一种冰层用孔壁定向热融取心钻具制造技术

本发明专利技术公开了一种冰层用孔壁定向热融取心钻具，钻具为套管结构，包括有控制仓、孔内定位系统和孔壁取心系统，其中控制仓设在上部，孔壁取心系统设在下部，孔内定位系统连接在孔壁取心系统的顶端，孔壁取心系统由孔内定位系统驱使进行转动，控制仓的下端与孔内定位系统的顶端之间连接有支撑机构，控制仓分别与孔内定位系统和孔壁取心系统相连接，控制仓能够采集孔内定位系统和孔壁取心系统传输的信号，控制仓为孔内定位系统和孔壁取心系统提供动力并控制孔内定位系统和孔壁取心系统的工作。有益效果：结构简单、重量轻、对环境无污染、取心直径较大，增加了钻进效率，钻具内部具有防结冰性能，保证钻进安全。能够实现孔内精准定位取心。

【技术实现步骤摘要】
一种冰层用孔壁定向热融取心钻具
本专利技术涉及一种孔壁取心钻具，特别涉及一种冰层用孔壁定向热融取心钻具。
技术介绍
目前，蕴藏在极地冰川内部的冰层中储存着大量珍贵的生物和气候环境信息，获取冰层内部的冰芯样本是得知上述信息的必要途径，同时与极地科学的基础研究方向相关的许多关键问题也需要从冰层深部获取冰芯样品，因此近年来世界各国在极地相继开展深冰芯钻探工程。然而在实际的钻取冰芯的过程中容易出现冰芯质量低、冰芯不完整等情况，使得目前的极地深部冰层样本在深度上分布并不均匀，出现了大量的空缺，使得研究受到了阻碍，因此科学家们提出通过重复取心的方式来填充样本空缺。此外，要想发现古气候中出现的异常情况时，则更需要较高的冰芯质量，这一区域的冰层样品也需要进行重复取样。而且通常科学实验需要经过重复研究才具有说服力，冰层样品研究也是如此，因此冰层重复取心技术逐渐受到各国的重视。孔壁取心技术在重复取心方法中具有经济、高效的优点，也是目前国内外常用的冰层重复取心方法，然而现有的冰层重复取心机械钻具在孔壁取心时需要反复数次提钻和更换钻头，增加了辅助工作时间，同时钻井液的环境下易对冰层和冰芯样品造成污染，因此需要一种能够在极地冰层环境进行孔壁取心钻进的高效、环保钻具。与已申请专利技术专利(专利号CN202010134174.2)相比，本申请提供的冰层用孔壁定向热融取心钻具可用于冰层获取孔壁冰芯；能够实现孔内精准定位取心，为同一深度多次取心和同一位置继续取心提供技术保障；与推杆相比，丝杠传动的承载能力更强且占用空间较小；冰芯回收由冰芯托架和取心热融钻头共同完成，回收过程稳定可靠；伸缩杆占用的空间较小，为钻头提供更大的空间以获取较大直径的重复冰芯；钻具内部具有防结冰性能，保证钻进安全。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决目前冰层孔壁取心钻探中钻具结构复杂以及反复数次提钻引起的钻进效率低的问题，而提供的一种冰层用孔壁定向热融取心钻具。本专利技术提供的冰层用孔壁定向热融取心钻具为套管结构，包括有控制仓、孔内定位系统和孔壁取心系统，其中控制仓设在上部，孔壁取心系统设在下部，孔内定位系统连接在孔壁取心系统的顶端，孔壁取心系统由孔内定位系统驱使进行转动，控制仓的下端与孔内定位系统的顶端之间连接有支撑机构，控制仓分别与孔内定位系统和孔壁取心系统相连接，控制仓能够采集孔内定位系统和孔壁取心系统传输的信号，控制仓为孔内定位系统和孔壁取心系统提供动力并控制孔内定位系统和孔壁取心系统的工作。控制仓的顶端还连接有电缆仓，电缆仓内的电缆终端的上端与铠装电缆相连接，电缆终端的底部装配有滑环，电缆终端的下端通过电缆与控制仓内的控制系统相连接，控制仓内的控制系统通过铠装电缆与地表控制器相连接，电缆仓的顶部罩设有顶端热融钻头，顶端热融钻头与电缆仓的内腔之间设置有隔热层，顶端热融钻头与控制仓内的控制系统相连接并由控制仓内的控制系统控制工作。控制仓和孔内定位系统之间的支撑机构包括有固定块和支撑臂，其中固定块固连在控制仓的底部和孔内定位系统顶部之间，支撑臂对称设在固定块的两侧，支撑臂与固定块之间通过伸缩弹簧相连接，对应支撑臂的管壁处开设有开口，支撑臂通过该开口能够支撑到井壁上以对整个钻具进行支撑，支撑臂与控制仓内的控制系统相连接并由控制仓内的控制系统控制工作。