CN207004427U - 极地冰下基岩热水取心钻进装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种极地冰下基岩热水取心钻进装置，包括热水管、电缆、电缆终端、触底检测机构、分水接头、反扭装置、电气舱、岩屑管、螺杆马达及下部双管钻具和钻头；本实用新型是采用热水作为动力介质驱动孔底钻具回转进而完成基岩取心钻进，热水采用管路输送至孔底钻具，同时采用电缆为钻具内传感器及通讯模块进行供电，并实现地表对孔内钻进参数的监测；岩石钻进钻头通过回转磨削向下钻进，同时钻进产生的岩屑被热水带离孔底，并沿钻具与孔壁环状间隙上返；本实用新型很好地解决了极地冰下基岩快速取心钻探技术难题，通过与热水钻相结合，可快速钻穿冰盖到达冰下基岩界面，并更换基岩热水取心钻具完成岩心取样钻进。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种极地冰下基岩热水取心钻进装置。
背景技术
南极大陆是地球上最古老的大陆之一，它不仅保存有多种多样的古老克拉通陆块，是探索地球早期演化的理想场所，其科学意义非常突出。获取冰盖下基岩岩心并对其进行深入分析，可以推断地壳形成和演变过程、大陆互相碰撞和挤压的历史过程、板块构造理论等，从而了解南极内陆地质构造历史，研究南极冰层的冻融、滑移和变形速度，以及冰川动力学及气候变化都具有非常重要的意义。
目前，尚且没有任何一个国家在南极内陆成功钻取冰下沉积岩样品。由于极地地表及冰川极低的温度，交通困难，物资贫乏，天气恶劣，地层环境复杂等不利条件，给钻进工作带来了很大的难度。而极地每个工作季的时间短暂，采用常规方法钻进想要钻穿冰盖到达基岩界面往往需要几年甚至几十年时间，想要获得多个孔位的岩心更是难上加难。研制可快速钻至冰岩界面并完成基岩采样的钻进设备迫在眉睫。
本实用新型提供一种极地冰下基岩热水取心钻进方法及装置。该方法及装置可与热水钻系统相结合使用，先期采用热水钻快速钻穿冰盖到达冰岩界面，然后改为采用本实用新型的热水取心钻具进行基岩取心钻进，达到快速高效采样目的。
发明内容
本实用新型的目的提供一种极地冰下基岩热水取心钻进装置。
本实用新型包括热水管、电缆、电缆终端、触底检测机构、分水接头、反扭装置、电气舱、岩屑管、螺杆马达及下部双管钻具和钻头；
其中热水管和电缆捆绑一起下放，热水管为热水通道，地表热水通过热水管送至钻具，电缆为钻具提供电力，并完成地表与钻具的信号通讯；电缆终端用于连接电缆与钻具，触底检测机构安装由位移传感器和弹簧机构，通过位移传感器检测弹簧压缩量，从而计算得出电缆承受的拉力值，当电缆上承受拉力等于重力时，表明钻具处于悬吊状态，当电缆上承受拉力小于重力时，说明钻具已经到达孔底，此时即可通水进行钻进。分水接头与热水管相连，用于将热水管中热水导入钻具内部。
反扭装置为板状反扭类型，沿径向均布三根矩形反扭板，每根反扭板由反扭片和热熔片组成，其中热熔片内埋置有加热元件，加热元件通过加热元件电缆与电气舱相连。反扭片和热熔片分别采用螺钉固定在反钮装置外管上。电气舱为耐高压密封舱，内部填充常压空气，钻具内信号采集及通讯模块均安装在电气舱内，且安装有温度和压力传感器，用于对钻具内热水温度和水压进行检测。岩屑管固定座与反扭装置相连，岩屑管通过螺纹连接在岩屑管固定座上。
