径套管5051和下部大径套管5052，气囊组504固定于上部小径套管5051外侧。具体为，上部小径套管5051的外壁上固定有上固定盘d和下固定盘e，气囊组504位于上固定盘d与下固定盘e之间，气囊组504通过固定绳分别与上固定盘d、下固定盘e相对固定。当浮体为泡沫塑料套管浮筒组时，上部小径套管的外壁上仅设置上固定盘即可，泡沫塑料套管浮筒组位于上固定盘下方。

为了便于充气，本实施例还包括充气系统，充气系统安装于水上工作平台1上。充气系统包括空压机12、充气管13和压力表14，充气管13的一端与空压机12的出气口相连，压力表14安装于充气管13上。气囊组504下入水中预定位置后，由空压机12通过充气管13给气囊组504充气，通过气压表观测气囊组504压力，充气压力应小于气囊耐压值，当气囊组504压力不足时，应随时为气囊组504补充充气。需要说明的是，当使用泡沫塑料套管浮筒组作为浮体时，无需使用充气系统。

对于防窜动及阻水装置506的类型，本领域技术人员可以根据需要进行选择。本实施例中，防窜动及阻水装置506包括套管托盘5061和海带纱布阻水包裹层5062，套管托盘5061固定于深水套管组合结构505下部的外壁上，海带纱布阻水包裹层5062包裹于深水套管组合结构505的外壁上且位于套管托盘5061下侧。通常情况下，海带纱布阻水包裹层5062的包裹长度为2-4米，套管托盘5061位于距深水套管组合结构505底端3-18米处。

套管托盘5061一方面对下侧的海带纱布阻水包裹层5062进行限位，另一方面增大与湖底泥层的接触面积，使深水套管组合结构505更加稳定。本实施例中，套管托盘5061包括盘体f、边缘立板g和加强立筋h，盘体f为圆盘，边缘立板g垂直固定于盘体f下表面边缘位置且呈环状，加强立筋h沿径向垂直固定盘体f的下表面，多个加强立筋h沿盘体f的圆周方向均布。

为了提高抗风浪能力，本实施例中，水上工作平台1包括横向工字钢106和桶排。桶排包括桶排框架和圆浮筒104，桶排框架由纵向槽钢101、角钢102以及立筋103焊接而成。每两个桶排框架和竖直设置于两个桶排框架之间的多个纵向排列的圆浮筒104通过铁丝105或绳索绑扎，固定组成一组纵向桶排。多组桶排并列设置，横向工字钢106同时与多组桶排的桶排框架固定相连，组成水上工作平台1。在水上工作平台1的对角线方向通过钢丝绳107拉紧，钢丝绳107的两端分别连接锁具，锁具固定于桶排框架上，从而进一步提高抗风浪能力。通过设计桶排框架式水上工作平台1，能够增加结构间隙，有效分散和消解风浪产生的水平推力，安装时不需要水下作业，可满足结构合理，受力均衡，自重较轻、安全可靠等条件。

为了提高锚固系统3的锚固能力，本实施例的锚固系统3包括卷扬机301、连接锁链和二爪锚304，二爪锚304包括主锚直杆3041、两个锚爪和平衡杆3045。主锚直杆3041的第一端设有主锚环3046，连接锁链的一端与主锚环3046相连，连接锁链的另一端缠绕于卷扬机301的卷筒上。卷扬机301固定于水上工作平台1上，其数量和分布方式可以根据实际需要进行选择。本实施例中，卷扬机301为四个，分别固定于水上工作平台1的四个角上。两个锚爪固定于主锚直杆3041的第二端且关于主锚直杆3041对称，锚爪包括主锚弯杆3042、加强筋板和柳叶状锚板。主锚弯杆3042包括依次相连的弯曲段、第一直杆段和第二直杆段，弯曲段的端部与主锚直杆3041的第二端相连，第一直杆段与第二直杆段不共线，第二直杆段偏向主锚直杆3041。柳叶状锚板固定于第二直杆段，柳叶状锚板的尖端朝向主锚直杆3041折弯，使得锚爪整体为三段弯曲结构。加强筋板位于主锚弯杆3042的弯曲内侧，且同时与弯曲段、第一直杆段固定相连。第一直杆段上设有下锚及起锚拉环3047。主锚直杆3041与主锚弯杆3042共面，平衡杆3045的中点固定于主锚直杆3041的第二端，平衡杆3045垂直于主锚直杆3041、主锚弯杆3042所在平面。

