CN107178365A - 一种基于伴热电缆的无污染冰下湖取样与探测方法及设备 - Google Patents
一种基于伴热电缆的无污染冰下湖取样与探测方法及设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于伴热电缆的无污染冰下湖取样与探测方法及设备，设备包括冰下湖取样探测钻具、伴热电缆、地表绞车和密封无菌帐篷，冰下湖取样探测钻具包括钻具运载单元和钻具取样探测单元，用于冰层钻进、湖水取样及湖水参数观测；伴热电缆用于信号和电力传输和确保电缆不被冻住；地表绞车用于下放和提升钻具；密封无菌帐篷用于钻具及钻探场地无污染处理。方法包括开孔、伴热电缆加热钻进、停止伴热电缆加热、钻具内部卷筒放缆钻进、取样及参数观测、钻具内部卷筒收缆返回、伴热电缆加热返回和钻具拆卸及样品回收步骤。本发明所能解决钻井液和热水钻的热水对冰下湖造成污染的问题，实现南极冰下湖无污染取样及探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种冰下湖取样与探测方法，特别涉及一种基于伴热电缆的无污染冰下湖探测方法及设备。
背景技术
南极冰下湖无污染钻进采样与观测技术，对于获取冰下湖基础环境数据、探究冰下湖是否存在微生物、研究冰下湖形成机理和演化规律、揭示南极冰下湖与冰盖物质平衡形式，获取古环境和古气候记录，具有极其重要的科学意义。结合以上科学目的，需确保冰下湖水原始环境的受到最小污染，科学目的转化为探测技术需求，为此需要采用无污染冰下湖探测方法和装备。
目前在Vostok、Whillans和Ellsworth进行了南极冰下湖取样与观测。俄罗斯在Vostok采用铠装电缆式电动机械取心钻具，钻穿3700多米冰层，成功获取冰下湖水样，但湖水受到了钻井液污染。Whillans和Ellsworth冰下湖取样与观测均首先采用热水钻成孔，然后下入探测器，该过程中冰下湖水会受到热水的污染。由此可看，目前冰下湖取样与观测方法会存在钻井液或热水等外源污染。
发明内容
本发明的目的在于提供基于伴热电缆的无污染冰下湖取样与探测方法及设备，该方法及设备可以解决钻井液和热水钻的热水对冰下湖造成污染的问题，实现南极冰下湖无污染取样及探测。
本发明之方法包括以下步骤：
(A)开孔：采用常规钻进方法(热水钻、浅冰心大直径螺旋钻等)开孔，开孔深度至少应大于钻具长度；
(B)伴热电缆加热钻进：启动钻具热熔钻头及热熔外筒，以钻具取样探测单元的下部加热钻头加热为主，同时启动地表绞车，下放钻具；分段接通伴热电缆，保持伴热电缆周围有一薄层水膜，防止出现伴热电缆被冻结导致钻具无法顺利下放，同时避免地表的伴热电缆产生大量热量；
(C)停止伴热电缆加热：采用钻具取样探测单元上的声呐装置探测钻具距冰下湖的距离；当钻具将至冰-湖界面时，停止伴热电缆加热，伴热电缆周围水膜重新结冰，保证冰下湖不受外源物质及冰盖融水污染；
(D)钻具内部卷筒放缆钻进：关闭钻具运载单元热熔钻头及热熔外筒；打开钻具取样探测单元与钻具运载单元的连接机构，使钻具取样探测单元可继续下行；启动钻具内部卷筒，通过卷筒控制系统使卷筒缓慢释放电缆，钻具取样探测单元上方的融水由于低温再次冻结；钻具取样探测单元钻穿冰盖进入冰下湖，实现无污染钻进；
(E)取样及参数观测：钻穿冰层后，关闭钻具取样探测单元下部热熔钻头及热熔外筒，当大部分钻具取样探测单元进入冰下湖后，停止钻具下放，进行冰下湖湖水取样、参数观测及摄像等；
(F)钻具内部卷筒收缆返回：完成取样及观测后，开启钻具取样探测单元下部热熔钻头及热熔外筒，并以上部热熔钻头加热为主；启动钻具内部卷筒，缓慢收缆向上钻进，与钻具运载单元对接；
