CN114278218A - 一种基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头，属于钻探机具领域，包括供电电缆、上盖、绝热环套、融冰球体、短加热棒、长加热棒、发热铜芯和液态金属腔，发热铜芯与融冰球体为同心设置，两者之间安装有耐高温密封圈；发热铜芯、融冰球体和耐高温密封圈共同形成液态金属腔，液态金属腔内填充有液态金属，且液态金属填充高度小于融冰球体的半径；本发明采用具有高导热性的液态金属作为传热介质，利用流态金属的流动性和重力实现钻头传热方向控制，使钻头在钻进中始终自动保持向下垂直钻进，将大大降低极地粒雪层热融钻孔发生孔斜的可能性，提高钻探靶区命中率，同时可降低提钻过程中钻头发生卡钻的概率，具有广泛的应用前景。

Description

一种基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头

技术领域

本发明涉及钻探机具领域，特别是涉及一种基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头。

背景技术

冰层热融钻探是在极地粒雪层和冰层快速成孔的钻探方法之一，具有设备轻便、易携带和功率消耗小等优点，过去几十年间在极地和高山冰川得到了广泛的应用。常规的电加热热融钻头通常采用加热棒或加热管直接加热实心金属体或者环状金属环，以实现全孔钻进或取芯钻进。但在实际使用过程中，由于冰层物理性质均一性差，钻头发热不均等问题，热融钻头各部分融冰速度存在差异，常常导致热融钻孔出现偏斜，严重的孔斜可达几十度，致使钻孔无法准确达到目标深度和地层。为了实现冰层热融钻探的垂直钻进，国际上通常采用减压钻进，通过电缆悬吊热融钻具，降低钻头和冰层的接触压力，使钻具可在重力作用下尽可能回归垂直钻孔轴线，但这种方法受到钻具长度的限制，对于较长的钻具，一旦出现孔斜，在短距离内几乎无法进行校正。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的是提供了一种基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头，利用流态金属的高导热性和流动性，当球状钻头出现偏斜时，流态金属将在重力作用下向钻孔倾斜的反方向流动，从而使该侧热通量增大，促使钻头热融回归至垂直轴线，实现粒雪层垂直钻进。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头，其特征在于，所述极地粒雪层垂钻热融钻头包括：供电电缆、上盖、绝热环套、融冰球体、短加热棒、长加热棒、发热铜芯和液态金属腔，所述上盖通过紧固螺钉与融冰球体连接为一体，整体外形为圆球形，上盖的轴向中心留有供所述供电电缆穿过的通孔；所述绝热环套套设在融冰球体中部外围，使得所述极地粒雪层垂钻热融钻头中部呈半圆柱面结构；所述发热铜芯通过限位螺钉固定在融冰球体内部，发热铜芯与融冰球体为同心设置，两者之间安装有耐高温密封圈；发热铜芯的中心下部为半球形，并在发热铜芯上加工有用于容置短加热棒和长加热棒的加热棒插入孔；所述长加热棒和短加热棒分别插设在各自对应的加热棒插入孔内，短加热棒布设在长加热棒外围，所述长加热棒和短加热棒的电线与供电电缆在融冰球体上部空间内并联连接；所述发热铜芯、融冰球体和耐高温密封圈共同形成液态金属腔，液态金属腔内填充有液态金属，且液态金属填充高度小于融冰球体的半径；发热铜芯上开设有两个与液态金属腔内部连通的注液口，且在两个注液口中分别连接有注液口密封螺钉，利用注液口密封螺钉对注液口进行密封。

进一步，所述供电电缆与上盖的通孔采用密封胶进行密封连接。

进一步，在所述上盖和融冰球体之间安装有O型密封圈。

进一步，于所述上盖内壁且位于供所述供电电缆穿过的通孔下方安装有硅胶垫。

进一步，所述上盖的材料为聚四氟乙烯或有机玻璃。

进一步，所述绝热环套的材料为气凝胶毡。

进一步，所述发热铜芯的上表面具有隔热涂层。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

1、本发明首次将高导热液态金属应用于极地粒雪层热融钻探领域，并利用液态金属在重力作用下的流动作用，实现钻头内热量的定向分配，从而使热融钻头实现垂直钻进，大大降低极地粒雪层热融钻孔发生孔斜的可能性，提高钻探靶区命中率。

