CN114991658B - 一种可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具 - Google Patents
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Abstract
一种可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具，属于极地冰层钻探领域，主要包括上钻头、环形钻头、下钻头、离子色谱仪和测控单元，测控单元用于向离子色谱仪供电，并向离子色谱仪发送指令信息以控制其工作，还用于向上钻头、环形钻头和下钻头中的加热棒供电，本发明的钻具可在不停钻的情况下连续对冰层融水进行离子成分随钻测量，数据获取便捷，并减少了冰芯样品存储、转运环节，节省了人力物力成本。采用内锥形的下钻头可使孔底融水优先进入离子色谱分析仪，保证数据获取的真实性。采用环形钻头和下钻头两个钻头向下钻进，环形钻头主要形成台阶钻孔，实现钻具的悬吊，大大提高了钻具的垂直钻进性能，保证可有效获取冰盖垂直剖面的离子含量数据。
Description
技术领域
本发明涉及极地冰层钻探领域，尤其是涉及一种可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具。
背景技术
南北极冰盖冰中蕴含着大量的离子成分，对这些离子成分进行分析，有助于人类认识地球古气候的演变规律、探究海洋与冰盖物质交换机制和了解人类活动对极地冰盖的影响等。目前常用的获取冰盖冰的方法是通过冰芯钻探，将冰芯带回国内实验室后再进行分析，但这种方法获取数据周期长，无法第一时间为现场作业人员提供有价值的数据信息，并且运送和储存冰芯也造成了很大的后勤保障负担。
发明内容
本发明的主要目的是为了解决南北极冰盖冰离子成分无法随钻测量的问题，而提供了一种可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具，在钻进过程中对冰层中离子成分进行随钻测量，将大大提高数据获取效率。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具，所述热融钻具包括电缆、上钻头、上加热棒、电缆固定块、上外管、下外管、下加热棒和下钻头，所述上钻头的中心设置有供电缆穿过的通孔，并且电缆通过电缆固定块固定在上钻头上；所述上加热棒插装在上钻头内；下加热棒内插装在下钻头内，其特征在于，所述热融钻具还包括：环形钻头、环形钻头加热棒、第一水密接头、出水接头、压力舱、离子色谱仪、测控单元、进水接头、第二水密接头、连接水管、锁母、第三水密接头、下钻头中心管和下钻头压盖；所述上钻头、上外管、环形钻头、下外管和下钻头压盖同轴设置且从上向下顺次通过螺钉固定；所述环形钻头加热棒插装在环形钻头内；所述第一水密接头和出水接头固定在压力舱的顶部并与其密封连接；其中第一水密接头通过线缆分别连接电缆、上加热棒和环形钻头加热棒；所述进水接头和第二水密接头固定在压力舱的底部并与其密封连接，第二水密接头通过线缆分别与测控单元、第三水密接头连接；所述离子色谱仪和测控单元固定设置在压力舱内部，其中离子色谱仪通过软管分别和进水接头、出水接头相连，同时离子色谱仪和测控单元连接，测控单元用于向离子色谱仪供电，并向离子色谱仪发送指令信息以控制其工作；测控单元通过第一水密接头与电缆电气连接，测控单元用于通过第一水密接头和第二水密接头分别为上加热棒、环形钻头加热棒和下加热棒供电，所述连接水管上下两端分别与进水接头和下钻头中心管螺纹密封连接；所述下钻头具有内锥形空腔；所述下钻头中心管下端与下钻头螺纹连接，并且下钻头中心管的内孔与下钻头的内锥形空腔相连通，下钻头中心管的上部从下钻头压盖的中心孔伸出，并在下钻头压盖的中心孔处设置有密封圈，下钻头中心管和下钻头压盖通过所述密封圈密封连接；所述锁母位于下钻头压盖的上表面，且与下钻头中心管上部为螺纹配合；所述下钻头压盖的下端安装在下钻头上，下钻头压盖的上部通过锁母锁紧，从而与下钻头连接为一体；下钻头中心管、下钻头压盖和下钻头共同形成一个密闭腔体；第三水密接头螺纹密封连接在钻头压盖上，第三水密接头通过线缆与下加热棒连接。