(G)伴热电缆加热返回：启动钻具运载单元热熔钻头及热熔外筒，以其上部加热钻头加热为主；分段接通伴热电缆，保持伴热电缆周围有一薄层水膜，使电缆可上下移动；启动地表绞车，回收钻具；
(H)钻具拆卸及样品回收：当钻具到地表后，拆卸钻具，完成冰下湖无污染钻进取样与参数观测。
基于伴热电缆的无污染冰下湖取样与探测设备，其特征在于：由冰下湖取样探测钻具、伴热电缆、地表绞车和密封无菌帐篷组成；所述冰下湖取样探测钻具分为两个单元，即钻具运载单元和钻具取样探测单元，钻具运载单元主要包括上下热熔钻头、热熔外筒、高压密封舱、电源适配器和连接杆等，用于将钻具取样探测单元运送至近冰-湖界面处，钻具取样探测单元主要包括上下热熔钻头、热熔筒体、卷筒系统、高压密封舱、微型计算机、取样筒、物理化学参数传感器、摄像装置和连接座，用于近冰-湖界面段的冰层钻进、湖水取样、湖水参数测量及湖底摄像等；伴热电缆由电力传输线、信号传输线、光纤和伴热电阻丝组成，采用聚四氟乙烯加强伴热电缆抗拉强度，传输线进行信号和电力传输，伴热电阻丝确保伴热电缆不被冻住；地表绞车主要包括绞车和滑轮，用于下放和提升钻具；密封无菌帐篷用于隔离钻探场地与外部环境，确保钻探场地无污染，钻具及场地设备均采用过氧化氢蒸汽和紫外线消毒，确保钻进取样与观测过程无污染。
本发明的有益效果：
将伴热电缆应用于本发明，通过伴热电缆的分段控制防止伴热电缆在钻进过程中被冻住，通过将钻具分为运载单元和取样探测单元，有效降低钻具内卷筒系统尺寸，从而降低钻具尺寸，实现无污染冰下湖湖水取样和参数观测。
附图说明
图1为基于伴热电缆的无污染冰下湖取样与探测设备结构示意图。
图2为伴热电缆结构示意图。
图3为基于伴热电缆的无污染冰下湖取样与探测方法工作示意图。
其中：Ⅰ-钻具运载单元，Ⅱ-钻具取样探测单元，1-伴热电缆，2-运载单元上部热熔钻头，3-电源适配器，4-运载单元高压密封舱，5-运载单元热熔外筒，6-运载单元下部热熔钻头，7-连接杆，8-电缆，9-取样探测单元上部热熔钻头，10-连接座，11-钻具内部卷筒系统，12-取样探测单元高压密封舱，13-微型计算机，14-取样探测单元热熔筒体，15-取样筒，16-声呐装置，17-传感器单元，18-取样探测单元下部热熔钻头，19-冷光源，20-摄像头，21-滑轮，22-绞车，23-帐篷，24-电缆加热丝正极，25-电缆加热丝备用正极，26-电缆加热丝负极，27-电缆加热丝备用负极，28-伴热电热丝，29-钻具电力传输线，30-钻具通讯传输线，31-备用传输线，32-光纤，A-开孔，B-伴热电缆加热钻进，C-停止伴热电缆加热，D-钻具内部卷筒放缆钻进，E-取样及参数观测，F-钻具内部卷筒收缆返回，G-伴热电缆加热返回，H-钻具拆卸及样品回收。
具体实施方式
如图1所示，本发明所用取样与观测设备由冰下湖取样探测钻具、伴热电缆、地表绞车和密封无菌帐篷组成。
如图1所示，冰下湖取样探测钻具分为两个单元，即钻具运载单元Ⅰ和钻具取样探测单元Ⅱ。
如图1所示，钻具运载单元Ⅰ主要包括运载单元上部热熔钻头2、电源适配器3、运载单元高压密封舱4、运载单元热熔外筒5、运载单元下部热熔钻头6和连接杆7。运载单元上部热熔钻头2、运载单元下部热熔钻头6和运载单元热熔外筒5用于融化冰层，确保钻具运载单元Ⅰ在冰层内顺利行进。电源适配器3和运载单元高压密封舱4用于电力转换、分配与管理。钻具运载单元Ⅰ在地表绞车22和伴热电缆1的作用下将钻具取样探测单元Ⅱ运送至近冰-湖界面处。
