CN109826561A - 一种无人值守极地粒雪层温度随钻测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人值守极地粒雪层温度随钻测量装置，属于钻探机具领域，包括天车滑轮、编码器、滑轮支架、天车压力传感器、钻塔、供电测温电缆、热熔钻具、控制箱、绞车、绞车电机及钻塔底座，钻塔顶部安装有天车滑轮，天车压力传感器固定在滑轮支架与钻塔之间，用于对钻进压力进行实时监测，天车滑轮轴端连接有编码器，实现对钻进速度的检测。绞车通过提放供电测温电缆完成对热熔钻具的下放和提升。供电测温电缆由两条电缆并联组成，其中一条用于对热熔钻具进行供电，另一条用于完成对钻孔温度的测量。控制箱的自动控制实现无人值守钻进，大大降低现场人员劳动强度。可实现对极地冰盖温度分布的大范围多点快速测量，具有广泛的应用前景。

Description

一种无人值守极地粒雪层温度随钻测量装置

技术领域

本发明涉及钻探机具领域，特别涉及一种无人值守极地粒雪层温度随钻测量装置。

背景技术

南极冰盖作为地球气候系统中最大的冷源，其热状况的变化将影响全球大气环流、全球气候变化和海平面变化，是研究全球气候变化的敏感区和关键区。气温是表示热量特征的重要指标之一，是进行热量资源分析的重要参数，同时也是衡量由于气候变化本身及其引起的诸多环境问题的重要检测指标。又由于南极冰盖所处的特殊的地理位置和特有的自然环境，对南极实测气温资料的空间分析有着十分重要的意义。冰盖10m深度处雪温表征着当地年平均气温，因此直接对10m雪温进行测量即可获取当地的年平均气温。为了加强对南极冰盖与大气系统相互作用的理解，有必要对南北极断面雪温时空分布进行大量监测，获取重要的雪温时空分布数据，从而为进一步解释南极冰盖作为全球最大冷源如何影响全球气候系统，以及全球变暖等重大科学问题提供基础研究数据。

目前极地冰盖表层的温度分布可通过遥感数据粗略获取，但冰盖内冰层温度的获取则需要实地进行测量，太原理工大学的师生曾在中山站至昆仑站1200km长的断面上布置了多个温度链，用于对冰盖10m内温度变化进行长期检测。冰层内温度测量方法常采用在目标地点钻孔，下入温度传感器的方式进行，钻孔一般与浅冰芯钻探或深冰芯钻探相结合，施工周期少则7-10天，多则3-5年，耗时时间长，尤其在极地这种恶劣的环境中，耗时时间长即意味着测量成本大大增加，且限于目前南极科考后勤保障能力影响，很难在大范围多点进行测量，因此获取的温度分布具有很大地域局限性。

发明内容

本发明的目的是针对极地粒雪层温度大范围快速测量问题，提供了一种可在极地冰盖粒雪层快速成孔，并在钻进过程中完成对粒雪层温度实时测量的随钻测量装置，该装置采用智能检测和控制手段，可实现无人值守钻进，完成温度检测后，钻具可自动返回地面，将大大降低现场人员劳动强度，缩短测量时间。可实现对极地冰盖温度分布的大范围多点快速测量，具有广泛的应用前景。

