CN102839918A

CN102839918A - 冰层定向钻井热熔钻头

Info

Publication number: CN102839918A
Application number: CN2012103384926A
Authority: CN
Inventors: 帕维尔达拉拉伊; 范晓鹏; 张楠; 孙友宏; 薛军; 曹品鲁; 郑治川; 于达慧; 胡正毅; 杨成; 毛建设
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: CN102839918B

Abstract

本发明公开了一种在极地冰层钻进定向井使用的冰层定向钻井热熔钻头，是由六个加热模块组、半圆母卡块和半圆公卡块构成，每个加热模块组是由加热模块和连接块构成，六个加热模块组组合在一起形成圆头状钻头；本发明很好地解决了在极地冰层中钻进定向井的难题，并且该钻头与现有钻具具有很好的兼容性，只需将现有热熔钻具的控制系统与钻头电路配套就可使用该定向钻头，上部机械结构基本不用变化；该热熔钻头采用模块化设计，结构简单，易于更换，大大增加了钻头的寿命和使用效率。

Description

冰层定向钻井热熔钻头

技术领域

本发明涉及一种在极地冰层钻进定向井使用的冰层定向钻井热熔钻头。

背景技术

目前国际上使用的热熔钻具多为钻进垂直孔使用，当主孔出现孔内事故或需要开分支孔时，则需要下入孔底造斜器，并利用特殊工具将孔底扩大，然后下入热熔钻具，在造斜器斜面的帮助下，钻具倾斜从而实现斜孔钻进。但是采用这种方法钻进斜孔，钻具在自重作用下，始终具有向垂直方向偏移的趋势，经过一段时间后也必将回归垂直方向，不能实现斜孔钻进。而随着全球气候变暖以及对极地冰盖研究的深入，越来越多的科学家们不仅仅局限于研究冰芯本身，而开始关注冰盖自身的稳定性，比如冰盖每年的移动速度，冰下河流及冰下湖泊流入大海的水流量等问题。这些问题的研究同时也就为钻探技术提出了新的课题，需要一种不取芯快速成孔并且具备定向孔施工能力的新型钻具。目前国际上已有的不取芯热熔钻具的钻头都为中心加热式，如德国的probesⅠ和probesⅡ和香港理工大学研究的卫星热熔钻，这样的加热方式不能使钻具实现定向钻进。威斯康辛-麦迪逊大学研制了一种电动机械定向钻具，是依靠控制安装在钻具上的三根定向杆的张开度来给钻具施加一定的侧向力，从而使钻具在钻进中改变方向。针对热熔定向钻具的研究还没有看到国内外文献的介绍。但定向热熔钻具比电动机械钻具具有更强的操控性，而且结构简单，容易实现，工作也相对稳定，在未来的研究中一定会成为极地冰层定向钻具研究的主要方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种在极地和冰川钻探中能够实现定向钻进的冰层定向钻井热熔钻头。

本发明是由六个加热模块组、半圆母卡块和半圆公卡块构成，每个加热模块组是由加热模块和连接块构成，连接块通过沉头螺钉固定在加热模块的顶部，加热模块的内壁延伸出接线柱，导线的一端与接线柱联接，导线的另一端通过接头与电源联接，所述的接线柱、导线和接头均采用防水处理，每个加热模块为一个铸铜加热器，加热模块的侧面和内表面均涂有隔热漆层，这样有利于热量通过外表面向冰层传递，六个加热模块组组合在一起形成圆头状钻头，圆头状钻头的底部中心具有排水口，上部钻具排水泵的吸水管可以安装到排水口附近位置，这样可以及时将孔底熔融水排走，有利于热量传递；

所述连接块的中部具有凹槽，半圆母卡块和半圆公卡块底部具有凸台，凸台卡入在凹槽中，这样可以利用凸台来承受钻头的重量；半圆母卡块和半圆公卡块上均开设有第一螺纹孔，连接块上开设有第二螺纹孔，半圆母卡块和半圆公卡块与连接块通过第一螺纹孔和第二螺纹孔用螺钉连接在一起；

半圆公卡块的二个竖壁上具有凸台，半圆母卡块的二个竖壁上具有卡槽，半圆母卡块和半圆公卡块结合在一起形成圆柱体，半圆公卡块的凸台卡如在半圆母卡块的卡槽中，此结构可以使半圆母卡块和半圆公卡块结合在一起形成的圆柱体与连接块的连接更稳固。半圆母卡块和半圆公卡块与上部钻具可以根据需要选择用螺钉连接或者用螺纹连接。

本发明的有益效果：

本发明很好地解决了在极地冰层中钻进定向井的难题，并且该钻头与现有钻具具有很好的兼容性，只需将现有热熔钻具的控制系统与钻头电路配套就可使用该定向钻头，上部机械结构基本不用变化；该热熔钻头采用模块化设计，结构简单，易于更换，大大增加了钻头的寿命和使用效率。

