[0001] 本发明属于海洋地质勘探技术领域，具体涉及一种用于海底钻机钻管内的静力触探装置。

[0002] 静力触探（CPT）是指利用压力装置将有触探头的触探杆压入试验土体中，通过量测系统测土的贯入阻力，可确定土的某些基本物理力学特性，如土的变形模量、土的容许承
载力等，现已广泛应用于海洋地质勘探中。海底钻机是一种完全工作于海底的钻探取样设
备，海底钻机在水下工作时与承载船通过一条具有承载能力的脐带缆进行远程的能量供应
和通讯控制。

[0003] 现有的静力触探装置以及海底钻机均是单独的设备，二者均只具有各自的独立功能，目前海底钻机无法满足钻探取样和静力触探测量的双重功能要求，导致海洋地质勘探
的成本较高。

[0020] 下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明
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。

[0021] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明的限制。

[0022] 术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

[0023] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0024] 参考图1‑图10所示，本发明提供一种用于海底钻机钻管内的静力触探装置，该静力触探装置可拆卸地连接于海底钻机的钻管10内。

[0025] 海底钻机是工作于海底的钻探取样设备，其钻管10内装有岩心管以进行钻探取样，岩心管与钻管10可拆卸连接。通常钻管10包括由上至下依次连接的弹卡挡管11、弹卡室
12、外管13及钻头14；弹卡室12靠近弹卡挡管11的一端设有一圈凹槽，当岩心管装配到钻管
10内时，岩心管上的卡爪机构卡到凹槽内，以对岩心管进行轴向上的上限位；外管13靠近弹
卡室12的一端内嵌有一座环15，座环15的内径小于钻管10的内径但大于岩心管的主体外
径，当岩心管装配到钻管10内时，岩心管的主体穿过座环15而岩心管上的定位环压接到座
环15顶面，以对岩心管进行轴向上的下限位。

[0026] 本发明的用于海底钻机钻管内的静力触探装置，包括由上至下依次设置的吊放机构30、驱动机构40、丝杠螺母传动机构50及静力触探探头20。

[0027] 吊放机构30包括中心轴31、弹卡机构32、铠装缆连接头33、悬挂环34。中心轴31与钻管10呈共轴设置；具体地，中心轴31包括由上至下依次连接的主轴311、第一台阶轴312和
第二台阶轴313。铠装缆连接头33连接于中心轴31的主轴311上端，主要用于连接来自水面
的铠装线缆，通过铠装线缆可将静力触探装置从钻管10内提升回收。悬挂环34连接于中心
轴31的下端；具体地，悬挂环34连接于第二台阶轴313上，第二台阶轴313的下端还设有锁紧
环314，以将悬挂环34可靠定位于第二台阶轴313上，避免悬挂环34相对于主轴311发生轴向
移动；悬挂环34的外径大于座环15的内径但小于钻管10的内径；当静力触探装置装配到钻
管10内时，静力触探探头20、丝杠螺母传动机构50及驱动机构40均穿过座环15，而吊放机构
30的悬挂环34压接于座环15的顶面上，由此实现静力触探装置于钻管10内特定位置的悬
挂，且对静力触探装置进行轴向上的下限位，确保装置不会向下移动。弹卡机构32绕设于中
心轴31上，弹卡机构32可在外力作用下向外撑开以与弹卡室12相卡接或向内缩合以与弹卡
室12脱离，以实现静力触探装置与钻管10之间的可拆卸连接；具体地，当将静力触探装置装
配到钻管10内时，弹卡机构32在下放力的作用下向外撑开并卡接到弹卡室12的凹槽内，以
对静力触探装置进行轴向上的上限位；当将静力触探装置从钻管10内拆除时，弹卡机构32
可在铠装线缆提升力的作用下向内缩合并从弹卡室12内脱出，以使静力触探装置被顺利从
钻管10内提升回收；由此实现静力触探装置与钻管10之间的拆装便利性。

[0028] 驱动机构40包括密封舱41、安装于密封舱41内部的电机42；电机输出轴421与中心轴31呈共轴设置。密封舱41连接于中心轴31的下方；密封舱41具有密封性，保障电机42不受
水压破坏，避免海水进入舱内影响电机42正常工作。电机42的输出轴贯穿密封舱41向下伸
出，电机输出轴421与密封舱41的贯穿处设有密封装置。

