一种大埋深极地冰下湖快速清洁取样探测装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种大埋深极地冰下湖快速清洁取样探测装置与方法，属于属于极地钻探领域，装置包括热水钻进系统、铠装电缆滑轮、铠装电缆、铠装电缆绞车和冰下湖取样探测器，冰下湖取样探测器包括中继舱和热融探测器，中继舱内设置有线缆卷筒装置用于控制柔性电缆的自动收放，柔性电缆与热融探测器连接；方法采用清洁热水钻技术完成冰下湖上方冰盖的快速钻探，为后续下方热融探测器提供可用的钻孔通道，在热融探测器钻入冰下湖前和从冰下湖提出后，均采用孔内制冷方式使钻孔孔内融水冻结，从而有效的隔离了热水钻孔和冰下湖水，避免了热水钻孔内热水对冰下湖水的污染，尽可能地降低了向冰下湖内引入污染源的可能性。低了向冰下湖内引入污染源的可能性。低了向冰下湖内引入污染源的可能性。

【技术实现步骤摘要】
一种大埋深极地冰下湖快速清洁取样探测装置与方法


[0001]本专利技术属于极地钻探领域，涉及一种极地冰下湖取样探测装置与方法，特别是涉及一种大埋深极地冰下湖快速清洁取样探测装置与方法。

技术介绍

[0002]极地冰盖下分布有大量的冰下湖、冰下河和冰下溪流，其中部分长期被冰盖封闭的冰下湖与外界发生物质交换少，可能赋存有特殊的生命形式。近年来对极地冰下湖的探测已成为国际研究热点。
[0003]钻探取样是获取冰下湖样品的唯一手段，过去十几年间，俄罗斯、美国工程师先后用深冰芯钻探技术和清洁热水钻技术钻入了四个南极冰下湖，获取了部分样品。但深冰芯钻探技术钻进效率低，且需使用有毒钻井液，易对冰下湖水造成污染。相比之下，清洁热水钻对湖水污染较小，但由于地表和冰下湖通过钻孔连通，容易引入污染源，且在钻进中孔内热水会大量进入冰下湖，造成冰下湖水与孔内热水大量的物质交换，极易破坏封闭冰下湖原有的生态平衡。因此目前如何对冰下湖进行无污染取样探测仍是一个难题。

