CN109441384A - 一种用于冰层钻探的激光取芯钻进方法及钻进装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于冰层钻探的激光取芯钻进方法及钻进装置，方法是利用高能激光束直接作用于冰表面，使之局部快速加热到融化，是一种非机械接触式的物理破冰方法。随着激光探头的转动，激光束直接与冰层接触，能形成环状的间隙，钻杆得以顺利下放，在完成一个回次的钻进后，利用冰芯卡断器在钢丝绳的配合下能卡断冰芯，取至地表，以便完成后续的冰芯检测与分析工作。利用激光高能量融冰的方法省去了机械钻进的繁琐过程，以及不用钻井液减少了对极地环境的污染，也避免了卡钻事故的产生，同时也避免了热水钻热水对冰芯形状的影响，是一种极其清洁的保持原状冰芯的钻进方法。激光钻进方法也保证了钻孔的垂直度，不会产生斜孔。钻进装置用于实现该方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对冰层取芯钻进方法及钻进装置，该方法利用激光束的能量将并快速融化，通过设计的取芯装置将切削的冰芯回收。
背景技术
较常规的钻进方法，激光钻进是一种清洁型的钻进方式，利用高能激光束直接作用于冰表面，使之局部快速加热到融化，是一种非机械接触式的物理破冰方法。自20世纪60年代末开始，美国国家科学基金会就启动了探寻高效钻井方法的庞大研究计划，研究了电子束、激光、水射流等25种钻井新方法。激光钻井技术以具有高速度、低成本、高效率、高安全和低伤害等的钻井优势迅速发展起来。到目前为止，国内外的研究虽然涉及到了激光融冰，但激光取冰芯钻进并没有取得很大的进展。本发明提供的是一种利用激光的高能量钻进冰层的取冰芯的装置。
针对极地地区的研究对了解地球气候的变化有着至关重要的意义，其中尤以分析极地冰芯最为重要，对冰芯内部物质组分的分析可以获取地球古气候演变的重要信息。自从我国2012年在南极开展冰芯钻探活动以来，钻探进尺量和冰芯钻取量取得了突飞猛进的进展，钻探方法主要为机械式切削回转钻进，以及热水取芯钻进，存在着取芯质量不高，钻探进尺慢，钻探成本高等缺点，本发明设计的激光融冰方法及取芯装置完美的解决了这样的问题。激光钻进省去了机械钻进的繁琐过程，以及不用钻井液减少了对极地环境的污染，也避免了卡钻事故的产生，同时也避免了热水钻热水对冰芯形状的影响，是一种极其清洁的保持原状冰芯的钻进方式。
发明内容
本发明提供一种用于冰层钻探的激光取芯钻进方法。
本发明还提供一种用于冰层钻探的激光取芯钻进装置。
本发明的一种用于冰层钻探的激光取芯钻进的方法是：利用高能激光束直接作用于冰表面，使之局部快速加热到融化，是一种非机械接触式的物理破冰方法。随着激光探头的转动，激光束直接与冰层接触，能形成环状的间隙，钻杆得以顺利下放，在完成一个回次的钻进后，利用冰芯卡断器在钢丝绳的配合下能卡断冰芯，取至地表，以便完成后续的冰芯检测与分析工作。利用激光高能量融冰的方法省去了机械钻进的繁琐过程，以及不用钻井液减少了对极地环境的污染，也避免了卡钻事故的产生，同时也避免了热水钻热水对冰芯形状的影响，是一种极其清洁的保持原状冰芯的钻进方法。激光钻进方法也保证了钻孔的垂直度，不会产生斜孔。