[0029] 丝杠螺母传动机构50的输入端与电机输出轴421相连接；当电机42启动后，电机输出轴421转动会带动丝杠螺母传动机构50运动。丝杠螺母传动机构50的输出端与静力触探
探头20连接。丝杠螺母传动机构50被配置为，当电机42启动后，将电机输出轴421的旋转运
动转换为静力触探探头20的轴向直线运动，进而可使静力触探探头20贯入待测土体中进行
静力触探测量。

[0030] 进一步说明，本实施例采用电机42作为静力触探装置的驱动力，相比于传统的液压驱动而言，降低了装置的复杂度，使静力触探装置的结构更加紧凑，且可提高静力触探测
量效率。

[0031] 上述示意性实施例，实现了静力触探装置于细长狭窄的钻管10空间内的集成应用，并实现二者之间的可拆卸连接，由此使海底钻机在原有钻探取样功能基础上拓展出静
力触探功能，因而可利用同一台海底钻机交替循环进行钻探取样和静力触探测量，显著降
低海洋地质勘探的成本。

[0032] 参考图2、图7、图9所示，在一些实施例中，丝杠螺母传动机构50包括导向筒51及位于导向筒51内的丝杠52、螺母53及贯入筒54；导向筒51、丝杠52、螺母53及贯入筒54均与中
心轴31呈共轴设置。导向筒51连接于密封舱41的下方，导向筒51的筒壁上开设有轴向延伸
的导向槽511。丝杠52的上端与电机输出轴421相连接；螺母53螺接于丝杠52上，螺母53上连
接有插设于导向槽511内且与导向槽511槽宽尺寸相适配的导向板55，由此使螺母53可在外
力作用下沿导向槽511移动。导向筒51上的导向槽511可对称开设两个，相应地导向板55的
数量也为两个，以使螺母53移动时更为平稳。贯入筒54套设于丝杠52外但并不与丝杠52接
触；贯入筒54的上端与螺母53连接，下端与静力触探探头20连接。

[0033] 进一步说明，当要进行静力触探测量时，启动电机42，电机输出轴421带动丝杠52转动，进而带动螺母53及贯入筒54沿导向槽511长度方向向下移动，从而带动贯入筒54下端
的静力触探探头20沿轴向向下运动，以贯入待测土体内进行静力触探测量；静力触探测量
完成后，电机42反向转动，带动静力触探探头20沿轴向向上运动以退出土体。

[0034] 上述示意性实施例，细化了丝杠螺母传动机构50的具体结构设置，能够将电机输出轴421的旋转运动转换为静力触探探头20的轴向直线运动。

[0035] 参考图7、图8所示，在一些实施例中，静力触探装置还包括锥齿轮组传动机构60，锥齿轮组传动机构60包括相对设置的第一锥齿轮61和第二锥齿轮62、啮合连接于第一锥齿
轮61和第二锥齿轮62之间的两个相对设置的第三锥齿轮63；第一锥齿轮61、第二锥齿轮62
和第三锥齿轮63均为直角锥齿轮。第一锥齿轮61、第二锥齿轮62及两个第三锥齿轮63之间
围合成一稳定的空腔601。第一锥齿轮61的轮轴与电机输出轴421相连接，第二锥齿轮62的
轮轴通过连接套57与丝杠52的上端连接；两个第三锥齿轮63分别安装在两个齿轮座64上，
两个齿轮座64均连接于密封舱41下方。进一步说明，当电机42启动后，电机输出轴421带动
第一锥齿轮61转动，经两个第三锥齿轮63啮合传动后，带动第二锥齿轮62转动，进而带动丝
杠52转动。该示意性实施例，实现了驱动机构40和丝杠螺母传动机构50之间的扭矩传递。

[0036] 参考图2、图5、图7‑图9所示，在一些实施例中，密封舱41外套设有外筒体43，外筒体43与密封舱41之间具有间隙。外筒体43的上端与中心轴31连接，下端与导向筒51连接。中
心轴31、第二锥齿轮62及丝杠52均设有轴向贯通的内通道。第二锥齿轮62的内通道中穿置
有短套管65，短套管65的一端穿过锥齿轮组传动机构60中的空腔601向外弯折至对齐外筒
体43与密封舱41之间的间隙；具体地，密封舱41靠近短套管65处设有限位槽，短套管65的一
端插入该限位槽内，短套管65的另一端通过轴承66插入连接套57内，由此在第二锥齿轮62
转动时短套管65不会发生转动。静力触探时所用的线缆穿过中心轴31内通道、外筒体43与
密封舱41之间的间隙、短套管65、丝杠52内通道连接至静力触探探头20上。

