一种深海底锥形螺旋取土钻机及方法技术领域
本发明涉及深海海底资源勘探技术领域，尤其涉及一种深海底锥形螺旋取
土钻机及方法。
背景技术
深海海底底质情况比较复杂，既有很硬的岩石，也有很稀的淤泥，还有介
于岩石和淤泥之间的土质，其硬度和贯入阻力差异很大。对于岩石一般采用高
速旋转钻机进行取样，通过钻头切削作用获取岩芯；对于淤泥一般采用重力取
样器，利用重力将取样钻管贯入淤泥里，获取长柱状淤泥样品。然而，对于岩
石和淤泥之间的土质底质，由于其贯入阻力很大，重力取样器贯入深度非常有
限，而高速旋转钻机结构复杂，振动大，也不适合。在此情况下，需要针对深
海海底土质特性，开发一套结构简单、便于操作、成本低廉的深度取样装置。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种深海底锥形螺旋
取土钻机及方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种深海底锥形螺旋
取土钻机，包括钻机底座、钻机支架和液压系统，钻机支架的内侧设置有导
轨；钻机支架、液压系统和导轨均安装在钻机底座上；钻机支架的上端设置有
铠装电缆接头，钻机通过电缆接头上方连接的电缆与海面船只相连接；铠装电
缆接头的下方设置有液压动力头和传动件；传动件通过矩形传动螺纹与两侧的
导轨相连接；传动件的上端通过花键与液压动力头相连接、下端通过螺纹与取
样钻管相连接；钻机底座的下方设置有调平支腿；钻机底座上开设有取样钻
孔；取样钻管从钻机底座的取样钻孔中穿出；
取样钻管的下端设置有钻头、内部设置有密封器和样品管；密封器设置在
取样钻管的底部中心；样品管设置在密封器的外围，下端与取样钻管的底部相
连接；取样钻管的外围设置有螺旋叶片；钻机底座上设置有倾斜传感器；倾斜
传感器通过数字传输模块与船只上的调平系统相连接。
螺旋叶片采用不锈钢材料制成，螺旋叶片的外径从下到上逐渐变大。螺旋
叶片的外径在取样钻管上按2mm/m的比例增加。
密封器为花瓣型密封器，通过卡扣与取样钻管相连接。
钻机支架2和导轨6均通过焊接与钻机底座3相连接。
调平支腿为四个，通过液压系统进行调平支腿的调节。
本发明还提供一种深海底锥形螺旋取土钻机的取土方法：具体步骤：
一、钻机下放：将上述深海底锥形螺旋取土钻机在海面船只上安装完毕
后，通过铠装电缆下放到海中，海面船只通过铠装电缆进行信号传输，对钻机
进行控制；
二、钻机调平：上述钻机通过自身的重力到达海底之后，设置在钻机底座
上的倾斜传感器开始测量钻机底座与海底的倾斜角，然后发出信号给调平系
统，通过调平支腿实现钻机的调平；
三、钻机取样：上述钻机按步骤二的方法调平之后，海面船只将工作信号
发送给液压动力头，液压动力头带动传动件和取样钻管一起转动，并在传动件
和导轨之间的传动螺纹的作用下，一边通过钻头破开海底土层，一边向下钻进
取样，样品通过钻头、花瓣型密封器进入样品管。
四、取样封存：海面船只通过收绞铠装电缆将取样完成的钻机进行回收，
在起拔过程中，花瓣型密封器剪断样品同时将样品封存在样品管内。
本发明将取样钻管设计为一个中空、外套锥形螺旋叶片的结构，通过旋转
取样钻管，在管外螺旋作用下产生向深部土层推进的贯入力，具有以下优点：
①、本发明结构简单，不需要较高的钻压，对设备重量没有太高要求，因
此成本低廉；②、螺旋叶片采用由下往上逐渐增大外径，因此形成的钻孔上
大下小，回拔时不易卡住，摩擦阻力小，可以实现快速回收取样钻管；③、采
用低速旋转进行取样，不需排渣，系统功率小；④、本发明的取土方法采用慢
速钻进，针对岩石和淤泥之间的土质底质，对土层扰动小，能够保留原状土层
的信息。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为图1的工作示意图。
图3为本发明锥形螺旋取样钻管的局部示意图。
图4为本发明钻头底部剖面图。
