热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法及装置，该方法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，利用旋流喷射器原理，通过在钻头体内部设计引流通道，引导热水从钻头侧壁喷出，热水反作用力将驱动钻头进行回转，从而切削冰层完成钻进。装置包括热水管、电缆、电缆终端、触底检测机构、分水接头、上扶正器、电气舱、下扶正器、过渡管及下部双管钻具和自旋转钻头。本发明专利技术将旋流喷射器原理应用于孔底碎岩，可实现极地冰层快速取芯钻探；本发明专利技术采用热‑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，提高了孔底动力钻具的寿命和钻进效率。

Hot water driven self rotating ice core drilling method and device

The invention discloses a hot water driven rotary ice core drilling method and device, the method is using water as a medium power driven rotary drilling tools and core drilling, using the principle of swirl injector, through the drill body in the design of internal drainage channels, guide the hot water from the drill bit side wall spray, hot water reaction will drive rotary drill, thereby cutting ice drilling completion. The device comprises a hot water pipe, a cable, a cable terminal, a touch bottom detecting mechanism, a water dividing joint, an upper centralizer, an electric cabin, a lower centralizer, a transition pipe, a lower double pipe drilling tool and a self rotating drill bit. The invention of the swirl injector principle is applied to the bottom hole rock, can realize the fast polar ice core drilling; the invention adopts heat mechanical mixing method for sampling drilling, hot water is provided for bottom hole hole bottom power, ice will also produce the belt from the bottom of the hole drilling and melting, improve the bottom of the hole drilling tool life and drilling efficiency.

