技术领域
[0001] 本实用新型涉及海底采矿技术领域，尤其涉及一种海底深孔钻机。
背景技术
[0002] 70％的地球表面都被海洋
覆盖，与陆地一样，在海底也存在着各种各样的资源，大多数矿产其品位远远高于陆地资源，随着陆地资源的日益枯竭，勘探和开发海洋资源越来越受到各国的重视。自1872年人类首次对海底取样以来，人类通过海底取样，不断对海底有了更为深刻的认识。海底表面一般地质松软，可以通过重
力或箱式取样器进行取样。但对于硫化物或者富钴结壳的这些比较坚硬的矿产资源一般需要
岩心钻机进行钻取取样。
[0003] 现有的的海底钻机的最大钻取深度一般在两百米一下，但随着勘探工作的不断推进，海洋矿产的科学考察对海底钻机提出了更高的要求和需求，要求不断加大钻取深度。但现有的深海钻机的结构形式，作业方式无法完成大深度的钻探，需要对深海钻机做出改进，以适应大深度钻探的要求。实用新型内容
[0004] 本实用新型的主要目的在于提供一种海底深孔钻机，旨在实现海底深孔岩心取样。
[0005] 为了实现上述目的，本实用新型提供一种海底深孔钻机，所述海底深孔钻机包括
机架、钻进机构、冲洗系统、箱式
钻杆钻具库、两个箱式内管库、接卸杆机构及液压系统，其中：
[0006] 所述机架用于承载海底深孔钻机的所有零部件；
[0007] 所述钻进机构用于完成岩心钻进取样，包括钻架、动力头、推进机构、绳索卷扬机和接卸杆卡盘，所述钻架用于安装钻进机构的零部件，所述动力头用于在钻进过程中带动钻杆钻具旋转，所述推进机构用于完成钻进过程的进给，所述绳索卷扬机用于打捞钻进后的钻具内管总成以取出岩芯管，所述接卸杆卡盘安装在钻架底部，用于接卸钻杆与钻具；
[0008] 所述冲洗系统用于为钻进过程提供冲洗液；
[0009] 所述箱式钻杆钻具库用于存放钻杆和钻具外管，所述箱式内管库用于存放钻具内管和内管总成，所述箱式钻杆钻具库和两内管分别设于钻架的两侧，且两个箱式内管库靠近动力头的一侧设置；
[0010] 所述接卸杆机构包括抓杆机构和受杆机构，所述抓杆机构设于所述箱式钻杆钻具库和两个箱式内管库的上方，所述接卸杆机构的受杆机构位于两个箱式内管库之间将两个箱式内管库隔开，所述抓杆机构用于从箱式钻杆钻具库中将钻杆或钻具外管取出并移动到受杆机构的抓取
位置，并用于从箱式内管库中将内管或内管总成取出并移动到受杆机构的抓取位置，所述受杆机构用于接收来自抓杆机构送来的钻杆、钻具外管、内管或内管总成，并移动到插接位置；
[0011] 所述液压系统用于驱动海底深孔钻机钻的油缸和
液压马达作业。
[0012] 优选地，所述箱式钻杆钻具库呈正六面体，正六面体顶面敞开、底面封闭、侧面镂空用于排
水，所述箱式钻杆钻具库内设置有纵横线性阵列式的隔间，每个隔间用于容纳一根钻杆或钻具外管。
[0013] 优选地，所述箱式内管库呈正六面体，正六面体顶面敞开、底面封闭、侧面镂空用于排水，所述箱式内管库内设置有纵横线性阵列式的隔间，每个隔间用于容纳一根内管或内管总成。
[0014] 优选地，所述海底深孔钻机上分布有两组抓杆机构，分别位于箱式钻杆钻具库和两个箱式内管库的上方，其中一组抓杆机构用于箱式钻杆钻具库的钻杆和钻具外管的抓取和回收，另一组抓杆机构用于箱式内管库的内管、内管总成的抓取和回收。
[0015] 优选地，所述抓杆机构包括X方向运动机构、Y方向运动机构、Z方向运动机构和抓杆装置，所述X方向运动机构安装在Z方向运动机构上并由Z方向运动机构驱动X方向运动机构沿Z方向上下移动，所述Y方向运动机构安装在X方向运动机构上并由X方向运动机构驱动Y方向运动机构沿X方向前后移动，所述抓杆装置安装在Y方向运动机构上并由Y方向运动机构驱动抓杆装置沿Y方向左右移动。
[0016] 优选地，所述Z方向运动机构和X方向运动机构的数量均为两组，所述两组X方向运动机构分别安装在两组Z方向运动机构上，所述Y方向运动机构连接在两组X方向运动机构之间，其中：