螺杆马达为钻具回转动力源，螺杆马达外壳与岩屑管固定座相连，在钻进时保持不转动，螺杆马达内螺杆在热水驱动下回转并通过螺杆马达输出轴与下部钻具相连，驱动下部钻具和钻头回转切削完成钻进取样。螺杆马达具有外管。
为了尽量减小钻具回转对岩心质量的影响，下部钻具设计为单动双管结构，即钻进时钻具外管带动钻头回转钻进，岩心管则不回转减少对冰心磨损。其具体结构包括旋转接头、密封圈、轴承、轴承挡环、单动接头、锁紧螺母、单向球阀、钻具外管和岩心管。其中旋转接头上部通过平键与螺杆马达输出轴相连，钻具外管通过螺纹与旋转接头连接，螺杆马达输出轴、旋转接头、钻具外管和钻头保持同步转动。岩心管通过螺纹与单动接头相连，单动接头内由两套轴承与旋转接头心轴配合，两套轴承之间由轴承挡环进行限位。密封圈可保证热水不会从单动接头和旋转接头之间间隙进入冰心管。旋转接头下部加工由螺纹，通过锁紧螺母可实现对单动接头的限位。钻头通过螺纹连接在钻具外管底部。
本实用新型的工作过程：
向下钻进时，首先利用地表绞车将钻具放入孔内，并连续下放，下放过程中随时观察触底检测机构反馈的触底压力数值，当触底压力持续增大至与钻具重量相当，表明钻具已到达孔底，此时停止下放，并通过热水管向钻具内泵送热水开始钻进。
热水从分水接头处进入钻具内部，流经上反扭装置、电气舱、岩屑管固定座到达螺杆马达，并驱动螺杆马达回转，为钻进提供动力。从螺杆马达流出的热水继续经过旋转接头内部水道进入钻具外管和冰心管之间间隙，并从钻头底位喷出。
钻进时，螺杆马达输出轴通过旋转接头带动钻具外管和钻头进行回转切削完成钻进，钻进产生的岩屑由喷出的热水将其带离孔底并沿钻具与孔壁环状间隙上返，从而保证孔底清洁，为高效取心钻进提供可能，携带有岩屑的热水流经岩屑管时，由于钻具直径减小，热水流速降低，导致热水对岩屑携带力降低，岩屑在重力作用下将沉降至岩心管内，实现收集岩屑的目的。钻进产生的岩心样品进入岩心管内，为了防止岩心管内存水对岩心产生静水压力，降低钻进速度，在旋转接头中心设置有单向阀。当岩心管内存水压力达到某一数值，单向球阀打开，岩心管内存水通过旋转接头中心水道排出钻具。
钻进过程中，控制电气舱为加热元件供电，加热元件发热并将热熔片加热至高温，由于反扭片和热熔片径向尺寸大于钻孔直径，在热熔片高温作用下，热熔片将在孔壁内热熔形成长槽，反扭片和热熔片将沿热熔形成的长槽向下运动，并提供钻进所需的反扭矩。因为形成长槽的深度可以预先设定，因此这种反扭装置可提供远远大于其他反扭装置的反扭矩，满足冰下基岩钻探大扭矩的需要。
本实用新型的有益效果：
本实用新型很好地解决了极地冰下基岩快速取心钻探技术难题，通过与热水钻相结合，可快速钻穿冰盖到达冰下基岩界面，并更换基岩热水取心钻具完成岩心取样钻进。本实用新型为研究极地冰岩环境提供了新技术手段，对加快极地研究的发展具有重要作用。
本实用新型采用热熔板式反扭装置，该反扭装置通过在孔壁热熔出深槽，由反扭片与深槽相互作用提供反扭矩，可满足基岩钻进大扭矩需要。
附图说明
