本發(fā)明屬于海洋鉆井設(shè)備，具體涉及自保持型海底液壓鉗，還涉及上述自保持型海底液壓鉗的控制方法。

背景技術(shù)：

1、對(duì)于海洋地質(zhì)勘探、科考作業(yè)來(lái)說(shuō)，海底鉆探取芯是一種可直接獲取地層狀態(tài)的重要手段。通過(guò)水面連接至井底的5寸半或7寸半鉆桿串，在鉆桿內(nèi)部送入取芯工具，完成取芯并打撈即可完成一次取芯作業(yè)。在鉆探取芯過(guò)程中，由于洋流、浪涌和船舶升沉的共同作用，鉆桿串將處于無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，位于井底來(lái)說(shuō)，鉆桿的運(yùn)動(dòng)將引起鉆頭和取芯工具的不規(guī)則上下“竄動(dòng)”，如不對(duì)鉆桿的運(yùn)動(dòng)加以控制，取芯時(shí)可能引起取芯斷層、井壁塌陷，最終導(dǎo)致取芯任務(wù)無(wú)法開(kāi)展。

2、現(xiàn)有技術(shù)通常采用海底基盤(pán)來(lái)輔助鉆探取芯作業(yè)，海底基盤(pán)由基盤(pán)本體和海底液壓鉗組成，鉆桿通過(guò)基盤(pán)上下喇叭口的導(dǎo)向后鉆入地層，基盤(pán)本身具備較大的水下重量，坐放在海底泥線后，可有效的減少鉆桿鉆入地層后的彎曲程度。海底液壓鉗安裝在上下喇叭口之間，取芯的時(shí)候，液壓鉗夾持鉆桿，由于海底基盤(pán)的自身重量，井底的鉆頭將處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)開(kāi)展下放取芯工具，取芯的質(zhì)量將大幅提高。海底液壓鉗是海底基盤(pán)的重要部件。鉆井時(shí)，海底液壓鉗打開(kāi)，方便鉆具的下入。取芯時(shí)，海底鉗關(guān)閉，夾持并穩(wěn)定住鉆桿，提高取芯成功率。海底基盤(pán)通常利用鋼絲繩進(jìn)行下放和回收，在緊急情況下，當(dāng)鋼絲繩斷裂或收放絞車(chē)故障時(shí)，可利用海底液壓鉗的鉆桿夾持功能，通過(guò)回收鉆桿實(shí)現(xiàn)對(duì)海底基盤(pán)的回收，故海底液壓鉗夾持的可靠性是利用鉆桿回收海底基盤(pán)的關(guān)鍵。現(xiàn)有的海底液壓鉗通常采用液壓的方式驅(qū)動(dòng)液缸推動(dòng)海底鉗夾持和松開(kāi)，對(duì)于海底液壓鉗的持續(xù)夾持功能，往往利用蓄能器的保壓能力使夾持液缸內(nèi)壓力恒定，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定夾持力施加。此外，蓄能器還可在一定程度上確保液壓動(dòng)力源失效夾持力不受影響。

3、在鉆桿回收海底基盤(pán)的過(guò)程中，回收持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，回收過(guò)程中船舶始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，加上水中鉆桿彈性產(chǎn)生的振動(dòng)，對(duì)海底鉗的夾持穩(wěn)定性提出了非常高的要求，一旦海底鉗夾持力變小，回收過(guò)程中的振動(dòng)將引起海底鉗持續(xù)松開(kāi)，最終可能導(dǎo)致海底基盤(pán)掉落海底的事故發(fā)生。對(duì)于采用蓄能器進(jìn)行保壓夾持的海底液壓鉗來(lái)說(shuō)，如果動(dòng)力源失效，蓄能器將是保持夾持力的唯一動(dòng)力源，但在實(shí)際的使用過(guò)程中，由于液缸、管接頭、閥件等密封元件均無(wú)法做到零泄漏，在蓄能器保壓夾持過(guò)程中，夾持力也會(huì)隨著油液的泄漏逐漸降低，同時(shí)蓄能器作為一種利用壓縮空氣來(lái)保壓的設(shè)備，蓄能器與環(huán)境海水直接接觸，提升過(guò)程中遇到海水溫度的突然降低也會(huì)導(dǎo)致夾持力下降。故在鉆桿提升海底基盤(pán)的過(guò)程中，處于對(duì)夾持可靠性的擔(dān)心，操作人員需要隨時(shí)注意海底液壓鉗內(nèi)部壓力情況，以防止海底液壓鉗夾持力變小引起事故，這不可避免的要增加水下傳感器，同時(shí)還要考慮信號(hào)傳輸?shù)剿娴膯?wèn)題，水下夾持力監(jiān)控系統(tǒng)的投入將大幅提高海底基盤(pán)的安裝成本。因此，采用蓄能器保壓的方式實(shí)現(xiàn)海底液壓鉗的夾持，并做到持續(xù)的夾持力數(shù)據(jù)監(jiān)視，存在可靠性低和安裝成本過(guò)高的問(wèn)題。隨著我國(guó)海洋勘探和科考作業(yè)的力度逐年提高，現(xiàn)階段利用海底液壓鉗夾持鉆桿以回收海底基盤(pán)的方式已無(wú)法滿足越來(lái)越苛刻的安全和降本需求，提出一種新型的更加安全和低成本海底液壓鉗顯得尤為迫切。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的一個(gè)目的是提供自保持型海底液壓鉗，解決現(xiàn)有海底液壓鉗利用蓄能器實(shí)現(xiàn)保壓夾持可靠性低的問(wèn)題。