进一步，所述热融钻具的重心位置位于环形钻头的下方。
所述上钻头的整体形状为圆锥形。
所述环形钻头外径大于上钻头和下钻头的最大外径。
所述的可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具，融冰钻进时，所述环形钻头钻进速度小于下钻头的钻进速度，从而使钻具处于悬吊状态。
所述压力舱设置在下外管内，并通过螺钉与下外管固定连接，压力舱包括压力舱上盖、压力舱下盖和压力舱体，压力舱上盖和压力舱下盖上安装有密封圈，并采用螺钉固定在压力舱体上，压力舱上盖、压力舱下盖和压力舱体共同形成密封结构。
所述第一水密接头和出水接头设置在压力舱上盖上，并且第一水密接头与压力舱上盖连接处密封连接，出水接头与压力舱上盖连接处密封连接，进水接头和第二水密接头设置在压力舱下盖上，并且进水接头与压力舱下盖连接处密封连接，第二水密接头与压力舱下盖连接处密封连接。
所述测控单元中设置有倾角传感器和方位角传感器。
所述下钻头呈圆台形，下钻头的下端部沿径向向外延伸形成环形凸台，下钻头内部具有圆锥形空腔，圆锥形空腔的内壁与环形凸台的外壁之间通过圆弧面平滑过渡连接，下钻头的顶部预留有孔道与下钻头中心管内孔相连通；所述下钻头压盖的下端安装在下钻头的环形凸台上。
所述下钻头融冰化水的速度大于离子色谱仪吸入水量的速度。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1、本发明提供的一种可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具可在不停钻的情况下连续对冰层融水进行离子成分随钻测量，数据获取便捷，并减少了冰芯样品存储、转运环节，节省了人力物力成本。
2、本发明提供的钻具采用的内锥形下钻头可使孔底融水优先进入离子色谱分析仪，保证数据获取的真实性。
3、本发明提供的钻具采用环形钻头和下钻头两个钻头向下钻进，环形钻头主要形成台阶钻孔，实现钻具的悬吊，大大提高了钻具的垂直钻进性能，保证可有效获取冰盖垂直剖面的离子含量数据。
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为可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具的剖面图。
图中各标记如下：1-电缆；2-上钻头；3-上加热棒；4-电缆固定块；5-上外管；6-环形钻头；7-环形钻头加热棒；8-下外管；9-第一水密接头；10-出水接头；11-压力舱上盖；12-压力舱体；13-离子色谱仪；14-测控单元；15-进水接头；16-压力舱下盖；17-第二水密接头；18-连接水管；19-锁母；20-第三水密接头；21-下钻头中心管；22-下加热棒；23-下钻头压盖；24-下钻头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。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。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，限定有“第一”、“第二”和“第三”的特征并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。
如图1所示，本发明提供的一种可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具包括电缆1、上钻头2、上加热棒3、电缆固定块4、上外管5、环形钻头6、环形钻头加热棒7、下外管8、第一水密接头9、出水接头10、压力舱上盖11、压力舱体12、离子色谱仪13、测控单元14、进水接头15、压力舱下盖16、第二水密接头17、连接水管18、锁母19、第三水密接头20、下钻头中心管21、下加热棒22、下钻头压盖23和下钻头24。
