CN207004428U - 极地冰层热水取芯钻进装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种极地冰层热水取芯钻进装置，包括热水管、电缆、电缆终端、触底检测机构、分水接头、上反扭装置、电气舱、下反扭装置、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取芯钻进，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；冰层切削钻头通过回转切削向下钻进，避免了热水钻全孔钻进对冰芯质量的影响，同时切削产生的冰屑被热水带离孔底，并在向上运输过程中融化；在钻具上方设计反扭装置，防止上部钻具在钻头切削冰层时发生转动，同时反扭装置支撑在孔壁上，有利于保证钻具在较小倾角下稳定钻进。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种极地冰层热水取芯钻进装置。
背景技术
南极常年被冰雪覆盖，冰雪中蕴含着丰富的古气候及古生物信息，过去 60年，国际上在南北极地区进行了大量的钻探取芯工作，获取了大量冰芯，取得了引人注目的成果。但随着研究的深入，目前国内外学者分别将目光集中至冰盖底部，冰岩界面处物质平衡、冰盖底部重新冻结过程等，这些亟待获取冰岩界面样品进行分析解决。目前常用的深部钻探取芯方法为深冰芯钻探技术，但是由于冰芯钻探工程工作量大，钻进周期长，往往几年甚至十几年才能完成一个冰孔钻进，无法满足科学家日已增长的科研需求，因此亟待研发一种快速钻至目标冰层并完成取样的方法。热水钻是采用热水融冰进行全面钻进，目的多为在南极冰盖或冰架快速成孔，根据目前成功应用于南极的热水钻系统数据，钻进速度可达40m/h，为目前在南极成功应用的最高效的钻进方式，如能将热水钻技术与取芯钻探技术相结合，即可达到高效钻进采样的目的。
发明内容
本实用新型的目的提供一种极地冰层热水取芯钻进装置。
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、上反扭装置、电气舱、下反扭装置、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。上反扭装置和下反扭装置采用板簧式反扭类型，分别于径向均布三根矩形板簧片，依靠板簧片进入孔内发生变形，从而压入孔壁保证上部钻具稳定，由于热水钻成孔较大，且呈不规则圆形，因此板簧片两端间距设计为可调节型，以便根据不同钻孔直径随时调节板簧形状。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。螺杆马达为钻具回转动力源，螺杆马达外壳与下反扭装置相连，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。
为了尽量减小钻具回转对冰芯质量的影响，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，冰芯管则不回转减少对冰芯磨损。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、钻具外管和冰芯管。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。冰芯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芯轴配合，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芯管。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、下反扭装置到达螺杆马达，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芯管之间间隙，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，钻进产生的冰屑由喷出的热水将其带离孔底并融化，从而保证孔底清洁，为高效取芯钻进提供可能。钻进产生的冰芯样品进入冰芯管内，为了防止冰芯管内存水对冰芯产生静水压力，降低钻进速度，在旋转接头中心设置有单向阀。当冰芯管内存水压力达到某一数值，单向球阀打开，冰芯管内存水通过旋转接头中心水道排出钻具。
钻进过程中，实时观察钻进参数变化即电缆和热水管状态，如钻进参数异常，且电缆和热水管剧烈晃动，有可能为反扭装置失效导致上部钻具转动，此时应立即停止钻进并将钻具提至地表，检查并调节上反扭装置和下反扭装置。
本实用新型的有益效果：
本实用新型很好地解决了热水钻探冰层取芯钻探难题，可与不取芯热水钻探相结合，快速到达目标深度冰层，并完成冰样取芯钻进。本实用新型为极地冰盖快速取芯提供了技术支撑，对加快极地研究的发展具有重要作用。
本实用新型采用热力机械混合方式进行取样钻进，热水既为孔底钻具提供孔底动力，同时也将钻进产生的冰屑带离孔底并融化，简化了钻具结构，有利于增大回次进尺，提高钻进效率。
本实用新型结构简单，工作可靠，操作方便，易损件少，且通过更换电缆终端及分水接头可与各种型号热水钻系统进行联合使用，便于普及。
附图说明
图1为极地冰层热水取芯钻具结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本实用新型由热水管1、电缆2、电缆终端3、触底检测机构4、分水接头5、上反扭装置6、电气舱7、下反扭装置8、螺杆马达9 及下部双管钻具和钻头22组成。其中热水管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。上反扭装置6和下反扭装置8采用板簧式反扭类型，分别于径向均布三根矩形板簧片，依靠板簧片进入孔内发生变形，从而压入孔壁保证上部钻具稳定，由于热水钻成孔较大，且呈不规则圆形，因此板簧片两端间距设计为可调节型，以便根据不同钻孔直径随时调节板簧形状。电气舱7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7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。螺杆马达9为钻具回转动力源，螺杆马达9外壳与下反扭装置8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10与下部钻具相连，驱动下部钻具和钻头22回转切削完成钻进取样。