如图1所示，钻具取样探测单元Ⅱ主要包括电缆8、钻具取样探测单元上部热熔钻头9、连接座10、钻具内部卷筒系统11、钻具取样探测单元高压密封舱12、微型计算机13、钻具取样探测单元热熔外筒14、取样筒15、声呐装置16，传感器单元17、冷光源19、摄像头20和钻具取样探测单元下部热熔钻头18等。钻具取样探测单元上部热熔钻头9、钻具取样探测单元下部热熔钻头18和钻具取样探测单元热熔筒体14用于融化冰层，确保钻具取样探测单元Ⅱ在冰层内顺利钻进。声呐装置16用于探测钻具距离冰下湖的距离。钻具内部卷筒系统11缠绕一定长度的电缆8，用于近冰下湖段冰层钻进及返回。取样筒15、传感器单元17、冷光源18和摄像头19等用于冰下湖水取样、物理化学参数测量及摄像。钻具取样探测单元高压密封舱12和微型计算机5用于参数监测、钻具控制和数据处理等。
如图1所示，钻具运载单元Ⅰ与钻具取样探测单元Ⅱ由连接杆7和连接座10连接。电缆8穿过连接杆7为钻具取样探测单元Ⅱ提供电力传输和信号传输。
如图1所示，伴热电缆1用于连接钻具运载单元Ⅰ与绞车22，通过绞车22实现钻具下放与提升。如图2所示，伴热电缆由伴热电力传输线、伴热电热丝28、钻具电力传输线29、钻具通讯传输线30、备用传输线31和光纤32组成；伴热电力传输线包括电缆加热丝正极24、电缆加热丝备用正极25、电缆加热丝负极26和电缆加热丝备用负极27。电缆加热丝正极24始终处于接通状态，如图2所示，位于左侧的小圆均为电缆加热丝负极26，分别对应不同段的伴热电热丝28，通过接通不同位置的电缆加热丝负极26实现不同段加热丝的控制。电缆加热丝备用正极25和电缆加热丝备用负极27为备用电极，降低电缆被冻结的概率。钻具电力传输线29采用两芯制(上层两芯)，为钻具内部电器件供电；钻具通讯传输线30(中层两芯)采用两芯制，用于钻具内信号传输；两芯备用线31(下层两芯)可作为钻具电力传输或钻具通讯传输的备用线。光纤32用于摄像头20所采集视频信号的传输。采用聚四氟乙烯加强电缆的抗拉强度。
如图1所示，地表绞车主要包括绞车22和滑轮21，用于下放和提升钻具。通过设置在滑轮21上的编码器记录钻进深度。
如图1所示，密封无菌帐篷23包括帐篷及灭菌设备，帐篷用于隔离钻探场地与外部环境，确保钻探场地无污染，灭菌设备用于钻具及场地设备无菌处理，如采用过氧化氢蒸汽和紫外线消毒，确保钻进取样与观测过程无污染。
如图3所示，本发明之一种基于伴热电缆的无污染冰下湖取样与探测方法如下：
(A)开孔：采用常规钻进方法(热水钻、浅冰心大直径螺旋钻等)开孔，开孔深度至少应大于钻具长度；
(B)伴热电缆加热钻进：启动运载单元Ⅰ上部热熔钻头2、运载单元Ⅰ下部热熔钻头6、运载单元Ⅰ热熔外筒5、钻具取样探测单元Ⅱ上部热熔钻头9、钻具取样探测单元Ⅱ下部热熔钻头18和钻具取样探测单元Ⅱ热熔筒体14，以钻具取样探测单元Ⅱ的下部加热钻头18加热为主，同时启动地表绞车22，下放钻具；分段接通伴热电缆加热丝负极26，保持伴热电缆1周围有一层水膜(如图3电缆及钻具周围空白处所示)，防止出现伴热电缆1被冻结导致钻具无法顺利下放；绞车缠绕的伴热电缆1不加热，防止出现电缆1散热不及时而导致的伴热电缆1损坏。
(C)停止伴热电缆加热：采用钻具取样探测单元Ⅱ上的声呐装置16探测钻具距冰下湖的距离；当钻具将至冰-湖界面时，停止伴热电缆1加热，伴热电缆1周围水膜重新结冰，保证冰下湖不受外源物质及冰盖融水污染。
(D)钻具内部卷筒放缆钻进：关闭运载单元Ⅰ上部热熔钻头2、运载单元Ⅰ下部热熔钻头6和运载单元Ⅰ热熔外筒5；打开钻具取样探测单元Ⅱ与钻具运载单元Ⅰ的连接机构，连接杆7脱离连接座10，使钻具取样探测单元Ⅱ可继续下行；启动钻具内部卷筒系统11，缓慢释放电缆8，钻具取样探测单元Ⅱ上方的融水由于低温再次冻结；钻具取样探测单元Ⅱ钻穿冰盖进入冰下湖，实现无污染钻进；