2、本發(fā)明的另一目的是提供上述自保持型海底液壓鉗的控制方法。

3、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，自保持型海底液壓鉗，包括自保持型海底液壓鉗，包括安裝支架，安裝支架內(nèi)部沿水平方向設(shè)置夾持卡鉗，夾持卡鉗兩端連接夾持液缸，夾持液缸連接自鎖液缸，自鎖液缸后端設(shè)置后端蓋。

4、本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，

5、安裝支架包括圓筒，圓筒沿著延伸方向的中部徑向開(kāi)設(shè)通孔，通孔內(nèi)套接海底鉗安裝法蘭，海底鉗安裝法蘭水平設(shè)置，圓筒頂部設(shè)置基盤(pán)連接法蘭，圓筒底部設(shè)置導(dǎo)向筒安裝法蘭。

6、夾持卡鉗包括卡鉗本體，卡鉗本體一端通過(guò)螺紋連接夾持液缸的活塞桿，卡鉗本體另一端開(kāi)設(shè)卡瓦體固定槽，卡瓦體固定槽內(nèi)成錐形布置兩套卡瓦，卡瓦和卡鉗本體接觸面通過(guò)卡瓦螺栓進(jìn)行緊固，卡瓦直接接觸鉆桿表面，卡瓦上設(shè)計(jì)有多排卡齒，卡瓦上下兩端分別設(shè)置壓塊，壓塊與卡鉗本體上下表面相貼合。

7、夾持液缸包括夾持液缸缸筒，夾持液缸缸筒內(nèi)一端設(shè)置夾持活塞，夾持活塞前段設(shè)置夾持液缸前端蓋，夾持活塞連接夾持活塞桿，夾持活塞桿貫穿夾持液缸前端蓋，夾持活塞桿端部連接卡鉗本體。

8、夾持液缸缸筒內(nèi)另一端依次設(shè)置彈簧、自鎖活塞、自鎖液缸前端蓋，彈簧一端接觸夾持活塞，彈簧另一端設(shè)置自鎖活塞，夾持活塞和自鎖活塞靠近彈簧一側(cè)均設(shè)置限位擋塊。

9、自鎖活塞連接自鎖活塞桿，自鎖活塞桿與自鎖活塞通過(guò)螺紋連接，自鎖活塞桿貫穿自鎖液缸前端蓋；自鎖液缸包括自鎖液缸缸筒，自鎖液缸缸筒連通夾持液缸缸筒，自鎖液缸缸筒靠近夾持液缸缸筒一側(cè)設(shè)置自鎖液缸前端蓋，自鎖液缸缸筒遠(yuǎn)離自鎖液缸前端蓋一側(cè)設(shè)置自鎖液缸后端蓋，自鎖液缸后端蓋后設(shè)置后端蓋，自鎖液缸前端蓋后設(shè)置鎖定推力活塞。

10、推力活塞連接鎖定推桿，鎖定推桿連接鎖定推桿固定盤(pán)，鎖定推桿固定盤(pán)周向均勻設(shè)置若干咬合齒，若干咬合齒外周卡接擋環(huán)，擋環(huán)為錐形環(huán)，擋環(huán)連接解鎖推桿，解鎖推桿連接解鎖推桿固定盤(pán)，解鎖推桿固定盤(pán)連接解鎖推力活塞，自鎖活塞桿依次貫穿推力活塞、鎖定推桿固定盤(pán)、擋環(huán)，解鎖推桿固定盤(pán)、解鎖推力活塞。

