CN208168829U - 基于热水钻孔的冰架底部冰层热熔取芯装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于热水钻孔的冰架底部冰层热熔取芯装置，包括电缆、电缆终端、钻具上盖、水密接头、电气舱上盖、电气舱壳体、电气模块、电机、电气舱下盖、联轴器、丝杆、上轴承、滑动螺母、丝杠堵头、下轴承、钻具下盖、钻具外管、挡水帽、钻头体、卡断器销轴、卡断器、卡簧、卡簧固定螺钉、钻头连接螺钉、冰芯管、上轴承座、固定铰点、锁紧螺钉、转动销轴、上支杆、下支杆、顶杆及螺钉。取芯装置的结构是能收缩和张开。本实用新型能很好的完成冰架或冰层底部冰层取芯钻进，结构简单，采样量大。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于热水钻孔的冰架底部冰层热熔取芯装置。
背景技术
热水钻系统是20世纪80年代兴起的被看作冰层中最高效的快速钻进的方法，热水钻取芯钻具只需要根据具体情况通过更换不同的喷嘴就可以完成在目标深度的取冰芯工作。目前美国、英国、德国等国家已经成功在南极冰盖及冰架实施了热水钻进，取得了丰硕的成果，我国热水钻系统起步较晚， 2017年完成了我国自主研发的1500米钻进能力热水钻机，并计划在不久的未来在南极埃默里冰架实施钻探，其目的之一在于通过获取冰架底部样品研究冰架与海洋相互作用过程。目前国内外文献可查阅到的热水钻具部分具备取芯功能，但在同一个钻孔内针对同一冰层仅能完成一次采样，而南极环境恶劣，钻探成本极高，因此如何利用一个钻孔尽可能多的获取样品成为各国科学家和工程师一直致力于研究的问题。
发明内容
本实用新型的目的提供一种基于热水钻孔的冰架底部冰层热熔取芯装置。本实用新型基于已有热水钻孔进行设计，首先采用热水钻成孔，然后将钻具下入孔内，到达冰架底部后采用电驱动方式使取芯钻具张开，并通过钻头体自下而上完成热熔钻进和采样，通过电机可以控制取芯钻具张开直径大小，从而实现在距离钻孔不同距离冰层取样钻进。本实用新型可很好的完成冰架或冰层底部冰层取芯钻进，结构简单，采样量大，将为极地研究提供强大的技术支撑。
本实用新型包括电缆、电缆终端、钻具上盖、水密接头、电气舱上盖、电气舱壳体、电气模块、电机、电气舱下盖、联轴器、丝杠、上轴承、滑动螺母、丝杠堵头、下轴承、钻具下盖、钻具外管、挡水帽、钻头体、卡断器销轴、卡断器、卡簧、卡簧固定螺钉、钻头连接螺钉、冰芯管、上轴承座、固定铰点、锁紧螺钉、转动销轴、上支杆、下支杆、顶杆及螺钉。
其中铠装电缆固定在电缆终端上，铠装电缆内的电缆则穿过钻具上盖进入钻具内，并与水密接头相连，钻具上盖采用M8螺钉固定在钻具外管上部。
电气舱壳体上下分别采用螺钉固定有电气舱上盖和电气舱下盖，从而形成封闭空间，保护安装在内部的电气元件，电机固定在电气舱下盖上，电机轴与电气舱下盖内孔采用动密封，保证电气舱在高压水环境中不发生泄露，电气模块安装在电气舱内，用于驱动电机，并完成井下设备的电力分配和控制，个水密接头采用螺纹固定在电气舱上盖上，电气舱下盖与钻具外管采用螺钉连接。
电机轴端通过联轴器与丝杠连接，丝杠上部采用上轴承与上轴承座固定，上轴承座采用螺钉固定在钻具外管上，丝杠下端连接有丝杠堵头，并通过下轴承固定在钻具下盖上，钻具下盖通过螺钉固定在钻具外管上；
固定铰点安装在上轴承座下部，通过螺钉固定在钻具外管上，并通过转动销轴与上支杆和下支杆连接，上支杆和下支杆另一端通过转动销轴与冰芯管连接，顶杆两端通过转动销轴分别与冰芯管和滑动螺母铰接，所有转动销轴处均安装有锁紧螺钉对其进行防松定位，滑动螺母与丝杠螺纹配合。
冰芯管上部通过钻头连接螺钉与钻头体连接，卡断器通过卡断器销轴固定在钻头体上，卡簧通过卡簧固定螺钉固定在钻头体上，并对卡断器进行限位，保证卡断器只能向钻头体内方向转动，卡断器、卡断器销轴、卡簧和卡簧固定螺钉沿钻头体径向均布组；为了增加单次钻进冰芯采样量，冰芯管和钻头体沿钻具径向均布组，分别通过上支杆、下支杆、顶杆及转动销轴与滑动螺母和固定铰点相连。
