CN114215489A - 干孔式热冲击回转取心钻具 - Google Patents
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Abstract
干孔式热冲击回转取心钻具，属于钻探机具领域，钻具包括钻具外管以及设置在钻具外管中的电动冲击装置、电动回转装置和取样装置，取样装置包括钻具内管、第二滑环、微型真空液泵、融水输送管、贮水管、冰心切断器、热熔钻头和冰心管，本发明将冲击回转与热熔钻进结合，可以避免使用钻井液对冰层造成的污染，并且有效解决孔内发生的卡钻事故。冲击钻进不仅使孔底冰层产生微裂隙，还能将热熔钻头的热量以脉冲的形式输送到微裂隙中，降低冰层强度和切削阻力，提高钻进效率。钻进过程中，钻具外管不进行回转，避免钻具外壁和冰层的摩擦。融水输送管与贮水管均采用加热丝加热，避免融水冻结造成堵塞，同时也防止结冰冻胀对融水输送管和贮水管的破坏。
Description
技术领域
本发明属于钻探机具领域，尤其是涉及一种用于极地冰层的干孔式热冲击回转取心钻具。
背景技术
目前针对极地冰层的取心钻具主要包括铠装电缆机械冲击回转钻具、热熔钻具和热水钻具，这些钻具都有一定的缺点和使用的局限性。其中，铠装电缆机械冲击回转钻具的钻头钻压低，所用的低温钻井液具有一定的毒性，在循环过程中会沿着裂隙漏失到冰川中，对环境造成污染，并且取心钻具较长，长径比较大，在回转过程中钻具下部会因弯曲与冰孔壁不断摩擦，易造成钻具损坏，导致不能可靠而安全地继续使用，必须修理或者更换，造成了巨大的经济损失；热熔钻具融化率很低，能耗非常高，钻进速度相对较慢；热水钻具需要足够大的发电系统，来支撑钻探过程中的能量消耗，整套装备运送困难，成本过高，而且热水在循环的过程中会融化冰心，严重影响冰心质量。针对以上问题，本领域技术人员研制出了一种回转切削式冰层热熔钻进装置，详见专利文献号CN108625775A，但由于该装置将融水作为传热介质保留在孔内，故无法实现取心钻进，也未能有效避免回转过程中侧壁与冰层的摩擦。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供了一种干孔式热冲击回转取心钻具，将干孔热熔钻进和机械式冲击回转取心钻进有效结合，提高冰层取心钻进速度的同时避免钻具外壁和冰层的摩擦的现象。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：干孔式热冲击回转取心钻具，所述钻具通过电缆悬挂装置与铠装电缆连接，其特征在于：所述钻具包括钻具外管以及从上至下依次设置在钻具外管中的电动冲击装置、电动回转装置和取样装置；所述取样装置包括钻具内管、第二滑环、微型真空液泵、融水输送管、贮水管、冰心切断器、热熔钻头和冰心管，所述钻具内管与钻具外管之间通过轴承连接；所述第二滑环和微型真空液泵通过螺栓固定在钻具内管内部，第二滑环与铠装电缆连接；所述微型真空液泵与第二滑环电连接；所述贮水管和微型真空液泵用螺纹连接并连通，贮水管设置在钻具内管内部，并且位于微型真空液泵下方，贮水管的侧壁嵌设有加热丝，且设置在贮水管侧壁的电热丝与第二滑环电连接，贮水管的上部开有透气孔；所述冰心管设置在钻具内管内部，冰心管通过单动装置连接到贮水管上；所述热熔钻头安装在钻具内管下方，热熔钻头的底部设置有加热棒，该加热棒与第二滑环电连接，热熔钻头的钻进端布设有切削齿，且相邻切削齿之间设有水口；所述水口与融水输送管的入口连通；所述融水输送管设置在钻具内管的内壁上，融水输送管的数量与水口的数量一致且一一对应，并在每个融水输送管两侧嵌有加热丝，且设置在融水输送管两侧的加热丝与第二滑环电连接，融水输送管的出口与微型真空液泵连通；所述冰心切断器设置在钻具内管和热熔钻头连接处。
