CN102797419A - 用于将基础元件引入水体地层内的水下钻探装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将基础元件引入水体地层内的水下钻探装置和方法，包括用于放置到水体地层上的浸没式工作平台，以可调节方式设置在工作平台上用于在水体地层上校准工作平台的若干触地元件，以及用于接收和引导钻探工具的至少一根导管。根据本发明给出的用于改进锚定的设置是将导管以纵向可移位和可旋转的方式支撑在工作平台上并且在工作平台上设有导管驱动器用于以旋转方式驱动导管。

Description

用于将基础元件引入水体地层内的水下钻探装置和方法

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的用于将基础元件引入水体地层内的水下钻探装置，包括放置到水体地层上的浸没式工作平台，以可调节方式设置在工作平台上用于在水体地层上校准工作平台的若干触地元件，以及设置在工作平台上被设计用于接收和引导由钻孔驱动器驱动的钻探工具的至少一根导管。而且，本发明涉及一种用于借助水下钻探装置将基础元件引入水体地层内的方法。

背景技术

这种类型的钻探装置例如用于引入基础元件以供离岸风力场或海上潮汐发电站中的水力涡轮机使用。

常用的现有技术例如可以从GB2469190A中获得。根据这种已知方法，工作平台首先被安置在水体地层上。通过位于工作平台上的水平调节装置将装有受料斗的导管带入其中要在水体地层内加工出钻孔的特定位置。然后，以旋转方式驱动的钻探工具被轴向***导管内并下沉到水体地层内用于形成钻孔。

在有强下层海流的情况下，即使在引入第一个钻孔之前也存在工作平台移位或偏离航线的风险。如果另外还有大型钻探工具被设置到工作平台上的导管内，那么这种风险会特别普遍，原因在于这样就至少暂时地为海流提供了相当大的目标表面。而且，由于水下偏差从来都不能完全消除，因此在将钻探工具***导管内期间可能会有相当大的横向作用力被加至工作平台，这将导致工作平台在水体地层上不合需要的移位。在此情况下无法在精确的位置加工基础元件。

作为对比，可以从EP2322724A1中获知一种改进的方法。在这种水下钻探装置中，几根套管式的导管被设置在工作平台上，其中在同时接收钻探工具的任何情况下都已经设置有管式的基础元件。管式基础元件通过夹持装置固定在工作平台上并且能够在加工出钻孔之后下降到钻孔内。

根据WO 02/18711A1和EP0301116A1可以分别获得能够下降至水下的用于钻探工具的驱动单元。

根据US3029608可以获得一种已知的锚定方法，其中利用振动驱动器将基础元件引入水体地层内，振动驱动器被设置在平台上方水面之上。

发明内容

本发明基于以下目标：提供一种用于将基础元件引入水体地层内的水下钻探装置和方法，由此基础元件能够在特别精确的位置引入。

该目标在一方面通过一种具备权利要求1中所述特征的水下钻探装置实现。另一方面，该目标通过一种具备权利要求8中所述特征的方法实现。在各自的从属权利要求中给出了本发明的优选实施例。

根据本发明的水下钻探装置的特征在于导管以纵向可移位和可旋转的方式被支撑在工作平台上并且在于在工作平台上设有导管驱动器用于以旋转方式驱动导管。

本发明的基本思想是不仅仅通过在侧面设置在工作平台上的触地元件来支撑水体地层上的工作平台。在加工实际的钻孔之前，根据本发明对支撑在工作平台上的导管进行设置以用旋转方式由自身驱动并且通过导管驱动器钻入地下。由此即可实现将工作平台进一步锚定在水体地层内。为此导管被驱动伸入水体地层几米深。这可以通过设置在工作平台上的导管驱动器实施。

在锚定工作平台之后，可以随后利用常规钻探工具将基础元件引入水体地层内，并且在这样做时是沿导管引导钻探工具。由于导管已经被部分引入到水体地层内，因此也可以实现在地下更好地引导钻探工具。***钻探工具或基础元件期间作用在导管上的横向作用力被直接吸收到水体地层内以使得工作平台不会发生移位。