钻具外管上部通过M5螺钉固定有挡水帽，用于在钻具上提过程中避免孔内融水对冰芯的冲刷。
本实用新型的工作过程：
本取芯装置使用前应采用热水钻在极地冰架进行钻孔，并成功穿透冰架，使钻孔与冰架下海水连通。此时撤走热水钻系统，采用地表绞车通过铠装电缆将取芯装置吊放至孔内，此时，滑动螺母处于上位，冰芯管则处于缩回状态，取芯装置整体直径小于热水钻孔直径，因此钻具可在钻孔内提升和下放。
当取芯装置穿过冰架底部并进入冰架下海水后，通过地表控制系统驱动电机旋转，电机通过联轴器带动丝杠转动，由于丝杠位置由上轴承和下轴承进行限位不能移动，因此丝杠的回转运动将带动与之螺纹配合的滑动螺母向上做直线运动，由于滑动螺母、顶杆、上支杆、下支杆和固定铰点构成了连杆机构，当滑动螺母上移时，顶杆推动上支杆和下支杆绕固定铰点转动，从而使冰芯管向外张开。当上支杆运动至水平位置，上支杆上表面与固定铰点下表面贴合，从而使上支杆无法继续转动，此时电机电流激增，电气模块中安装有电流检测模块，当电机电流超过设定值后随即切断电机供电，此时冰芯管张开至最大位置。
当冰芯管张开至最大位置后，个冰芯管分布直径远大于钻孔直径，此时缓慢上提取芯装置，并接通钻头体电源，使钻头体发热开始钻进，在冰架底部冰层中自下而上融出环状冰孔，冰芯则进入冰芯管内。当钻进至设计最大深度后，缓慢下放取芯装置，此时卡断器尖端与冰芯接触并受阻，当钻头带动卡断器向下运动时，卡断器则围绕卡断器销轴转动，并切入至冰芯内，导致冰芯与冰层分离，掉落的冰芯则收集在冰芯管内。
继续下放取芯装置至冰芯管退出钻孔重新回到冰架下海水中，此时停止对钻头体供电，并开启电机反转，促使滑动螺母向下运动，带动冰芯管缩回钻具内。启动地表绞车收缆将钻具提至地表并完成取芯，在上提过程中，由于冰芯管直径小于挡水帽直径，因此避免了水流对冰芯管内冰芯的冲刷，实现最大限度的保护冰芯样品。
如需取芯装置在距离钻孔不同距离冰层完成取样，即需要控制冰芯管张开的直径，此时需要详细计算电机转动的时间与冰芯管张开直径的关系，并通过地表上位机软件控制电机转动时间即可实现控制冰芯管张开的直径，完成取芯装置在距离钻孔不同距离冰层的采样。
本实用新型的有益效果：
本实用新型很好地解决了极地冰架底部冰层样品采集难的问题，采用伸缩式结构设计，使取芯装置能够通过已有钻孔下入至冰架底部，并完成距离钻孔不同距离的冰层采样，方法简单可行，采样效率高，本实用新型的成功应用将为我国极地冰架底部过程研究提供强有力的技术支撑。
本实用新型采用热熔法钻进成孔，避免了机械回转钻进复杂的机械结构，结构简单，工作可靠，操作方便，采样量大，施工成本低，且整套取芯装置易损件少，使用寿命长。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型的提升和下放状态主视图。
图3为本实用新型的提升和下放状态俯视图。
图4为本实用新型的钻进状态主视图。
图5为本实用新型的钻进状态俯视图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本实用新型包括电缆1、电缆终端2、钻具上盖3、M8 螺钉4、水密接头5、电气舱上盖6、电气舱壳体7、电气模块8、电机9、电气舱下盖10、联轴器11、丝杠12、上轴承13、滑动螺母14、丝杠堵头15、下轴承16、钻具下盖17、钻具外管18、M5螺钉19、挡水帽20、钻头体21、卡断器销轴22、卡断器23、卡簧24、卡簧固定螺钉25、钻头连接螺钉26、冰芯管27、上轴承座28、固定铰点29、锁紧螺钉30、转动销轴31、上支杆 32、下支杆33和顶杆34。
铠装电缆1固定在电缆终端2上，铠装电缆1内的电缆则穿过钻具上盖3 进入钻具内，并与水密接头5相连，钻具上盖3采用M8螺钉4固定在钻具外管18上部。
电气舱壳体7上下分别采用螺钉固定有电气舱上盖6和电气舱下盖10，从而形成封闭空间，保护安装在内部的电气元件，电机9固定在电气舱下盖 10上，电机轴与电气舱下盖10内孔采用动密封，保证电气舱在高压水环境中不发生泄露，电气模块8安装在电气舱内，用于驱动电机，并完成井下设备的电力分配和控制，四个水密接头5采用螺纹固定在电气舱上盖6上，电气舱下盖10与钻具外管18采用螺钉连接。
