[發明專利]用于冰層鉆進的熱水鉆系統

有效

• 申請號: 201710211086.6
• 申請日: 2017-04-01
• 公開（公告）號: CN106837177B
• 公開（公告）日: 2019-03-12
• 發明（設計）人: 帕維爾達拉拉伊;劉剛;曹品魯;王如生;范曉鵬;楊陽;劉博文;劉安;米沙
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: E21B7/14
• 分類號: E21B7/14
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張建成

本發明公開了一種用于冰層鉆進的熱水鉆系統，包括有熱水鉆裝置和還包括有自動控制裝置；熱水鉆裝置包括噴嘴及鉆具、高壓軟管、桅桿、電動絞車、高壓加熱器、高壓泵和水箱，其中桅桿的頂端設置有天車滑輪，自動控制裝置包括伺服電機、稱重傳感器和編碼器、鉆孔參數觀測儀器和控制器，稱重傳感器、編碼器和鉆孔參數觀測儀器與控制器連接，伺服電機由控制器控制，伺服電機安裝于電動絞車內，可根據控制器的指令調整電動絞車的運轉狀態。鉆具下放速度可以自動控制，能防止鉆孔變形，不會造成嚴重的孔斜事故；自動控制裝置可實時獲取各項鉆進參數，并根據獲取的鉆進參數調節鉆進速度，以協助該熱水鉆系統實現最大鉆進效率。

技術領域

本發明涉及極地和冰川鉆探領域，特別涉及一種用于冰層鉆進的熱水鉆系統。

背景技術

熱水鉆技術在南北極及山地冰川鉆探中已經有半個世紀的發展，目前是極地冰層鉆進中發展最快、應用最廣泛、前景最好的鉆進方法，該方法因其低污染、高效率在南極鉆探領域具有不可替代的地位。世界上在南極科研領域較活躍的國家都已經在南極實施了熱水鉆項目，其中，英美等國家持續在南極進行熱水鉆項目超過三十年之久。相比之下，中國的熱水鉆發展還處于技術攻關的起步階段，所以我國科研人員設計制造了該熱水鉆系統。縱觀國外已有的熱水鉆系統，鉆進速度一般依靠現場工作人員的經驗來控制，很難應用最優的鉆進參數，獲取最大的鉆進效率。鉆具下放速度過快，噴嘴離孔底過近，會受到液流反沖擊，造成噴嘴振動，鉆孔變形，甚至可能造成嚴重的孔斜事故；鉆具下放速度低，則鉆進速度也會較低，但熱水鉆能耗高，時間成本高。節省鉆進時間將極大地節約鉆進成本，故研究獲取高效鉆進效率的控制系統具有巨大的經濟價值。

發明內容

本發明的目的是為了研發一套極地冰層鉆進用熱水鉆系統及一套適用于該系統的自動控制系統。

本發明包括熱水鉆裝置和自動控制裝置；

所述的熱水鉆裝置包括噴嘴及鉆具、高壓軟管、桅桿、電動絞車、高壓加熱器、高壓泵和水箱，其中桅桿的頂端設置有天車滑輪，電動絞車通過伺服電機帶動，熱水鉆噴嘴與鉆具由高壓軟管懸吊，高壓軟管由電動絞車引出并由天車滑輪支撐，高壓泵一端與水箱連接，高壓泵另一端連接高壓加熱器；高壓軟管的一端與高壓加熱器連通，高壓軟管另一端與噴嘴及鉆具的噴嘴連通；

所述的自動控制裝置包括伺服電機、稱重傳感器和編碼器、鉆孔參數觀測儀器和控制器，稱重傳感器、編碼器和鉆孔參數觀測儀器與控制器連接，伺服電機由控制器控制，鉆孔參數觀測儀器安裝在噴嘴及鉆具的鉆具內，所述的鉆孔參數觀測儀器包括測徑儀、溫度傳感器和測斜儀等。伺服電機安裝于電動絞車內，可根據控制器的指令調整電動絞車的運轉狀態。稱重傳感器共有三個，呈犄角形安裝于天車滑輪底部，可實時反饋高壓軟管所受拉力。編碼器安裝于天車滑輪側面，用于實時監測鉆具提升或下放速度。

本發明的工作過程：

高壓泵將水箱中的水泵入高壓加熱器內，高壓加熱器迅速將水加熱至所需的溫度，加熱后的熱水沿高壓軟管經電動絞車和天車滑輪進入噴嘴及鉆具，并由噴嘴噴出，快速融化孔底的冰層以實現高效鉆進。

鉆進過程中，噴嘴離孔底較遠時，稱重傳感器反饋的壓力值相對平穩，自動控制裝置自動發出提升下鉆速度的指令；隨著噴嘴逐漸接近孔底，由于熱水直接噴射沖擊孔底而產生較大的反作用力，壓力數值會隨之產生波動，自動控制裝置能夠根據波動大小降低下鉆速度，促使壓力數值趨于穩定。通過壓力數值的變化，實時調節鉆進速度，從而確保鉆具以最佳鉆進速度進行鉆進，實現高效鉆進。自動控制裝置可實時獲取各個傳感器反饋的信號，并根據壓力反饋數值，控制位于卷揚的伺服電機，調節鉆進速度。

本發明的有益效果：

鉆具下放速度可以自動控制，能防止鉆孔變形，不會造成嚴重的孔斜事故；自動控制裝置可實時獲取各項鉆進參數，并根據獲取的鉆進參數調節鉆進速度，以協助該熱水鉆系統實現最大鉆進效率。

附圖說明