为实现上述目的，本发明提供了一种无人值守极地粒雪层温度随钻测量装置，其特征在于，包括天车滑轮、编码器、滑轮支架、天车压力传感器、钻塔、供电测温电缆、热熔钻具、控制箱、绞车、绞车电机及钻塔底座，所述钻塔的底部固定在钻塔底座上，钻塔的顶部通过滑轮支架安装有天车滑轮，并在钻塔与滑轮支架之间固定有天车压力传感器；所述天车滑轮的轴端通过轴联器连接有编码器；所述供电测温电缆的一端缠绕在绞车上，供电测温电缆的另一端绕过天车滑轮与热熔钻具连接，供电测温电缆由两条电缆并联组成，其中一条用于对热熔钻具进行供电，另一条为温度链，其上等间隔布置有温度传感器；所述绞车固定在钻塔底座上，绞车采用绞车电机驱动，绞车通过提放供电测温电缆完成对热熔钻具的下放和提升；所述热熔钻具包括上加热钻头、连接管、压力触发开关及下加热钻头，所述连接管的上端通过固定螺钉与上加热钻头同轴连接，连接管的下端通过固定螺钉与下加热钻头同轴连接，上加热钻头和下加热钻头均呈圆锥形，上加热钻头及下加热钻头内安装有加热棒；所述加热棒通过水密电线与压力触发开关连接；上加热钻头中心加工有通孔，便于供电测温电缆穿过上加热钻头与压力触发开关相连；所述压力触发开关通过固定螺钉固定在连接管的内部；所述控制箱固定在钻塔底座上，控制箱上装配有太阳能电池板和风力发电机，控制箱分别与编码器、天车压力传感器、供电测温电缆及绞车电机连接。

其中，所述钻塔底座底部对称安装有两片滑板，滑板的边缘处设置有倒角使钻塔底座具有便于滑动的雪橇式结构。

其中，所述上加热钻头和下加热钻头均呈圆锥形。

其中，于所述温度链上每间隔1m布置有一个温度传感器。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

1、本发明有效的将热熔钻进、随钻温度测量和智能控制手段结合在一起，实现对极地粒雪层温度无人值守快速测量，大大降低现场人员劳动强度，提高了设备对极地恶劣自然环境的适应性。

2、本发明钻进耗时短，测温速度快，移动转场方便，结合太阳能、风能等新能源技术，可实现对极地区域大范围多点温度测量。

3、本发明的钻具部分可根据工况自动切换上下加热钻头供电，保证了钻具在上提过程中安全可靠返回地表，避免了常规热熔钻频繁卡钻丢钻的风险，节省了测量成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明实施例中无人值守极地粒雪层温度随钻测量装置的结构示意图；

图2为图1中热熔钻具的结构示意图。

图中各标记如下：1-天车滑轮，2-编码器，3-滑轮支架，4-天车压力传感器，5-钻塔，6-供电测温电缆，7-热熔钻具，8-控制箱，9-绞车，10-绞车电机，11-钻塔底座，12-上加热钻头，13-加热棒，14-固定螺钉，15-水密电缆，16-连接管，17-压力触发开关，18-下加热钻头。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

