CN107829678A - 一种超声波振动空气反循环的冰层钻进方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声波振动空气反循环的冰层钻进方法，属于寒冷环境冰层钻进技术领域，该冰层钻进方法采用的冰层钻进装置包括空气反循环装置、超声波振动钻进装置及下放提引回收装置，在寒冷环境需冰层钻进或冰层钻进取样的区域确定钻井实施方案后进行准备工作，充分利用超声波振动的高频微摩擦作用及超声波空化作用进行快速融化钻进冰层，同时在地面运用空气反循环装置将再次冻结的冰样通过铠装电缆中心通道送至孔口收集研究并且可防止液态水在孔底二次冻结影响钻进过程。本发明可解决寒冷环境冰层钻进的难题，克服由于低温环境造成的钻进效率低下、能量利用率低、设备成本高、操作繁琐、取样困难等技术难题，有效解决了寒冷环境冰层钻进技术的不足。
Description
技术领域
本发明属于寒冷环境冰层钻进技术领域，特别涉及一种超声波振动空气反循环的冰层钻进方法。
背景技术
目前对于寒岭地区冰层进行钻进的方法主要包括热水钻进方法、机械式回转钻进方法，主要存在的问题是能量消耗大且能量利用率低，限制了取样深度；钻进过程对岩样扰动大，破坏了冰样的原状性；反循环钻进方式虽已成功应用于常规地质岩心钻探领域，但由于寒冷地区地表情况复杂,缺乏道路和基础设施,暴风雪等恶劣条件,在寒冷地区进行钻探异常困难，因此不适用于寒冷地区的冰层钻探；常规铠装电缆式电动机械取心钻具虽重量轻便，但由于该方法需要提钻取心，钻进辅助时间长，钻进效率低。
发明内容
本发明的目的是为了解决在寒冷环境冰层钻进过程中钻进效率和取样效率低下的问题，而提供了一种超声波振动空气反循环的冰层钻进方法。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种超声波振动空气反循环的冰层钻进方法，其特征在于：该冰层钻进方法采用的冰层钻进装置包括空气反循环装置、超声波振动钻进装置及下放提引回收装置，空气反循环装置由孔口密封装置及供气装置组成；超声波振动钻进装置由压电陶瓷、功率放大器、信号发射器及铠装电缆组成；下放提引回收装置由电缆绞车、电控系统及冰样储存器组成，所述铠装电缆的钻进端依次连接有压力传感器、信号发射器、功率放大器及压电陶瓷，且铠装电缆、压力传感器、信号发射器、功率放大器及压电陶瓷同轴布置，其中铠装电缆内部具有铠装电缆中心通道，铠装电缆通过法兰盘与压力传感器连接，压力传感器、信号发射器、功率放大器及压电陶瓷顺次插接，且压力传感器、信号发射器、功率放大器及压电陶瓷内部均预留有电缆，电缆互相连接后与铠装电缆连接构成连通电路；
具体步骤为：
步骤一、寒冷环境，选定冰层钻进区域，预先设定钻进深度，根据现场勘探，确定钻孔实施方案后，完成钻孔定位、钻机就位的准备工作；
步骤二、根据钻孔方案选择压电陶瓷，安装超声波振动钻进装置并将其连通冰样储存器；
步骤三、开启电控系统控制信号发生器使其输出固定频率电信号，该固定频率电信号经功率放大器放大后通过压电陶瓷转化为机械信号，从而产生超声波振动，进行开孔作业；
步骤四、开孔后，关闭电控系统，在开孔位置安装空气反循环装置，并将安装好的超声波振动钻进装置穿过孔口密封装置送至钻进位置，继续下放超声波振动钻进装置进行钻进工作；
步骤五、开启电控系统，通过电控系统控制电缆绞车下放铠装电缆，并对铠装电缆进行供电，同时开启供气装置，供气装置向铠装电缆与钻孔孔壁之间形成的环状间隙内供气，钻进过程中，压力传感器监测钻压，并通过电缆绞车调节钻压，超声波振动钻进装置将冰层融化，得到冰样，冰样通过空气反循环作用进入铠装电缆中心通道，冰样进入铠装电缆中心通道后被冻结，冻结的冰样经由铠装电缆中心通道返回地面并存储到冰样储存器内；
步骤六、按照钻进要求，钻进达到预定深度，结束钻进。
进一步，所述压电陶瓷为取心式压电陶瓷，取心式压电陶瓷的内径小于铠装电缆中心通道半径。
更进一步，所述压电陶瓷为取心式压电陶瓷时，步骤五中，所述冰样为液态水与冰心的混合物，液态水与冰心的混合物通过空气反循环作用进入铠装电缆中心通道，液态水冻结形成冰屑，冰屑及冰心经由铠装电缆中心通道返回地面后存储到冰样储存器内。