[0017] 所述Z方向运动机构包括Z方向马达、两个Z方向
导轨、Z方向
丝杠和Z方向滑
块，所述Z方向滑块可竖直上下滑动地安装在Z方向导轨上并与Z方向丝杠配合，所述Z方向马达驱动Z方向丝杠旋转，以带动Z方向滑块沿竖直方向上下移动；
[0018] 所述X方向运动机构包括X方向马达、两个X方向导轨、X方向丝杠和X方向滑块，所述X方向导轨固定在Z方向滑块上，所述X方向滑块可纵向前后滑动地安装在X方向导轨上并与X方向丝杠配合，所述X方向马达驱动X方向丝杠旋转，以带动X方向滑块沿纵向前后移动；
[0019] 所述Y方向运动机构包括Y方向马达、两个Y方向导轨、Y方向丝杠和Y方向滑块，所述Y方向导轨固定在X方向滑块上，所述Y方向滑块可横向左右滑动地安装在Y方向导轨上并与Y方向丝杠配合，所述Y方向马达驱动Y方向丝杠旋转，以带动Y方向滑块沿横向左右移动；
[0020] 所述抓杆装置安装在Y方向运动机构的Y方向滑块上，可随Y方向滑块一起沿横向左右移动。
[0021] 优选地，所述抓杆装置包括旋转马达、抓杆筒、抓块、第一油缸、机械抓和第二油缸，所述抓杆装置在旋转马达的作用下能360度旋转，所述抓杆筒用于插入钻杆、钻具外管、内管或内管总成，所述抓块通过第一油缸控制抓紧和松开动作，以抓紧或松开插入抓杆筒内的钻杆、钻具外管、内管或内管总成，所述机械抓通过第二油缸控制抓紧和松开动作，以抓紧或松开钻杆、钻具外管、内管或内管总成。
[0022] 优选地，所述受杆机构包括推动油缸、卡盘、卡块、卡块油缸和滑轨，所述卡盘可滑动地安装在所述滑轨上，所述卡盘设有卡盘孔，用于插入钻杆、钻具外管、内管或内管总成，所述推动油缸用于驱动卡盘沿滑轨移动到卡接位置，所述卡块通过卡块油缸控制抓紧和松开动作，以抓紧或松开插入卡盘孔内的钻杆、钻具外管、内管或内管总成。
[0023] 优选地，所述海底深孔钻机进一步包括地形适应装置和
监控系统，其中：
[0024] 所述地形适应装置包括四个支腿，所述机架底部形成有双层结构的底座，所述双层结构的底座包括连接在一起的上层和下层，所述支腿安装于双层底座的上层和下层之间并位于机架的四个
角位置，每一个支腿包括延展伸缩机构和
支撑伸缩机构，所述延展伸缩机构和支撑伸缩机构相互垂直布置，所述支撑伸缩机构用于支持地面，包括支撑驱动油缸和套接在一起的多个支撑臂，所述支撑驱动油缸用于驱动所述多个支撑臂上下伸缩，以使海底深孔钻机适应地形，所述延展伸缩机构包括延展驱动油缸和套接在一起的多个延展臂，所述延展驱动油缸用于驱动所述多个延展臂伸出往
外延展，以获得更大的支撑面；
[0025] 所述监控系统包括照明灯、摄像头、
传感器和控制仓，用于控制液压
阀和采集
传感器数据和视频
信号，以及与科考船进行通讯，所述海底深孔钻机钻的所有控制
电路与采集电路均安装在控制仓内。
[0026] 本实用新型的海底深孔钻机，通过设置超大容量的箱式钻杆钻具库和箱式内管库，并通过接卸杆机构可以不断地从箱式钻杆钻具库和箱式内管库抓取钻杆、钻具外管、内管或内管总成进行连接或更换，以顺利实现海底钻机大深度钻探。
附图说明
[0027] 图1为本实用新型海底深孔钻机一
实施例的结构示意图；
[0028] 图2为图1所示海底深孔钻机由另一角度所示的结构示意图；
[0029] 图3为图1所示海底深孔钻机中抓杆机构的结构示意图；
[0030] 图4为图2所示海底深孔钻机中受杆机构的结构示意图；
[0031] 图5为图1所示海底深孔钻机中支腿的结构示意图。
具体实施方式
[0032] 以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