如图1及图2所示，本发明提出了一种无人值守极地粒雪层温度随钻测量装置，包括天车滑轮1、编码器2、滑轮支架3、天车压力传感器4、钻塔5、供电测温电缆6、热熔钻具7、控制箱8、绞车9、绞车电机10及钻塔底座11，钻塔5的底部固定在钻塔底座11上，钻塔5的顶部通过滑轮支架3安装有天车滑轮1，并在钻塔5与滑轮支架3之间固定有天车压力传感器4；天车压力传感器4与控制箱8连接，天车压力传感器4用于对钻进压力进行实时监测；天车滑轮1的轴端通过轴联器连接有编码器2；编码器2与控制箱8连接，编码器2用于实现对钻进速度的检测；所述供电测温电缆6与控制箱8连接，供电测温电缆6的一端缠绕在绞车9上，供电测温电缆6的另一端绕过天车滑轮1与热熔钻具7连接，供电测温电缆6由两条电缆并联组成，其中一条用于对热熔钻具7进行供电，另一条为温度链，温度链上等间隔布置有温度传感器，用于完成对钻孔温度的测量，优选的每间隔1m布置有一个温度传感器，用于完成对钻孔温度的测量；绞车9固定在钻塔底座11上，绞车9采用绞车电机10驱动，绞车9通过提放供电测温电缆6完成对热熔钻具7的下放和提升。绞车电机10与控制箱8连接，绞车电机10优选的为直流电机或者伺服电机；热熔钻具7整体呈胶囊形，热熔钻具7包括上加热钻头12、连接管16、压力触发开关17及下加热钻头18，连接管16的上端通过固定螺钉14与上加热钻头12同轴连接，连接管16的下端通过固定螺钉14与下加热钻头18同轴连接，上加热钻头12和下加热钻头18均呈圆锥形，实现快速钻进，并有效的解决了热熔钻具7提升过程中卡钻问题，防止卡钻，上加热钻头12及下加热钻头18内安装有加热棒13，加热棒13通过水密电线15与压力触发开关17连接，通电后加热棒13发热从而将热量传递给其所在加热钻头，实现融冰钻进。上加热钻头12中心加工有通孔，便于供电测温电缆6穿过上加热钻头12与压力触发开关17相连，压力触发开关17通过固定螺钉14固定在连接管16的内部，压力触发开关17通过判断供电测温电缆6作用在压力触发开关17的压力实现上加热钻头12和下加热钻头18的供电切换，当供电测温电缆6的拉力大于热熔钻具7自重时，上加热钻头12开始供电，当供电测温电缆6的拉力小于等于热熔钻具7自重时，下加热钻头18供电。热熔钻具7的内部电气接头均采用水密设计，防止遇水短路造成整个随钻测量装置的损坏。所述控制箱8固定在钻塔底座11上，控制箱8上装配有太阳能电池板和风力发电机，将风力发电机或太阳能电池板所转换的电能直接供给控制箱8，在日光充足时，采用太阳能电池板给控制箱8充电，当风力充足(夜间)，采用风力发电机给控制箱8充电，控制箱8用于采集天车压力传感器4及编码器2数据，并用于控制热熔钻具7的加热钻头供电和绞车电机10调速。控制箱8可根据预先设定的天车压力范围，自动调节绞车9下放速度，使热熔钻具7钻进的天车压力保持在设定的范围内，从而实现无人值守自动钻进。当到达预定钻进深度后，控制箱8开始为供电测温电缆6进行供电，并采集和保存孔内温度数据，由于受热熔钻进的影响，孔内温度恢复至原始地温需要约几个小时到几十个小时不等，因此控制箱8可自动对温度数据进行识别，当同一深度温度数据保持稳定3h后，停止温度采集。控制箱8自动控制绞车9旋转，开始提升热熔钻具7至地表。钻塔底座11底部对称安装有两片滑板，滑板的边缘处设置有倒角使钻塔底座11具有便于滑动的雪橇式结构，方便在极地雪面移动更换测量孔位。

本发明的工作过程：

当采用无人值守极地粒雪层温度随钻测量装置进行温度采集时，首先对场地进行平整，使钻塔底座11处于水平状态，然后根据热熔钻具7自重，对天车压力进行设定，使天车压力范围保持在5Kg～10Kg，天车压力设定范围的上限值需小于热熔钻具7自重。开始钻进后，控制箱8为绞车9和热熔钻具7供电，由于热熔钻具7处于悬吊状态，供电测温电缆6上的提拉力，即实际天车压力等于热熔钻具7自重，大于预先设定的天车压力上限，此时控制箱8调快绞车9下放速度。当热熔钻具7与雪面接触后，由于此时绞车9下放速度大于钻进速度，实际天车压力将逐渐下降，当实际天车压力小于设定天车压力下限后，控制箱8调慢绞车9下放速度至小于钻进速度，因此实际天车压力开始逐渐变大，当实际天车压力大于设定天车压力上限后，控制箱8将调快绞车9下放速度，如此往复，实现无人值守钻进。同时由于设定的天车压力小于热熔钻具7自重，因此热熔钻具7在钻进时始终处于悬吊状态，有利于保持钻孔垂直度，防止孔斜。

钻进过程中，安装在天车滑轮1轴端上的编码器2将实时检测和记录钻进速度和钻进深度，当实际钻进深度到达设定钻进深度后，控制箱8停止下放绞车9，并停止为热熔钻具7供电，热熔钻具7停止钻进。此时控制箱8开始为供电测温电缆6供电，并开始温度采集，获取钻孔不同深度的粒雪温度数据。由于受热熔钻进的影响，孔内温度恢复到原始地温需要约几个小时到几十个小时不等，因此控制箱8可自动对温度数据进行识别，当同一深度温度数据保持稳定3h后，默认为该温度已经恢复至原始地温，随机停止温度采集。