进一步，所述电动冲击装置包括从上至下依次布置的直线电机、冲锤和铁砧，所述直线电机的输出端与冲锤同轴连接；所述冲锤和铁砧具有供铠装电缆穿过的中间通道；所述铁砧搭接在所述钻具外管上。
进一步，所述电动回转装置包括旋转电机和减速器，所述旋转电机和减速器分别用螺栓固定在钻具外管内，且旋转电机和减速器具有供铠装电缆穿过的中间通道；所述减速器的输入端与旋转电机连接，减速器的输出端通过螺纹与钻具内管固定连接。
进一步，所述钻具上部具有电子元件控制部，电子元件控制部包括外壳和设置在外壳内部的第一滑环和测空仓；所述第一滑环设在测空仓上部，测空仓配置为用于控制整个钻具。
进一步，所述外壳上缠有加热丝。
所述的干孔式热冲击回转取心钻具，其特征在于：还包括反扭装置，所述反扭装置设置在电动冲击装置上方，且反扭装置安装在钻具外管的上部。
进一步，所述反扭装置由弹簧、连杆机构和滑刀组成，其中弹簧与连杆机构上部接触，滑刀固定在连杆机构下部，当弹簧处于自由状态时，滑刀伸出钻具，与孔壁接触后，滑刀向内收缩，通过连杆机构拉伸弹簧，弹簧的收紧力使滑刀可以紧贴孔壁。
进一步，所述钻具外管内壁表面和冰心管外壁表面上均喷涂有隔热层。
进一步，所述钻具内管中嵌设有电热丝，用于融化产生的冰屑。
进一步，所述加热棒垂直于切削齿底面设置，加热棒下端埋设在切削齿内部，加热棒的上端固定于热熔钻头的胎体中。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出的干孔式热冲击回转取心钻具，用于极地冰层的取心，冲击回转与热熔钻进的结合可以避免使用钻井液对冰层造成的污染，并且有效解决孔内发生的卡钻事故。冲击钻进不仅使孔底冰层产生微裂隙，还能将热熔钻头的热量以脉冲的形式输送到微裂隙中，降低冰层强度和切削阻力，提高钻进效率。钻进过程中，钻具外管不进行回转，避免钻具外壁和冰层的摩擦；钻进产生的冰屑和融水，在微型真空液泵的抽吸作用下，通过热熔钻头上的水口进入融水输送管，其中冰屑被融水输送管两侧的加热丝融化，最终流入贮水管，有效提高提高钻进效率，完成取心。融水输送管与贮水管均采用加热丝加热，避免融水冻结造成堵塞，同时也防止结冰冻胀对融水输送管和贮水管的破坏。
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为本发明提出的干孔式热冲击回转取心钻具的结构示意图；
图2为图1中Ⅰ处的局部放大图；
图3为图1中Ⅱ处的局部放大图；
图4为本发明提出的干孔式热冲击回转取心钻具中热熔钻头的整体结构示意图；
图5为热熔钻头的钻进端剖面图；
图中各标记如下：1-铠装电缆，2-外壳，3-第一滑环，4-测空仓，5-弹簧，6-连杆机构，7-滑刀，8-直线电机，9-冲锤，10-铁砧，11-旋转电机，12-减速器，13-钻具外管，14-钻具内管，15-第二滑环，16-微型真空液泵，17-融水输送管，18-贮水管，19-单动装置，20-轴承，21-冰心切断器，22-热熔钻头，23-冰心管，24-切削齿，25-水口，26-加热棒。
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。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
