CN103643913B - 冰层空气涡轮反循环连续取心孔底动力钻具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冰层空气涡轮反循环连续取心孔底动力钻具，其是在钻头体上设置有一定数量的切削具和与之配套的喷射钻头内体；钻头体与钻头内体通过圆锥滚子轴承连接在一起，钻头内体与钻头体之间形成有可供气体通过的环装间隙；钻头内体设有内喷孔和偏心卡簧，内喷孔的倾角α为30°~50°；钻头内体、环状间隙、切削具、内喷孔、底喷孔与钻头的中心通道相连通；涡轮定子固定在连接管上，连接管上端与双壁钻杆内管配合连接，连接管下端与钻头内体配合连接；涡轮转子固定在钻头体上；利用双壁钻杆将压缩空气从钻杆内外管之间的间隙输送至孔底驱动涡轮作为钻进动力，同时利用反循环将冰心、冰屑经由中心通道返回地表，实现不停钻连续取心。
Description
技术领域
本发明涉及一种钻探机具，特别涉及一种极地浅层冰盖下的冰层空气涡轮反循环连续取心孔底动力钻具。
背景技术
目前冰层钻进采用的钻探机具多为孔底由电机驱动的取心钻具，但使用这种方式进行钻进取心时，每钻取一根冰心，就需要提下钻具一次，使得取心效率非常低。而且钻进过程中所使用的钻井液对极地环境有很大的影响，如污染空气、积雪层、冰屑以及地下水资源，同时对冰下的生物极为不利，并且会对冰心产生污染。目前极地钻探急需寻求一种新型高效、环保的钻进方式。涡轮空气钻进技术被公认为当代应用广泛和最具有发展前景的钻探技术方法之一，并在地址勘探、油气探采、水温水井、矿山采掘、地质灾害防治和岩土工程施工等领域广为应用。直到现在，世界上采用空气作为循环介质的冰层钻进的流体方式为正循环，如美国采用的Rapid Air MovementRAMDrill。然而由于孔口及浅层冰层的松散状态，钻进过程中压缩空气易发生漏失和孔口扩径，压缩空气流量减少，流速降低，无法排出冰屑，冰屑在孔底重复破碎，钻进效率低下，钻进时间较长，直至最后不能进尺。正循环空气钻进的方法钻进深度一般只能达到100米左右，最终无法实现钻进目标而终止钻进。空气涡轮反循环连续取心钻探技术，利用双臂钻杆，将压缩空气从钻杆内外管之间的间隙送到孔底驱动涡轮作为钻进动力，并通过反循环携带冰心和冰屑从钻杆中心返回地表，实现不停钻连续取心。
因此，如何根据现有的反循环空气钻进技术，并结合涡轮钻技术，设计一种结构参数合理，钻进效率高效的冰层空气涡轮反循环连续取心孔底动力钻具成为当前的主要问题。
发明内容
本发明就是在空气反循环钻进技术的基础上，提供一种冰层空气涡轮反循环连续取心孔底动力钻具。
本发明的钻头体上设置有一定数量的切削具和与之配套的喷射钻头内体；钻头体与钻头内体通过圆锥滚子轴承连接在一起，钻头内体与钻头体之间形成有可供气体通过的环状 间隙；钻头内体设有内喷孔和偏心卡簧，内喷孔的倾角α为30°~50°，直径为10~50mm、数量为2~6个；钻头内体、环状 间隙、切削具、内喷孔、底喷孔与钻头的中心通道相连通；涡轮定子固定在连接管上，连接管两端设置有螺纹，连接管上端与双壁钻杆内管配合连接，连接管下端与钻头内体配合连接；涡轮转子固定在钻头体上，钻头体与双壁钻杆外管间设置有密封圈。
本发明的有益效果：
1、本发明结构设计简单，反循环效果好，能获取中等深度冰层的完整冰心，很好的克服了极地钻探中钻井液对冰心和极地环境的不利影响。
2、采用涡轮组作为孔底动力，结合空气反循环结构，实现连续取心，取样效率高。将成为我国极地考察和极地研究的一种简易、方便、快速、环保的新型冰层钻探技术。同时，为我国极地深部冰层钻探技术提供一种有效的技术补充。
附图说明
图1为本发明的剖视图。
其中：1-切削具；2-钻头内体；3-底喷孔；4-圆锥滚子轴承；5-中心通道；6-钻头体；7-环状 间隙；8-偏心卡簧；9-内喷孔；10-涡轮转子；11-涡轮定子；12-连接管；13-密封圈；14-双壁钻杆外管；15-双壁钻杆内管。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明的钻头体6上设置有一定数量的切削具1和与之配套的喷射钻头内体2；钻头体6与钻头内体2通过圆锥滚子轴承4连接在一起，钻头内体2与钻头体6之间形成有可供气体通过的环状 间隙7；钻头内体2设有内喷孔9和偏心卡簧8，内喷孔9的倾角α为30°~50°，直径为10~50mm、数量为2~6个；钻头内体2、环状 间隙7、切削具1、内喷孔9、底喷孔3与钻头的中心通道5相连通；涡轮定子11固定在连接管12上，连接管12两端设置有螺纹，连接管12上端与双壁钻杆内管15配合连接，连接管12下端与钻头内体2配合连接；涡轮转子10固定在钻头体6上，钻头体6与双壁钻杆外管14间设置有密封圈13。
钻进开始时，压缩空气经由双壁钻杆输入到涡轮组，驱动涡轮转子10转动，涡轮转子带动钻头体6旋转，钻头体6带动切削具1一起回转。钻头内体2与钻头体6通过一对圆锥滚子轴承4连接，且钻头体2、连接管12、双壁钻杆内管15依次通过螺纹连接，因此钻头内体2不会随着钻头体6一起回转。压缩空气经由双壁钻杆进入环状 间隙7，一部分空气从钻头底部的底喷孔3高速喷出，吹洗孔底由切削具1切削下来的冰屑。另一部分气体则从钻头内体2上的喷射空9进入中心通道。钻进过程中获得的冰心，在偏心卡簧8的作用下被卡断成一定长度的冰心。卡断的冰心和孔底混合冰屑的气流在内喷孔的高速引射流的引射抽吸和钻头外壁与孔壁间密封的共同作用下，通过双壁钻杆的中心通道，输送到地表。钻进过程中不停钻连续卡断冰心，实现连续获取冰心的目的。
Claims (2)
1.一种冰层空气涡轮反循环连续取心孔底动力钻具，其特征在于：所述的钻头体（6）上设置有一定数量的切削具（1）和与之配套的喷射钻头内体（2）；钻头体（6）与钻头内体（2）通过圆锥滚子轴承（4）连接在一起，钻头内体（2）与钻头体（6）之间形成有可供气体通过的环状 间隙（7）；钻头内体（2）设有内喷孔（9）和偏心卡簧（8）；钻头内体（2）、环状 间隙（7）、切削具（1）、内喷孔（9）、底喷孔（3）与钻头的中心通道（5）相连通；涡轮定子（11）固定在连接管（12）上，连接管（12）两端设置有螺纹，连接管（12）上端与双壁钻杆内管（15）配合连接，连接管（12）下端与钻头内体（2）配合连接；涡轮转子（10）固定在钻头体（6）上，钻头体（6）与双壁钻杆外管（14）间设置有密封圈（13）。
2.根据权利要求1所述的一种冰层空气涡轮反循环连续取心孔底动力钻具，其特征在于：所述的内喷孔（9）的倾角α为30°~50°、直径为10~50mm、数量为2~6个。
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