基于热水钻孔的冰架底部冰层热熔取芯方法及取芯装置制造方法及图纸

一种基于热水钻孔的冰架底部冰层热熔取芯方法及取芯装置，取芯方法是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，并通过热熔钻头自下而上完成热熔钻进和采样，通过电机可以控制取芯装置张开直径大小，从而实现在距离钻孔不同距离冰层取样钻进。取芯装置的结构是能收缩和张开。本发明专利技术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。

Hot core drilling method and core taking device for ice bottom ice shelf based on hot water drilling

A hot melt core method and core picking device based on hot water drilling in the bottom of ice frame is designed. The core method is based on the existing hot water drilling. First, the hot water drilling hole is used. Then the drilling tool is drilled into the hole, and the core drilling tool is opened by electric drive after the drill is reached to the bottom of the ice frame, and the drill is finished from the bottom to the bottom. Hot melt drilling and sampling, through the motor can control the opening diameter of the core device, so as to achieve sampling drilling in ice at different distances from the borehole. The structure of the coring device is to shrink and open. The invention can finish core drilling on ice shelf or ice bottom, and has simple structure and large sampling volume.

【技术实现步骤摘要】
基于热水钻孔的冰架底部冰层热熔取芯方法及取芯装置
本专利技术涉及一种基于热水钻孔的冰架底部冰层热熔取芯方法及取芯装置。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的提供一种基于热水钻孔的冰架底部冰层热熔取芯方法及取芯装置。本专利技术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，并通过热熔钻头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。本专利技术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。本专利技术之基于热水钻孔的冰架底部冰层热熔取芯方法，是在极地冰架采用热水钻成孔后，利用已有钻孔用电缆将可伸缩变径的钻具从钻孔放入冰架底部，当钻具在钻孔内下放和提升时，钻具处于缩回状态，钻具最大直径小于钻孔直径，当钻具下放至冰架底部后，钻具采样装置在电机带动下缓慢张开，使采样装置直径大于钻孔直径，然后缓慢上提钻具使采样装置接触冰层底部，采样装置采用环状热熔取芯钻头，钻头内埋设有电加热管，通电后，热熔钻头即可在冰层内热熔出环状钻孔，冰芯则进入并收集在钻具采样装置内，当采样结束后，利用电机将采样装置缩回钻具内，并上提至地表，完成采样。该方法中采样装置的伸缩可通过电机带动螺杆驱动连杆机构实现，采样装置张开直径可控，因此可基于同一钻孔完成距离钻孔不同距离的冰层采样，采样量大，操作方便。采样长度和距离可根据实际需要设计决定。本专利技术之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。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杆连接，丝杆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，滑动螺母与丝杆螺纹配合。冰芯管上部通过钻头固定螺钉与热熔钻头连接，卡断器通过卡断器销轴固定在热熔钻头上，卡簧通过卡簧固定螺钉固定在热熔钻头上，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热熔钻头径向均布组；为了增加单次钻进冰芯采样量，冰芯管和热熔钻头沿钻具径向均布组，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。取芯装置的工作过程：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杆转动，由于丝杆位置由上轴承和下轴承进行限位不能移动，因此丝杆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，并接通热熔钻头电源，使热熔钻头发热开始钻进，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，此时停止对热熔钻头供电，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。本专利技术的有益效果：本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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为本专利技术之基于热水钻孔的冰架底部冰层热熔取芯装置结构示意图。图2为本专利技术的取芯装置提升和下放状态主视图。图3为本专利技术的取芯装置提升和下放状态俯视图。图4为本专利技术的取芯装置钻进状态主视图。图5为本专利技术的取芯装置钻进状态俯视图。具体实施方式本专利技术之基于热水钻孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于热水钻孔的冰架底部冰层热熔取芯方法，其特征在于：是在极地冰架采用热水钻成孔后，利用已有钻孔用电缆将可伸缩变径的钻具从钻孔放入冰架底部，当钻具在钻孔内下放和提升时，钻具处于缩回状态，钻具最大直径小于钻孔直径，当钻具下放至冰架底部后，钻具采样装置在电机带动下缓慢张开，使采样装置直径大于钻孔直径，然后缓慢上提钻具使采样装置接触冰层底部，采样装置采用环状热熔取芯钻头，钻头内埋设有电加热管，通电后，热熔钻头即可在冰层内热熔出环状钻孔，冰芯则进入并收集在钻具采样装置内，当采样结束后，利用电机将采样装置缩回钻具内，并上提至地表，完成采样。

【技术特征摘要】
1.一种基于热水钻孔的冰架底部冰层热熔取芯方法，其特征在于：是在极地冰架采用热水钻成孔后，利用已有钻孔用电缆将可伸缩变径的钻具从钻孔放入冰架底部，当钻具在钻孔内下放和提升时，钻具处于缩回状态，钻具最大直径小于钻孔直径，当钻具下放至冰架底部后，钻具采样装置在电机带动下缓慢张开，使采样装置直径大于钻孔直径，然后缓慢上提钻具使采样装置接触冰层底部，采样装置采用环状热熔取芯钻头，钻头内埋设有电加热管，通电后，热熔钻头即可在冰层内热熔出环状钻孔，冰芯则进入并收集在钻具采样装置内，当采样结束后，利用电机将采样装置缩回钻具内，并上提至地表，完成采样。2.一种权利要求1所述方法所用的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)、丝杆(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(...

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