11、自鎖活塞桿的兩端為光滑密封面，中間與咬合齒的咬合處為粗糙面，在自鎖活塞桿軸向開(kāi)設(shè)通孔，通孔將氣體引入后端蓋，咬合齒包括咬合齒本體，咬合齒本體呈1/6中空?qǐng)A臺(tái)狀，咬合齒本體外周尺寸與擋環(huán)的錐形環(huán)相匹配，咬合齒本體與擋環(huán)接觸面設(shè)計(jì)成錐形且錐角保持一致，咬合齒本體內(nèi)壁開(kāi)設(shè)凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)置咬合齒面，咬合齒面為帶多排齒的圓弧形板，利用咬合齒固定螺栓將咬合齒面進(jìn)行固定鑲嵌在咬合齒本體的凹槽內(nèi)，咬合齒本體與咬合齒面的安裝平面也設(shè)計(jì)成錐形，咬合齒面安裝后與自鎖活塞桿的中心軸線成一定角度；鎖定推桿包括鎖定推桿本體，鎖定推桿本體端部開(kāi)設(shè)兩個(gè)球形凹槽，球形凹槽內(nèi)安裝推力鋼球，鎖定推桿本體端部設(shè)置鎖定推桿壓蓋，通過(guò)推桿緊固螺栓將鎖定推桿壓蓋緊固；解鎖推桿包括解鎖推桿本體，解鎖推桿本體端部開(kāi)設(shè)一個(gè)球形凹槽，球形凹槽內(nèi)安裝推力鋼球，解鎖推桿本體端部設(shè)置解鎖推桿壓蓋，通過(guò)推桿緊固螺栓將解鎖推桿壓蓋緊固。

12、本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，

13、自保持型海底液壓鉗的控制方法，利用自保持型海底液壓鉗與外部液壓源和液壓閥件的配合，實(shí)現(xiàn)自保持型海底液壓鉗在5種工作模式下的自由切換，具體按照以下步驟進(jìn)行實(shí)施：

14、s1、海底液壓鉗初始模式，具體為：

15、海底液壓鉗初始模式為海底液壓鉗未工作時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)，代號(hào)為sv1和sv2的三位四通換向閥內(nèi)的所有電磁鐵均處于掉電狀態(tài)，自鎖液缸的x1和x2口連通回油箱處于未工作狀態(tài)；

16、夾持液缸的a、b口連通回油箱，彈簧處于自由釋放狀態(tài)，夾持液缸內(nèi)夾持液壓腔和自鎖液壓腔的油液體積決定了夾持活塞桿的位置；

17、s2、海底液壓鉗松開(kāi)模式，具體為：

18、在海底基盤(pán)下放到海底后，為便于取樣工具的下放，將海底液壓鉗全部開(kāi)啟，此時(shí)，sv1的b位電磁鐵得電、a位電磁鐵掉電，sv2的所有電磁鐵掉電，自鎖液缸處于未工作狀態(tài)；

19、液壓源為壓力口p口供油，通過(guò)sv1經(jīng)過(guò)代號(hào)為dv1分流集流閥分流后，進(jìn)入兩只夾持液缸的a口，夾持活塞腔充油，推動(dòng)夾持活塞桿縮回；同時(shí)，彈簧的彈力將使自鎖活塞腔的液壓油被擠出，通過(guò)b口dv2處合流后經(jīng)sv1流回油箱；兩只分流集流閥在此起著使夾持活塞桿縮回速度保持一致的作用。

20、s3、海底液壓鉗夾持模式，具體為：

21、海底取芯作業(yè)時(shí)，需要海底液壓鉗夾持鉆桿，此時(shí)，sv1的a位電磁鐵掉電、b位電磁鐵掉電，sv2的所有電磁鐵掉電，自鎖液缸未工作狀態(tài)。液壓源為壓力口p口供油，通過(guò)sv1經(jīng)過(guò)代號(hào)為dv2分流集流閥分流后，進(jìn)入兩只夾持液缸的b口，自鎖活塞腔充油，推動(dòng)自鎖活塞桿伸出；

22、同時(shí)，彈簧的彈力將使夾持活塞腔的液壓油被擠出，通過(guò)a口dv1處合流后經(jīng)sv1流回油箱，并推動(dòng)夾持活塞桿伸出；兩只分流集流閥在此起著使夾持活塞桿和自鎖活塞桿伸出速度保持一致的作用；隨著自鎖活塞腔壓力的升高，彈簧逐漸被壓縮，夾持活塞桿通過(guò)夾持卡鉗施加在鉆桿上的夾持力也隨之增大，安裝在sv1入口cv1單向閥在一定程度上起著p口掉壓時(shí)保持夾持力的作用；

23、s4、海底液壓鉗鎖定模式，具體為：

24、當(dāng)海底基盤(pán)需要利用鉆桿進(jìn)行緊急回收時(shí)，啟用該模式，首先應(yīng)依據(jù)s3所述的方法使海底液壓鉗處于夾持鉆桿的狀態(tài)，使p口壓力達(dá)到最大，海底液壓鉗對(duì)鉆桿夾持力也達(dá)到最大；此時(shí)，使sv1保持a位電磁鐵得電、b位電磁鐵掉電的狀態(tài)，同時(shí)，使sv2的b位電磁鐵得電、a位電磁鐵掉電；p口的壓力油通過(guò)sv2進(jìn)入兩只自鎖液缸的控制油口x1，p口的壓力下降，由于cv1的作用，夾持液缸的推力不發(fā)生變化，相應(yīng)的海底液壓鉗夾持力也不發(fā)生變化；

