[發明專利]熱水驅動自旋轉冰層取芯鉆進方法及裝置

有效

• 申請號: 201710300548.1
• 申請日: 2017-04-29
• 公開（公告）號: CN106907106B
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發明（設計）人: 范曉鵬;達拉拉伊;曹品魯;張楠;王如生;王婷;劉剛;劉安
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: E21B4/02
• 分類號: E21B4/02;E21B7/00;E21B21/00;E21B17/10;E21B25/00;E21B44/00
• 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

本發明公開了一種熱水驅動自旋轉冰層取芯鉆進方法及裝置，該方法是采用熱水作為動力介質驅動孔底鉆具回轉進而完成取芯鉆進，利用旋流噴射器原理，通過在鉆頭體內部設計引流通道，引導熱水從鉆頭側壁噴出，熱水反作用力將驅動鉆頭進行回轉，從而切削冰層完成鉆進。裝置包括熱水管、電纜、電纜終端、觸底檢測機構、分水接頭、上扶正器、電氣艙、下扶正器、過渡管及下部雙管鉆具和自旋轉鉆頭。本發明將旋流噴射器原理應用于孔底碎巖，可實現極地冰層快速取芯鉆探；本發明采用熱?機械混合方式進行取樣鉆進，熱水既為孔底鉆具提供孔底動力，同時也將鉆進產生的冰屑帶離孔底并融化，提高了孔底動力鉆具的壽命和鉆進效率。

技術領域

本發明涉及一種熱水驅動自旋轉冰層取芯鉆進方法及裝置。

背景技術

目前常用的深冰芯鉆探方法多為鎧裝電纜式電動機械取芯鉆探方法，該方法具有功率小、重量輕等優點，但地表輔助操作較多，鉆進周期長，鉆進效率低，往往幾年甚至十幾年才能完成一個冰孔鉆進，無法滿足科學家日已增長的科研需求，因此亟待研發一種能夠快速完成冰層取芯鉆探的方法。

發明內容

本發明的目的提供一種熱水驅動自旋轉冰層取芯鉆進方法。

本發明的另一目的提供一種熱水驅動自旋轉冰層取芯鉆進裝置。

本發明提供的一種熱水驅動自旋轉冰層取芯鉆進方法是：

采用熱水作為動力介質驅動孔底鉆具回轉進而完成取芯鉆進，利用旋流噴射器原理，通過在鉆頭體內部設計引流通道，引導熱水從鉆頭側壁噴出，熱水反作用力將驅動鉆頭進行回轉，從而切削冰層完成鉆進，冰層切削鉆頭采用常規深冰芯鉆探用工具鋼刀頭。鉆進產生的冰屑被熱水帶離孔底，并在向上運輸過程中融化，因此無需設計專門的冰屑收集裝置，簡化了鉆具結構。熱水采用管路輸送至孔底鉆具，同時采用電纜為鉆具內傳感器及通訊模塊進行供電，并實現地表對孔內鉆進參數的監測。為了保證鉆具盡量垂直向下鉆進，在鉆具上部設計扶正器，使上部鉆具始終處于鉆孔中心。

采用本發明的鉆進方法，鉆具回轉動力由熱水高速噴出的反作用力提供，避免了采用螺桿馬達等孔底動力鉆具易磨損，壽命短等缺點。

本發明之一種熱水驅動自旋轉冰層取芯鉆進裝置包括熱水管、電纜、電纜終端、觸底檢測機構、分水接頭、上扶正器、電氣艙、下扶正器、過渡管及下部雙管鉆具和自旋轉鉆頭，其中熱水管和電纜捆綁一起下放，熱水管為熱水通道，地表熱水通過熱水管送至鉆具，電纜為鉆具提供電力，并完成地表與鉆具的信號通訊；電纜終端用于連接電纜與鉆具，觸底檢測機構安裝由位移傳感器和彈簧機構，通過位移傳感器檢測彈簧壓縮量，從而計算得出電纜承受的拉力值，當電纜上承受拉力等于重力時，表明鉆具處于懸吊狀態，當電纜上承受拉力小于重力時，說明鉆具已經到達孔底，此時即可通水進行鉆進。分水接頭與熱水管相連，用于將熱水管中熱水導入鉆具內部。上扶正器和下扶正器分別于徑向均布三根矩形板簧片，依靠板簧片進入孔內發生變形，從而將鉆具維持在鉆孔中心。電氣艙為耐高壓密封艙，內部填充常壓空氣，鉆具內信號采集及通訊模塊均安裝在電氣艙內，且安裝有溫度和壓力傳感器，用于對鉆具內熱水溫度和水壓進行檢測。

下部鉆具通過過渡管?與下扶正器相連，其結構為單動雙管，鉆進時鉆具外管不轉動，自旋轉鉆頭帶動冰芯管回轉鉆進。下部鉆具結構包括接頭、密封圈、軸承、軸承擋環、單動接頭、鎖緊螺母、單向球閥、鉆具外管和冰芯管。其中接頭上部與過渡管螺紋連接，鉆具外管通過螺紋與接頭連接。冰芯管通過螺紋與單動接頭相連，單動接頭內由兩套軸承與接頭芯軸配合，兩套軸承之間由軸承擋環進行限位。密封圈可保證熱水不會從單動接頭和接頭之間間隙進入冰芯管。接頭下部加工有螺紋，通過鎖緊螺母可實現對單動接頭的限位。自旋轉鉆頭通過螺紋連接在冰芯管底部。