所述上钻头2、上外管5、环形钻头6、下外管8和下钻头压盖23同轴设置且从上向下顺次通过螺钉固定，上钻头2和环形钻头6内分别插装有多个防水型上加热棒3和环形钻头加热棒7，“多个”的含义是至少四个，例如四个，五个等，可视融冰所需功率和加热棒直径而定；所述上钻头2中心加工有通孔，电缆1可从其中穿过，并通过电缆固定块4固定在上钻头2上，电缆1具有一定的电阻值，在额定工作电流下电缆自身产生焦耳热可保证电缆1表面具有0.1-0.2W/cm2的功率密度，从而保证钻具外部的电缆1周围始终处于融水环境，电缆1具体电阻值的选定可根据额定电流值和电缆直径综合确定。
所述压力舱上盖11和压力舱下盖16上安装有密封圈，并采用螺钉固定在压力舱体12上，三者共同形成密封的压力舱；压力舱上盖11上固定有出水接头10和第一水密接头9，第一水密接头9与压力舱上盖11连接处密封连接，出水接头10与压力舱上盖11连接处密封连接，其中第一水密接头9通过线缆分别连接电缆1、上加热棒3和环形钻头加热棒7；压力舱下盖16上固定有进水接头15和第二水密接头17，进水接头15与压力舱下盖16连接处密封连接，第二水密接头17与压力舱下盖16连接处密封连接；压力舱体12内固定有离子色谱仪13和测控单元14，其中离子色谱仪13通过软管分别与进水接头15和出水接头10相连，测控单元14通过第一水密接头9与电缆1电气连接，同时测控单元14用于为离子色谱仪13供电，并控制离子色谱仪13运行，测控单元14还通过第一水密接头9和第二水密接头17分别为上加热棒3、环形钻头加热棒7和下加热棒22供电。所述压力舱体12通过螺钉与下外管8固定。
所述连接水管18上下两端分别与进水接头15和下钻头中心管21螺纹密封连接，下钻头中心管21下端与下钻头24螺纹连接，下钻头中心管21的上部从下钻头压盖23中心孔中伸出，并在此处通过密封圈密封。锁母19与下钻头中心管21上部为螺纹配合，下钻头压盖23下端安装在下钻头24的外部环形凸台上，上部通过锁母19锁紧，从而与下钻头24连接为一体。下钻头24内插有六根下加热棒22。下钻头中心管21、下钻头压盖23和下钻头24共同形成一个密闭腔体，以便保护下加热棒22，同时密闭腔体内的空气作为良好的绝热体，可有效降低下钻头24的热量散失，从而使其大部分热量都用于融冰钻进；第三水密接头20螺纹密封连接在钻头压盖23上。下加热棒22由测控单元14通过第二水密接头17和第三水密接头20供电。
所述热融钻具的重心位置需位于环形钻头6下部，并尽可能接近下钻头24。
所述上钻头2的形状为圆锥形，有利于热融钻具在钻孔内上下移动，降低卡钻可能性。
所述环形钻头6采用紫铜等高导热系数材料制作，以保证优良的导热特性，其外径大于上钻头2和下钻头24的最大外径，从而在钻进中形成上大下小的台阶钻孔，进而利用摆锤原理保证热融钻具钻进的垂直性。
所述下钻头24采用紫铜等高导热系数材料制作，形状为内锥形，下钻头24呈圆台形，下钻头24的下端部沿径向向外延伸形成环形凸台，下钻头24内部具有圆锥形空腔，圆锥形空腔的内壁与环形凸台的外壁之间通过圆弧面平滑过渡连接。
所述离子色谱仪13和测控单元14均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
所述测控单元14中设置有倾角传感器和方位角传感器，可实时测量钻具的倾角和方位角。
本发明提供的一种可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具将上述各个器件有机的集成、整合成一个整体，需要强调的是，上述各个器件就单体而言，其实现各自应实现功能的具体结构在现有技术中已经存在，各个器件进行工作处理时所涉及的协议、软件或程序也在现有技术中已经存在，本领域人员已充分知晓。
本发明的工作原理：
本发明提供的一种可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具在钻进前，需要对钻具各部件进行消毒灭菌处理，清洁所有零部件的表面之后再组装为一体。