[0033] 如图1和图5所示，本实用新型海底深孔钻机的一实施例。在本实施例中，海底深孔钻机包括机架1、钻进机构2、冲洗系统3、箱式钻杆钻具库4、两个箱式内管库5、接卸杆机构6、地形适应装置、液压系统和监控系统。
[0034] 机架1用于承载海底深孔钻机的所有零部件，所有零部件均安装在机架1内。机架1底部形成有双层结构的底座11，双层结构的底座11包括连接在一起的上层111和下层112。双层结构的底座11有利于保护海底深孔钻机的零部件在海底深孔钻机下放至海底后免受海底表面
岩石的撞击。机架1的顶部设有与船用绞车沉重头相连的
接口12。
[0035] 钻进机构2用于完成岩心钻进取样，包括钻架21、动力头22、推进机构、绳索卷扬机24和接卸杆卡盘25。钻架21用于安装钻进机构2的零部件，并在海底深孔钻机吊装过程中起到承重的作用。动力头22包括液压马达和
主轴传动部件，用于在钻进过程中带动钻杆钻具旋转，完成钻进过程中的回转动作。推进机构包括推进油缸、
滑轮和
钢丝绳，两组推进机构对称布置在钻架21两侧，驱动动力头22上下运动时两组推进机构同步动作，完成钻进过程的进给。在推进油缸上安装两组动滑轮，并在钻架21上安装有两组定滑轮，定滑轮与动滑轮在空间上立体错开布置，避免在推进油缸伸出与退回过程中发生干涉。
钢丝绳的一端与动力头22相连，通过滑轮组后，另一端固定在钻架21上。绳索卷扬机24安装在钻架21中上部，绳索连接打捞器，用于打捞钻进后的钻具内管总成取出岩芯管。接卸杆卡盘25安装在钻架
21底部，用于接卸钻杆与钻具。
[0036] 冲洗系统3包括冲洗
泵和冲洗马达，冲洗马达采用液压驱动，冲洗系统3为钻进过程提供冲洗液。
[0037] 箱式钻杆钻具库4用于存放钻杆和钻具外管。箱式钻杆钻具库4呈正六面体，正六面体顶面敞开、底面封闭、侧面镂空用于排水。箱式钻杆钻具库4内设置有纵横线性阵列式的隔间41，每个隔间41刚好容纳一根钻杆或钻具外管(标示为101)，并在每个隔间41内设置有防滑
橡胶，防止钻杆或钻具外管101滑出箱式钻杆钻具库4。
[0038] 箱式内管库5用于存放钻具内管和内管总成(统一标注为102)，箱式内管库5呈正六面体，正六面体顶面敞开、底面封闭、侧面镂空用于排水。箱式内管库5内设置有纵横线性阵列式的隔间51，每个隔间51刚好容纳一根内管或内管总成102，并在每个隔间51内设置有防滑橡胶，防止内管或内管总成102滑出箱式内管库5。
[0039] 在本实施例中，箱式钻杆钻具库4和两箱式内管库5分别设于钻架21的两侧，其中两个箱式内管库5靠近动力头22的一侧设置。
[0040] 接卸杆机构6包括抓杆机构61和受杆机构66。所述抓杆机构61设于所述箱式钻杆钻具库4和两箱式内管库5的上方，所述接卸杆机构6的受杆机构66位于两个箱式内管库5之间将两个箱式内管库5隔开。
[0041] 抓杆机构61用于从箱式钻杆钻具库4中将钻杆或钻具外管101取出并移动到受杆机构66的抓取位置，并用于从箱式内管库5中将内管或内管总成102取出并移动到受杆机构66的抓取位置；受杆机构66用于接收来自抓杆机构61送来的钻杆101、钻具外管101、内管
102或内管总成102，并移动到插接位置。
[0042] 海底深孔钻机上分布有两组抓杆机构61，分别位于箱式钻杆钻具库4和两个箱式内管库5的上方，其中一组抓杆机构61负责箱式钻杆钻具库4的钻杆101、钻具外管101的抓取和回收，另一组抓杆机构61负责箱式内管库5的内管102、内管总成102的抓取和回收。
[0043] 参照图3，图中O-XYZ直角
坐标系中，定义X轴方向为纵向、Y轴方向为横向，Z轴方向为竖向。抓杆机构61包括X方向运动机构62、Y方向运动机构63、Z方向运动机构64和抓杆装置65。X方向运动机构62安装在Z方向运动机构64上并由Z方向运动机构64驱动X方向运动机构62沿Z方向上下移动，Y方向运动机构63安装在X方向运动机构62上并由X方向运动机构62驱动Y方向运动机构63沿X方向前后移动，抓杆装置65安装在Y方向运动机构63上并由Y方向运动机构63驱动抓杆装置65沿Y方向左右移动。