本发明的用于冰层钻探的激光取芯钻进的装置包括反扭机构、电机、螺钉、滑环、推力球轴承、电机动力输出轴、钻杆单动连接装置、下部钻杆、激光探头、激光射入孔、立式离心泵、吸水管、泵吸水孔、储水槽、冰芯卡断器和钻杆底部凸台，上部反扭机构由钢丝绳提吊，数据传输线及电源线一同沿着钢丝绳传至电机上端，四个螺钉对电机进行限位，电机的安装平台上有开孔，开孔内安装滑环，由于反扭机构不与下部钻杆一同转动需要用滑环对电线进行单动处理；电机动力输出轴安装有推力球轴承，电机的安装平台下端有对推力球轴承下端限位的装置，钻杆单动连接装置对推力球轴承进行上部限位；钻杆单动连接装置与下部钻杆螺纹连接；激光探头固定在下部钻杆的上端；立式离心泵通过螺钉固定在储水槽的上端进行吸水；冰芯卡断器在完成一回次钻进之后通过钢丝绳提吊卡断冰芯；钻杆底部凸台中空，是泵吸水孔的进水终端。
本发明工作过程：
整套钻具安装完成之后，将激光发生器安装在钻具上方反扭机构的上方，激光探头安装在下部钻杆开孔处。打开激光发生器，激光探头发射出激光束开始融冰，电机开动，由于推力球轴承上下都被限位，由于反扭机构的存在可以实现反扭机构内部的设备不转动。电机动力输出轴带动下部钻杆转动，进行回转融冰，立式离心泵同时进行工作，孔底的水通过钻杆底部凸台中的中空进入泵吸水孔再进入到吸水管中，最后被吸入立式离心泵中输出到储水槽中。由于孔中的水的及时抽出，激光束与冰层直接接触，提高了融冰效率。地表通过观察天车压力进行钻具下放速度控制，通过监测钢丝绳下放量获取孔内进尺量。一个回次完成后通过冰芯卡断装置卡断冰芯，提钻并关闭激光发生器、电机、立式离心泵等。
本发明有益效果：
本发明的激光钻进装置减少了机械钻进的震动，增加了整套钻具的使用寿命。不使用钻井液，减少了对冰层的污染，大大减少了工作强度，整套装置以一平稳的低速的回转可以形成环状的钻孔，可以使钻具顺利地下放到孔底，使激光直接作用在冰面，达到激光融冰的目的。本发明采用高能激光融冰，避免了机械式碎冰冰屑的产生，同时保证了钻孔的垂直度，提高了钻进效率也减少了卡钻事故的发生概率。由于孔底的水及时排出，可以使激光束直接与冰接触，减少了水对激光融冰的影响。
附图说明
图1为本发明的利用激光钻进冰层的取冰芯装置的主视图。
图2为图1中的A—A剖视图。
其中：1-反扭机构；2-电机；3-螺钉；4-滑环；5-推力球轴承；6-电机动力输出轴；7-钻杆单动连接装置；8-下部钻杆；9-激光探头；10-激光射入孔；11-立式离心泵；12-泵吸水端；13-泵吸水孔；14-储水槽；15-冰芯卡断器。16-钻杆底部凸台。
具体实施方式
请参阅图1和图2所示，本发明的一种用于冰层钻探的激光取芯钻进的方法是：利用高能激光束直接作用于冰表面，使之局部快速加热到融化，是一种非机械接触式的物理破冰方法。随着激光探头9的转动，激光束直接与冰层接触，能形成环状的间隙，钻杆得以顺利下放，在完成一个回次的钻进后，利用冰芯卡断器15在钢丝绳的配合下能卡断冰芯，取至地表，以便完成后续的冰芯检测与分析工作。利用激光高能量融冰的方法省去了机械钻进的繁琐过程，以及不用钻井液减少了对极地环境的污染，也避免了卡钻事故的产生，同时也避免了热水钻热水对冰芯形状的影响，是一种极其清洁的保持原装冰芯的钻进方法。激光钻进方法也保证了钻孔的垂直度，不会产生斜孔。