温度采集结束后，控制箱8自动控制绞车9旋转，开始提升热熔钻具7至地表。提钻时，供电测温电缆6上的提拉力需大于或等于热熔钻具7自重，如果孔壁光滑，热熔钻具7在孔内无卡顿现象，则供电测温电缆6上的提拉力等于热熔钻具7自重。当钻孔孔壁出现结冰或缩径等现象时，热熔钻具7在上提过程中将出现卡顿，此时供电测温电缆6上的提拉力将大于热熔钻具7自重，热熔钻具7内压力触发开关17在该提拉力的作用下，实现上加热钻头12和下加热钻头18供电切换，开始接通上加热钻头12供电，上加热钻头12发热并对卡钻处的钻孔进行融化，保证热熔钻具7可安全顺利返回地表。当热熔钻具7到达地表后，编码器2显示钻进深度为零，此时控制箱8通过读取编码器2数据判断热熔钻具7已经达到地表，并切断整套装置电源，等待现场人员到达后移动至新的孔位，开始对新的点位进行钻进和温度测量。

Claims (4)

1.一种无人值守极地粒雪层温度随钻测量装置，其特征在于，包括天车滑轮(1)、编码器(2)、滑轮支架(3)、天车压力传感器(4)、钻塔(5)、供电测温电缆(6)、热熔钻具(7)、控制箱(8)、绞车(9)、绞车电机(10)及钻塔底座(11)，所述钻塔(5)的底部固定在钻塔底座(11)上，钻塔(5)的顶部通过滑轮支架(3)安装有天车滑轮(1)，并在钻塔(5)与滑轮支架(3)之间固定有天车压力传感器(4)；所述天车滑轮(1)的轴端通过轴联器连接有编码器(2)；所述供电测温电缆(6)的一端缠绕在绞车(9)上，供电测温电缆(6)的另一端绕过天车滑轮(1)与热熔钻具(7)连接，供电测温电缆(6)由两条电缆并联组成，其中一条用于对热熔钻具(7)进行供电，另一条为温度链，其上等间隔布置有温度传感器；所述绞车(9)固定在钻塔底座(11)上，绞车(9)采用绞车电机(10)驱动，绞车(9)通过提放供电测温电缆(6)完成对热熔钻具(7)的下放和提升；所述热熔钻具(7)包括上加热钻头(12)、连接管(16)、压力触发开关(17)及下加热钻头(18)，所述连接管(16)的上端通过固定螺钉(14)与上加热钻头(12)同轴连接，连接管(16)的下端通过固定螺钉(14)与下加热钻头(18)同轴连接，上加热钻头(12)及下加热钻头(18)内安装有加热棒(13)；所述加热棒(13)通过水密电线(15)与压力触发开关(17)连接；上加热钻头(12)中心加工有通孔，便于供电测温电缆(6)穿过上加热钻头(12)与压力触发开关(17)相连；所述压力触发开关(17)通过固定螺钉(14)固定在连接管(16)的内部；所述控制箱(8)固定在钻塔底座(11)上，控制箱(8)上装配有太阳能电池板和风力发电机，控制箱(8)分别与编码器(2)、天车压力传感器(4)、供电测温电缆(6)及绞车电机(10)连接。

2.根据权利要求1所述的无人值守极地粒雪层温度随钻测量装置，其中，所述钻塔底座(11)底部对称安装有两片滑板，滑板的边缘处设置有倒角使钻塔底座(11)具有便于滑动的雪橇式结构。

3.根据权利要求1所述的无人值守极地粒雪层温度随钻测量装置，其中，所述上加热钻头(12)和下加热钻头(18)均呈圆锥形。

4.根据权利要求1所述的无人值守极地粒雪层温度随钻测量装置，其中，于所述温度链上每间隔1m布置有一个温度传感器。