(E)取样及参数观测：钻穿冰层后，关闭钻具取样探测单元Ⅱ下部热熔钻头18及热熔外筒14，当大部分钻具取样探测单元Ⅱ进入冰下湖后，停止钻具内部卷筒11；启动取样筒15，进行冰下湖湖水取样；唤醒传感器单元17进行冰下湖湖水物理化学参数检测；开启冷光源19和摄像头20，进行冰下湖摄像。
(F)钻具内部卷筒收缆返回：完成取样及观测后，开启钻具取样探测单元Ⅱ下部热熔钻头18及热熔外筒14，并以钻具取样探测单元Ⅱ上部热熔钻头9加热为主；启动钻具内部卷筒系统11，缓慢回收电缆8向上钻进，与钻具运载单元Ⅰ对接；
(G)伴热电缆加热钻具返回：启动运载单元Ⅰ上部热熔钻头2、运载单元Ⅰ下部热熔钻头6和运载单元Ⅰ热熔外筒5，以运载单元Ⅰ上部热熔钻头2加热为主；分段接通伴热电缆加热丝负极26，保持伴热电缆1周围有一层水膜，使伴热电缆1可上下移动；启动地表绞车22，回收钻具；
(H)钻具拆卸及样品回收：当钻具到地表后，拆卸钻具，完成冰下湖无污染钻进取样与参数观测。
Claims (3)
1.一种基于伴热电缆的无污染冰下湖取样与探测方法，该方法包括以下步骤：
(A)开孔：采用常规钻进方法开孔，开孔深度至少应大于钻具长度；
(B)伴热电缆加热钻进：启动运载单元(Ⅰ)上部热熔钻头(2)、运载单元(Ⅰ)下部热熔钻头(6)、运载单元(Ⅰ)热熔外筒(5)、钻具取样探测单元(Ⅱ)上部热熔钻头(9)、钻具取样探测单元(Ⅱ)下部热熔钻头(18)和钻具取样探测单元(Ⅱ)热熔筒体(14)，以钻具取样探测单元(Ⅱ)的下部加热钻头(18)加热为主，同时启动地表绞车(22)，下放钻具；分段接通伴热电缆加热丝负极(26)，保持伴热电缆(1)周围有一层水膜，防止出现伴热电缆(1)被冻结导致钻具无法顺利下放；绞车缠绕的伴热电缆(1)不加热，防止出现伴热电缆(1)散热不及时而导致的伴热电缆(1)损坏；
(C)停止伴热电缆加热：采用钻具取样探测单元(Ⅱ)上的声呐装置(16)探测钻具距冰下湖的距离；当钻具将至冰-湖界面时，停止伴热电缆(1)加热，伴热电缆(1)周围水膜重新结冰，保证冰下湖不受外源物质及冰盖融水污染；
(D)钻具内部卷筒放缆钻进：关闭运载单元(Ⅰ)上部热熔钻头(2)、运载单元(Ⅰ)下部热熔钻头(6)和运载单元(Ⅰ)热熔外筒(5)；打开钻具取样探测单元(Ⅱ)与钻具运载单元(Ⅰ)的连接机构，连接杆(7)脱离连接座(10)，使钻具取样探测单元(Ⅱ)能继续下行；启动钻具内部卷筒系统(11)，缓慢释放电缆(8)，钻具取样探测单元(Ⅱ)上方的融水由于低温再次冻结；钻具取样探测单元(Ⅱ)钻穿冰盖进入冰下湖，实现无污染钻进；
(E)取样及参数观测：钻穿冰层后，关闭钻具取样探测单元(Ⅱ)下部热熔钻头(18)及热熔外筒(14)，当大部分钻具取样探测单元(Ⅱ)进入冰下湖后，停止钻具内部卷筒(11)；启动取样筒(15)，进行冰下湖湖水取样；唤醒传感器单元(17)进行冰下湖湖水物理化学参数检测；开启冷光源(19)和摄像头(20)，进行冰下湖摄像；
(F)钻具内部卷筒收缆返回：完成取样及观测后，开启钻具取样探测单元(Ⅱ)下部热熔钻头(18)及热熔外筒(14)，并以钻具取样探测单元(Ⅱ)上部热熔钻头(9)加热为主；启动钻具内部卷筒系统(11)，缓慢回收电缆(8)向上钻进，与钻具运载单元(Ⅰ)对接；
(G)伴热电缆加热钻具返回：启动运载单元(Ⅰ)上部热熔钻头(2)、运载单元(Ⅰ)下部热熔钻头(6)和运载单元(Ⅰ)热熔外筒(5)，以运载单元(Ⅰ)上部热熔钻头(2)加热为主；分段接通伴热电缆加热丝负极(26)，保持伴热电缆(1)周围有一层水膜，使伴热电缆(1)可上下移动；启动地表绞车(22)，回收钻具；