孔内定位系统包括有驱动电机、减速器、编码器和红外测距仪，其中驱动电机与减速器相连接，减速器的输出轴与下部的孔壁取心系统相连接，驱动电机通过减速器带动孔壁取心系统进行转动，编码器装配在减速器输出轴的底部，编码器与孔壁取心系统同步进行转动，红外测距仪设在减速器的下方，红外测距仪上装配有发射和接收端，对应发射和接收端的管壁上开设有通孔，红外测距仪发射的红外线由发射和接收端发出经过该通孔照射到井壁上并返回被发射和接收端接收，驱动电机、编码器和红外测距仪均与控制仓内的控制系统相连接，编码器和红外测距仪能够把采集的信号实时传输给控制仓内的控制系统，控制仓内的控制系统根据采集的信号进行孔壁取心系统的定位并控制驱动电机和孔壁取心系统的工作。孔壁取心系统的管壁一侧开设有敞口，孔壁取心系统包括有第一电机、第一丝杠、第二电机、第二丝杠、第三电机、第三丝杠和取心热融钻头，其中第一丝杠竖直装配在孔壁取心系统的管壁内侧并对应敞口进行设置，第一丝杠与第一电机相连接并由第一电机驱使进行转动，第一丝杠上螺接有第一滑块，第一丝杠转动过程中带动第一滑块进行上下移动，第一滑块上还装配有位移传感器，第二丝杠通过连接块固连在第一滑块上，第一滑块上下移动的过程中能够带动第二丝杠进行同步移动，第二丝杠与第二电机相连接并由第二电机驱使进行转动，第二丝杠上螺接有第二滑块，第二丝杠转动过程中带动第二滑块进行上下移动，第二丝杠上还连接有第一伸缩杆，第一伸缩杆由两条折叠杆相交并枢接组成，两条折叠杆的前端分别固连在第二滑块和第二丝杠的底座上，取心热融钻头固连在两条折叠杆的后端，第二滑块上下移动的过程中能够带动第一伸缩杆进行伸缩从而带动取心热融钻头进行水平方向移动，第三丝杠通过连接块固连在第一丝杠底部的固定座上，第三丝杠与第三电机相连接并由第三电机驱使进行转动，第三丝杠上螺接有第三滑块，第三丝杠转动过程中带动第三滑块进行上下移动，第三丝杠上还连接有第二伸缩杆，第二伸缩杆也由两条折叠杆相交并枢接组成，组成第二伸缩杆的两条折叠杆的前端分别固连在第三滑块和第三丝杠的固定座上，组成第二伸缩杆的两条折叠杆的后端固连有冰芯托架，第三滑块上下移动的过程中能够带动第二伸缩杆进行伸缩从而带动冰芯托架进行水平方向移动，冰芯托架与上部的取心热融钻头对应设置，第二电机和第三电机同步转动从而带动冰芯托架与取心热融钻头同步移动，位移传感器、第一电机、第二电机和第三电机均与控制仓内的控制系统相连接，位移传感器能够把采集的数据实时传输给控制仓内的控制系统，控制仓内的控制系统控制第一电机、第二电机和第三电机的工作，控制仓内的控制系统控制第二电机和第三电机同步运行。取心热融钻头为圆管结构，圆管的外侧壁以及底唇面内部均设有发热电阻，两部分发热电阻互相独立工作，取心热融钻头与控制仓内的控制系统相连接，取心热融钻头内的发热电阻由控制仓内的控制系统提供电力并控制工作，冰芯托架内部设有发热电阻，冰芯托架与控制仓内的控制系统相连接，冰芯托架内的发热电阻由控制仓内的控制系统提供电力并控制工作，冰芯托架的上端设有台肩，冰芯托架的底部与外管壁接触，冰芯托架由外管壁提供支撑力。第一丝杠的底部设置有加热槽，加热槽内设置有加热层，加热层内装配有加热电阻，加热槽的侧壁上开设有出水口，加热槽的底部连接有底部热融钻头，底部热融钻头为锥形，加热槽和底部热融钻头均与控制仓内的控制系统相连接，控制仓内的控制系统为加热槽和底部热融钻头提供电力。控制仓内的控制系统包括有信号输入模块、信号处理模块和信号输出模块，其中信号输入模块与信号处理模块相连接，信号处理模块还与信号输出模块相连接，信号输入模块能够把接收到的数据实时传输给信号处理模块进行处理，信号处理模块把接收到的数据处理后发送给信号输出模块向外传输，信号输入模块和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冰层用孔壁定向热融取心钻具，其特征在于：钻具为套管结构，包括有控制仓、孔内定位系统和孔壁取心系统，其中控制仓设在上部，孔壁取心系统设在下部，孔内定位系统连接在孔壁取心系统的顶端，孔壁取心系统由孔内定位系统驱使进行转动，控制仓的下端与孔内定位系统的顶端之间连接有支撑机构，控制仓分别与孔内定位系统和孔壁取心系统相连接，控制仓能够采集孔内定位系统和孔壁取心系统传输的信号，控制仓为孔内定位系统和孔壁取心系统提供动力并控制孔内定位系统和孔壁取心系统的工作。/n