[0037] 上述示意性实施例，通过在底部静力触探探头20与顶部铠装缆连接头33之间构建穿线通道，在狭小空间内实现了线缆的穿行，由此能够将静力触探探头获得的测量数据实
时传输给母船，突破了传统自容式探头无法实时传输测量数据的局限性。

[0038] 参考图9所示，在一些实施例中，静力触探探头20的尾部连接有长套管21，长套管21穿置于丝杠52的内通道中但不与其接触。进入丝杠52内通道中的线缆穿过长套管21连接
至静力触探探头20上；位于长套管21内的线缆部分为螺旋线缆22，螺旋线缆22具有可伸缩
性；因而在静力触探探头20轴向往复移动时，长套管21内的线缆长度具有自适应性。

[0039] 参考图7、图9所示，在一些实施例中，钻管10外管13的内壁上沿其轴向间隔装设有多道扶正环16，外筒体43及导向筒51的外壁均与扶正环16相压接；由此使外筒体43及导向
筒51与钻管10之间保持共轴设置，确保静力触探装置于钻管10内的装配稳定性。导向筒51
的下端内嵌有轴套56，贯入筒54穿置于轴套56中并与其滑动连接；由此确保贯入筒54往复
移动时的平稳性，进而确保静力触探探头20贯入待测土体过程中的稳定性。

[0040] 参考图7所示，在一些实施例中，密封舱41包括舱筒411、舱盖412、活塞413、弹簧座414。舱盖412密封连接于舱筒411的下端；进一步地，电机输出轴421贯穿舱盖412向下伸出，
第一锥齿轮61的轮轴贯穿舱盖412与电机输出轴421连接，第一锥齿轮61的轮轴与舱盖412
密封连接。弹簧座414连接于舱筒411的上端，活塞413滑动连接于电机42与弹簧座414之间
的舱筒411内，活塞413上套设有O型圈，以实现其与舱筒411之间的动密封。活塞413与舱盖
412之间的舱筒411内填充有液压油，以增强密封舱41在水中的耐压能力。

[0041] 进一步地，活塞413上设有水密插接件以穿设电机42线缆，使密封舱41内的电机42线缆从密封舱41内引出后经中心轴31内通道连接至铠装缆连接头33处。活塞413上还设有
充油接头和排气接头，经充油接头向舱筒411内填充液压油，而液压油中可能存在的气体经
排气接头排出；相应地，弹簧座414上对应水密插接件、充油接头和排气接头的位置开设有
贯通孔。

[0042] 活塞413与弹簧座414之间夹设有第一压缩弹簧415，具体地，弹簧座414上设有容纳孔，第一压缩弹簧415装设于容纳孔内；第一压缩弹簧415始终处于压缩状态；活塞413在
舱内压力、舱外压力以及第一压缩弹簧415的压缩力作用下保持平衡，即通过第一压缩弹簧
415的设置进行压力补偿，使密封舱41舱内压力始终略大于舱外压力，由此一方面确保密封
舱41不会发生变形甚至压溃失效的情况，保护密封舱41内设备，另一方面确保海水不会进
入密封舱41内，避免舱内设备出现腐蚀短路等情况；由此使静力触探装置能够更灵活适应
不同深度的海洋地质勘探需要。

[0043] 在一些实施例中，电机42为空心杯电机。空心杯电动机相比传统电机，具有高工作效率、高功率密度、无齿槽效应和转矩滞后、低启动转矩、无径向作用力、低噪声、快速响应、峰值转矩高和良好散热效果等优点，特别适合静力触探测量需要。

[0044] 参考图3‑图6所示，在一些实施例中，钻管10弹卡室12靠近弹卡挡管11一端的内壁上设有一圈凹槽，凹槽内沿其周向均匀凸设有多个轴向延伸的卡条121，以将凹槽分隔为多
个卡槽122；卡条121的凸设高度与弹卡室12的内壁面齐平。

[0045] 弹卡机构32包括由上至下依次设置的连接筒321、滑套322、多组弹卡组件323。连接筒321套设于中心轴31的主轴311上且与其滑动连接，铠装缆连接头33连接于连接筒321
的上端；主轴311上端设有锁紧螺母35。滑套322套设于中心轴31的主轴311外，滑套322的上
端插设并固定于连接筒321内，下端凸出连接筒321外且设有向内翻折的挡壁3221，挡壁
3221与中心轴31的主轴311滑动连接，滑套322的侧壁上沿其周向均匀开设有多个轴向延伸
的滑槽3222。