25、自鎖液缸的鎖定推力活塞腔開(kāi)始充油，推動(dòng)鎖定推力活塞擠壓咬合齒運(yùn)動(dòng)，咬合齒在擋環(huán)的限制下對(duì)自鎖活塞桿進(jìn)行咬合，同時(shí)，咬合齒推動(dòng)解鎖推力活塞將腔內(nèi)的液壓油排回油箱，隨著p口壓力的再次達(dá)到最大，咬合齒運(yùn)動(dòng)到極限位置，其對(duì)的自鎖活塞桿咬合力也達(dá)到最大；

26、將sv1和sv2所有電磁鐵掉電，夾持液缸和自鎖液缸內(nèi)所有液壓腔室內(nèi)壓力降至最小，由于彈簧的作用，其將持續(xù)為自鎖活塞桿提供一個(gè)與鉆桿夾持力方向相反大小相等的推力，得益于咬合齒與擋環(huán)的錐形配合面以及咬合齒與自鎖活塞桿傾斜咬合面的設(shè)計(jì)，彈簧的彈力將使咬合齒與自鎖活塞桿抱死，由于自鎖活塞桿的位置被鎖定，海底液壓鉗通過(guò)彈簧的持續(xù)夾持鉆桿，實(shí)現(xiàn)不依賴液壓動(dòng)力的機(jī)械自鎖；

27、s5、海底液壓鉗解鎖，具體為：

28、當(dāng)處于鎖定狀態(tài)下的海底液壓鉗需要解除鎖定時(shí)，確保液壓源為壓力口p口供油，使sv1的a位電磁鐵得電、b位電磁鐵掉電，液壓油通過(guò)sv1進(jìn)入兩只夾持液缸的b口，自鎖活塞腔壓力升高，p口壓力達(dá)到最大時(shí)，作用在自鎖活塞桿上的彈簧彈力和自鎖活塞腔提供的液壓推力相抵消，解鎖操作就緒。

29、此時(shí)，使sv2的a位電磁鐵得電、b位電磁鐵掉電，液壓油通過(guò)sv2進(jìn)入兩只自鎖液缸的控制油口x2，解鎖推力活塞腔開(kāi)始充油，推動(dòng)解鎖推力活塞使咬合齒朝與擋環(huán)脫離的方向運(yùn)動(dòng)，擋環(huán)施加在咬合齒的徑向力消失，咬合齒對(duì)自鎖活塞桿的夾持力丟失，自鎖活塞桿的位置鎖定解除；鎖定解除后，使sv2的兩只電磁鐵掉電，通過(guò)控制sv1的可實(shí)現(xiàn)海底液壓鉗的夾持和松開(kāi)。

30、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明滿足海底基盤(pán)在緊急情況下利用鉆桿進(jìn)行回收使用工況，海底液壓鉗具備自保持功能，不需要外部液壓源和蓄能器即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鉆桿夾持，同時(shí)不需要增加額外的水下夾持監(jiān)視系統(tǒng)，比起現(xiàn)有的海底液壓鉗在可靠性和成本方面具備一定的優(yōu)勢(shì)，具體包括以下幾個(gè)方面：

31、(1)可靠的自保持功能。采用咬合齒對(duì)活塞桿進(jìn)行咬合鎖定，在彈簧的作用下，夾持液缸推動(dòng)夾持鉗體持續(xù)夾持鉆桿，同時(shí)由于彈簧的彈力，活塞桿和咬合齒之間咬合力不發(fā)生變化，活塞桿實(shí)現(xiàn)了機(jī)械自鎖。

32、(2)更低的安裝成本。由于不需要水下蓄能器的保壓，同時(shí)海底液壓鉗的自保持功能足夠可靠，在利用鉆桿進(jìn)行回收海底基盤(pán)的過(guò)程中，不需要進(jìn)行夾持力的檢測(cè)，省去了水下數(shù)據(jù)采集、傳輸和水面數(shù)據(jù)顯示單元的安裝成本，整套海底基盤(pán)的成本顯著降低。

33、(3)集成度高，維護(hù)性好。海底鉗安裝支架、夾持液缸、夾持鉗體、自保持液缸等均沿夾持方向進(jìn)行集成式設(shè)計(jì)和組裝，各個(gè)部件均可分別拆卸和安裝，使用維護(hù)便利。