CN106907111B - 极地积雪层快速钻进用空气旋喷钻头 - Google Patents

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张楠
曹品鲁
王如生
王婷
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Abstract

本发明公开了一种极地积雪层快速钻进用空气旋喷钻头，其变径接头上部与高压空气管路连接，变径接头下部与座体连接。旋转轴上部通过两套轴承与座体配合，两套轴承之间安装有轴承挡环对轴承进行限位。钻头体底部径向均布三个刀头，刀头通过螺钉固定在钻头体上，刀头外径略大于钻头直径，保证钻具可顺利向下钻进。钻头体内部设计有斜向上的旋喷通道和垂直向下的底喷通道，高压气体经由高压空气管路、旋转轴中心孔到达钻头体内部，并分别由旋喷通道和底喷通道喷出钻头外，由旋喷通道喷出的高压空气驱动钻头体进行回转，由底喷通道喷出的气体将钻进产生的冰屑带离孔底，并由钻头与孔壁环状间隙上返至地表。

Description

极地积雪层快速钻进用空气旋喷钻头
技术领域
本发明涉及一种极地积雪层快速钻进用空气旋喷钻头。
背景技术
南北极大部分区域常年被冰雪覆盖，冰盖内部由表层积雪及下部冰层组成，积雪层厚度从十几米到几十米不等，且冰盖内部温度分布从地表向内部呈现先增大后减小趋势。为了得到冰盖内部真实温度分布数据，往往需要至少将钻孔钻至10米以上深度。目前常用的钻进方法一般为机械取芯钻进或全孔钻进方法，钻具动力由人力、汽油机或高压空气提供，但由于南北极地区工作时间短，且常规钻进方法钻进效率低，因此很难在一个工作季内完成大量钻孔并进行数据测量，因此亟待研发新型快速钻孔方法及装备。几年前法国科学家采用连续管钻进技术在南极完成了50米钻孔，该技术采用高压空气驱动螺杆马达带动钻头进行钻进，取得了良好效果，钻进效率较高，但由于螺杆马达本身磨损较快，寿命短，成为限制该技术应用的主要原因。
本发明提供一种极地积雪层快速钻进用空气旋喷钻头。该钻头采用高压空气作为动力介质，通过引流通道引导高压空气从钻头侧向和底部喷出，钻头体在侧壁高压空气喷出时产生的反作用力驱动下实现回转，并带动刀头切削冰层完成钻进。该钻头活动部件少，结构简单，连接高压空气管路后即可回转钻进，大大简化了钻具结构，为极地冰盖积雪层全孔钻进提供了新的技术手段。
发明内容
本发明的目的提供一种极地积雪层快速钻进用空气旋喷钻头。
本发明包括变径接头、骨架密封圈、推力轴承、轴承挡环、座体、旋转轴、旋转轴接头、钻头体、螺钉和刀头，其中变径接头上部与高压空气管路连接，其接头尺寸可根据实际进行调节，变径接头下部与座体通过螺纹连接。旋转轴上部通过两套轴承与座体配合，在座体固定时，旋转轴可自由回转，旋转轴上部设计有骨架密封圈，其作用为封闭旋转轴与座体之间环状间隙，保证高压空气通过旋转轴中心孔到达钻头底部，两套轴承之间安装有轴承挡环对轴承进行限位。旋转轴下部与旋转轴接头通过螺纹连接，钻头体与旋转轴接头外部螺纹连接。钻头体底部径向均布三个刀头，刀头通过螺钉固定在钻头体上，刀头外径略大于钻头直径，保证钻具可顺利向下钻进。
钻头体内部设计有斜向上的旋喷通道和垂直向下的底喷通道，高压气体经由高压空气管路、旋转轴中心孔到达钻头体内部，并分别由旋喷通道和底喷通道喷出钻头外，由旋喷通道喷出的高压空气驱动钻头体进行回转，由底喷通道喷出的气体将钻进产生的冰屑带离孔底，并由钻头与孔壁环状间隙上返至地表。
本发明的工作过程：
向下钻进时，首先将高压空气管路与变径接头相连，利用地表绞车将钻头下放至与积雪层接触。然后将高压空气送入钻头内，高压空气经由高压空气管路、旋转轴中心孔到达钻头体内部，并分别由旋喷通道和底喷通道喷出钻头外，由旋喷通道喷出的高压空气驱动钻头体和刀头进行回转切削钻进，此时钻头体、旋转轴接头、旋转轴保持同步转动，而变径接头和座体由于与高压管路相连，钻进过程中不发生转动。
刀头切削钻进产生的冰屑将由底喷通道喷出的气体带离孔底，并被高压空气从钻具与孔壁环状间隙携带至地表。
采用旋喷钻头进行钻进，钻头回转动力来源于高压空气，因此无需在钻具上设计专门的反扭装置，且钻进产生的冰屑随高压空气上返至地表，因此无需设计冰屑收集装置，大大的简化了钻具结构。旋喷钻头的转速可通过控制高压空气流量实现，送入的高压空气流量越大，钻头回转切削速度越高。
本发明的有益效果：
本发明很好地解决了极地积雪层快速成孔钻探难题，利用高压空气喷射产生的反作用力驱动钻头回转，结构简单，可靠性高，且克服了螺杆马达等其他动力部件寿命短等缺点，具有良好的应用前景。
本发明设计的旋喷回转钻头采用高压空气驱动钻具回转，并完成冰屑输送，无需设计常规钻具使用的反扭装置和冰屑收集装置，且钻头回转切削速度可通过控制空气流量实现，无需复杂的孔下控制系统，简化了钻具结构，有利于提高钻进效率。
附图说明
图1为本发明的立体示意图。
图2为本发明的剖视图。
图3为本发明的钻头体气道布置图。
具体实施方式
请参阅图1、图2和图3所示，本实施例包括变径接头1、骨架密封圈2、推力轴承3、轴承挡环4、座体5、旋转轴6、旋转轴接头7、钻头体8、螺钉9和刀头10，变径接头1上部与高压空气管路连接，其接头尺寸可根据实际进行调节，变径接头1下部与座体5通过螺纹连接，旋转轴6上部通过两套轴承3与座体5配合，在座体5固定时，旋转轴6可自由回转，旋转轴6上部设计有骨架密封圈2，其作用为封闭旋转轴6与座体5之间环状间隙，保证高压空气通过旋转轴6中心孔到达钻头底部，两套轴承3之间安装有轴承挡环4对轴承3进行限位。旋转轴6下部与旋转轴接头7通过螺纹连接，钻头体8与旋转轴接头7外部螺纹连接。钻头体8底部径向均布三个刀头10，刀头10通过螺钉9固定在钻头体8上，刀头外径略大于钻头直径，保证钻具可顺利向下钻进。
钻头体8内部设计有斜向上的旋喷通道11和垂直向下的底喷通道12，高压气体经由高压空气管路、旋转轴6中心孔到达钻头体8内部，并分别由旋喷通道11和底喷通道12喷出钻头外，由旋喷通道11喷出的高压空气驱动钻头体8进行回转，由底喷通道12喷出的气体将钻进产生的冰屑带离孔底，并由钻头与孔壁环状间隙上返至地表。
本发明的具体实施过程：
向下钻进时，首先将高压空气管路与变径接头1相连，利用地表绞车将钻头下放至与积雪层接触。然后将高压空气送入钻头内，高压空气经由高压空气管路、旋转轴6中心孔到达钻头体8内部，并分别由旋喷通道11和底喷通道12喷出钻头外，由旋喷通道11喷出的高压空气驱动钻头体8和刀头10进行回转切削钻进，此时钻头体8、旋转轴接头7、旋转轴6保持同步转动，而变径接头1和座体5由于与高压管路相连，钻进过程中不发生转动。
刀头10切削钻进产生的冰屑将由底喷通道12喷出的气体带离孔底，并被高压空气从钻具与孔壁环状间隙携带至地表。
采用旋喷钻头进行钻进，钻头回转动力来源于高压空气，因此无需在钻具上设计专门的反扭装置，且钻进产生的冰屑随高压空气上返至地表，因此无需设计冰屑收集装置，大大的简化了钻具结构。旋喷钻头的转速可通过控制高压空气流量实现，送入的高压空气流量越大，钻头回转切削速度越高。