电机9轴端通过联轴器11与丝杠12连接，丝杠12上部采用上轴承13 与上轴承座28固定，上轴承座28采用螺钉固定在钻具外管18上，丝杠12 下端连接有丝杠堵头15，并通过下轴承16固定在钻具下盖17上，钻具下盖 17通过螺钉固定在钻具外管18上；
固定铰点29安装在上轴承座28下部，通过螺钉固定在钻具外管18上，并通过转动销轴31与上支杆32和下支杆33连接，上支杆32和下支杆33另一端通过转动销轴31与冰芯管27连接，顶杆34两端通过转动销轴31分别与冰芯管27和滑动螺母14铰接，所有转动销轴31处均安装有锁紧螺钉30 对其进行防松定位，滑动螺母14与丝杠12螺纹配合。
冰芯管27上部通过钻头连接螺钉26与钻头体21连接，卡断器23通过卡断器销轴22固定在钻头体21上，卡簧24通过卡簧固定螺钉25固定在钻头体21上，并对卡断器23进行限位，保证卡断器23只能向钻头体21内方向转动，卡断器23、卡断器销轴22、卡簧24和卡簧固定螺钉25沿钻头体21 径向均布3组；为了增加单次钻进冰芯采样量，冰芯管27和钻头体21沿钻具径向均布3组，分别通过上支杆32、下支杆33、顶杆34及转动销轴31与滑动螺母14和固定铰点29相连。
钻具外管18上部通过M5螺钉19固定有挡水帽20，用于在钻具上提过程中避免孔内融水对冰芯的冲刷。
所述电气模块8为驱动控制装置，用于驱动电机，电气模块8是现有的技术。
本实施例的工作过程：
如图1、图2、图3、图4和图5所示，取芯装置使用前应采用热水钻在极地冰架进行钻孔，并成功穿透冰架，使钻孔与冰架下海水连通。此时撤走热水钻系统，采用地表绞车通过铠装电缆1将取芯装置吊放至孔内，此时，滑动螺母14处于上位，冰芯管27则处于缩回状态，取芯装置整体直径小于热水钻孔直径，因此取芯装置可在钻孔内提升和下放。
当取芯装置穿过冰架底部并进入冰架下海水后，通过地表控制系统驱动电机9旋转，电机9通过联轴器11带动丝杠12转动，由于丝杠12位置由上轴承13和下轴承16进行限位不能移动，因此丝杠12的回转运动将带动与之螺纹配合的滑动螺母14向上做直线运动，由于滑动螺母14、顶杆34、上支杆32、下支杆33和固定铰点29构成了连杆机构，当滑动螺母14上移时，顶杆34推动上支杆32和下支杆33绕固定铰点29转动，从而使冰芯管27向外张开。当上支杆32运动至水平位置，上支杆32上表面与固定铰点29下表面贴合，从而使上支杆32无法继续转动，此时电机9电流激增，电气模块8中安装有电流检测模块，当电机9电流超过设定值后随即切断电机供电，此时冰芯管张开至最大位置。
当冰芯管27张开至最大位置后，3个冰芯管分布直径远大于钻孔直径，此时缓慢上提取芯装置，并接通钻头体21电源，使钻头体21发热开始钻进，在冰架底部冰层中自下而上融出环状冰孔，冰芯则进入冰芯管27内。当钻进至设计最大深度后，缓慢下放取芯装置，此时卡断器23尖端与冰芯接触并受阻，当钻头带动卡断器23向下运动时，卡断器23则围绕卡断器销轴22转动，并切入至冰芯内，导致冰芯与冰层分离，掉落的冰芯则收集在冰芯管27内。
继续下放取芯装置至冰芯管27退出钻孔重新回到冰架下海水中，此时停止对钻头体21供电，并开启电机9反转，促使滑动螺母14向下运动，带动冰芯管27缩回取芯装置内。启动地表绞车收缆将取芯装置提至地表并完成取芯，在上提过程中，由于冰芯管27直径小于挡水帽20直径，因此避免了水流对冰芯管内冰芯的冲刷，实现最大限度的保护冰芯样品。
如需取芯装置在距离钻孔不同距离冰层完成取样，即需要控制冰芯管27 张开的直径，此时需要详细计算电机转动的时间与冰芯管张开直径的关系，并通过地表上位机软件控制电机转动时间即可实现控制冰芯管张开的直径，完成取芯装置在距离钻孔不同距离冰层的采样。
Claims (1)