【技术特征摘要】
1.一种冰层用孔壁定向热融取心钻具，其特征在于：钻具为套管结构，包括有控制仓、孔内定位系统和孔壁取心系统，其中控制仓设在上部，孔壁取心系统设在下部，孔内定位系统连接在孔壁取心系统的顶端，孔壁取心系统由孔内定位系统驱使进行转动，控制仓的下端与孔内定位系统的顶端之间连接有支撑机构，控制仓分别与孔内定位系统和孔壁取心系统相连接，控制仓能够采集孔内定位系统和孔壁取心系统传输的信号，控制仓为孔内定位系统和孔壁取心系统提供动力并控制孔内定位系统和孔壁取心系统的工作。


2.根据权利要求1所述的一种冰层用孔壁定向热融取心钻具，其特征在于：所述的控制仓的顶端还连接有电缆仓，电缆仓内的电缆终端的上端与铠装电缆相连接，电缆终端的底部装配有滑环，电缆终端的下端通过电缆与控制仓内的控制系统相连接，控制仓内的控制系统通过铠装电缆与地表控制器相连接，电缆仓的顶部罩设有顶端热融钻头，顶端热融钻头与电缆仓的内腔之间设置有隔热层，顶端热融钻头与控制仓内的控制系统相连接并由控制仓内的控制系统控制工作。


3.根据权利要求1所述的一种冰层用孔壁定向热融取心钻具，其特征在于：所述的控制仓和孔内定位系统之间的支撑机构包括有固定块和支撑臂，其中固定块固连在控制仓的底部和孔内定位系统顶部之间，支撑臂对称设在固定块的两侧，支撑臂与固定块之间通过伸缩弹簧相连接，对应支撑臂的管壁处开设有开口，支撑臂通过该开口能够支撑到井壁上以对整个钻具进行支撑，支撑臂与控制仓内的控制系统相连接并由控制仓内的控制系统控制工作。


4.根据权利要求1所述的一种冰层用孔壁定向热融取心钻具，其特征在于：所述的孔内定位系统包括有驱动电机、减速器、编码器和红外测距仪，其中驱动电机与减速器相连接，减速器的输出轴与下部的孔壁取心系统相连接，驱动电机通过减速器带动孔壁取心系统进行转动，编码器装配在减速器输出轴的底部，编码器与孔壁取心系统同步进行转动，红外测距仪设在减速器的下方，红外测距仪上装配有发射和接收端，对应发射和接收端的管壁上开设有通孔，红外测距仪发射的红外线由发射和接收端发出经过该通孔照射到井壁上并返回被发射和接收端接收，驱动电机、编码器和红外测距仪均与控制仓内的控制系统相连接，编码器和红外测距仪能够把采集的信号实时传输给控制仓内的控制系统，控制仓内的控制系统根据采集的信号进行孔壁取心系统的定位并控制驱动电机和孔壁取心系统的工作。


5.根据权利要求1所述的一种冰层用孔壁定向热融取心钻具，其特征在于：所述的孔壁取心系统的管壁一侧开设有敞口，孔壁取心系统包括有第一电机、第一丝杠、第二电机、第二丝杠、第三电机、第三丝杠和取心热融钻头，其中第一丝杠竖直装配在孔壁取心系统的管壁内侧并对应敞口进行设置，第一丝杠与第一电机相连接并由第一电机驱使进行转动，第一丝杠上螺接有第一滑块，第一丝杠转动过程中带动第一滑块进行上下移动，第一滑块上还装配有位移传感器，第二丝杠通过连接块固连在第一滑块上，第一滑块上下移动的过程中能够带动第二丝杠进行同步移动，第二丝杠与第二电机相连接并由第二电机驱使进行转动，第二丝杠上螺接有第二滑块，第二丝杠转动过程中带动第二滑块进行上下移动，第二丝杠上还连...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹品鲁，陈卓，温成达，王寒，杨合，崔国庆，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22