本发明提供的干孔式热冲击回转取心钻具以冲击回转为主要取心钻进方式，热熔为辅助融化冰屑，如图1、图2、图3、图4和图5所示，该钻具包括电子元件控制部、反扭装置、电动冲击装置、电动回转装置和取样装置，电缆悬挂装置将铠装电缆1与钻具相连；电子元件控制部放置在钻具上方，电子元件控制部包括外壳2和设置在外壳2内部的第一滑环3和测空仓4，所述外壳2上缠有加热丝，第一滑环3设在测空仓4上部，测空仓4配置为用于控制整个钻具，内部包含各种传感元件和控制元件，可以控制电动冲击装置与电动回转装置的开关和冲击/回转频率，还能对外壳2的加热丝、热熔钻头22和微型真空液泵16进行开关控制等；反扭装置由弹簧5、连杆机构6和滑刀7组成，弹簧5与连杆机构6上部接触，滑刀7固定在连杆机构6下部，反扭装置依靠弹簧5的压紧力，通过连杆机构6带动滑刀7沿着垂直钻具轴线的径向运动，滑刀7挤压孔壁提供反扭矩，具体当弹5处于自由状态时，滑刀7伸出钻具，与孔壁接触后，滑刀7向内收缩，通过连杆机构6拉伸弹簧5，弹簧5的收紧力使滑刀7可以紧贴孔壁；电动冲击装置包括直线电机8、冲锤9和铁砧10，直线电机8的输出端与冲锤9同轴连接；所述铁砧10搭接在所述钻具外管13上；电动回转装置包括旋转电机11和减速器12，旋转电机11和减速器12分别用螺栓固定在钻具外管13内；所述减速器12的输入端与旋转电机11连接，减速器12的输出端通过螺纹与钻具内管14固定连接；旋转电机11和减速器12固定在钻具外管13上，带动钻具内管14旋转，钻具内管14与钻具外管13之间通过轴承20连接，两者能够相对运动；取样装置包括钻具内管14、第二滑环15、微型真空液泵16、融水输送管17、贮水管18、冰心切断器21、热熔钻头22和冰心管23，所述第二滑环15和微型真空液泵16通过螺栓固定在钻具内管14内部，第二滑环15与铠装电缆1连接；所述微型真空液泵16与第二滑环15电连接；所述贮水管18和微型真空液泵16用螺纹连接并连通，贮水管18设置在钻具内管14内部，并且位于微型真空液泵16下方，贮水管18的侧壁嵌入有加热丝且设置在贮水管18侧壁的电热丝与第二滑环15电连接，贮水管18的上部开有透气孔；所述冰心管23设置在钻具内管14内部，冰心管23通过单动装置19连接到贮水管18上；所述热熔钻头22安装在钻具内管14下方，热熔钻头22的底部设置有加热棒26，加热棒26垂直于切削齿24底面设置，加热棒26下端埋设在切削齿24内部，加热棒26的上端固定于热熔钻头22的胎体中，该加热棒26与第二滑环15电连接，热熔钻头22的钻进端布设有切削齿24，且相邻切削齿24之间设有水口25；所述水口25与融水输送管17的入口连通；所述融水输送管17设置在钻具内管14的内壁上，融水输送管17的数量与水口25的数量一致且一一对应，并在每个融水输送管17两侧嵌有加热丝且设置在融水输送管17两侧的加热丝与第二滑环15电连接，融水输送管17的出口与微型真空液泵16连通；所述冰心切断器21设置在钻具内管14和热熔钻头22连接处，本实施例中融水输送管17数量为四个。