附图说明

图1是本发明实施例的立体分解示意图。

图2是图1的俯视图

图3是本发明实施例之加热模块组的立体分解示意图。

图4是本发明实施例的另一视角立体分解示意图。

具体实施方式

请参阅图1图2、图3和图4所示，本发明是由六个加热模块组A、半圆母卡块8和半圆公卡块12构成，每个加热模块组A是由加热模块3和连接块2构成，连接块2通过沉头螺钉1固定在加热模块3的顶部，加热模块3的内壁延伸出接线柱6，导线5的一端与接线柱6联接，导线5的另一端通过接头4与电源联接，所述的接线柱6、导线5和接头4均采用防水处理，每个加热模块3为一个铸铜加热器，加热模块3的侧面和内表面均涂有隔热漆层，这样有利于热量通过外表面向冰层传递，六个加热模块组A组合在一起形成圆头状钻头B，圆头状钻头B的底部中心具有排水口7，上部钻具排水泵的吸水管可以安装到排水口7附近位置，这样可以及时将孔底熔融水排走，有利于热量传递。

所述连接块2的中部具有凹槽15，半圆母卡块8和半圆公卡块12底部具有凸台10，凸台10卡入在凹槽15中，这样可以利用凸台10来承受钻头的重量；半圆母卡块8和半圆公卡块12上均开设有第一螺纹孔13，连接块2上开设有第二螺纹孔14，半圆母卡块8和半圆公卡块12与连接块2通过第一螺纹孔13和第二螺纹孔14用螺钉连接在一起；

半圆公卡块12的二个竖壁上具有凸台11，半圆母卡块8的二个竖壁上具有卡槽9，半圆母卡块8和半圆公卡块12结合在一起形成圆柱体，半圆公卡块12的凸台11卡如在半圆母卡块8的卡槽9中，此结构可以使半圆母卡块8和半圆公卡块12结合在一起形成的圆柱体与连接块的连接更稳固。半圆母卡块8和半圆公卡块12与上部钻具可以根据需要选择用螺钉连接或者用螺纹连接。

本发明的工作过程和原理是：

1、采用本发明的热熔钻头在冰层中钻进时，钻具需要安装陀螺仪，随时测量钻孔的顶角和方位角。当测量数据显示钻孔的方向角和设计轨迹偏离时，即利用上位机向钻具电路发出控制信号，使钻头六个加热模块3中的四个发热，另外二个加热模块3停止加热。这样紧挨四个加热模块3的孔壁将继续融化，而另一侧则缓慢融化或停止融化，这样钻具势必将产生偏斜，从而改变钻孔的方向，实现定向井的施工。

在钻进过程中，可以编写程序，实时监测钻孔方向数据，经过系统处理后转换为对钻头模块加热开关的控制信号，实时控制加热模块的开闭。这样就可以准确的控制钻具按照设计轨迹钻进。当钻孔方向回归正确方向后，接通全部加热模块，钻具实现全速钻进，这样既能实现对钻孔方向的控制，又能保证钻进的速度。

2、当热熔钻头的加热模块3发生损害不能工作时，可以将钻头拆下，由于钻头模块之间没有联系，为相互独立的加热系统，因此只需要将损坏的加热模块3换掉即可。这样可以使每个加热模块3最大限度的发挥作用，大大增加了钻头的使用寿命，降低了成本。

Claims

1.一种冰层定向钻井热熔钻头，特征在于：是由六个加热模块组（A）、半圆母卡块（8）和半圆公卡块（12）构成，每个加热模块组（A）是由加热模块（3）和连接块（2）构成，连接块（2）通过沉头螺钉（1）固定在加热模块（3）的顶部，加热模块（3）的内壁延伸出接线柱（6），导线（5）的一端与接线柱（6）联接，导线（5）的另一端通过接头（4）与电源联接，所述的接线柱（6）、导线（5）和接头（4）均采用防水处理，六个加热模块组（A）组合在一起形成圆头状钻头（B），圆头状钻头（B）的底部中心具有排水口（7）。

2.根据权利要求1所述的一种冰层定向钻井热熔钻头，特征在于：所述连接块（2）的中部具有凹槽（15），半圆母卡块（8）和半圆公卡块（12）底部具有凸台（10），凸台（10）卡入在凹槽（15）中，半圆母卡块（8）和半圆公卡块（12）上均开设有第一螺纹孔（13），连接块（2）上开设有第二螺纹孔（14），半圆母卡块（8）和半圆公卡块（12）与连接块（2）通过第一螺纹孔（13）和第二螺纹孔（14）用螺钉连接在一起；半圆公卡块（12）的二个竖壁上具有凸台（11），半圆母卡块（8）的二个竖壁上具有卡槽（9），半圆母卡块（8）和半圆公卡块（12）结合在一起形成圆柱体，半圆公卡块（12）的凸台（11）卡如在半圆母卡块（8）的卡槽（9）中。

3.根据权利要求1所述的一种冰层定向钻井热熔钻头，特征在于：所述加热模块（3）为一个铸铜加热器，加热模块（3）的侧面和内表面均涂有隔热漆层。