图5为本发明钻头的结构示意图。
图中：1、铠装电缆接头；2、钻机支架；3、钻机底座；4、液压动力头；
5、传动件；6、导轨；7、取样钻管；8、样品管；9、花瓣型密封器；10、调
平支腿；11、液压系统；12、螺旋叶片；13、钻头。
具体实施方式
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-图2所示，本发明包括钻机底座3、钻机支架2和液压系统11，钻机
支架2的内侧设置有导轨6；钻机支架2、液压系统11和导轨6均安装在钻机底座
3上；其中，钻机支架2和导轨6均可通过焊接的方式与钻机底座3相连接。钻机
支架2的上端设置有铠装电缆接头1，钻机通过电缆接头1上方连接的电缆与海
面船只相连接；铠装电缆接头1的下方设置有液压动力头4和传动件5；传动件5
通过矩形传动螺纹与两侧的导轨6相连接；传动件5的上端通过花键与液压动力
头4相连接、下端通过螺纹与取样钻管7相连接；钻机底座3的下方设置有调平
支腿10；钻机底座3上开设有取样钻孔；取样钻管7从钻机底座3的取样钻孔中
穿出；
如图4-图5所示，取样钻管7的下端设置有钻头13、内部设置有密封器9和
样品管8；密封器9设置在取样钻管7的底部中心；样品管8设置在密封器9的外
围，下端与取样钻管7的底部相连接；取样钻管7的外围设置有螺旋叶片12；钻
机底座3上设置有倾斜传感器；倾斜传感器通过数字传输模块与船只上的调平
系统相连接。
螺旋叶片12采用不锈钢材料制成，如图3所示，螺旋叶片12的外径在取样
钻管7上按2mm/m的比例从下到上逐渐变大。
本实施例采用花瓣型密封器，通过卡扣与取样钻管7的底部相连接，这种
方式结构简单，连接和拆卸都比较方便。
调平支腿10为四个，通过液压系统11进行调平支腿的调节。
采用本发明进行深海海底的取土方法：具体取土步骤如下：
(一)、钻机下放：将权利要求1的深海底锥形螺旋取土钻机在海面船只
上安装完毕后，通过铠装电缆下放到海中，海面船只通过铠装电缆进行信号传
输，对钻机进行控制；
(二)、钻机调平：上述钻机通过自身的重力到达海底之后，设置在钻机
底座3上的倾斜传感器开始测量钻机底座3与海底的倾斜角，然后发出信号给调
平系统，通过调平支腿10实现钻机的调平；
(三)、钻机取样：上述钻机按步骤二的方法调平之后，海面船只将工作
信号发送给液压动力头4，液压动力头4带动传动件5和取样钻管7一起转动，并
在传动件5和导轨6之间的传动螺纹的作用下，一边通过钻头13破开海底土层，
一边向下钻进取样，样品通过钻头13、花瓣型密封器9进入样品管8。
(四)、取样封存：海面船只通过收绞铠装电缆将取样完成的钻机进行回
收，在起拔过程中，花瓣型密封器9剪断样品同时将样品封存在样品管8内。
本发明的深海底土样取样方法，不同于对海底软泥的重力取样方法和对海
底硬岩的圆管钻进取样方法，通过取样钻管7外侧设置的螺旋叶片12的旋转产
生的钻进力破开海底土层，通过传动件5与导轨6间的传动螺纹将液压动力头4
的旋转力转化为匀速稳定的向下钻进的力，使取样钻管7慢慢钻进到深部土
层，对土样扰动小，因此获得的土样能够较为完整的保留原状土层的信息，这
样对根据得到的土样进行后续分析和实验结果更为准确。
本发明借鉴自钻螺钉的工作原理，将取样钻管7设计为一个中空、外套锥
形螺旋叶片的结构，通过旋转取样钻管，在管外螺旋叶片作用下产生向深部土
层推进的贯入力。本发明将取样钻管7外设置的螺旋叶片设置成上大下小，形
成一个锥形，因此形成的钻孔随深度增加，口径减小，回拔时不易与孔壁摩
擦，可以实现快速回拔。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，
本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加
或替换，也均属于本发明的保护范围。