(H)钻具拆卸及样品回收：当钻具到地表后，拆卸钻具，完成冰下湖无污染钻进取样与参数观测。
2.根据权利要求1所述的一种基于伴热电缆的无污染冰下湖取样与探测方法，其特征在于：所述的常规钻进方法为热水钻或浅冰心大直径螺旋钻。
3.一种权利要求1所述的方法所用的取样与观测设备，其特征在于：由冰下湖取样探测钻具、伴热电缆、地表绞车和密封无菌帐篷组成；
冰下湖取样探测钻具包括钻具运载单元(Ⅰ)和钻具取样探测单元(Ⅱ)；
钻具运载单元(Ⅰ)包括运载单元上部热熔钻头(2)、电源适配器(3)、运载单元高压密封舱(4)、运载单元热熔外筒(5)、运载单元下部热熔钻头(6)和连接杆(7)，运载单元上部热熔钻头(2)、运载单元下部热熔钻头(6)和运载单元热熔外筒(5)用于融化冰层，确保钻具运载单元(Ⅰ)在冰层内顺利行进；电源适配器(3)和运载单元高压密封舱(4)用于电力转换、分配与管理；钻具运载单元(Ⅰ)在地表绞车(22)和伴热电缆(1)的作用下将钻具取样探测单元(Ⅱ)运送至近冰-湖界面处；
钻具取样探测单元(Ⅱ)包括电缆(8)、钻具取样探测单元上部热熔钻头(9)、连接座(10)、钻具内部卷筒系统(11)、钻具取样探测单元高压密封舱(12)、微型计算机(13)、钻具取样探测单元热熔外筒(14)、取样筒(15)、声呐装置(16)、传感器单元(17)、冷光源(19)、摄像头(20)和钻具取样探测单元下部热熔钻头(18)，钻具取样探测单元上部热熔钻头(9)、钻具取样探测单元下部热熔钻头(18)和钻具取样探测单元热熔筒体(14)用于融化冰层，确保钻具取样探测单元(Ⅱ)在冰层内顺利钻进；声呐装置(16)用于探测钻具距离冰下湖的距离；钻具内部卷筒系统(11)缠绕电缆(8)，用于近冰下湖段冰层钻进及返回；取样筒(15)、传感器单元(17)、冷光源(18)和摄像头(19)用于冰下湖水取样、物理化学参数测量及摄像；钻具取样探测单元高压密封舱(12)和微型计算机(5)用于参数监测、钻具控制和数据处理；
钻具运载单元(Ⅰ)与钻具取样探测单元(Ⅱ)由连接杆(7)和连接座(10)连接，电缆(8)穿过连接杆(7)为钻具取样探测单元(Ⅱ)提供电力传输和信号传输；
伴热电缆(1)用于连接钻具运载单元(Ⅰ)与绞车(22)，通过绞车(22)实现钻具下放与提升；伴热电缆(1)由伴热电力传输线、伴热电热丝(28)、钻具电力传输线(29)、钻具通讯传输线(30)、备用传输线(31)和光纤(32)组成；伴热电力传输线包括电缆加热丝正极(24)、电缆加热丝备用正极(25)、电缆加热丝负极(26)和电缆加热丝备用负极(27)；电缆加热丝正极(24)始终处于接通状态，电缆加热丝负极(26)分别对应不同段的伴热电热丝(28)，通过接通不同位置的电缆加热丝负极(26)实现不同段伴热电热丝(28)的控制；电缆加热丝备用正极(25)和电缆加热丝备用负极(27)为备用电极，降低电缆被冻结的概率；钻具电力传输线(29)采用两芯制；为钻具内部电器件供电；钻具通讯传输线(30)采用两芯制，用于钻具内信号传输；两芯备用线(31)作为钻具电力传输或钻具通讯传输的备用线；光纤(32)用于摄像头(20)所采集视频信号的传输；
地表绞车包括绞车(22)和滑轮(21)，用于下放和提升钻具，通过设置在滑轮(21)上的编码器记录钻进深度。
密封无菌帐篷(23)包括帐篷及灭菌设备，帐篷用于隔离钻探场地与外部环境，确保钻探场地无污染，灭菌设备用于钻具及场地设备无菌处理。
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