Claims (1)

1.一种极地积雪层快速钻进用空气旋喷钻头，其特征在于：包括变径接头(1)、骨架密封圈(2)、推力轴承(3)、轴承挡环(4)、座体(5)、旋转轴(6)、旋转轴接头(7)、钻头体(8)、螺钉(9)和刀头(10)，变径接头(1)上部与高压空气管路连接，变径接头(1)下部与座体(5)通过螺纹连接，旋转轴(6)上部通过两套轴承(3)与座体(5)配合，在座体(5)固定时，旋转轴(6)可自由回转，旋转轴(6)上部设计有骨架密封圈(2)，其作用为封闭旋转轴(6)与座体(5)之间环状间隙，保证高压空气通过旋转轴(6)中心孔到达钻头底部，两套轴承(3)之间安装有轴承挡环(4)对轴承(3)进行限位；旋转轴(6)下部与旋转轴接头(7)通过螺纹连接，钻头体(8)与旋转轴接头(7)外部螺纹连接；钻头体(8)底部径向均布三个刀头(10)，刀头(10)通过螺钉(9)固定在钻头体(8)上，刀头外径略大于钻头直径，保证钻具可顺利向下钻进；
钻头体(8)内部设计有斜向上的旋喷通道(11)和垂直向下的底喷通道(12)，高压气体经由高压空气管路、旋转轴(6)中心孔到达钻头体(8)内部，并分别由旋喷通道(11)和底喷通道(12)喷出钻头外，由旋喷通道(11)喷出的高压空气驱动钻头体(8)进行回转，由底喷通道(12)喷出的气体将钻进产生的冰屑带离孔底，并由钻头与孔壁环状间隙上返至地表。
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