电力通过上方铠装电缆1经过第一滑环3输送到直线电机8，直线电机8带动冲锤9对铁砧10进行冲击，铁砧10搭接在钻具外管13上，旋转电机11和减速器12用螺栓固定在钻具外管13内，减速器12的输出端通过螺纹和钻具内管14固定连接，冲击力通过旋转电机11、减速器12传递到钻具内管14下方的热熔钻头22上，实现对冰层的冲击破碎。铠装电缆1穿过冲锤9和铁砧10的中间通道给旋转电机11通电，回转力通过减速器12传递到钻具内管14下方的热熔钻头22上，实现对冰层的回转切削。铠装电缆1再穿过旋转电机11和减速器12的中间通道，经过第二滑环15将电力输送到微型真空液泵16上，再分别接入贮水管18和钻具内管14中嵌入的加热丝和底部热熔钻头22上的加热棒26，融化的冰屑夹带着空气通过水口25、融水输送管17进入微型真空液泵16，再被输送到贮水管18中，贮水管18上部开有透气孔，融水被保留在贮水管18中，气体通过透气孔排出，实现热熔钻进。第二滑环15和微型真空液泵16通过螺栓固定在钻具内管14中，贮水管18和微型真空液泵16用螺纹连接，冰心管23通过单动装置19连接到贮水管18上。单动装置19使得钻芯管23不会随贮水管18一起转动，单动装置19是钻探领域的现有装置，如：轴承，此处不再详细赘述；整套钻具只有钻具内管14带动第二滑环15、微型真空液泵16、贮水管18和热熔钻头22进行回转，其他装置在反扭装置和单动装置19的作用下不回转。
工作机理：本发明提供的干孔式热冲击回转取心钻具由铠装电缆1悬挂，通过地表绞车实现钻具的升降。取心钻进时：铠装电缆1供电，在测空仓4的控制下电动冲击装置、电动回转装置和热熔钻头22开始工作，冲锤9在直线电机8的带动下冲击铁砧10，冲击功依次通过钻具外管13、旋转电机11、减速器12和钻具内管14传到热熔钻头22，旋转电机11与减速器12相连，带动钻具内管14和下部热熔钻头22相对于钻具外管13回转，回转切削冰层的反扭力由反扭装置抵消，给热熔钻头22内的加热棒26通电，钻具实现热冲击回转钻进。钻进产生的冰屑和融水，在微型真空液泵16的抽吸作用下，通过热熔钻头22上的水口25进入融水输送管17，其中冰屑被融水输送管17两侧的加热丝融化，最终流入贮水管18(在贮水管18侧壁加热丝的作用下保持液态)。钻具外管13内壁和冰心管23外壁表面喷涂隔热材料，避免融水输送管17内融水结冰和冰心管23内冰心融化。在完成指定长度的钻进后，上提钻具，冰心切断器21卡断冰心，绞车将通过铠装电缆1将钻具提至地表，完成取心操作。在上提过程中，如果钻具上方冰层发生缩径现象，可以给外壳2的加热丝通电，融化缩径冰层。
本发明提出的干孔式热冲击回转取心钻具的优点在于：
1、将热熔、冲击与回转技术相结合，实现无污染钻进的同时提高钻进效率。
2、采用钻具内管14、钻具外管13和冰心管23的三管式结构，实现在回转取心过程中，只有钻具内管14相对冰层回转，避免钻具外壁和冰层的摩擦。
3、热熔钻头22的切削齿24之间的水口25通过融水输送管17与微型真空液泵16相连，每个融水输送管17两侧嵌有加热丝，钻进产生的冰屑和融水，在微型真空液泵16的抽吸作用下，通过热熔钻头22上的水口25进入融水输送管17，其中冰屑被融水输送管17两侧的加热丝融化，最终流入贮水管18，有效提高提高钻进效率，完成取心。
Claims (10)
1.干孔式热冲击回转取心钻具，所述钻具通过电缆悬挂装置与铠装电缆(1)连接，其特征在于：所述钻具包括钻具外管(13)以及从上至下依次设置在钻具外管(13)中的电动冲击装置、电动回转装置和取样装置；所述取样装置包括钻具内管(14)、第二滑环(15)、微型真空液泵(16)、融水输送管(17)、贮水管(18)、冰心切断器(21)、热熔钻头(22)和冰心管(23)，所述钻具内管(14)与钻具外管(13)之间通过轴承(20)连接；所述第二滑环(15)和微型真空液泵(16)通过螺栓固定在钻具内管(14)内部，第二滑