[0044] Z方向运动机构64和X方向运动机构62的数量均为两组，所述两组X方向运动机构62分别安装在两组Z方向运动机构64上，所述Y方向运动机构63连接在两组X方向运动机构
62之间。
[0045] Z方向运动机构64包括Z方向马达641、两个Z方向导轨642、Z方向丝杠643和Z方向滑块644，Z方向滑块644可竖直上下滑动地安装在Z方向导轨642上并与Z方向丝杠643配合，Z方向马达641驱动Z方向丝杠643旋转，以带动Z方向滑块644沿竖直方向上下移动。
[0046] X方向运动机构62包括X方向马达621、两个X方向导轨622、X方向丝杠623和X方向滑块624，X方向导轨622固定在Z方向滑块644上，X方向滑块624可纵向前后滑动地安装在X方向导轨622上并与X方向丝杠623配合，X方向马达621驱动X方向丝杠623旋转，以带动X方向滑块624沿纵向前后移动。
[0047] Y方向运动机构63包括Y方向马达631、两个Y方向导轨632、Y方向丝杠633和Y方向滑块634，Y方向导轨632固定在X方向滑块624上，Y方向滑块634可横向左右滑动地安装在Y方向导轨632上并与Y方向丝杠633配合，Y方向马达631驱动Y方向丝杠633旋转，以带动Y方向滑块634沿横向左右移动，抓杆装置65安装在Y方向运动机构63的Y方向滑块634上，随Y方向滑块634一起沿横向左右移动。
[0048] 通过三组这样互相垂直的X方向运动机构62、Y方向运动机构63和Z方向运动机构64，实现空间立体上三个方向上的运动，使抓杆装置65能移动到任一抓取位置。
[0049] 抓杆装置65包括旋转马达650、抓杆筒651、抓块652、第一油缸653、机械抓654和第二油缸655，抓杆装置65在旋转马达650的作用下能360度旋转。抓杆筒651用于插入钻杆101、钻具外管101、内管102或内管总成102，抓块652通过第一油缸653控制抓紧和松开动作，以抓紧或松开插入抓杆筒651内的钻杆101、钻具外管101、内管102或内管总成102，机械抓654通过第二油缸655控制抓紧和松开动作，以抓紧或松开钻杆101、钻具外管101、内管
102或内管总成102。
[0050] 抓杆装置65的功能实现方式为：
[0051] 从箱式钻杆钻具库4中抓取钻杆101或钻具外管101时，抓块652在第一油缸653松开状态下，使钻杆101或钻具外管101的尾部套入抓杆筒651内，第一油缸653伸出后驱动抓块652卡住钻杆101或钻具外管101尾部，抓紧钻杆101或钻具外管101；
[0052] 从箱式内管库5中抓取内管102或内管总成102时，抓块652在第一油缸653松开状态下，使内管102或内管总成102的尾部套入抓杆筒651内，第一油缸653伸出后驱动抓块652卡住钻杆101或钻具外管101尾部，抓紧内管102或内管总成102；
[0053] 回收钻杆101、钻具外管101、内管102或内管总成102时，第二油缸655驱动机械抓654张开，使钻具外管101、内管102或内管总成102伸入机械抓654中，然后第二油缸655驱动机械抓654闭合，通过机械抓654抓紧钻具外管101、内管102或内管总成102。
[0054] 受杆机构66包括推动油缸660、卡盘661、卡块662、卡块油缸663和滑轨664，卡盘661可滑动地安装在所述滑轨664上，卡盘661设有卡盘孔6621，用于插入钻杆101、钻具外管
101、内管102或内管总成102，推动油缸661用于驱动卡盘662沿滑轨664移动到卡接位置，卡块662通过卡块油缸663控制抓紧和松开动作，以抓紧或松开插入卡盘孔6621内的钻杆101、钻具外管101、内管102或内管总成102。
