CN106907106B - 热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法及装置 - Google Patents

热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法及装置，该方法是采用热水作为动力介质驱动孔底钻具回转进而完成取芯钻进，利用旋流喷射器原理，通过在钻头体内部设计引流通道，引导热水从钻头侧壁喷出，热水反作用力将驱动钻头进行回转，从而切削冰层完成钻进。装置包括热水管、电缆、电缆终端、触底检测机构、分水接头、上扶正器、电气舱、下扶正器、过渡管及下部双管钻具和自旋转钻头。本发明将旋流喷射器原理应用于孔底碎岩，可实现极地冰层快速取芯钻探；本发明采用热‑机械混合方式进行取样钻进，热水既为孔底钻具提供孔底动力，同时也将钻进产生的冰屑带离孔底并融化，提高了孔底动力钻具的寿命和钻进效率。

Description

热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法及装置
技术领域
本发明涉及一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法及装置。
背景技术
目前常用的深冰芯钻探方法多为铠装电缆式电动机械取芯钻探方法，该方法具有功率小、重量轻等优点，但地表辅助操作较多，钻进周期长，钻进效率低，往往几年甚至十几年才能完成一个冰孔钻进，无法满足科学家日已增长的科研需求，因此亟待研发一种能够快速完成冰层取芯钻探的方法。
发明内容
本发明的目的提供一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法。
本发明的另一目的提供一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进装置。
本发明提供的一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法是：
采用热水作为动力介质驱动孔底钻具回转进而完成取芯钻进，利用旋流喷射器原理，通过在钻头体内部设计引流通道，引导热水从钻头侧壁喷出，热水反作用力将驱动钻头进行回转，从而切削冰层完成钻进，冰层切削钻头采用常规深冰芯钻探用工具钢刀头。钻进产生的冰屑被热水带离孔底，并在向上运输过程中融化，因此无需设计专门的冰屑收集装置，简化了钻具结构。热水采用管路输送至孔底钻具，同时采用电缆为钻具内传感器及通讯模块进行供电，并实现地表对孔内钻进参数的监测。为了保证钻具尽量垂直向下钻进，在钻具上部设计扶正器，使上部钻具始终处于钻孔中心。
采用本发明的钻进方法，钻具回转动力由热水高速喷出的反作用力提供，避免了采用螺杆马达等孔底动力钻具易磨损，寿命短等缺点。
本发明之一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进装置包括热水管、电缆、电缆终端、触底检测机构、分水接头、上扶正器、电气舱、下扶正器、过渡管及下部双管钻具和自旋转钻头，其中热水管和电缆捆绑一起下放，热水管为热水通道，地表热水通过热水管送至钻具，电缆为钻具提供电力，并完成地表与钻具的信号通讯；电缆终端用于连接电缆与钻具，触底检测机构安装由位移传感器和弹簧机构，通过位移传感器检测弹簧压缩量，从而计算得出电缆承受的拉力值，当电缆上承受拉力等于重力时，表明钻具处于悬吊状态，当电缆上承受拉力小于重力时，说明钻具已经到达孔底，此时即可通水进行钻进。分水接头与热水管相连，用于将热水管中热水导入钻具内部。上扶正器和下扶正器分别于径向均布三根矩形板簧片，依靠板簧片进入孔内发生变形，从而将钻具维持在钻孔中心。电气舱为耐高压密封舱，内部填充常压空气，钻具内信号采集及通讯模块均安装在电气舱内，且安装有温度和压力传感器，用于对钻具内热水温度和水压进行检测。