环(15)与铠装电缆(1)连接；所述微型真空液泵(16)与第二滑环(15)电连接；所述贮水管(18)和微型真空液泵(16)用螺纹连接并连通，贮水管(18)设置在钻具内管(14)内部，并且位于微型真空液泵(16)下方，贮水管(18)的侧壁嵌设有加热丝，且设置在贮水管(18)侧壁的电热丝与第二滑环(15)电连接，贮水管(18)的上部开有透气孔；所述冰心管(23)设置在钻具内管(14)内部，冰心管(23)通过单动装置(19)连接到贮水管(18)上；所述热熔钻头(22)安装在钻具内管(14)下方，热熔钻头(22)的底部设置有加热棒(26)，该加热棒(26)与第二滑环(15)电连接，热熔钻头(22)的钻进端布设有切削齿(24)，且相邻切削齿(24)之间设有水口(25)；所述水口(25)与融水输送管(17)的入口连通；所述融水输送管(17)设置在钻具内管(14)的内壁上，融水输送管(17)的数量与水口(25)的数量一致且一一对应，并在每个融水输送管(17)两侧嵌有加热丝，且设置在融水输送管(17)两侧的加热丝与第二滑环(15)电连接，融水输送管(17)的出口与微型真空液泵(16)连通；所述冰心切断器(21)设置在钻具内管(14)和热熔钻头(22)连接处。
2.根据权利要求1所述的干孔式热冲击回转取心钻具，其特征在于：所述电动冲击装置包括从上至下依次布置的直线电机(8)、冲锤(9)和铁砧(10)，所述直线电机(8)的输出端与冲锤(9)同轴连接；所述冲锤(9)和铁砧(10)具有供铠装电缆(1)穿过的中间通道；所述铁砧(10)搭接在所述钻具外管(13)上。
3.根据权利要求1所述的干孔式热冲击回转取心钻具，其特征在于：所述电动回转装置包括旋转电机(11)和减速器(12)，所述旋转电机(11)和减速器(12)分别用螺栓固定在钻具外管(13)内，且旋转电机(11)和减速器(12)具有供铠装电缆(1)穿过的中间通道；所述减速器(12)的输入端与旋转电机(11)连接，减速器(12)的输出端通过螺纹与钻具内管(14)固定连接。
4.根据权利要求1所述的干孔式热冲击回转取心钻具，其特征在于：所述钻具上部具有电子元件控制部，电子元件控制部包括外壳(2)和设置在外壳(2)内部的第一滑环(3)和测空仓(4)；所述第一滑环(3)设在测空仓(4)上部，测空仓(4)配置为用于控制整个钻具。
5.根据权利要求4所述的干孔式热冲击回转取心钻具，其特征在于：所述外壳(2)上缠有加热丝。
6.根据权利要求1所述的干孔式热冲击回转取心钻具，其特征在于：还包括反扭装置，所述反扭装置设置在电动冲击装置上方，且反扭装置安装在钻具外管(13)的上部。
7.根据权利要求6所述的干孔式热冲击回转取心钻具，其特征在于：所述反扭装置由弹簧(5)、连杆机构(6)和滑刀(7)组成，其中弹簧(5)与连杆机构(6)上部接触，滑刀(7)固定在连杆机构(6)下部。
8.根据权利要求1所述的干孔式热冲击回转取心钻具，其特征在于：所述钻具外管(13)内壁表面和冰心管(23)外壁表面上均喷涂有隔热层。
9.根据权利要求1所述的干孔式热冲击回转取心钻具，其特征在于：所述钻具内管(14)中嵌设有电热丝。
10.根据权利要求1所述的干孔式热冲击回转取心钻具，其特征在于：所述加热棒(26)垂直于切削齿(24)底面设置，加热棒(26)下端埋设在切削齿(24)内部，加热棒(26)的上端固定于热熔钻头(22)的胎体中。
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