[0046] 多组弹卡组件323环绕中心轴31均匀布设，每一弹卡组件323包括弹卡爪3231、弹卡连接板3232及滑座3233。滑座3233包括座板3234及凸设于座板3234上的连接耳3235，座
板3234夹设于主轴311与滑套322之间，且座板3234与主轴311滑动连接；连接耳3235的一端
经滑套322上的滑槽3222向外伸出，连接耳3235的伸出端与连接筒321之间夹设有第二压缩
弹簧324，具体地，连接筒321的端面上对应每一连接耳3235处均凹设有一容纳孔，第二压缩
弹簧324装设于容纳孔内。弹卡爪3231的一端为铰接端，铰接端铰接于中心轴31的第一台阶
轴312上；另一端为开合端，开合端与弹卡连接板3232的一端转动连接，弹卡连接板3232的
另一端与连接耳3235的伸出端转动连接。

[0047] 当将静力触探装置装配到钻管10内时，外力即下放力对滑座3233施加向下的力，滑座3233向下移动，带动弹卡连接板3232绕其与连接耳3235的连接端向外转动，进而使弹
卡爪3231的开合端绕其铰接端向外转动、即向外撑开以使弹卡爪3231卡接于卡槽122内，且
弹卡爪3231开合端的端面抵压于卡槽122与弹卡挡管11的交界面上，由此实现对静力触探
装置的轴向上限位。进一步说明，第二压缩弹簧324处于压缩状态以对滑座3233施加弹簧压
缩力，使滑座3233的侧面贴靠于滑套322的挡壁3221上，进而确保弹卡爪3231可靠卡接于卡
槽122内。需要说明的是，此时虽然弹卡爪3231卡接于卡槽122内，但弹卡爪3231的侧面不一
定能正好抵靠于卡条121的侧面上实现周向上的止转限位，然而当电机42启动并带动丝杠
52旋转的极短时间内，中心轴31会随之发生一定转动，进而带动弹卡爪3231转动使其抵靠
于卡条121侧面上，使弹卡爪3231与卡条121之间实现了周向上的止转限位，中心轴31不再
发生转动，由此确保静力触探装置在静力触探过程中不会发生转动，避免影响静力触探探
头20对待测土体的贯入及测量。本领域技术人员可以理解的是，用于钻探取样的岩心管仅
需进行轴向上的限位，而不必进行周向上的止转限位，因而弹卡室12通常只设计有凹槽；因
而本实施例中弹卡室12的卡槽122和卡条121设置，兼顾了用于钻探取样的岩心管和用于静
力触探测量的静力触探装置于钻管10内的装配需求；另外，本实施例中的多组弹卡组件323
即多个弹卡爪3231均独立动作、互不影响，避免多个弹卡爪3231一体联动时难以协调一致
或互相制约的情况。

[0048] 结合图10所示，当将静力触探装置从钻管10内拆除时，外力即铠装线缆提升力对连接筒321施加向上的力，带动滑套322及滑座3233向上移动，进而带动弹卡连接板3232绕
其与连接耳3235的连接端向内转动，使弹卡爪3231的开合端绕其铰接端向内转动、即向内
缩合以脱离卡槽122，由此解除了静力触探装置与钻管10之间的连接，可顺利将静力触探装
置从钻管10内提升出并回收。

[0049] 上述示意性实施例，细化了静力触探装置中的弹卡机构32的结构设计，并改进了弹卡室12的结构，实现了静力触探装置与钻管10之间的可拆卸连接，且实现了静力触探装
置于钻管10内的轴向限位和周向止转限位，进而确保静力触探探头20能够准确高效贯入待
测土体进行测量。

[0050] 参考图6所示，在一些实施例中，弹卡室12的卡条121数量为四个；弹卡组件323的数量为六组。该示意性实施例通过四个卡条121和六组弹卡组件323的数量匹配，确保静力
触探装置被下放至钻管10内时，至少会有一对弹卡爪3231卡接于卡槽122内，进而确保始终
有一对弹卡爪3231能够同时被轴向和周向限位，避免了相同数量的卡条121和弹卡组件323
可能出现所有弹卡爪3231都恰好卡在卡条121上而导致限位失败的极端装配情况。

[0051] 综上所述，本发明的用于海底钻机钻管内的静力触探装置，结构细长紧凑，能够集成在细长狭窄的钻管空间内进行静力触探工作，拓展了海底钻机的功能，使海底钻机在原
有钻探取样功能基础上还拥有静力触探功能，显著降低海洋地质勘探的成本；且能够实时
传输静力触探测量数据，显著提高静力触探测量效率。

[0052] 最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

[0053] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体
实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神，
其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。