CN102828689B - 电缆悬挂式气体局部反循环电动机械取芯钻具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电缆悬挂式气体局部反循环电动机械取芯钻具，其特征在于：铠装电缆用于提升和下放钻具，电缆被固定在电缆终端接头上，在电缆终端接头的下部设有滑环结构，压力室在滑环结构的下面，反扭系统与压力室通过花键或者螺纹连接，变速器设有中心通孔与电机主轴联接，变速器外环通过螺栓与真空泵或钻具相连，在真空泵和冰芯管间设有冰屑室，冰屑室由冰屑室外管和冰屑室内管组成，其中冰屑室内管上开有气流通道；冰屑室外管为通气滤网；真空泵紧靠在冰屑室的上部安装，取芯钻头连接在冰芯管上。其可以在孔底实行局部反循环，缩短了冰屑的运动距离，大大的减小了能量的损失；其是一种轻便、设计巧妙的、绿色、环保、节能型的钻具。

Description

电缆悬挂式气体局部反循环电动机械取芯钻具

技术领域

本发明涉及一种电缆悬挂式气体局部反循环电动机械取芯钻具，应用于极地勘探的电缆悬挂式气体局部反循环电动机械取芯钻具，应用于冰盖上部积雪层和浅（小于500米）冰层钻进。

背景技术

南极冰盖钻进始于20世纪中期，尽管当时的回转机器钻进可以获得不错的钻速，但是钻进设备比较笨重。由于极地地表及冰川极低的温度，冰川流动，缺乏道路和基础设施，暴风雪等恶劣条件，在极地地区进行钻探异常复杂。利用常规的回转钻进技术进行冰层取心钻进从理论上是可行的。然而常规回转钻进质量大，消耗功率高，并不适用于极地钻探，所以低能耗、轻便的钻具应运而生。上个世纪90年代，美国和俄罗斯相继开发了无钻杆式机械钻具，该钻具利用铠装电缆和绞车进行钻具的提升和下放作业，即无杆式电动机械取芯钻具。

尽管在钻进过程中，使用冲洗液可以冷却钻头、携带冰屑，但南极内陆冰盖上层部分的积雪层有渗透性，冲洗液会通过积雪缝隙流失，所以只能采取干钻或气体钻进。虽然传统的电动机械钻具使用空压机向孔内吹入压缩气体，但是无论气体是正循环还是反循环，积雪层之间的缝隙同样会吸收大部分的气体，携带冰屑的能力降低，因此发明一套新型、低耗、轻便的电缆悬挂式电动机械取芯钻具显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电缆悬挂式气体局部反循环电动机械取芯钻具，由于极地保留着数百万年前降下的积雪形成的排列有序的古老的冰川，获取冰芯对于研究很多自然现象是极为重要，利用铠装电缆提升和下放钻具，大大减小了钻具的质量；同时，还可以根据试验所要获取的数据，在电缆内部增加或减少信号传输线，将钻进参数输出到地面上；在钻具中设计了用于收集冰屑的冰屑室，在其上部利用真空泵产生的负压，抽吸冰芯管中的冰屑，随气流进入冰屑室；而气体则通过真空泵的出口排出，进入到孔壁和钻杆之间的环形孔隙中，形成气体局部反循环；其可以为南极超低温环境下提供一套适应于浅层钻进的低能耗的、轻便快捷的电动机械取芯钻具。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种电缆悬挂式气体局部反循环电动机械取芯钻具，其特征在于：铠装电缆用于提升和下放钻具，铠装电缆被固定在电缆终端接头上，在电缆终端接头的下部设有滑环结构，压力室在滑环结构的下面，反扭系统与压力室通过花键或者螺纹连接，变速器设有中心通孔与电机主轴联接，变速器外环通过螺栓与真空泵或钻具相连，在真空泵和冰芯管间设有冰屑室，冰屑室由冰屑室外管和冰屑室内管组成，其中冰屑室内管上开有气流通道；冰屑室外管设有通气滤网，冰屑室与冰芯管通过冰芯管接头连接，冰屑室外管的顶部固定有冰屑室外管固定座；真空泵紧靠在冰屑室的上部安装，取芯钻头连接在冰芯管上。