进一步，所述压电陶瓷为全面式压电陶瓷，全面式压电陶瓷具有过水缺口。
更进一步，所述压电陶瓷为全面式压电陶瓷时，步骤五中，所述冰样为液态水，液态水通过空气反循环作用进入铠装电缆中心通道后冻结形成冰屑，冰屑经由铠装电缆中心通道返回地面，存储到冰样储存器内。
优选的，所述铠装电缆具有五层，从外到内依次为铠装电缆外壳、外导体层、绝缘层、内导体层及铠装电缆内壳。
所述孔口密封装置上设置有气体压力检测装置。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明主要利用超声波振动的特点，通过微摩擦作用及空化作用，一方面可快速对冰层进行钻进工作，另一方面可保证所取冰样的原状性。同时由于采用了空气反循环钻进方法，实现了连续循环取样，极大地降低了辅助作业时间，提高了工作效率，保障了研究人员的生命安全，也最大程度保护了寒冷地区脆弱的生态环境。
附图说明
图1为本发明所述钻进过程示意图。
图2为本发明所述铠装电缆结构示意图。
图3位本发明所述全面式压电陶瓷结构示意图。
图中：1-压电陶瓷、2-功率放大器、3-信号发射器、4-铠装电缆、41-铠装电缆外壳、42-外导体层、43-绝缘层、44-内导体层、45-铠装电缆内壳、5-铠装电缆中心通道、6-孔口密封装置、7-供气装置、8-电缆绞车、9-电控系统、10-冰样储存器、11-压力传感器、101-过水缺口。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明，如图1、图2及图3所示，本发明利用超声波振动的高频微摩擦作用及超声波空化作用，达到快速融化钻进冰层的目的，同时在地面运用空气反循环装置将再次冻结的冰样通过铠装电缆中心通道5送至孔口收集研究并且可防止液态水在孔内二次冻结影响钻进过程，该冰层钻进方法采用的冰层钻进装置包括空气反循环装置、超声波振动钻进装置及下放提引回收装置，空气反循环装置由孔口密封装置6及供气装置7组成；超声波振动钻进装置由压电陶瓷1、功率放大器2、信号发射器3及铠装电缆4组成；下放提引回收装置由电缆绞车8、电控系统9及冰样储存器10组成，所述铠装电缆4的钻进端依次连接有压力传感器11、信号发射器3、功率放大器2及压电陶瓷1，且铠装电缆4、压力传感器11、信号发射器3、功率放大器2及压电陶瓷1同轴布置，其中铠装电缆4内部具有铠装电缆中心通道5供冰样运移，铠装电缆4通过法兰盘与压力传感器11连接，压力传感器11、信号发射器3、功率放大器2及压电陶瓷1顺次插接，且压力传感器11、信号发射器3、功率放大器2及压电陶瓷1内部均预留有电缆，电缆互相连接后与铠装电缆4连接构成连通电路。
所述孔口密封装置6上设置有气体压力检测装置，可实时监测钻孔内气体压力。
所述铠装电缆4具有五层，从外到内依次为铠装电缆外壳41、外导体层42、绝缘层43、内导体层44及铠装电缆内壳45。
根据钻孔方案选择不同规格、不同作用的压电陶瓷1，不同规格、不同作用的压电陶瓷1，规格指经压电陶瓷1激发出超声波振动的频率、振幅、振动力以及压电陶瓷1的尺寸；作用指取心式压电陶瓷和全面式压电陶瓷，其中取心式压电陶瓷内径小于铠装电缆中心通道5半径，全面式压电陶瓷具有过水缺口101。
实施例一
在某圈定的用于钻采冰心进行科学研究的寒冷环境区域，钻探过程中运用超声波进行钻进，利用空气反循环进行连续取样的钻进方法，
具体步骤如下：
根据要求，本次需对地下1000m的冰层进行连续取心；
步骤一、根据现场勘探，确定钻孔实施方案后，完成钻孔定位、钻机就位的准备工作；
步骤二、根据钻孔方案选择取芯式压电陶瓷，并根据要求选定合适尺寸的压电陶瓷1，压电陶瓷1内径尺寸小于铠装电缆中心通道5半径，振幅为30μm，振动频率为30KHz，然后进行超声波振动钻进装置安装，按作业规程组装压电陶瓷1、功率放大器2、信号发射器3、铠装电缆4、电缆绞车8、电控系统9、冰样储存器10及压力传感器11，其中所使用的铠装电缆4中心有铠装电缆中心通道5供冰样运移；