钻进时，通过电缆1将地表的控制信号和电能输送至测控单元14，为测控单元14供电和下发控制命令，首先使测控单元14为下加热棒22供电，使下钻头24开始融冰钻进。当下钻头24周围充满融水时，即可开启离子色谱仪13，将冰层融水从下钻头24顶端经由钻头中心管21、连接水管18和进水接头15以额定流量连续的泵入离子色谱仪13进行离子成分定量分析。分析过程中产生的废水将经由出水接头10排出压力舱上盖11外。下钻头24融冰化水的速度需大于离子色谱仪13吸入水量的速度，从而使下钻头24倒锥形中产生的融水一部分进入离子色谱仪13，另一部分则沿钻头流入孔底从而进入钻具和钻孔间隙，采用该方法可有效保证离子色谱仪13吸入的水为冰融化的水，而非孔内融水多次循环进入，从而确保数据获取的真实性。下钻头24的内锥形设计，还可保证孔底冰层融水优先被吸入离子色谱仪13，防止因孔内融水的过度混合影响数据真实性。
当环形钻头6接触冰层后，控制测控单元14为环形钻头加热棒7供电，使环形钻头6发热融冰钻进。环形钻头6的钻进速度比下钻头24的钻进速度略慢，钻具与冰层的大部分接触压力由环形钻头6承担，下钻头24与冰层接触压力小，从而使热融钻具处于悬吊状态，有利于垂直钻进，保证获取的冰层离子成分剖面的真实性。热融钻具内测控单元14可以检测热融钻具的倾角和方位角，以获取真实的钻孔轨迹。
向下钻进过程中仅开启下钻头24和环形钻头6，上钻头2则始终处于关闭状态，钻进过程中产生的融水将留在钻孔内，并在热融钻具通过后逐渐重新冻结，由于电缆1具有发热功能，可保证电缆1周围始终处于融水环境，从而用于提升和下放钻具。
当钻进结束后，关闭离子色谱仪13和下加热棒22供电，开启上加热棒3和环形钻头加热棒7供电，缓慢提升热融钻具，使上钻头2和环形钻头6缓慢融冰向上钻进，直至热融钻具到达地表。上钻头2圆锥形的外形具有良好的导向性，可使热融钻具沿原有轨迹提出孔外。
Claims (10)
1.一种可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具，所述热融钻具包括电缆(1)、上钻头(2)、上加热棒(3)、电缆固定块(4)、上外管(5)、下外管(8)、下加热棒(22)和下钻头(24)，所述上钻头(2)的中心设置有供电缆(1)穿过的通孔，并且电缆(1)通过电缆固定块(4)固定在上钻头(2)上；所述上加热棒(3)插装在上钻头(2)内；下加热棒(22)内插装在下钻头(24)内，其特征在于，所述热融钻具还包括：环形钻头(6)、环形钻头加热棒(7)、第一水密接头(9)、出水接头(10)、压力舱、离子色谱仪(13)、测控单元(14)、进水接头(15)、第二水密接头(17)、连接水管(18)、锁母(19)、第三水密接头(20)、下钻头中心管(21)和下钻头压盖(23)；所述上钻头(2)、上外管(5)、环形钻头(6)、下外管(8)和下钻头压盖(23)同轴设置且从上向下顺次通过螺钉固定；所述环形钻头加热棒(7)插装在环形钻头(6)内；所述压力舱设置在下外管(8)内，并通过螺钉与下外管(8)固定连接；所述第一水密接头(9)和出水接头(10)固定在压力舱的顶部并与其密封连接；其中第一水密接头(9)通过线缆分别连接电缆(1)、上加热棒(3)和环形钻头加热棒(7)；所述进水接头(15)和第二水密接头(17)固定在压力舱的底部并与其密封连接，第二水密接头(17)通过线缆分别与测控单元(14)、第三水密接头(20)连接；所述离子色谱仪(13)和测控单元(14)固定设置在压力舱内部，其中离子色谱仪(13)通过软管分别和进水接头(15)、出水接头(10)相连，同时离子色谱仪(13)和测控单元(14)连接，测控单元(14)用于向离子色谱仪(13)供电，并向离子色谱仪(13)发送指令信息以控制其工作；测控单元(14)通过第一水密接头(9)与电缆(1)电气连接，测控单元(14)用于通过第一水密接头(9)和第二水密接头(17)分别为上加热棒(3)、环形钻头加热棒(7)和下加热棒(22)供电；所述连接水管(