钻具的气体局部反循环的方法如下：通过同一个电机驱动钻具的回转和真空泵正常工作，电机通过真空泵变速器改变真空泵的回转速度，带动真空泵快速回转产生负压，抽吸下面的空气，形成气流，气流带动冰屑从取芯钻头底部的冰芯管向冰屑室内管运动，经过冰屑室内管上的中心通道进入冰屑室内腔，气流再经冰屑室外管进入真空泵，再从真空泵的出口被高速射出，气流在管壁和孔壁之间的环形空隙间形成一个局部反循环。

所述的真空泵的下面安装了流量计。

所述的电缆终端接头和滑环结构，滑环结构和反扭系统，冰屑室和冰芯管之间采用花键插接或者螺纹连接。

所述的电缆终端接头由上盖、压缩弹簧、卡块、锁紧螺母、连接接头、接头终端外壳、上挡块、传感器组成；其中上盖为弹簧提供支撑位置，卡块、上挡块和锁紧螺母用于固定铠装电缆，而且上挡块可以上下滑动；传感器与卡块连接。

所述的反扭系统由承扭刀下支座、中支座、上支座、花键接头或螺纹上接头、螺纹下接头、承扭刀、调整拉杆、弹簧组成；其中承扭刀上支座、中支座和下支座是用于固定承扭刀，通过弹簧的伸缩，改变位于中支座和上支座间的调整拉杆的长短，从而控制承扭刀切入冰层的深度，达到反扭的作用。

所述的变速器包括冰芯管减速器和真空泵增速器；其中冰芯管减速器与电机相连，真空泵增速器与真空泵相连，变速器是由行星轮系组装成的，冰芯管减速器由小齿轮带大齿轮，真空泵增速器由大齿轮带动小齿轮。

本发明的积极效果是一种无钻杆的电动机械钻具，质量较轻，方便运输，能源消耗少，易于操作；由于采用的是电缆悬挂式钻具，通过绞车，可以轻松的提升和下降电动机械钻具，同时可以根据实验要求在电缆中增加芯线测量不同的钻进参数；使用气体作为循环介质，避免了冲洗液对南极内陆环境的污染；在孔底实行局部反循环，缩短了冰屑的运动距离，大大的减小了能量的损失。这种轻便、设计巧妙的、绿色、环保、节能型的钻具，为人类和平、安全、高效的开发和利用南极做出贡献。

附图说明

图1为电缆悬挂式气体局部反循环电动机械取芯钻具示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例做进一步的详细说明：如图1所示，一种电缆悬挂式气体局部反循环电动机械取芯钻具，其特征在于：铠装电缆1用于提升和下放钻具，电缆被固定在电缆终端接头2上，在电缆终端接头2的下部设有滑环结构3，压力室4在滑环结构3的下面，反扭系统5与压力室4通过花键或者螺纹连接，变速器7设有中心通孔与电机6主轴联接，变速器7外环通过螺栓与真空泵8或钻具相连，在真空泵8和冰芯管11间设有冰屑室10，冰屑室10由冰屑室外管104和冰屑室内管102组成，其中冰屑室内管102上开有气流通道；冰屑室外管104为通气滤网，冰屑室10与冰芯管11通过冰芯管接头101连接，冰屑室外管104的顶部固定有冰屑室外管固定座103；真空泵8紧靠在冰屑室10的上部安装，取芯钻头12连接在冰芯管11上。

钻具的气体局部反循环的方法如下：首先电机6通过真空泵变速器16带动真空泵8快速回转产生负压，气流带动冰屑从取芯钻头12底部的冰芯管11向冰屑室内管102运动，经过冰屑室内管102上的中心通道进入冰屑室10内腔，而气流则经冰屑室外管104进入真空泵8，再从真空泵8的出口被高速射出，在孔壁和钻杆之间的环形空隙中形成气流，再从钻头上的水口进入冰芯管，形成气体局部反循环取芯钻进。

所述的真空泵8的下面安装了流量计9。

所述的电缆终端接头2和滑环结构3，滑环结构3和反扭系统5，冰屑室10和冰芯管11之间采用花键插接或者螺纹连接。

所述的电缆终端接头2由上盖25、压缩弹簧21、卡块22、锁紧螺母23、连接接头24、接头终端外壳26、上挡块27、传感器28组成；其中上盖25为压缩弹簧21提供支撑位置，卡块22、上挡块27和锁紧螺母23用于固定铠装电缆1，上挡块27可以上下滑动；传感器28与卡块22连接。