下部钻具通过过渡管 与下扶正器相连，其结构为单动双管，钻进时钻具外管不转动，自旋转钻头带动冰芯管回转钻进。下部钻具结构包括接头、密封圈、轴承、轴承挡环、单动接头、锁紧螺母、单向球阀、钻具外管和冰芯管。其中接头上部与过渡管螺纹连接，钻具外管通过螺纹与接头连接。冰芯管通过螺纹与单动接头相连，单动接头内由两套轴承与接头芯轴配合，两套轴承之间由轴承挡环进行限位。密封圈可保证热水不会从单动接头和接头之间间隙进入冰芯管。接头下部加工有螺纹，通过锁紧螺母可实现对单动接头的限位。自旋转钻头通过螺纹连接在冰芯管底部。
自旋转钻头由骨架密封、过渡接头、密封圈、芯管、钻头体、冰芯卡断器、卡断器销轴、刀头及螺钉组成。其中过渡接头上部与冰芯管连接，下部与钻头体螺纹连接，中部安装有密封圈，用于封闭过渡接头与钻具外管环状间隙。钻头体中心采用螺纹与芯管相连，芯管上部安装有骨架密封，通过与过渡接头内表面配合实现密封。冰芯卡断器通过卡断器销轴固定在钻头体上，轴向均布三个，卡断器可围绕卡断器销轴自由转动。刀头通过螺钉固定在钻头体底部，径向均布三个。钻头体内部设计有竖直流道和侧喷流道，两者相互贯通，热水可经由竖直流道和侧喷流道喷出钻头体外。
本发明的工作过程：
向下钻进时，首先利用地表绞车将钻具放入孔内，并连续下放，下放过程中随时观察触底检测机构反馈的触底压力数值，当触底压力持续增大至与钻具重量相当，表明钻具已到达孔底，此时停止下放，并通过热水管向钻具内泵送热水开始钻进。
热水从分水接头处进入钻具内部，流经上扶正器、电气舱、下扶正器到达接头处，并通过接头流道进入钻具外管与冰芯管环状间隙，然后经由过渡接头侧孔、钻头体竖直流道，由侧喷流道喷出钻头体外。高速喷出的热水对钻头体产生发作用力，从而驱动钻头进行回转钻进，此时刀头、钻头体、芯管、过渡接头和冰芯管将同步转动，钻具外管则保持静止。
钻进产生的冰芯样品进入冰芯管内，为了防止冰芯管内存水对冰芯产生静水压力，降低钻进速度，在接头中心设置有单向阀。当冰芯管内存水压力达到某一数值，单向球阀打开，冰芯管内存水通过接头中心水道排出钻具。回次钻进结束后，提拉钻具，冰芯卡断器将切入并卡断冰芯，继续上提钻具至地表，清除冰芯然后开始下一回次钻进。
钻进过程中，上扶正器和下扶正器支撑在孔壁上，有利于将钻具保持在钻孔中心，可最大程度的减小孔斜。
本发明的有益效果：
本发明将旋流喷射器原理应用于孔底碎岩，可实现极地冰层快速取芯钻探，为极地冰盖快速取芯提供了新的技术手段，对加快极地研究的发展具有重要作用。
本发明采用热-机械混合方式进行取样钻进，热水既为孔底钻具提供孔底动力，同时也将钻进产生的冰屑带离孔底并融化，简化了钻具结构，同时解决了常规孔底动力钻具易磨损、寿命短等缺点，有利于提高钻进效率。
附图说明
图1为热水驱动自旋转冰层取芯钻进装置结构示意图。
图2为自旋转钻头立体示意图。
图3为自旋转钻头剖视图。
图4为自旋转钻头流道布置图。
实施方式
本发明之热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法是：
采用热水作为动力介质驱动孔底钻具回转进而完成取芯钻进，利用旋流喷射器原理，通过在钻头体内部设计引流通道，引导热水从钻头侧壁喷出，热水反作用力将驱动钻头进行回转，从而切削冰层完成钻进，冰层切削钻头采用常规深冰芯钻探用工具钢刀头；钻进产生的冰屑被热水带离孔底，并在向上运输过程中融化，因此无需设计专门的冰屑收集装置，简化了钻具结构。热水采用管路输送至孔底钻具，同时采用电缆为钻具内传感器及通讯模块进行供电，并实现地表对孔内钻进参数的监测。为了保证钻具尽量垂直向下钻进，在钻具上部设计扶正器，使上部钻具始终处于钻孔中心。