[0055] 地形适应装置包括四个支腿71，所述四个支腿71分别安装在机架1的四个角位置，每一个支腿71包括延展伸缩机构72和支撑伸缩机构73，延展伸缩机构711和支撑伸缩机构712相互垂直布置。支撑伸缩机构73用于支持地面，包括支撑驱动油缸731和套接在一起的多个支撑臂732，所述支撑驱动油缸731用于驱动所述多个支撑臂732上下伸缩，使海底深孔钻机能适应地形，保持海底深孔钻机不倾斜。所述延展伸缩机构72包括延展驱动油缸721和套接在一起的多个延展臂722，所述延展驱动油缸721用于驱动所述多个延展臂722伸出往外延展，以获得更大的支撑面，保证海底深孔钻机钻进过程的
稳定性。
[0056] 在本实施例中，支腿71安装于双层底座11的上层111和下层112之间，四个支腿71两两成90度均匀布置。
[0057] 液压系统8包括液压站81、液压
控制阀箱82和压力补偿器83，用于驱动海底深孔钻机钻的油缸和液压马达作业。
[0058] 监控系统用于控制
液压阀和采集传感器数据和
视频信号，以及与科考船进行通讯。监控系统包括照明灯、摄像头、传感器和控制仓94。海底深孔钻机钻的所有控制电路与采集电路均安装在控制仓94内。
[0059] 海底深孔钻机的作业方法如下：
[0060] 将海底深孔钻机下放至海底之后，根据控制仓内的
姿态传感器判断海底深孔钻机的姿态，利用支腿71的延展伸缩机构711伸出四个支腿71，通过四个支腿71的支撑伸缩机构712将海底深孔钻机调平，打开监控系统，检查各个部分是否正常，一切正常后开始作业；
[0061] 通高压电，液压站启动，利用抓杆机构61从箱式钻杆钻具库4中抓取钻具，将钻具移动至钻架21的动力头22的对侧中心位置，伸出受杆机构66的推动油缸660，使其卡盘661到达钻架21的动力头22的对侧位置，在抓杆机构61的作用下将钻具放入受杆机构66的卡盘661，并通过卡块油缸663驱动卡块662卡紧钻具，退回推动油缸660至动力头22的位置，启动动力头22的液压马达，主轴旋转，将钻具接在主轴上，提升动力头22，继续退回受杆机构66的推动油缸660，离开动力头22的位置，钻具在动力头22的带动下旋转，开启推进机构的推进油缸，动力头22下降，海底深孔钻机开始钻进；
[0062] 钻进达到一
定位置后，通过接卸杆卡盘25将钻具和动力头22分离，利用抓杆机构61抓取钻杆并送至受杆机构66，钻杆与动力头22相连后再与钻具相连，松开接卸杆卡盘25后启动推进机构的推进油缸，继续钻进，到达位置后再按照上述方法接钻杆，直到
指定钻进深度后完成钻进。
[0063] 钻进过程中通过冲洗系统3泵压判断岩心是否堵塞或注满，钻具内管岩心管满后需要去除岩心，停止钻进，将与卷扬机钢丝绳相连的打捞器利用抓杆机构61放入钻杆内将内管取出，取出后在两个抓杆机构61的配合下分离内管总成和打捞器，并将内管放入箱式钻杆钻具库4内，重新利用抓杆机构61取出新内管放入钻具内，继续钻进，按照上述方法不断跟换内管取出岩心。直至钻进完成。利用接卸杆机构6按前述方法回收钻杆钻具，将海底深孔钻机收回至科考船。海底深孔钻机的整个接卸杆和钻进过程都在视频监控和传感器的反馈协助下完成。
[0064] 上述海底深孔钻机中，通过设计专用的接卸杆机构6来完成大深度钻机的接换杆操作，抓杆机构61在立体空间的运动由三组运动机构实现，并设计有双功能的抓杆装置65。
[0065] 每个支腿71有向外延展功能，扩大海底深孔钻机调平时的稳定面面积。
[0066] 使用箱式箱式钻杆钻具库4和箱式内管库5，钻杆钻具放入阵列式的小隔间内，钻杆钻具存储量大，安全可靠。
[0067] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