根据本发明，对于导管来说有利的是在其上端具有用于***钻探工具的***式料斗。在水下工作期间，通常为锥形设计的该料斗允许更容易将钻探工具或桩式基础元件***导管内。***式料斗也可以仅被设计在部分周边上用作捕捉装置。

此外，根据本发明优选的是导管在其下端具有用于移除地面材料的切削齿。具体地，切削齿以环形方式被设置在导管的下缘上。因此，导管在其下部区域被设计为类似于钻探管以使其也能够切入比较硬的地面材料例如石块或岩石内。

导管由优选作用在导管外部的导管驱动器以旋转方式驱动。这样，就能以简单的方式将导管驱动器紧接导管设置在工作平台上。在这方面，本发明设想作为优选实施例的导管驱动器具有至少一个夹头驱动器以及围绕并夹持导管的夹头，由此夹头就能够通过横向于导管轴线设置的至少一个扭转缸转过预定的扭转角。

夹头至少作用在导管外周的局部区域上。通过适当的夹紧缸，加力锁定连接即可由此在夹头和导管之间生效。通过横向设置的基本上与圆柱形导管外部相切而生效的扭转缸，夹头随之移位并因此围绕导管的轴线转过预定的扭转角。随后，释放夹头的夹持并且通过缩回扭转缸而移动夹头返回到起始位置。随后可以进行新一轮的导管夹持和扭转。

通过这种类型的夹头驱动器即可实现一种用于导管的简单、紧凑并且同时有高转矩的旋转驱动器。这种夹头驱动器不连续的工作模式优选地足以驱动导管伸入水体地层一米到五米深以用于锚定工作平台。

为了允许有足够的前向推力用于将导管钻入水体地层内，可以利用导管外部的板条来提供螺旋形行程。但是，根据本发明特别优选的是夹头驱动器具有相对于钻孔轴线纵向设置的至少一个进给缸，通过进给缸就能沿钻孔轴线的方向移动夹头和夹持的导管。因此，通过进给缸就能沿水体地层的方向平行于导管轴线施加确定的作用力。这就允许在引入导管期间有良好和可靠的进给动作。

根据本发明进一步优选的是钻探工具的钻孔驱动器可以被固定在导管上。用于钻探工具的钻孔驱动器是一种现有技术中已知的用于以连续旋转的方式驱动钻探工具的驱动单元。钻探工具可以是常规钻头或其自身保留在地下作为基础元件的钻杆。在此情况下，钻孔驱动器优选地通过弹性夹板以与其相对紧密的方式固定在导管的上侧。在通过钻探工具加工出钻孔之后，钻孔驱动器即可再次从导管释放并从工作平台移走。为此，钻孔驱动器可以用已知的方式支撑在缆绳上并收回到船上。然后，即可将桩式基础元件***钻孔内并用混凝土锚定在其中。

为了在水体地层上校准工作平台，根据本发明进一步有利的是可以通过提升缸来调节触地元件。用这种方式，单独设定提升缸的行程就允许将不平坦的水体地层变平。因此就能设定导管的竖直校准。根据本发明，至少三个触地元件以近似星形的方式被设置在工作平台的外周上。根据工作平台的应用，也可以给出用于更多触地元件的设置。为了工作平台的初始锚定，这些元件自身可以被设计为具有用于刺入水体地层内的尖端。基本上，旋转驱动触地元件也是可行的，以使得为了锚定工作平台而将触地元件至少小面积地钻入水体地层内。

而且，在开始时所述的目标通过用于借助水下钻探装置将基础元件引入水体地层内的方法而解决，其中水下钻探装置的工作平台被下降至水体地层并用触地元件安置在水体地层上，通过导管驱动钻头将导管钻入水体地层内并随后通过钻孔驱动器以旋转方式驱动***导管内的钻探工具，由此形成用于接收基础元件的钻孔。通过该方法就能够具体地实现上述的优点。