请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明之一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进装置包括热水管1、电缆2、电缆终端3、触底检测机构4、分水接头5、上扶正器6、电气舱7、下扶正器8、过渡管9及下部双管钻具和自旋转钻头19，其中热水管1和电缆2捆绑一起下放，热水管1为热水通道，地表热水通过热水管1送至钻具，电缆2为钻具提供电力，并完成地表与钻具的信号通讯；电缆终端3用于连接电缆2与钻具，触底检测机构4安装由位移传感器和弹簧机构，通过位移传感器检测弹簧压缩量，从而计算得出电缆2承受的拉力值，当电缆2上承受拉力等于重力时，表明钻具处于悬吊状态，当电缆2上承受拉力小于重力时，说明钻具已经到达孔底，此时即可通水进行钻进。分水接头5与热水管1相连，用于将热水管1中热水导入钻具内部。上扶正器6和下扶正器8分别于径向均布三根矩形板簧片，依靠板簧片进入孔内发生变形，从而将钻具维持在钻孔中心。电气舱7为耐高压密封舱，内部填充常压空气，钻具内信号采集及通讯模块均安装在电气舱7内，且安装有温度和压力传感器，用于对钻具内热水温度和水压进行检测。
下部钻具通过过渡管9 与下扶正器8相连，其结构为单动双管，钻进时钻具外管不转动，自旋转钻头19带动冰芯管18回转钻进。下部钻具结构包括接头10、密封圈11、轴承12、轴承挡环13、单动接头14、锁紧螺母15、单向球阀16、钻具外管17和冰芯管18。其中接头10上部与过渡管9螺纹连接，钻具外管17通过螺纹与接头10连接。冰芯管18通过螺纹与单动接头14相连，单动接头14内由两套轴承12与接头10芯轴配合，两套轴承12之间由轴承挡环13进行限位。密封圈11可保证热水不会从单动接头14和接头10之间间隙进入冰芯管。接头10下部加工有螺纹，通过锁紧螺母16可实现对单动接头14的限位。自旋转钻头19通过螺纹连接在冰芯管18底部。
自旋转钻头由骨架密封20、过渡接头21、密封圈22、芯管23、钻头体24、冰芯卡断器25、卡断器销轴26、刀头27及螺钉28组成。其中过渡接头21上部与冰芯管18连接，下部与钻头体24螺纹连接，中部安装有密封圈22，用于封闭过渡接头21与钻具外管17环状间隙。钻头体24中心采用螺纹与芯管23相连，芯管23上部安装有骨架密封20，通过与过渡接头21内表面配合实现密封。冰芯卡断器25通过卡断器销轴27固定在钻头体24上，轴向均布三个，卡断器25可围绕卡断器销轴自由转动。刀头27通过螺钉28固定在钻头体24底部，径向均布三个。钻头体24内部设计有竖直流道29和侧喷流道30，两者相互贯通，热水可经由竖直流道29和侧喷流道30喷出钻头体外。
本发明的工作过程：
向下钻进时，首先利用地表绞车将钻具放入孔内，并连续下放，下放过程中随时观察触底检测机构4反馈的触底压力数值，当触底压力持续增大至与钻具重量相当，表明钻具已到达孔底，此时停止下放，并通过热水管1向钻具内泵送热水开始钻进。
热水从分水接头5处进入钻具内部，流经上扶正器6、电气舱7、下扶正器8到达接头10处，并通过接头10流道进入钻具外管17与冰芯管18环状间隙，然后经由过渡接头21侧孔、钻头体竖直流道29，由侧喷流道30喷出钻头体外。高速喷出的热水对钻头体产生发作用力，从而驱动钻头24进行回转钻进，此时刀头27、钻头体24、芯管23、过渡接头21和冰芯管18将同步转动，钻具外管17则保持静止。