2、本发明的热融钻头整体为近圆球形，在提下钻过程中不易卡堵，降低了孔内发生卡钻的概率；即使发生卡钻，也可采用大于半球的发热球体向上热融钻进，提高了应对孔内卡钻事故的能力。

3、本发明不需要地表绞车、钻塔等辅助设备即可实现极地现场垂直钻进，大大简化了地表设备，节约了钻进成本。

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为本发明实施例中基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头的整体外形图；

图2为本发明实施例中基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头的俯视图；

图3为本发明实施例中基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头的C-C向剖视图；

图4为本发明实施例中基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头的D-D向剖视图。

图中各标记如下：1-供电电缆；2-上盖；3-紧固螺钉；4-绝热环套；5-融冰球体；6-硅胶垫；7-短加热棒；8-O型密封圈；9-长加热棒；10-耐高温密封圈；11-注液口密封螺钉；12-发热铜芯；13-液态金属腔；14-限位螺钉。

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。

如图1、图2、图3和图4所示，一种基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头，包括供电电缆1、上盖2、绝热环套4、融冰球体5、短加热棒7、长加热棒9、发热铜芯12和液态金属腔13，所述上盖2通过紧固螺钉3与融冰球体5连接为一体，整体外形为圆球形，上盖2和融冰球体5之间安装有O型密封圈8，实现球体密封，融冰球体5中部套有绝热环套4，使得所述极地粒雪层垂钻热融钻头中部呈半圆柱面结构，极地粒雪层垂钻热融钻头整体近圆球形；所述上盖2的中心留有通孔，供电电缆1可通过上盖2通孔进入融冰球体5内部为短加热棒7和长加热棒9供电，供电电缆1与上盖2通孔采用密封胶进行密封处理；所述硅胶垫6安装在上盖2内壁且位于所述通孔下方，以保护供电电缆1；所述发热铜芯12通过限位螺钉14固定在融冰球体5内部，发热铜芯12与融冰球体5为同心安装，两者之间安装有耐高温密封圈10，可采用EPDM橡胶密封圈，工作温度范围(-55℃至150℃)，实现密封；所述发热铜芯12的中心下部为半球形，并在发热铜芯12上加工有用于容置短加热棒7和长加热棒9的加热棒插入孔；所述长加热棒9和短加热棒7分别插设在各自对应的加热棒插入孔内，其中长加热棒9插入发热铜芯12中间孔内，短加热棒7则插入发热铜芯12其他较浅孔内；利用长短两种加热棒，可以更好地契合发热铜芯12的结构，以尽可能达到均匀加热的效果。所述长加热棒9和短加热棒7的电线与供电电缆1在融冰球体5上部空间内并联连接；所述发热铜芯12、融冰球体5和耐高温密封圈10共同形成液态金属腔13，液态金属腔13内填充有高导热液态金属，所述液态金属可以选择液态铅铋合金、铋锡合金、铋铟锡合金等；所述发热铜芯12上开设有两个与液态金属腔13内部连通的注液口，当一个用于向液态金属腔13内注入液态金属，另一个则用于在注液时排气，且在注液完成后，利用注液口密封螺钉11对注液口进行密封。

所述液态金属腔13内的液态金属填充高度不应超过融冰球体5一半，保证液态金属在液态金属腔13内留有一定的流动空间。

所述融冰球体5采用高导热金属材料制作，保证发热铜芯12热量可通过液态金属和融冰球体5传递至冰层，所述高导热金属材料采用粉末冶金纯铜材料、铝基复合材料或铜基复合材料。

所述融冰球体5外表面下部为部分球面，中部为圆柱面，上部为部分球面，以保证热融钻头在提钻过程中遇卡时，圆柱面以上的球面可通过热量融化孔壁上突出的卡堵点，保证热融钻头被顺利提拉至地表。中部圆柱面采用气凝胶毡等柔性绝热材料作为环套即绝热环套4，阻止中部热传导，防止中部周围冰层过快融化，影响整体装置导正效果与稳定性。