【技术实现步骤摘要】
热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法及装置
本专利技术涉及一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法及装置。
技术介绍
南极冰盖层中蕴藏着大量的微生物、微体动植物肢体、火山喷发的微粒、核爆炸的核微尘及大气中裹胁而来的各种微尘。由于南极冰芯直接记录着远古时代的大气组成，蕴藏着珍贵的古气候和古环境信息，找到年代久远的冰芯，对于重建地球的历史演化以及预测全球气候和环境的演变意义重大。因此，目前世界各国都竞相在南极寻找年代久远的深冰芯。目前常用的深冰芯钻探方法多为铠装电缆式电动机械取芯钻探方法，该方法具有功率小、重量轻等优点，但地表辅助操作较多，钻进周期长，钻进效率低，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，因此亟待研发一种能够快速完成冰层取芯钻探的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的提供一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法。本专利技术的另一目的提供一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进装置。本专利技术提供的一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法是：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，利用旋流喷射器原理，通过在钻头体内部设计引流通道，引导热水从钻头侧壁喷出，热水反作用力将驱动钻头进行回转，从而切削冰层完成钻进，冰层切削钻头采用常规深冰芯钻探用工具钢刀头。钻进产生的冰屑被热水带离孔底，并在向上运输过程中融化，因此无需设计专门的冰屑收集装置，简化了钻具结构。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。为了保证钻具尽量垂直向下钻进，在钻具上部设计扶正器，使上部钻具始终处于钻孔中心。采用本专利技术的钻进方法，钻具回转动力由热水高速喷出的反作用力提供，避免了采用螺杆马达等孔底动力钻具易磨损，寿命短等缺点。本专利技术之一种热水驱动自旋转冰层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、上扶正器、电气舱、下扶正器、过渡管及下部双管钻具和自旋转钻头，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。上扶正器和下扶正器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，从而将钻具维持在钻孔中心。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。下部钻具通过过渡管与下扶正器相连，其结构为单动双管，钻进时钻具外管不转动，自旋转钻头带动冰芯管回转钻进。下部钻具结构包括接头、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。其中接头上部与过渡管螺纹连接，钻具外管通过螺纹与接头连接。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接头芯轴配合，两套轴承之间由轴承档环进行限位。密封圈可保证热水不会从单动接头和接头之间间隙进入冰芯管。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。自旋转钻头通过螺纹连接在冰芯管底部。自旋转钻头由骨架密封、过渡接头、密封圈、芯管、钻头体、冰芯卡断器、卡断器销轴、刀头及螺钉组成。其中过渡接头上部与冰芯管连接，下部与钻头体螺纹连接，中部安装有密封圈，用于封闭过渡接头与钻具外管环状间隙。钻头体中心采用螺纹与芯管相连，芯管上部安装有骨架密封，通过与过渡接头内表面配合实现密封。冰芯卡断器通过卡断器销轴固定在钻头体上，轴向均布三个，卡断器可围绕卡断器销轴自由转动。刀头通过螺钉固定钻头体底部，径向均布三个。钻头体内部设计有竖直流道和侧喷流道，两者相互贯通，热水可经由竖直流道和侧喷流道喷出钻头体外。本专利技术的工作过程：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，流经上扶正器、电气舱、下扶正器到达接头处，并通过接头流道进入钻具外管与冰芯管环状间隙，然后经由过渡接头侧孔、钻头体竖直流道，由侧喷流道喷出钻头体外。高速喷出的热水对钻头体产生发作用力，从而驱动钻头进行回转钻进，此时刀头、钻头体、芯管、过渡接头和冰芯管将同步转动，钻具外管则保持静止。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，冰芯管内存水通过接头中心水道排出钻具。回次钻进结束后，提拉钻具，冰芯卡断器将切入并卡断冰芯，继续上提钻具至地表，清除冰芯然后开始下一回次钻进。钻进过程中，上扶正器和下扶正器支撑在孔壁上，有利于将钻具保持在钻孔中心，可最大程度的减小孔斜。本专利技术的有益效果：本专利技术将旋流喷射器原理应用于孔底碎岩，可实现极地冰层快速取芯钻探，为极地冰盖快速取芯提供了新的技术手段，对加快极地研究的发展具有重要作用。本专利技术采用热-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，同时解决了常规孔底动力钻具易磨损、寿命短等缺点，有利于提高钻进效率。附图说明图1为热水驱动自旋转冰层取芯钻进装置结构示意图。图2为自旋转钻头立体示意图。图3为自旋转钻头剖视图。图4为自旋转钻头流道布置图。具体实施方式本专利技术之热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法是：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，利用旋流喷射器原理，通过在钻头体内部设计引流通道，引导热水从钻头侧壁喷出，热水反作用力将驱动钻头进行回转，从而切削冰层完成钻进，冰层切削钻头采用常规深冰芯钻探用工具钢刀头；钻进产生的冰屑被热水带离孔底，并在向上运输过程中融化，因此无需设计专门的冰屑收集装置，简化了钻具结构。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。为了保证钻具尽量垂直向下钻进，在钻具上部设计扶正器，使上部钻具始终处于钻孔中心。请参阅图1、图2、图3和图4所示，本专利技术之一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进装置包括热水管1、电缆2、电缆终端3、触底检测机构4、分水接头5、上扶正器6、电气舱7、下扶正器8、过渡管9及下部双管钻具和自旋转钻头19，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。上扶正器6和下扶正器8分别于径本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法，该方法是：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，利用旋流喷射器原理，通过在钻头体内部设计引流通道，引导热水从钻头侧壁喷出，热水反作用力将驱动钻头进行回转，从而切削冰层完成钻进，冰层切削钻头采用常规深冰芯钻探用工具钢刀头；钻进产生的冰屑被热水带离孔底，并在向上运输过程中融化，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，在钻具上部设计扶正器，使上部钻具始终处于钻孔中心。

【技术特征摘要】
1.一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法，该方法是：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，利用旋流喷射器原理，通过在钻头体内部设计引流通道，引导热水从钻头侧壁喷出，热水反作用力将驱动钻头进行回转，从而切削冰层完成钻进，冰层切削钻头采用常规深冰芯钻探用工具钢刀头；钻进产生的冰屑被热水带离孔底，并在向上运输过程中融化，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，在钻具上部设计扶正器，使上部钻具始终处于钻孔中心。2.一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进装置；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)、上扶正器(6)、电气舱(7)、下扶正器(8)、过渡管(9)及下部双管钻具和自旋转钻头(19)，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；上扶正器(6)和下扶正器(8)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，从而将钻具维持在钻孔中心；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；下部钻具...

【专利技术属性】
技术研发人员：范晓鹏，达拉拉伊，曹品鲁，张楠，王如生，王婷，刘刚，刘安，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22