步骤三、开启电控系统9控制信号发生器3使其输出固定频率电信号，该固定频率电信号经功率放大器2放大后通过压电陶瓷1转化为机械信号，从而产生超声波振动，进行开孔作业；
步骤四、开孔后，关闭电控系统9，在开孔位置安装空气反循环装置，并将安装好的超声波振动钻进装置穿过孔口密封装置6送至钻进位置，继续下放超声波振动钻进装置进行钻进工作；
步骤五、开启电控系统9，通过电控系统9控制电缆绞车8下放铠装电缆4，并对铠装电缆4进行供电，同时开启供气装置7，空气通过铠装电缆4与钻孔孔壁之间形成的环状间隙到达孔底后经铠装电缆中心通道5返回地面形成空气反循环，钻进过程中，应用压力传感器11监测钻压，并通过电缆绞车8调节钻压，根据返回的冰屑量及气压压力数值，调整泵量，有效保证钻冰效率和取样效率；在钻进过程中，超声波振动钻进装置将冰层快速融化，并实现高效取心。通过空气反循环作用，取得的冰心进入铠装电缆中心通道5，而融化的液态水进入铠装电缆中心通道5，由于铠装电缆中心通道5内的低温环境，液态水重新冻结为冰屑。空气携带冰心及冰屑由铠装电缆中心通道5返回地面，最后被注入到冰样储存器10，并将取得的冰心收集进行用于下阶段研究工作。
步骤六、按照钻进要求，依次循环进行，直至达到1000m的预定深度，结束钻进。
实施例二
在某圈定的用于钻进冰层的寒冷环境区域，钻探过程中运用超声波进行钻进，利用空气反循环进行排除冰屑的钻进方法，具体步骤如下：
根据要求，本次需对地下1000m的冰层进行钻进；
步骤一、根据现场勘探，确定钻孔实施方案后，完成钻孔定位、钻机就位的准备工作；
步骤二、根据钻孔方案选择全面式压电陶瓷，全面式压电陶瓷具有过水缺口101，并根据要求选定合适尺寸的压电陶瓷1，振幅为30μm，振动频率为30KHz，然后进行超声波振动钻进装置安装，按作业规程组装压电陶瓷1、功率放大器2、信号发射器3、铠装电缆4、电缆绞车8、电控系统9、冰样储存器10及压力传感器11，其中所使用的铠装电缆4中心有铠装电缆中心通道5供冰样运移；
步骤三、开启电控系统9控制信号发生器3使其输出固定频率电信号，该固定频率电信号经功率放大器2放大后通过压电陶瓷1转化为机械信号，从而产生超声波振动，进行开孔作业；
步骤四、开孔后，关闭电控系统9，在开孔位置安装空气反循环装置，并将安装好的超声波振动钻进装置穿过孔口密封装置6送至钻进位置，继续下放超声波振动钻进装置进行钻进工作；
步骤五、开启电控系统9，通过电控系统9控制电缆绞车8下放铠装电缆4，并对铠装电缆4进行供电，同时开启供气装置7，空气通过铠装电缆4与钻孔孔壁之间形成的环状间隙到达孔底后经铠装电缆中心通道5返回地面形成空气反循环，钻进过程中，应用压力传感器11监测钻压，并通过电缆绞车8调节钻压，根据返回的冰屑量及气压压力数值，调整泵量，有效保证钻冰效率和取样效率；在钻进过程中，超声波振动钻进装置将冰层快速融化。通过空气反循环作用，融化的液态水通过过水缺口101进入铠装电缆中心通道5，由于铠装电缆中心通道5内的低温环境，液态水重新冻结为冰屑。空气携带冰屑由铠装电缆中心通道5返回地面，最后被注入到冰样储存器10。
步骤六、按照钻进要求，依次循环进行，直至达到1000m的预定深度，结束钻进。
超声波振动是一种频率高于20KHz的振动，由于其方向性强，振动频率高，振幅极小，在与冰层接触过程中，发生了细微摩擦，该摩擦作用在高效融化冰层的同时可保证对未接触冰层极低的扰动，进而保证了冰样的原状性；融化的液态水在超声波激励下受迫运动，产生空化现象，局部压力剧增，同时伴有强烈的冲击波和微射流，可对冰层进行高效钻进。同时空心的铠装电缆4为冰样的运移提供了通道，在空气反循环的作用下，实现了电缆式冰层钻进的连续循环取样，极大缩短了辅助作业时间，提高了高作效率，同时也保障了研究人员的安全。
本发明可解决寒冷环境冰层钻进的难题，克服由于低温环境造成的钻进效率低下、能量利用率低、设备成本高、操作繁琐、取样困难等技术难题，有效解决了寒冷环境冰层钻进技术的不足。
Claims (7)