图1为极地冰下基岩热水取心钻具结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本实用新型包括热水管1、电缆2、电缆终端3、触底检测机构4、分水接头5、反扭装置6、电气舱12、岩屑管13、螺杆马达15 及下部双管钻具和钻头28，热水管1和电缆2捆绑一起下放，热水管1为热水通道，地表热水通过热水管1送至钻具，电缆2为钻具提供电力，并完成地表与钻具的信号通讯；电缆终端3用于连接电缆2与钻具，触底检测机构4 安装由位移传感器和弹簧机构，通过位移传感器检测弹簧压缩量，从而计算得出电缆2承受的拉力值，当电缆2上承受拉力等于重力时，表明钻具处于悬吊状态，当电缆2上承受拉力小于重力时，说明钻具已经到达孔底，此时即可通水进行钻进。分水接头5与热水管1相连，用于将热水管1中热水导入钻具内部。
反扭装置6为板状反扭类型，沿径向均布三根矩形反扭板，每根反扭板由反扭片8和热熔片9组成，其中热熔片9内埋置有加热元件10，加热元件 10通过加热元件电缆11与电气舱12相连。反扭片8和热熔片9分别采用螺钉7固定在反钮装置外管上。电气舱12为耐高压密封舱，内部填充常压空气，钻具内信号采集及通讯模块均安装在电气舱12内，且安装有温度和压力传感器，用于对钻具内热水温度和水压进行检测。岩屑管固定座14与反扭装置6相连，岩屑管13通过螺纹连接在岩屑管固定座14上。
螺杆马达15为钻具回转动力源，螺杆马达15外壳与岩屑管固定座14相连，在钻进时保持不转动，螺杆马达内螺杆在热水驱动下回转并通过螺杆马达输出轴16与下部钻具相连，驱动下部钻具和钻头28回转切削完成钻进取样；螺杆马达15具有外管17。
为了尽量减小钻具回转对岩心质量的影响，下部钻具设计为单动双管结构，即钻进时钻具外管带动钻头回转钻进，岩心管则不回转减少对冰心磨损。其具体结构包括旋转接头19、密封圈20、轴承21、轴承挡环22、单动接头 23、锁紧螺母24、单向球阀25、钻具外管26和岩心管27。其中旋转接头19 上部通过平键18与螺杆马达输出轴16相连，钻具外管26通过螺纹与旋转接头19连接，螺杆马达输出轴16、旋转接头19、钻具外管26和钻头28保持同步转动。岩心管27通过螺纹与单动接头23相连，单动接头23内由两套轴承21与旋转接头19心轴配合，两套轴承21之间由轴承挡环22进行限位。密封圈20可保证热水不会从单动接头23和旋转接头19之间间隙进入冰心管。旋转接头19下部加工由螺纹，通过锁紧螺母24可实现对单动接头23的限位。钻头28通过螺纹连接在钻具外管26底部。
本实用新型的工作过程：
向下钻进时，首先利用地表绞车将钻具放入孔内，并连续下放，下放过程中随时观察触底检测机构4反馈的触底压力数值，当触底压力持续增大至与钻具重量相当，表明钻具已到达孔底，此时停止下放，并通过热水管1向钻具内泵送热水开始钻进。
热水从分水接头5处进入钻具内部，流经上反扭装置6、电气舱12、岩屑管固定座14到达螺杆马达15，并驱动螺杆马达回转，为钻进提供动力。从螺杆马达流出的热水继续经过旋转接头19内部水道进入钻具外管26和冰心管27之间间隙，并从钻头28底位喷出。
钻进时，螺杆马达输出轴16通过旋转接头19带动钻具外管26和钻头28 进行回转切削完成钻进，钻进产生的岩屑由喷出的热水将其带离孔底并沿钻具与孔壁环状间隙上返，从而保证孔底清洁，为高效取心钻进提供可能，携带有岩屑的热水流经岩屑管13时，由于钻具直径减小，热水流速降低，导致热水对岩屑携带力降低，岩屑在重力作用下将沉降至岩心管13内，实现收集岩屑的目的。钻进产生的岩心样品进入岩心管27内，为了防止岩心管27内存水对岩心产生静水压力，降低钻进速度，在旋转接头19中心设置有单向阀。当岩心管27内存水压力达到某一数值，单向球阀19打开，岩心管27内存水通过旋转接头19中心水道排出钻具。