所述的反扭系统5由承扭刀下支座51、中支座52、上支座53、花键接头或螺纹上接头54、螺纹下接头55、承扭刀56、调整拉杆57、弹簧58组成；其中承扭刀上支座51、中支座52和下支座51是用于固定承扭刀，通过弹簧58的伸缩，改变位于中支座52和上支座53间的调整拉杆57的长短，从而控制承扭刀切入冰层的深度，达到反扭的作用。

所述的变速器7包括冰芯管减速器13和真空泵增速器14；其中冰芯管减速器13与电机6相连，真空泵增速器14与真空泵8相连，变速器7是由行星轮系组装成的，冰芯管减速器13由小齿轮带大齿轮，真空泵增速器14由大齿轮带动小齿轮。

在钻进过程中，人为控制地面上的绞车，通过铠装电缆1下放整套钻具；反扭系统5中的承扭刀在下放钻具的过程中被撑开，刀翼切入冰层，起到反扭作用；电机6的动力来源通过铠装电缆1中的电源线传输，在电机6的驱动下冰屑室10和冰芯管11转动，钻头随着冰芯管11回转切削冰层，钻取冰芯，冰芯被收集到冰芯管11中，待提钻之后取出，钻头回转切削产生的冰屑被真空泵8抽吸到冰屑室10内，高速气体则从真空泵8的出口射出，在孔底形成局部反循环。当冰芯管11装满冰芯，停止钻进，提升钻具至地面，取出冰芯，清理冰屑室10。

在真空泵8的抽吸作用下，气体和钻进过程中产生的冰屑经冰芯管11，进入冰屑室10，在冰屑室10中冰屑被收集起来，待一个回次之后清理冰屑，气体则自由通过冰屑室10的冰屑室外管104，从真空泵8的出口排出，进入孔壁和钻具之间的通道，从而形成局部反循环，当钻进一定深度之后，利用取芯钻头12内的冰芯提断器将冰芯卡断，取出。

为了方便钻具的组装和拆分，在电缆终端接头2和滑环结构3、滑环结构3和反扭系统5、冰屑室10和冰芯管11之间采用花键插接或者螺纹连接，该钻具是无杆式电动机械钻，大大减小钻具的重量，方便运输，同时减小能量的损耗。