为了尽量减小钻具回转对冰芯质量的影响，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，冰芯管则不回转减少对冰芯磨损。其具体结构包括旋转接头13、密封圈14、轴承15、轴承挡环16、单动接头 17、锁紧螺母18、单向球阀19、钻具外管20和冰芯管21。其中旋转接头13 上部通过平键12与螺杆马达输出轴10相连，钻具外管20通过螺纹与旋转接头13连接，螺杆马达输出轴10、旋转接头13、钻具外管20和钻头22保持同步转动。冰芯管21通过螺纹与单动接头17相连，单动接头17内由两套轴承15与旋转接头13芯轴配合，两套轴承15之间由轴承挡环16进行限位。密封圈14可保证热水不会从单动接头17和旋转接头13之间间隙进入冰芯管。旋转接头13下部加工由螺纹，通过锁紧螺母18可实现对单动接头17的限位。钻头22通过螺纹连接在钻具外管20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7、下反扭装置8到达螺杆马达9，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13内部水道进入钻具外管20和冰芯管21之间间隙，并从钻头22底位喷出。
钻进时，螺杆马达输出轴10通过旋转接头13带动钻具外管20和钻头22 进行回转切削完成钻进，钻进产生的冰屑由喷出的热水将其带离孔底并融化，从而保证孔底清洁，为高效取芯钻进提供可能。钻进产生的冰芯样品进入冰芯管21内，为了防止冰芯管21内存水对冰芯产生静水压力，降低钻进速度，在旋转接头13中心设置有单向阀。当冰芯管21内存水压力达到某一数值，单向球阀19打开，冰芯管21内存水通过旋转接头13中心水道排出钻具。
钻进过程中，实时观察钻进参数变化即电缆2和热水管1状态，如钻进参数异常，且电缆2和热水管1剧烈晃动，有可能为反扭装置失效导致上部钻具转动，此时应立即停止钻进并将钻具提至地表，检查并调节上反扭装置6 和下反扭装置8。
Claims (1)
1.一种极地冰层热水取芯钻进装置，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)、上反扭装置(6)、电气舱(7)、下反扭装置(8)、螺杆马达(9)、下部双管钻具和钻头(22)，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；上反扭装置(6)和下反扭装置(8)采用板簧式反扭类型，分别于径向均布三根矩形板簧片，依靠板簧片进入孔内发生变形，从而压入孔壁保证上部钻具稳定，板簧片两端间距设计为可调节型，以便根据不同钻孔直径随时调节板簧形状；电气舱(7)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(7)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；螺杆马达(9)为钻具回转动力源，螺杆马达(9)外壳与下反扭装置(8)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(10)与下部钻具相连，驱动下部钻具和钻头(22)回转切削完成钻进取样；
下部钻具包括旋转接头(13)、密封圈(14)、轴承(15)、轴承挡环(16)、单动接头(17)、锁紧螺母(18)、单向球阀(19)、钻具外管(20)和冰芯管(21)，旋转接头(13)上部通过平键(12)与螺杆马达输出轴(10)相连，钻具外管(20)通过螺纹与旋转接头(13)连接，螺杆马达输出轴(10)、旋转接头(13)、钻具外管(20)和钻头(22)保持同步转动；冰芯管(21)通过螺纹与单动接头(17)相连，单动接头(17)内由两套轴承(15)与旋转接头(13)芯轴配合，两套轴承(15)之间由轴承挡环(16)进行限位；密封圈(14)可保证热水不会从单动接头(17)和旋转接头(13)之间间隙进入冰芯管；旋转接头(13)下部加工由螺纹，通过锁紧螺母(18)可实现对单动接头(17)的限位；钻头(22)通过螺纹连接在钻具外管(20)底部。
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108801692A (zh) * | 2018-05-17 | 2018-11-13 | 江苏和合水环境有限公司 | 一种用于冰下水环境监测用的采样装置 |
| CN108868738A (zh) * | 2018-07-20 | 2018-11-23 | 杭州电子科技大学 | 一种冰下基岩钻探测控系统 |
| CN109083608A (zh) * | 2018-11-01 | 2018-12-25 | 吉林大学 | 一种基于水下机器人的冰架底部仰孔取芯系统和方法 |
| CN109826561A (zh) * | 2019-04-12 | 2019-05-31 | 吉林大学 | 一种无人值守极地粒雪层温度随钻测量装置 |
| WO2020118784A1 (zh) * | 2018-12-14 | 2020-06-18 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种地外天体用旋转自钻进装置 |
| CN114961554A (zh) * | 2022-06-09 | 2022-08-30 | 吉林大学 | 一种可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置 |
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Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108801692A (zh) * | 2018-05-17 | 2018-11-13 | 江苏和合水环境有限公司 | 一种用于冰下水环境监测用的采样装置 |
| CN108868738A (zh) * | 2018-07-20 | 2018-11-23 | 杭州电子科技大学 | 一种冰下基岩钻探测控系统 |
| CN109083608A (zh) * | 2018-11-01 | 2018-12-25 | 吉林大学 | 一种基于水下机器人的冰架底部仰孔取芯系统和方法 |
| WO2020118784A1 (zh) * | 2018-12-14 | 2020-06-18 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种地外天体用旋转自钻进装置 |
| US11306587B2 (en) | 2018-12-14 | 2022-04-19 | Shenyang Institute Of Automation, Chinese Academy Of Sciences | Rotating self-drilling device for extraterrestrial objects |
| CN109826561A (zh) * | 2019-04-12 | 2019-05-31 | 吉林大学 | 一种无人值守极地粒雪层温度随钻测量装置 |
| CN109826561B (zh) * | 2019-04-12 | 2023-10-20 | 吉林大学 | 一种无人值守极地粒雪层温度随钻测量装置 |
| CN114961554A (zh) * | 2022-06-09 | 2022-08-30 | 吉林大学 | 一种可长期布放的浅层冰封湖原位采样和观测装置 |
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