钻进过程中，控制电气舱12为加热元件10供电，加热元件10发热并将热熔片9加热至高温，由于反扭片8和热熔片9径向尺寸大于钻孔直径，在热熔片9高温作用下，热熔片9将在孔壁内热熔形成长槽，反扭片8和热熔片9将沿热熔形成的长槽向下运动，并提供钻进所需的反扭矩。因为形成长槽的深度可以预先设定，因此这种反扭装置可提供远远大于其他反扭装置的反扭矩，满足冰下基岩钻探大扭矩的需要。
Claims (1)
1.一种极地冰层热水取心钻进装置，其特征在于：包括热水管(1)、电缆(2)、电缆终端(3)、触底检测机构(4)、分水接头(5)、反扭装置(6)、电气舱(12)、岩屑管(13)、螺杆马达(15)及下部双管钻具和钻头(28)，热水管(1)和电缆(2)捆绑一起下放，热水管(1)为热水通道，地表热水通过热水管(1)送至钻具，电缆(2)为钻具提供电力，并完成地表与钻具的信号通讯；电缆终端(3)用于连接电缆(2)与钻具，触底检测机构(4)安装有位移传感器和弹簧机构，通过位移传感器检测弹簧压缩量，从而计算得出电缆(2)承受的拉力值，当电缆(2)上承受拉力等于重力时，表明钻具处于悬吊状态，当电缆(2)上承受拉力小于重力时，说明钻具已经到达孔底，此时即可通水进行钻进；分水接头(5)与热水管(1)相连，用于将热水管(1)中热水导入钻具内部；
反扭装置(6)为板状反扭类型，沿径向均布三根矩形反扭板，每根反扭板由反扭片(8)和热熔片(9)组成，热熔片(9)内埋置有加热元件(10)，加热元件(10)通过加热元件电缆(11)与电气舱(12)相连；反扭片(8)和热熔片(9)分别采用螺钉(7)固定在反钮装置外管上；电气舱(12)为耐高压密封舱，内部填充常压空气，钻具内信号采集及通讯模块均安装在电气舱(12)内，且安装有温度和压力传感器，用于对钻具内热水温度和水压进行检测；岩屑管固定座(14)与反扭装置(6)相连，岩屑管(13)通过螺纹连接在岩屑管固定座(14)上；
螺杆马达(15)为钻具回转动力源，螺杆马达(15)外壳与岩屑管固定座(14)相连，在钻进时保持不转动，螺杆马达内螺杆在热水驱动下回转并通过螺杆马达输出轴(16)与下部钻具相连，驱动下部钻具和钻头(28)回转切削完成钻进取样；螺杆马达(15)具有外管(17)；
下部钻具包括旋转接头(19)、密封圈(20)、轴承(21)、轴承挡环(22)、单动接头(23)、锁紧螺母(24)、单向球阀(25)、钻具外管(26)和岩心管(27)，旋转接头(19)上部通过平键(18)与螺杆马达输出轴(16)相连，钻具外管(26)通过螺纹与旋转接头(19)连接，螺杆马达输出轴(16)、旋转接头(19)、钻具外管(26)和钻头(28)保持同步转动；岩心管(27)通过螺纹与单动接头(23)相连，单动接头(23)内由两套轴承(21)与旋转接头(19)心轴配合，两套轴承(21)之间由轴承挡环(22)进行限位；密封圈(20)可保证热水不会从单动接头(23)和旋转接头(19)之间间隙进入冰心管；旋转接头(19)下部加工由螺纹，通过锁紧螺母(24)可实现对单动接头(23)的限位；钻头(28)通过螺纹连接在钻具外管(26)底部。
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