技术实现思路

[0004]针对以上问题，本专利技术的目的是为了解决目前极地冰下湖取样探测方法容易造成污染冰下湖水的问题，而提供一种大埋深极地冰下湖快速清洁取样探测装置与方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提出了一种大埋深极地冰下湖快速清洁取样探测装置，包括热水钻进系统、铠装电缆滑轮、铠装电缆、铠装电缆绞车和冰下湖取样探测器，所述热水钻进系统包括软管滑轮、热水输送软管、热水钻钻具和热水钻绞车，所述热水输送软管的一端与热水钻绞车相连，另一端绕经软管滑轮后与热水钻钻具相连，其特征在于：所述冰下湖取样探测器包括中继舱和热融探测器，所述铠装电缆的一端与铠装电缆绞车相连，另一端绕经铠装电缆滑轮后与中继舱相连；所述中继舱包括导向块、弹簧、位移传感器、外管一、电缆终端、第一水密接头、压力舱上盖、压力舱体、第一半导体制冷片、加热环、第一测控系统、压力舱下盖、外管二、线缆卷筒装置、限位板、电滑环和柔性电缆，导向块、外管一、压力舱上盖、压力舱体、压力舱下盖和外管二从上向下顺次同轴连接；所述导向块上设置有供铠装电缆穿过的中心孔，铠装电缆穿过导向块进入中继舱后与电缆终端固定，电缆终端能够沿外管一内表面上下滑动；所述弹簧固定在电缆终端和导向块之间；所述压力舱上盖、压力舱体和压力舱下盖共同组成密封的压力舱；所述第一半导体制冷片和加热环均固定在压力舱的内侧壁上；所述第一水密接头固定在压力舱上盖上；所述第一测控系统固定在压力舱内部，第一测控系统通过第一水密接头分别与铠装电缆、位移传感器电气连接，第一测控系统还分别与第一半导体制冷片、加热环、线缆卷筒装置电气连接；所述限位板设置在外管二内部，限位板将外管二的内部空间分为上下两部分；所述线缆卷筒装置安装在外管二内部并且位于限位板上方，线缆卷筒装置用于控制柔性电缆的自动收放；所述柔性电缆的一端与电滑环连接，另一端与位于限位板下方的热融探测器连接；所述电滑环与固定在压力舱
下盖上的第二水密接头电性连接，第二水密接头与第一测控系统电气连接；所述热融探测器包括上热融钻头、外管三、第二测控系统、湖水理化参数传感器、采水器、摄像头、剪切销、冷冻舱上盖、冷冻舱体、第三测控系统、冷冻舱下盖、外管四和下热融钻头，所述上热融钻头、外管三、冷冻舱上盖、冷冻舱体、冷冻舱下盖、外管四和下热融钻头从上向下顺次同轴连接，柔性电缆穿过上热融钻头中心孔与第二测控系统相连，第二测控系统、湖水理化参数传感器、采水器和摄像头均固定在外管三内部，上热融钻头通过设置在第二测控系统上部的第三水密接头与第二测控系统电气连接，湖水理化参数传感器、采水器和摄像头均通过设置在第二测控系统底部的第四水密接头与第二测控系统电气连接；所述冷冻舱上盖、冷冻舱体和冷冻舱下盖共同构成密封的冷冻舱，冷冻舱体侧壁固定有第二半导体制冷片，第三测控系统固定在冷冻舱内，第三测控系统一端通过设置在冷冻舱上盖的第五水密接头与第二测控系统电气连接，另一端通过设置在冷冻舱下盖上的第六水密接头与下热融钻头电气连接，并在冷冻舱内与第二半导体制冷片电气连接；所述第二测控系统内部安装有测力传感器，用于检测柔性电缆的张力，从而来判断热融探测器中的上热融钻头是否与限位板接触；所述外管三和冷冻舱上盖之间采用剪切销同轴固定，剪切销的剪断力小于柔性电缆的最大破断力。
[0006]进一步，于外管二的内壁下部安装有扶正环，并且扶正环和外管二同心布置。
[0007]进一步，所述线缆卷筒装置包括卷筒电机、卷筒、丝杆电机、丝杆、排线器、第一导向轮和第二导向轮，所述卷筒电机的输出轴与卷筒同轴连接，卷筒电机用于驱动卷筒转动以收取或释放柔性电缆；所述丝杆电机的输出轴与丝杆同轴连接，丝杆电机用于驱动丝杆转动；所述排线器与丝杆螺纹配合，在丝杆的旋转带动下排线器沿着丝杠上下移动；所述第一导向轮和第二导向轮构成的导向轮组用于对柔性电缆进行导向；所述柔性电缆缠绕在卷筒上，柔性电缆的一端依次连接电滑环和第二水密接头后与第一测控系统电气连接，另一端依次绕经排线器、第一导向轮和第二导向轮后与热融探测器相连。
[0008]进一步，所述外管二内部固定设置有呈上下布置的上固定板和下固定板，卷筒和丝杆的两端均分别通过轴承安装在上固定板和下固定板上，卷筒电机的输出轴通过第一轴承安装在压力舱下盖上；丝杆和丝杆电机之间连接有联轴器。
[0009]进一步，所述电滑环连接在卷筒和卷筒电机之间。
[0010]进一步，所述摄像头的数量为两个，两个摄像头反向布置，分别从开设在外管二的两侧的窗口对冰下湖进行视频观测。
[0011]本专利技术还提出了一种大埋深极地冰下湖快速清洁取样探测方法，其特征在于，该方法基于所述的大埋深极地冰下湖快速清洁取样探测装置进行取样探测，具体所述方法包括如下步骤：
[0012]步骤一、采用热水钻进系统对冰下湖上覆冰盖进行融化钻进以形成钻孔，在钻进至距离冰下湖湖面预定位置时，停止钻进，将热水钻进系统中的热水钻钻具提出孔外；
[0013]步骤二、将消毒灭菌处理后的中继舱和热融探测器通过铠装电缆下放至钻孔孔底，启动中继舱中压力舱内的第一半导体制冷片，使压力舱周围的钻孔孔内水体降温并重新冻结；
[0014]步骤三、当压力舱周围水体全部冻结后，启动中继舱内的线缆卷筒装置，使线缆卷筒装置释放柔性电缆，同时打开热融探测器的下热融钻头，下热融钻头的热量将持续使其
下方的冰层融化形成新的钻孔，直至钻穿冰下湖上覆冰盖，使热融探测器全部进入冰下湖内；
[0015]步骤四、热融探测器进入冰下湖后，开启采水器进行冰下湖湖水样品采集，同时开启湖水理化参数传感器和摄像头，对冰下湖湖水进行视频录制和理化参数测量；