1.一种超声波振动空气反循环的冰层钻进方法，其特征在于：该冰层钻进方法采用的冰层钻进装置包括空气反循环装置、超声波振动钻进装置及下放提引回收装置，空气反循环装置由孔口密封装置(6)及供气装置(7)组成；超声波振动钻进装置由压电陶瓷(1)、功率放大器(2)、信号发射器(3)及铠装电缆(4)组成；下放提引回收装置由电缆绞车(8)、电控系统(9)及冰样储存器(10)组成，所述铠装电缆(4)的钻进端依次连接有压力传感器(11)、信号发射器(3)、功率放大器(2)及压电陶瓷(1)，且铠装电缆(4)、压力传感器(11)、信号发射器(3)、功率放大器(2)及压电陶瓷(1)同轴布置，其中铠装电缆(4)内部具有铠装电缆中心通道(5)，铠装电缆(4)通过法兰盘与压力传感器(11)连接，压力传感器(11)、信号发射器(3)、功率放大器(2)及压电陶瓷(1)顺次插接，且压力传感器(11)、信号发射器(3)、功率放大器(2)及压电陶瓷(1)内部均预留有电缆，电缆互相连接后与铠装电缆(4)连接构成连通电路；
具体步骤为：
步骤一、寒冷环境，选定冰层钻进区域，预先设定钻进深度，根据现场勘探，确定钻孔实施方案后，完成钻孔定位、钻机就位的准备工作；
步骤二、根据钻孔方案选择压电陶瓷(1)，安装超声波振动钻进装置并将其连通冰样储存器(10)；
步骤三、开启电控系统(9)控制信号发生器(3)使其输出固定频率电信号，该固定频率电信号经功率放大器(2)放大后通过压电陶瓷(1)转化为机械信号，从而产生超声波振动，进行开孔作业；
步骤四、开孔后，关闭电控系统(9)，在开孔位置安装空气反循环装置，并将安装好的超声波振动钻进装置穿过孔口密封装置(6)送至钻进位置，继续下放超声波振动钻进装置进行钻进工作；
步骤五、开启电控系统(9)，通过电控系统(9)控制电缆绞车(8)下放铠装电缆(4)，并对铠装电缆(4)进行供电，同时开启供气装置(7)，供气装置(7)向铠装电缆(4)与钻孔孔壁之间形成的环状间隙内供气，钻进过程中，压力传感器(11)监测钻压，并通过电缆绞车(8)调节钻压，超声波振动钻进装置将冰层融化，得到冰样，冰样通过空气反循环作用进入铠装电缆中心通道(5)，冰样进入铠装电缆中心通道(5)后被冻结，冻结的冰样经由铠装电缆中心通道(5)返回地面并存储到冰样储存器(10)内；
步骤六、按照钻进要求，钻进达到预定深度，结束钻进。
2.根据权利要求1所述的一种超声波振动空气反循环的冰层钻进方法，其特征是：所述压电陶瓷(1)为取心式压电陶瓷，取心式压电陶瓷的内径小于铠装电缆中心通道(5)半径。
3.根据权利要求2所述的一种超声波振动空气反循环的冰层钻进方法，其特征是：步骤五中，所述冰样为液态水与冰心的混合物，液态水与冰心的混合物通过空气反循环作用进入铠装电缆中心通道(5)，液态水冻结形成冰屑，冰屑及冰心经由铠装电缆中心通道(5)返回地面后存储到冰样储存器(10)内。
4.根据权利要求1所述的一种超声波振动空气反循环的冰层钻进方法，其特征是：所述压电陶瓷(1)为全面式压电陶瓷，全面式压电陶瓷具有过水缺口(101)。
5.根据权利要4所述的一种超声波振动空气反循环的冰层钻进方法，其特征是：步骤五中，所述冰样为液态水，液态水通过空气反循环作用进入铠装电缆中心通道(5)后冻结形成冰屑，冰屑经由铠装电缆中心通道(5)返回地面，存储到冰样储存器(10)内。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种超声波振动空气反循环的冰层钻进方法，其特征是：所述铠装电缆(4)具有五层，从外到内依次为铠装电缆外壳(41)、外导体层(42)、绝缘层(43)、内导体层(44)及铠装电缆内壳(45)。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种超声波振动空气反循环的冰层钻进方法，其特征是：所述孔口密封装置(6)上设置有气体压力检测装置。
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