整套钻具利用铠装电缆1和绞车进行钻具的提升和下放作业。

该钻具适用于浅层冰钻，不能用于深层冰钻。

为了检测钻压，在电缆接头里放置压缩弹簧21和传感器28，通过信号线传输到地面。

气体在真空泵8、冰屑室10、冰芯管11和钻杆与孔壁间的环形空隙中形成局部反循环。

真空泵8可以用高速旋转的鼓风机、吸尘器动叶轮等能够产生负压的器械代替。

采用同一个电机6驱动真空泵8的抽吸和钻具的回转切削。

真空泵8紧靠在冰屑室10的上部安装，缩短冰屑的运动距离，减小运动阻力、有效的清洗孔底。

冰屑通过真空泵8的抽吸作用从孔底带出并收集到冰屑室10。

在经过冰屑室10时，冰屑室外管104可以挡住冰屑却不能阻止气体自由通过。

所述的冰芯管减速器13和真空泵变速器14是通过变速齿轮将电机6的转速分别降低或升高到相应的转速。

在反扭系统5不可靠或者钻头底部卡钻的情况下，滑环部件3可以保护铠装电缆1，防止其缠绕、扭结、破坏。

反扭系统5可以平衡钻头14与冰在钻进时产生的扭矩，并承受着钻具的反作用力。

流量计9读出的数据可以通过铠装电缆1中的信号线传输到地面上，实时显示气体流体的流速。

实施例

通过绞车控制铠装电缆1收放，从而提升和下放钻具，当钻具下放到一定深度，钻具中的电机6开始工作，电机6通过一个变速器7将钻具的回转速度降到合理值，回转切削冰层；由于真空泵8的转速较大，需要通过另一个变速器7将电机6的转速提升到一定值，高速转动产生负压、形成气流、抽吸冰屑、冷却钻头。在钻进过程中，真空泵8回转产生的气流从钻头水口处进入冰芯管11，经过冰屑室10后流入真空泵8中，再从真空泵8出口处高速射向孔壁和钻具之间的环形空间，气体在孔底形成局部反循环。气体在冰芯管11中流动时，携带冰屑进入冰屑室10，由于冰屑室外管104设有过滤冰屑颗粒的滤网，最终冰屑留在冰屑室10中，气体继续循环。该装置在-60℃的环境中也可以正常工作，当冰芯管11的直径在240mm以内，冰屑和真空泵8之间的距离不大于6m，为了把冰屑抽吸到冰屑室10，并且在一个回次中，不至于冰芯管11未装满而冰屑室10已满，真空泵8的流量至少要70L/S，钻头上的水口高度不能大于60mm，冰屑室10的长度是冰芯管11长度的1~2倍。

本着轻便、绿色、高效的原则，整套钻具质量不大于300kg，在钻进过程中，不使用冲洗液，仅使用空气作为循环介质。

Claims (6)

1.一种电缆悬挂式气体局部反循环电动机械取芯钻具，其特征在于：铠装电缆用于提升和下放钻具，铠装电缆被固定在电缆终端接头上，在电缆终端接头的下部设有滑环结构，压力室在滑环结构的下面，反扭系统与压力室通过花键或者螺纹连接，变速器设有中心通孔与电机主轴联接，变速器外环通过螺栓与真空泵或钻具相连，在真空泵和冰芯管间设有冰屑室，冰屑室由冰屑室外管和冰屑室内管组成，其中冰屑室内管上开有气流通道；冰屑室外管设有通气滤网，冰屑室与冰芯管通过冰芯管接头连接，冰屑室外管的顶部固定有冰屑室外管固定座；真空泵紧靠在冰屑室的上部安装，取芯钻头连接在冰芯管上；钻具的气体局部反循环的方法如下：通过同一个电机驱动钻具的回转和真空泵正常工作，电机通过真空泵变速器改变真空泵的回转速度，带动真空泵快速回转产生负压，抽吸下面的空气，形成气流，气流带动冰屑从取芯钻头底部的冰芯管向冰屑室内管运动，经过冰屑室内管上的中心通道进入冰屑室内腔，气流再经冰屑室外管进入真空泵，再从真空泵的出口被高速射出，气流在管壁和孔壁之间的环形空隙间形成一个局部反循环。

2.根据权利要求1所述的一种电缆悬挂式气体局部反循环电动机械取芯钻具，其特征在于所述的真空泵的下面安装了流量计。

3.根据权利要求1所述的一种电缆悬挂式气体局部反循环电动机械取芯钻具，其特征在于所述的电缆终端接头和滑环结构，滑环结构和反扭系统，冰屑室和冰芯管之间采用花键插接或者螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的一种电缆悬挂式气体局部反循环电动机械取芯钻具，其特征在于所述的电缆终端接头由上盖、压缩弹簧、卡块、锁紧螺母、连接接头、接头终端外壳、上挡块、传感器组成；其中上盖为弹簧提供支撑位置，卡块、上挡块和锁紧螺母用于固定铠装电缆，上挡块上下滑动；传感器与卡块连接。

5.根据权利要求1所述的一种电缆悬挂式气体局部反循环电动机械取芯钻具，其特征在于所述的反扭系统由承扭刀的下支座、承扭刀的中支座、承扭刀的上支座、花键接头或螺纹上接头、螺纹下接头、承扭刀、调整拉杆、弹簧组成；其中承扭刀的上支座、承扭刀的中支座和承扭刀的下支座是用于固定承扭刀，通过弹簧的伸缩，改变位于承扭刀的中支座和承扭刀的上支座间的调整拉杆的长短。

6.根据权利要求1所述的一种电缆悬挂式气体局部反循环电动机械取芯钻具，其特征在于所述的变速器包括冰芯管减速器和真空泵增速器；其中冰芯管减速器与电机相连，真空泵增速器与真空泵相连，变速器是由行星轮系组装成的，冰芯管减速器由小齿轮带大齿轮，真空泵增速器由大齿轮带动小齿轮。