钻进产生的冰芯样品进入冰芯管18内，为了防止冰芯管18内存水对冰芯产生静水压力，降低钻进速度，在接头10中心设置有单向阀。当冰芯管18内存水压力达到某一数值，单向球阀16打开，冰芯管18内存水通过接头10中心水道排出钻具。回次钻进结束后，提拉钻具，冰芯卡断器25将切入并卡断冰芯，继续上提钻具至地表，清除冰芯然后开始下一回次钻进。
钻进过程中，上扶正器6和下扶正器8支撑在孔壁上，有利于将钻具保持在钻孔中心，可最大程度的减小孔斜。

Claims (1)

1.一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进装置；其特征在于：包括热水管（1）、电缆（2）、电缆终端（3）、触底检测机构（4）、分水接头（5）、上扶正器（6）、电气舱（7）、下扶正器（8）、过渡管（9）及下部双管钻具和自旋转钻头（19），其中热水管（1）和电缆（2）捆绑一起下放，热水管（1）为热水通道，地表热水通过热水管（1）送至钻具，电缆（2）为钻具提供电力，并完成地表与钻具的信号通讯；电缆终端（3）用于连接电缆（2）与钻具，触底检测机构（4）安装由位移传感器和弹簧机构，通过位移传感器检测弹簧压缩量，从而计算得出电缆（2）承受的拉力值，当电缆（2）上承受拉力等于重力时，表明钻具处于悬吊状态，当电缆（2）上承受拉力小于重力时，说明钻具已经到达孔底，此时即可通水进行钻进；分水接头（5）与热水管（1）相连，用于将热水管（1）中热水导入钻具内部；上扶正器（6）和下扶正器（8）分别于径向均布三根矩形板簧片，依靠板簧片进入孔内发生变形，从而将钻具维持在钻孔中心；电气舱（7）为耐高压密封舱，内部填充常压空气，钻具内信号采集及通讯模块均安装在电气舱（7）内，且安装有温度和压力传感器，用于对钻具内热水温度和水压进行检测；
下部钻具通过过渡管（9） 与下扶正器（8）相连，其结构为单动双管，钻进时，钻具外管不转动，自旋转钻头（19）带动冰芯管（18）回转钻进；下部钻具结构包括接头（10）、第一密封圈（11）、轴承（12）、轴承挡环（13）、单动接头（14）、锁紧螺母（15）、单向球阀（16）、钻具外管（17）和冰芯管（18）；其中接头（10）上部与过渡管（9）螺纹连接，钻具外管（17）通过螺纹与接头（10）连接；冰芯管（18）通过螺纹与单动接头（14）相连，单动接头（14）内由两套轴承（12）与接头（10）芯轴配合，两套轴承（12）之间由轴承挡环（13）进行限位；第一密封圈（11）可保证热水不会从单动接头（14）和接头（10）之间间隙进入冰芯管；接头（10）下部加工有螺纹，通过锁紧螺母（15）可实现对单动接头（14）的限位；自旋转钻头（19）通过螺纹连接在冰芯管（18）底部；
自旋转钻头由骨架密封（20）、过渡接头（21）、第二密封圈（22）、芯管（23）、钻头体（24）、冰芯卡断器（25）、卡断器销轴（26）、刀头（27）及螺钉（28）组成；过渡接头（21）上部与冰芯管（18）连接，下部与钻头体（24）螺纹连接，中部安装有第二密封圈（22），用于封闭过渡接头（21）与钻具外管（17）环状间隙；钻头体（24）中心采用螺纹与芯管（23）相连，芯管（23）上部安装有骨架密封（20），通过与过渡接头（21）内表面配合实现密封；冰芯卡断器（25）通过卡断器销轴（26）固定在钻头体（24）上，轴向均布三个，卡断器（25）可围绕卡断器销轴自由转动；刀头（27）通过螺钉（28）固定在钻头体（24）底部，径向均布三个；钻头体（24）内部设计有竖直流道（29）和侧喷流道（30），两者相互贯通，热水可经由竖直流道（29）和侧喷流道（30）喷出钻头体外。
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