为了轻易和高转矩地引入导管，根据本发明给出的设置用于利用夹头驱动器作为导管驱动器以不连续的方式驱动导管。

为了驱动钻探工具，优选地设有不同的驱动器，并且根据本发明优选的是通过被设计为连续运行式旋转驱动器的钻孔驱动器来驱动钻探工具。用这种方式就能够生成对加工深钻孔特别有利的具有恒定转矩的恒速旋转运动。

另外，根据本发明，将钻孔驱动器可释放地固定在导管上是有利的。可以在工作平台向水体地层下降期间将钻孔驱动器尽早地固定在导管上。可选地，当工作平台已经被设置在海底时，钻孔驱动器也可以在后期再***导管内。具体地，可以在工作平台上设置几根导管以使得在加工出第一钻孔之后，钻孔驱动器和钻探工具能够再次从导管释放并随后***第二导管内用于钻出第二钻孔。

为了高效地加工基础元件，根据本发明给出的设置是在收回钻探工具期间将钻孔充满***以构成基础元件的硬化物质。在此情况下，钻探工具例如可以是埋装钻头，首先通过它首先将地面材料去除并冲出钻孔。然后，在从钻孔收回钻探工具期间，硬化物质更具体地说是混凝土即可通过钻探工具中的空心杆被引入钻孔内以构成基础元件。

此外，根据本发明有利的是在基础元件成形期间或之后将导管从地面取出并与工作平台一起从水体地层升起。为此，导管可以被牢固地夹持在工作平台上。通过适当的提升绞盘和/或激活触地元件的提升缸即可随后将工作平台从水体地层移出。在必要时，也可以通过利用导管驱动器的旋转动作来帮助从水体地层释放导管。

附图说明

以下将通过在附图中示意性示出的优选实施例来进一步介绍本发明，附图中示出了：

图1是根据本发明的水下钻探装置的侧视图；

图2是从图1的水下钻探装置上方看的俯视图；

图3是根据本发明***了钻探工具的另一种水下钻探装置的侧视图；以及

图4是图3中水下钻探装置的截面图。

具体实施方式

可以从图1和图2中获得根据本发明的水下钻探装置10的基本结构。所述装置具有装备三根水平底梁18的星形工作平台20，每一根底梁都相对彼此以相同的角距径向延伸。成形为桁条结构的鼓形框架14从底梁18向上竖直延伸。框架14另外通过斜加强梁16被连接至底梁18。在任何情况下都在加强梁16和底梁18的连接点处设有触地元件22。这些触地元件具有可以通过提升缸24竖直调节的撑杆。在由提升缸24致动的撑杆下侧设有锚定元件26。这些锚定元件26可以被设计为尖端或切削齿，从而允许将触地元件22锚定到水体地层内。

为了进一步锚定工作平台20，根据本发明，圆柱形导管30以可旋转和纵向可移位的方式被支撑在鼓形框架14内。在导管30下侧设计有较小直径的具有切削齿34的齿环。在导管30上侧设有至少是分段设计的***式料斗32，有助于捕捉并将圆柱形钻探工具40***导管30内。钻探工具40通过供给管线44以从并未示出的补给船提供能量、冲洗液和/或具体为混凝土的硬化物质。工作平台20也通过并未示出的缆绳和绞盘装置被连接至补给船并由其提供能量。

在图3和图4中示出了根据本发明另一种修改形式的水下钻探装置10。示出的相同附图标记表示具有相同功能的部件，在此情况下可以参考先前的说明。

正如在前述实施例中的情形一样，工作平台20具有以星形设置方式延伸在支撑元件22和鼓形框架14之间的底梁18和加强梁16。在该实施例中，底梁18与加强梁16类似地相对于钻孔轴线12以锐角定位。

根据图4，触地元件22包括接纳实际提升缸24的壳体23。在提升缸24的活塞上设有可伸展的柱形撑杆28，在其上侧设有用于锚定在水体地层内的尖锐的锚定元件26。

为了进一步锚定将导管30以轴向可调节和可扭转的方式支撑在鼓形框架14内。为此设有具备两个夹头驱动器61a和61b的导管驱动器60。两个夹头驱动器61a和61b都具有围绕导管30的夹头62a,62b，可以通过未示出的夹紧缸将它们施加至导管30从而以加力锁定的方式固定所述导管。通过三个水平取向的扭转缸64a,64b能将以可扭转方式支撑的夹头62a,62b与导管30一起转过预定的扭转角。为了输送导管30，扭转动作可以伴有纵向于钻孔轴线12的轴向移动。为此，竖直设置的进给缸66被设置在夹头61和框架14之间。