所述上盖2材料采用聚四氟乙烯或有机玻璃等低导热系数工程材料制作，防止热量向上方传递。

所述发热铜芯12上表面具有隔热涂层，防止热量向上方散失。

本发明提出的热融钻头在南极现场钻进时，不需要地表绞车和钻塔等辅助设备，供电后，热融钻头将自行发热带动供电电缆1向下移动垂直钻进。

本发明的工作过程：

当采用本发明的热融钻头进行极地粒雪层钻进时，首先将供电电缆1与地表供电设备连接，供电电缆1的长度根据设计孔深选择，手动通过热融钻头摆放至融冰球体5与冰层垂直接触。开通电源，使电力通过供电电缆1为长加热棒9和短加热棒7供电，长加热棒9和短加热棒7的热量首先传递至发热铜芯12，然后经由包裹在发热铜芯12周围的液态金属传递至融冰球体5，使融冰球体5发热从而实现融冰钻进。当热融钻头因粒雪层物理性质不均一产生差异融化时，热融钻头将发生倾斜，此时液态金属腔13内部的液态金属将在重力作用下向钻孔偏斜方向的反方向流动，从而增大热融钻头该侧的传热量，使热融钻头回归至垂直轴线，而非持续偏斜钻进。

钻进中，供电电缆1散放在地面上即可，随着钻进的深入，供电电缆1将在热融钻头自重牵引下不断自动滑入孔内，因此采用该热融钻头钻进，不需要配备地表绞车和钻塔等设备，大大简化了地表设备需求。

在钻至指定深度后，手动从地表牵拉供电电缆1，即可将热融钻头从孔内提出，如提钻过程中遇到阻力，应开启一定的热融钻头加热功率，使融冰球体发热，此时，孔壁上形成的卡堵点将在融冰球体5上部的部分球面热量作用下融化，确保热融钻头可安全提拉至地表。

综上，本发明采用具有高导热性的液态金属作为传热介质，利用流态金属的流动性和重力实现钻头传热方向控制，使钻头在钻进中始终自动保持向下垂直钻进。该热融钻头将大大降低极地粒雪层热融钻孔发生孔斜的可能性，提高钻探靶区命中率，同时可降低提钻过程中钻头发生卡钻的概率，具有广泛的应用前景。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头，其特征在于，所述极地粒雪层垂钻热融钻头包括：供电电缆(1)、上盖(2)、绝热环套(4)、融冰球体(5)、短加热棒(7)、长加热棒(9)、发热铜芯(12)和液态金属腔(13)，所述上盖(2)通过紧固螺钉(3)与融冰球体(5)连接为一体，整体外形为圆球形，上盖(2)的轴向中心留有供所述供电电缆(1)穿过的通孔；所述绝热环套(4)套设在融冰球体(5)中部外围，使得所述极地粒雪层垂钻热融钻头中部呈半圆柱面结构；所述发热铜芯(12)通过限位螺钉(14)固定在融冰球体(5)内部，发热铜芯(12)与融冰球体(5)为同心设置，两者之间安装有耐高温密封圈(10)；发热铜芯(12)的中心下部为半球形，并在发热铜芯(12)上加工有用于容置短加热棒(7)和长加热棒(9)的加热棒插入孔；所述长加热棒(9)和短加热棒(7)分别插设在各自对应的加热棒插入孔内，短加热棒(7)布设在长加热棒(9)外围，所述长加热棒(9)和短加热棒(7)的电线与供电电缆(1)在融冰球体(5)上部空间内并联连接；所述发热铜芯(12)、融冰球体(5)和耐高温密封圈(10)共同形成液态金属腔(13)，液态金属腔(13)内填充有液态金属，且液态金属填充高度小于融冰球体(5)的半径；发热铜芯(12)上开设有两个与液态金属腔(13)内部连通的注液口，且在两个注液口中分别连接有注液口密封螺钉(11)，利用注液口密封螺钉(11)对注液口进行密封。

2.根据权利要求1所述的基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头，其特征在于：所述供电电缆(1)与上盖(2)的通孔采用密封胶进行密封连接。

3.根据权利要求1所述的基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头，其特征在于：在所述上盖(2)和融冰球体(5)之间安装有O型密封圈(8)。

4.根据权利要求1所述的基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头，其特征在于：于所述上盖(2)内壁且位于供所述供电电缆(1)穿过的通孔下方安装有硅胶垫(6)。

5.根据权利要求1所述的基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头，其特征在于：所述上盖(2)的材料为聚四氟乙烯或有机玻璃。

6.根据权利要求1所述的基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头，其特征在于：所述绝热环套(4)的材料为气凝胶毡。

7.根据权利要求1所述的基于液态金属的极地粒雪层垂钻热融钻头，其特征在于：所述发热铜芯(12)的上表面具有隔热涂层。

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