本实施例的二爪锚304的尺寸具体为，平衡杆3045总长度为3-6米，锚板的折弯处与锚板尖端的距离为锚板折弯前总长度的三分之二，锚板两部分的夹角为10°±3°，并焊接在主锚弯杆3042上。主锚弯杆3042通过两次加热折弯成型，其目的为改善主锚弯杆3042的入泥角度，从而获得更大的抓力。第一直杆段与主锚直杆3041的夹角为55°±3°，第一直杆段与第二直杆段的夹角10°±2°，将锚板尖端入泥角控制在30°～45°。

本实施例通过采用加大主锚直杆3041、主锚弯杆3042和平衡杆3045的几何尺寸、缩小锚板的宽度、以及对主锚弯杆3042进行两次折弯、对锚板进行一次折弯，使得锚板、主锚弯杆3042具有合理的入泥角度，从而使锚板能够穿过湖底的厚淤泥层吃入深层软泥，从而大幅度提高了该二爪锚304的锚固抓力，克服了现有常规锚普遍入泥深度较浅、无法穿过湖底厚淤泥层、锚固抓力不足、遇风浪易发生走锚和大距离位移的缺陷，满足了对深水湖泊水上取心钻探工作平台系统锚固定位的要求。

本实施例中，连接锁链包括相互连接的主锚绳302和锚链303，主锚绳302的端部缠绕在卷扬机301的卷筒上，锚链303的端部与主锚环3046相连。根据实际需要的不同，本领域技术人员也可以选择其它形式的连接锁链，只要能够连接卷扬机301和二爪锚304即可。抛锚时，一边放出主锚绳302，一边通过送锚船6把二爪锚304送往抛锚位置。送锚船6上设有送锚下锚挑梁601，起锚绳602缠绕在送锚下锚挑梁601端部的圆管上。到达抛锚位置后，通过起锚绳602将二爪锚304放入湖底，之后将浮筒603固定在起锚绳602上端，通过浮筒603标记抛锚位置。

为了便于进行污泥处理，本实施例还包括泥浆箱7、泥浆泵8、高压管9、泥浆回流管10、吸水管11、钻杆、钻具和钻头。钻头安装于钻具上，钻具连接在钻杆上，钻杆承接钻机提供的扭矩以及沿钻杆轴心方向的上行力和下行力，泥浆箱7和泥浆泵8安装于水上工作平台1上。泥浆泵8的泥浆出口通过高压管9与钻杆相连，泥浆循环接管501通过泥浆回流管10与泥浆箱7相连，泥浆泵8的泥浆入口与吸水管11相连，吸水管11伸入泥浆箱7内。将泥浆沿钻杆泵送到钻孔底部的钻头位置，然后向上，通过钻杆和钻孔孔壁之间的环状空间以及钻杆和套管系统5之间的环状空间上返，进入泥浆循环接管501，再通过泥浆回流管10流回泥浆箱7，泥浆泵8通过吸水管11吸入泥浆箱7中的泥浆，从而形成泥浆循环。

为了实现水上工作平台1的自主航行，本实施例的推进系统2包括推进器支架201和船用推进器202。推进器支架201安装于水上工作平台1上，船用推进器202安装于推进器支架201上。

采用上述的用于深水湖泊取心钻探的系统装置，在西藏纳木错湖湖上进行钻探，经测试，在水深接近94.5米，最大风力6～7级，湖底沉积物存在砂层和砂砾石层的自然条件下，工作平台系统最大风后位移＜2米，套管连续稳定超过60天，钻进深度包含水深达到247.94米，湖底沉积层钻进深度153.44米，达到了预期效果。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。