1.一种基于热水钻孔的冰架底部冰层热熔取芯装置，其特征在于：包括电缆(1)、电缆终端(2)、钻具上盖(3)、M8螺钉(4)、水密接头(5)、电气舱上盖(6)、电气舱壳体(7)、电气模块(8)、电机(9)、电气舱下盖(10)、联轴器(11)、丝杠(12)、上轴承(13)、滑动螺母(14)、丝杠堵头(15)、下轴承(16)、钻具下盖(17)、钻具外管(18)、M5螺钉(19)、挡水帽(20)、钻头体(21)、卡断器销轴(22)、卡断器(23)、卡簧(24)、卡簧固定螺钉(25)、钻头连接螺钉(26)、冰芯管(27)、上轴承座(28)、固定铰点(29)、锁紧螺钉(30)、转动销轴(31)、上支杆(32)、下支杆(33)和顶杆(34)；
铠装电缆(1)固定在电缆终端(2)上，铠装电缆(1)内的电缆则穿过钻具上盖(3)进入钻具内，并与水密接头(5)相连，钻具上盖(3)采用M8螺钉(4)固定在钻具外管(18)上部；
电气舱壳体(7)上下分别采用螺钉固定有电气舱上盖(6)和电气舱下盖(10)，从而形成封闭空间，保护安装在内部的电气元件，电机(9)固定在电气舱下盖(10)上，电机轴与电气舱下盖(10)内孔采用动密封，保证电气舱在高压水环境中不发生泄露，电气模块(8)安装在电气舱内，用于驱动电机，并完成井下设备的电力分配和控制，四个水密接头(5)采用螺纹固定在电气舱上盖(6)上，电气舱下盖(10)与钻具外管(18)采用螺钉连接；
电机(9)轴端通过联轴器(11)与丝杠(12)连接，丝杠(12)上部采用上轴承(13)与上轴承座(28)固定，上轴承座(28)采用螺钉固定在钻具外管(18)上，丝杠(12)下端连接有丝杠堵头(15)，并通过下轴承(16)固定在钻具下盖(17)上，钻具下盖(17)通过螺钉固定在钻具外管(18)上；
固定铰点(29)安装在上轴承座(28)下部，通过螺钉固定在钻具外管(18) 上，并通过转动销轴(31)与上支杆(32)和下支杆(33)连接，上支杆(32)和下支杆(33)另一端通过转动销轴(31)与冰芯管(27)连接，顶杆(34)两端通过转动销轴(31)分别与冰芯管(27)和滑动螺母(14)铰接，所有转动销轴(31)处均安装有锁紧螺钉(30)对其进行防松定位，滑动螺母(14)与丝杠(12)螺纹配合；
冰芯管(27)上部通过钻头连接螺钉(26)与钻头体(21)连接，卡断器(23)通过卡断器销轴(22)固定在钻头体(21)上，卡簧(24)通过卡簧固定螺钉(25)固定在钻头体(21)上，并对卡断器(23)进行限位，保证卡断器(23)只能向钻头体(21)内方向转动，卡断器(23)、卡断器销轴(22)、卡簧(24)和卡簧固定螺钉(25)沿钻头体(21)径向均布3组；为了增加单次钻进冰芯采样量，冰芯管(27)和钻头体(21)沿钻具径向均布3组，分别通过上支杆(32)、下支杆(33)、顶杆(34)及转动销轴(31)与滑动螺母(14)和固定铰点(29)相连；
钻具外管(18)上部通过M5螺钉(19)固定有挡水帽(20)。
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Cited By (2)
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| CN111305751A (zh) * | 2020-03-10 | 2020-06-19 | 吉林大学 | 自给进热融与机械联合冰层钻进系统 |
| CN112647878A (zh) * | 2020-12-24 | 2021-04-13 | 江苏拓海煤矿钻探机械有限公司 | 一种带有取样结构的煤矿钻杆 |
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| CN112647878A (zh) * | 2020-12-24 | 2021-04-13 | 江苏拓海煤矿钻探机械有限公司 | 一种带有取样结构的煤矿钻杆 |
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