[發明專利]一種極地冰川用超聲波熱水鉆進裝置及方法

在審

• 申請號: 201910246324.6
• 申請日: 2019-03-29
• 公開（公告）號: CN109798071A
• 公開（公告）日: 2019-05-24
• 發明（設計）人: 趙大軍;王晨;周宇;黃亦斌
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: E21B7/24
• 分類號: E21B7/24;E21B7/14;E21B7/18;E21B21/12;E21B36/02
• 代理公司: 長春市吉利專利事務所 22206
• 代理人: 李曉莉;王楠楠

本發明公開了一種極地冰川用超聲波熱水鉆進裝置及方法，屬于極地冰川勘探技術領域，鉆進裝置由地表供水系統、加熱系統、水循環系統、超波聲熱水鉆進系統和電動絞車系統組成，加熱系統將供水加熱并輸送至熱水噴嘴處形成高速射流對冰層進行融化鉆進。在鉆進過程中，潛水泵抽出鉆孔內混合水送至加熱系統作為繼續鉆進的熱水原料。超聲波熱水鉆頭能夠在冰雪層進行快速開孔，有效避免了常規熱水鉆頭在冰雪層鉆進過程中的大量熱水漏失情況；超聲波熱水鉆頭能夠有效解決卡鉆問題；超聲波的機械作用、熱效應和空化激勵輔助高溫水流的機械沖刷，極大程度上加快了熱水鉆進的效率，并有效解決鉆進過程中孔內熱水易凍結的問題，擴大極地勘探范圍。

技術領域

本發明屬于極地冰川勘探技術領域，特別涉及一種極地冰川用超聲波熱水鉆進裝置及方法。

背景技術

熱水鉆探技術是勘探極地冰川領域目前廣泛使用的方法，具有鉆進速度快、安全性高、成本低廉的優點，適于深部冰層鉆進，但存在設備復雜龐大，鉆耗能量高的缺點，并且在鉆進冰層上方幾十米至幾百米不等的冰雪層時熱水漏失嚴重，降低鉆進效率，增加經濟損失。在熱水鉆進預開孔作業中，通常采用以下兩種方式：(1)采用機械鉆進方式時，熔融的冰雪易粘結在切削齒，降低鉆進效率，嚴重時發生卡鉆事故；(2)采用熱熔方法鉆進時，鉆頭熱量通過鉆頭與冰層之間存在的薄膜水層進行傳遞，大部分熱量被用來擴寬孔徑，導致實際熱效率較低。上述兩種開孔方法均需要更換鉆頭，操作復雜繁瑣，耗費人力物力。

發明內容

本發明的目的是為了解決熱水鉆在極地冰川鉆進過程中發生在冰雪層中的熱水漏失嚴重的問題，提供了一種極地冰川用超聲波熱水鉆進裝置及方法，解決了極地冰川鉆進過程中卡鉆問題，在疏松構造的冰雪層中無需更換鉆具，節省了大量人力物力，避免熱水漏失，提高水資源利用率，節省能源，并能夠以超聲波振動的機械效應、熱效應和空化效應輔助高溫高壓水流的機械沖刷，加快冰層的鉆進進程，進一步提高了冰層鉆進速度，有效提升鉆進效率。

為實現上述目的，本發明提供了一種極地冰川用超聲波熱水鉆進裝置，其特征在于，該鉆進裝置由地表供水系統、加熱系統、水循環系統、超波聲熱水鉆進系統和電動絞車系統組成，所述地表供水系統與加熱系統連接；所述加熱系統包括加熱器；所述水循環系統包括供水系統和抽水系統兩部分，供水系統包括高溫高壓泵、閥門及熱水管，所述高溫高壓泵的吸入口與加熱器連通；所述熱水管的進水端與高溫高壓泵的排出口連接，熱水管的出水端伸入超聲波熱水鉆頭內且下端面與超聲波熱水鉆頭的下端面齊平，熱水管與超聲波熱水鉆頭內壁緊密連接，熱水管伸入超聲波熱水鉆頭部分管徑為由大變小的變徑結構，其小口徑端為熱水噴嘴；所述閥門設置在熱水管上；抽水系統包括潛水泵、返水管、儲水箱和抽水泵，所述返水管的一端與潛水泵的出水口連接，返水管的另一端與位于地表的儲水箱連接；所述抽水泵的吸入口通過管路與儲水箱連接，抽水泵的排出口通過管路與加熱器連接；超波聲熱水鉆進系統包括鎧裝電纜、超聲波發生器和超聲波熱水鉆頭，鎧裝電纜的一端與超聲波發生器連接，鎧裝電纜的另一端與超聲波熱水鉆頭連接；超聲波發生器設置在地表，具有兩個驅動電源，分別為第一驅動電源、第二驅動電源，第一驅動電源用于控制超聲波熱水鉆頭的鉆進動作，第二驅動電源用于控制超聲波熱水鉆頭的解卡動作；所述超聲波熱水鉆頭包括自上而下依次同軸設置的第二變幅桿、第二壓電陶瓷、第二法蘭盤、拉力傳感器、第一法蘭盤、第一壓電陶瓷、第一變幅桿及工具頭，所述第二變幅桿、第二壓電陶瓷及第二法蘭盤相互配合并通過螺栓固定連接，其中第二壓電陶瓷的電壓輸入端通過鎧裝電纜與第二驅動電源連接；所述拉力傳感器的一端與第二法蘭盤連接，拉力傳感器的另一端與第一法蘭盤連接；所述第一法蘭盤、第一壓電陶瓷、第一變幅桿及工具頭相互配合并通過螺栓固定連接，其中第一壓電陶瓷的電壓輸入端通過鎧裝電纜與第一驅動電源連接；所述電動絞車系統包括主絞車和副絞車，主絞車用于控制超聲波熱水鉆頭的升降動作；副絞車用于控制潛水泵的升降動作。

進一步，所述加熱器為燃油鍋爐加熱器。

進一步，所述熱水管為耐高溫膠管。

進一步，所述熱水管的外部套設有丁晴橡膠保溫管。