请参阅图1和图所示，本发明的用于冰层钻探的激光取芯钻进的装置包括反扭机构1、电机2、螺钉3、滑环4、推力球轴承5、电机动力输出轴6、钻杆单动连接装置7、下部钻杆8、激光探头9、激光射入孔10、立式离心泵11、吸水管12、泵吸水孔13、储水槽14、冰芯卡断器15和钻杆底部凸台16，上部反扭机构1由钢丝绳提吊，数据传输线及电源线一同沿着钢丝绳传至电机2上端，四个螺钉3对电机2进行限位，电机2的安装平台上有开孔，开孔内安装滑环4，由于反扭机构1不与下部钻杆8一同转动需要用滑环4对电线进行单动处理；电机动力输出轴6安装有推力球轴承5，电机2的安装平台下端有对推力球轴承5下端限位的装置，钻杆单动连接装置7对推力球轴承5进行上部限位；钻杆单动连接装置7与下部钻杆8螺纹连接；激光探头9固定在下部钻杆8的上端；立式离心泵11通过螺钉固定在储水槽14的上端进行吸水；冰芯卡断器15在完成一回次钻进之后通过钢丝绳提吊卡断冰芯；钻杆底部凸台16中空，是泵吸水孔13的进水终端。
本发明的用于冰层钻探的激光取芯钻进的装置工作过程：
整套钻具安装完成之后，将激光发生器安装在钻具上方反扭机构1的上方，激光探头9安装在下部钻杆8开孔处。打开激光发生器，激光探头9发射出激光束开始融冰，电机2开动，由于推力球轴承5上下都被限位，由于反扭机构1的存在可以实现反扭机构1内部的设备不转动。电机动力输出轴6带动下部钻杆8转动，进行回转融冰，立式离心泵11同时进行工作，孔底的水通过钻杆底部凸台16中的中空进入泵吸水孔13再进入到吸水管中，最后被吸入立式离心泵11中输出到储水槽14中。由于孔中的水的及时抽出，激光束与冰层直接接触，提高了融冰效率。地表通过观察天车压力进行钻具下放速度控制，通过监测钢丝绳下放量获取孔内进尺量。一个回次完成后通过冰芯卡断装置卡断冰芯，提钻并关闭激光发生器、电机、立式离心泵等。
Claims (2)
1.一种用于冰层钻探的激光取芯钻进方法，其特征在于：利用高能激光束直接作用于冰表面，使之局部快速加热到融化；随着激光探头的转动，激光束直接与冰层接触，能形成环状的间隙，钻杆得以顺利下放，在完成一个回次的钻进后，利用冰芯卡断器在钢丝绳的配合下能卡断冰芯，取至地表，以便完成后续的冰芯检测与分析工作。
2.权利要求1所述方法所用的钻进装置，其特征在于：包括反扭机构(1)、电机(2)、螺钉(3)、滑环(4)、推力球轴承(5)、电机动力输出轴(6)、钻杆单动连接装置(7)、下部钻杆(8)、激光探头(9)、激光射入孔(10)、立式离心泵(11)、吸水管(12)、泵吸水孔(13)、储水槽(14)、冰芯卡断器(15)和钻杆底部凸台(16)，上部反扭机构(1)由钢丝绳提吊，数据传输线及电源线一同沿着钢丝绳传至电机(2)上端，四个螺钉(3)对电机(2)进行限位，电机(2)的安装平台上有开孔，开孔内安装滑环(4)，电机动力输出轴(6)安装有推力球轴承(5)，钻杆单动连接装置(7)对推力球轴承(5)进行上部限位；钻杆单动连接装置(7)与下部钻杆(8)螺纹连接；激光探头(9)固定在下部钻杆(8)的上端；立式离心泵(11)通过螺钉固定在储水槽(14)的上端进行吸水；冰芯卡断器(15)在完成一回次钻进之后通过钢丝绳提吊卡断冰芯；钻杆底部凸台(16)中空，是泵吸水孔(13)的进水终端。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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