[0016]步骤五、采水和湖水观测结束后，启动中继舱内的线缆卷筒装置，使线缆卷筒装置收取柔性电缆，将热融探测器提拉至中继舱内，之后开启热融探测器中冷冻舱内的第二半导体制冷片，使冷冻舱周围水体重新冻结；并开启中继舱中压力舱内的加热环，融化压力舱周围水体，使中继舱恢复自由；此时由于冷冻舱段已经冻结，冰下湖湖水和位于冷冻舱上部的钻孔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大埋深极地冰下湖快速清洁取样探测装置，包括热水钻进系统、铠装电缆滑轮(5)、铠装电缆(6)、铠装电缆绞车(9)和冰下湖取样探测器，所述热水钻进系统包括软管滑轮(1)、热水输送软管(2)、热水钻钻具(3)和热水钻绞车(4)，所述热水输送软管(2)的一端与热水钻绞车(4)相连，另一端绕经软管滑轮(1)后与热水钻钻具(3)相连，其特征在于：所述冰下湖取样探测器包括中继舱(7)和热融探测器(8)，所述铠装电缆(6)的一端与铠装电缆绞车(9)相连，另一端绕经铠装电缆滑轮(5)后与中继舱(7)相连；所述中继舱(7)包括导向块(10)、弹簧(11)、位移传感器(12)、外管一(13)、电缆终端(14)、第一水密接头(15)、压力舱上盖(16)、压力舱体(17)、第一半导体制冷片(18)、加热环(19)、第一测控系统(20)、压力舱下盖(22)、外管二(24)、线缆卷筒装置、限位板(27)、电滑环(33)和柔性电缆(35)，导向块(10)、外管一(13)、压力舱上盖(16)、压力舱体(17)、压力舱下盖(22)和外管二(24)从上向下顺次同轴连接；所述导向块(10)上设置有供铠装电缆(6)穿过的中心孔，铠装电缆(6)穿过导向块(10)进入中继舱(7)后与电缆终端(14)固定，电缆终端(14)能够沿外管一(13)内表面上下滑动；所述弹簧(11)固定在电缆终端(14)和导向块(10)之间；所述压力舱上盖(16)、压力舱体(17)和压力舱下盖(22)共同组成密封的压力舱；所述第一半导体制冷片(18)和加热环(19)均固定在压力舱的内侧壁上；所述第一水密接头(15)固定在压力舱上盖(16)上；所述第一测控系统(20)固定在压力舱内部，第一测控系统(20)通过第一水密接头(15)分别与铠装电缆(6)、位移传感器(12)电气连接，第一测控系统(20)还分别与第一半导体制冷片(18)、加热环(19)、线缆卷筒装置电气连接；所述限位板(27)设置在外管二(24)内部，限位板(27)将外管二(24)的内部空间分为上下两部分；所述线缆卷筒装置安装在外管二(24)内部并且位于限位板(27)上方，线缆卷筒装置用于控制柔性电缆(35)的自动收放；所述柔性电缆(35)的一端与电滑环(33)连接，另一端与位于限位板(27)下方的热融探测器(8)连接；所述电滑环(33)与固定在压力舱下盖(22)上的第二水密接头(52)电性连接，第二水密接头(52)与第一测控系统(20)电气连接；所述热融探测器(8)包括上热融钻头(39)、外管三(40)、第二测控系统(41)、湖水理化参数传感器(42)、采水器(43)、摄像头(44)、剪切销(45)、冷冻舱上盖(46)、冷冻舱体(47)、第三测控系统(48)、冷冻舱下盖(49)、外管四(50)和下热融钻头(51)，所述上热融钻头(39)、外管三(40)、冷冻舱上盖(46)、冷冻舱体(47)、冷冻舱下盖(49)、外管四(50)和下热融钻头(51)从上向下顺次同轴连接，柔性电缆(35)穿过上热融钻头(39)中心孔与第二测控系统(41)相连，第二测控系统(41)、湖水理化参数传感器(42)、采水器(43)和摄像头(44)均固定在外管三(40)内部，上热融钻头(39)通过设置在第二测控系统(41)上部的第三水密接头(53)与第二测控系统(41)电气连接，湖水理化参数传感器(42)、采水器(43)和摄像头(44)均通过设置在第二测控系统(41)底部的第四水密接头(54)与第二测控系统(41)电气连接；所述冷冻舱上盖(46)、冷冻舱体(47)和冷冻舱下盖(49)共同构成密封的冷冻舱，冷冻舱体(47)侧壁固定有第二半导体制冷片(57)，第三测控系统(48)固定在冷冻舱内，第三测控系统(48)一端通过设置在冷冻舱上盖(46)的第五水密接头(55)与第二测控系统(41)电气连接，另一端通过设置在冷冻舱下盖(49)上的第六水密接头(56)与下热融钻头(51)电气连接，并在冷冻舱内与第二半导体制冷片(57)电气连接；所述第二测控系统(41)内部安装有测力传感器，用于检测柔性电缆(35)的张力，从而来判断热融探测器(8)中的上热融钻头(39)是否与限位板(27)接触；所述外管三(40)和冷冻舱上盖(46)之间采用剪切销(45)同轴固定，剪切销(45)的剪断力小于柔性电缆(35)的最大破
断力。2.根据权利要求1所述的大埋深极地冰下湖快速清洁取样探测装置，其特征在于：于外管二(24)的内壁下部安装有扶正环(28)，并且扶正环(28)和外管二(24)同心布置。3.根据权利要求1所述的大埋深极地冰下湖快速清洁取样探测装置，其特征在于：所述线缆卷筒装置包括卷筒电机(21)、卷筒(25)、丝杆电机(29)、丝杆(34)、排线器(36)、第一导向轮(37)和第二导向轮(38)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：范晓鹏，孙友宏，帕维尔达拉拉伊，宫达，王婷，张楠，王如生，洪嘉琳，陈艳吉，刘昀忱，杨阳，韩博，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：