两个夹头驱动器61a,61b被轴向间隔开并且相对于彼此沿周向转动。为了实现至少是准连续的旋转驱动，第一夹头驱动器61a可以首先完成扭转动作，同时另一个第二夹头驱动器61b则被复位到它的起始位置。用这种方式，两个夹头驱动器61a,61b就能交替地完成导管30的扭转动作或能够被分别复位。

通过将导管30钻入水体地层内即可实现工作平台20可靠的锚定和支撑。随后，钻探工具40即可通过***式料斗32***导管30内。

正如根据图4从截面图中能够看到的那样，钻探工具40具有钻孔驱动器42，其具有通过液压致动的夹持元件52固定在导管30内部的壳体43。连续旋转的钻孔驱动器42驱动钻杆50，在其下端设有用于去除石料的钻头46。除了钻孔驱动器42的旋转动作以外，还设有能够另外向钻头46上施加轴向作用力的钻孔进给缸48。

装有钻孔驱动器42的钻探工具40作为飞轮钻探装置通过并未示出的缆绳装置被连接至补给船并且能够在完成钻探操作之后再次从导管30收回。随后，具体地通过在其中***并锚定桩柱就能在钻孔中形成基础元件。

Claims (13)

1.用于将基础元件引入水体地层内的水下钻探装置，包括：

- 用于放置到水体地层上的浸没式工作平台，

- 以可调节方式设置在工作平台上用于在水体地层上校准工作平台的若干触地元件，以及

- 设置在工作平台上被设计用于接收和引导由钻孔驱动器驱动的钻探工具的至少一根导管，

其中：

- 导管以纵向可移位和可旋转的方式被支撑在工作平台上，并且

- 在工作平台上设有导管驱动器用于以旋转方式驱动导管。

2.如权利要求1所述的水下钻探装置，其中：

导管在其上端具有用于***钻探工具的***式料斗。

3.如权利要求1所述的水下钻探装置，其中：

导管在其下端具有用于移除地面材料的切削齿。

4.如权利要求1所述的水下钻探装置，其中：

导管驱动器具有至少一个夹头驱动器以及围绕并夹持导管的夹头，由此夹头能够通过横向于导管轴线设置的至少一个扭转缸转过预定的扭转角。

5.如权利要求4所述的水下钻探装置，其中：

夹头驱动器具有相对于钻孔轴线纵向设置的至少一个进给缸，通过进给缸能沿钻孔轴线的方向移动夹头和夹持的导管。

6.如权利要求1所述的水下钻探装置，其中：

钻探工具的钻孔驱动器能被固定在导管上。

7.如权利要求1所述的水下钻探装置，其中：

触地元件能通过提升缸进行调节。

8.用于借助具体如权利要求1所述的水下钻探装置将基础元件引入水体地层内的方法，其中：

- 水下钻探装置的工作平台被下降至水体地层并用触地元件安置在水体地层上，

- 通过导管驱动器将导管钻入水体地层内，并且

- 随后通过钻孔驱动器以旋转方式驱动***导管内的钻探工具，由此形成用于接收基础元件的钻孔。

9.如权利要求8所述的方法，其中：

利用夹头驱动器作为导管驱动器以不连续的方式驱动导管。

10.如权利要求8所述的方法，其中：

通过被设计为连续运行式旋转驱动器的钻孔驱动器来驱动钻探工具。

11.如权利要求8所述的方法，其中：

钻孔驱动器被可释放地固定在导管上。

12.如权利要求8所述的方法，其中：

在收回钻探工具期间将钻孔充满***以构成基础元件的硬化物质。

13.如权利要求8所述的方法，其中：

在基础元件成形期间或之后将导管从地面取出并与工作平台一起从水体地层升起。

Images