18)上下两端分别与进水接头(15)和下钻头中心管(21)螺纹密封连接；所述下钻头(24)具有内锥形空腔；所述下钻头中心管(21)下端与下钻头(24)螺纹连接，并且下钻头中心管(21)的内孔与下钻头(24)的内锥形空腔相连通，下钻头中心管(21)的上部从下钻头压盖(23)的中心孔伸出，并在下钻头压盖(23)的中心孔处设置有密封圈，下钻头中心管(21)和下钻头压盖(23)通过所述密封圈密封连接；所述锁母(19)位于下钻头压盖(23)的上表面，且与下钻头中心管(21)上部为螺纹配合；所述下钻头压盖(23)的下端安装在下钻头(24)上，下钻头压盖(23)的上部通过锁母(19)锁紧，从而与下钻头(24)连接为一体；下钻头中心管(21)、下钻头压盖(23)和下钻头(24)共同形成一个密闭腔体；第三水密接头(20)螺纹密封连接在钻头压盖(23)上，第三水密接头(20)通过线缆与下加热棒(22)连接。
2.根据权利要求1所述的可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具，其特征在于：所述热融钻具的重心位置位于环形钻头(6)的下方。
3.根据权利要求1所述的可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具，其特征在于：所述上钻头(2)的整体形状为圆锥形。
4.根据权利要求1所述的可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具，其特征在于：所述环形钻头(6)外径大于上钻头(2)和下钻头(24)的最大外径。
5.根据权利要求1或4所述的可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具，其特征在于：融冰钻进时，所述环形钻头(6)钻进速度小于下钻头(24)的钻进速度，从而使钻具处于悬吊状态。
6.根据权利要求1所述的可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具，其特征在于：所述压力舱包括压力舱上盖(11)、压力舱下盖(16)和压力舱体(12)，压力舱上盖(11)和压力舱下盖(16)上安装有密封圈，并采用螺钉固定在压力舱体(12)上，压力舱上盖(11)、压力舱下盖(16)和压力舱体(12)共同形成密封结构。
7.根据权利要求6所述的可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具，其特征在于：所述第一水密接头(9)和出水接头(10)设置在压力舱上盖(11)上，并且第一水密接头(9)与压力舱上盖(11)连接处密封连接，出水接头(10)与压力舱上盖(11)连接处密封连接，进水接头(15)和第二水密接头(17)设置在压力舱下盖(16)上，并且进水接头(15)与压力舱下盖(16)连接处密封连接，第二水密接头(17)与压力舱下盖(16)连接处密封连接。
8.根据权利要求1所述的可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具，其特征在于：所述测控单元(14)中设置有倾角传感器和方位角传感器。
9.根据权利要求1所述的可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具，其特征在于：所述下钻头(24)呈圆台形，下钻头(24)的下端部沿径向向外延伸形成环形凸台，下钻头(24)内部具有圆锥形空腔，圆锥形空腔的内壁与环形凸台的外壁之间通过圆弧面平滑过渡连接，下钻头(24)的顶部预留有孔道与下钻头中心管(21)内孔相连通；所述下钻头压盖(23)的下端安装在下钻头(24)的环形凸台上。
10.根据权利要求1所述的可对极地冰层离子成分随钻测量的热融钻具，其特征在于：所述下钻头(24)融冰化水的速度大于离子色谱仪(13)吸入水量的速度。
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