[实用新型]极地冰下基岩热水取心钻进装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种极地冰下基岩热水取心钻进装置。

背景技术

南极大陆是地球上最古老的大陆之一，它不仅保存有多种多样的古老克拉通陆块，是探索地球早期演化的理想场所，其科学意义非常突出。获取冰盖下基岩岩心并对其进行深入分析，可以推断地壳形成和演变过程、大陆互相碰撞和挤压的历史过程、板块构造理论等，从而了解南极内陆地质构造历史，研究南极冰层的冻融、滑移和变形速度，以及冰川动力学及气候变化都具有非常重要的意义。

目前，尚且没有任何一个国家在南极内陆成功钻取冰下沉积岩样品。由于极地地表及冰川极低的温度，交通困难，物资贫乏，天气恶劣，地层环境复杂等不利条件，给钻进工作带来了很大的难度。而极地每个工作季的时间短暂，采用常规方法钻进想要钻穿冰盖到达基岩界面往往需要几年甚至几十年时间，想要获得多个孔位的岩心更是难上加难。研制可快速钻至冰岩界面并完成基岩采样的钻进设备迫在眉睫。

本实用新型提供一种极地冰下基岩热水取心钻进方法及装置。该方法及装置可与热水钻系统相结合使用，先期采用热水钻快速钻穿冰盖到达冰岩界面，然后改为采用本实用新型的热水取心钻具进行基岩取心钻进，达到快速高效采样目的。

发明内容

本实用新型的目的提供一种极地冰下基岩热水取心钻进装置。

本实用新型包括热水管、电缆、电缆终端、触底检测机构、分水接头、反扭装置、电气舱、岩屑管、螺杆马达及下部双管钻具和钻头；

其中热水管和电缆捆绑一起下放，热水管为热水通道，地表热水通过热水管送至钻具，电缆为钻具提供电力，并完成地表与钻具的信号通讯；电缆终端用于连接电缆与钻具，触底检测机构安装由位移传感器和弹簧机构，通过位移传感器检测弹簧压缩量，从而计算得出电缆承受的拉力值，当电缆上承受拉力等于重力时，表明钻具处于悬吊状态，当电缆上承受拉力小于重力时，说明钻具已经到达孔底，此时即可通水进行钻进。分水接头与热水管相连，用于将热水管中热水导入钻具内部。

反扭装置为板状反扭类型，沿径向均布三根矩形反扭板，每根反扭板由反扭片和热熔片组成，其中热熔片内埋置有加热元件，加热元件通过加热元件电缆与电气舱相连。反扭片和热熔片分别采用螺钉固定在反钮装置外管上。电气舱为耐高压密封舱，内部填充常压空气，钻具内信号采集及通讯模块均安装在电气舱内，且安装有温度和压力传感器，用于对钻具内热水温度和水压进行检测。岩屑管固定座与反扭装置相连，岩屑管通过螺纹连接在岩屑管固定座上。

螺杆马达为钻具回转动力源，螺杆马达外壳与岩屑管固定座相连，在钻进时保持不转动，螺杆马达内螺杆在热水驱动下回转并通过螺杆马达输出轴与下部钻具相连，驱动下部钻具和钻头回转切削完成钻进取样。螺杆马达具有外管。

为了尽量减小钻具回转对岩心质量的影响，下部钻具设计为单动双管结构，即钻进时钻具外管带动钻头回转钻进，岩心管则不回转减少对冰心磨损。其具体结构包括旋转接头、密封圈、轴承、轴承挡环、单动接头、锁紧螺母、单向球阀、钻具外管和岩心管。其中旋转接头上部通过平键与螺杆马达输出轴相连，钻具外管通过螺纹与旋转接头连接，螺杆马达输出轴、旋转接头、钻具外管和钻头保持同步转动。岩心管通过螺纹与单动接头相连，单动接头内由两套轴承与旋转接头心轴配合，两套轴承之间由轴承挡环进行限位。密封圈可保证热水不会从单动接头和旋转接头之间间隙进入冰心管。旋转接头下部加工由螺纹，通过锁紧螺母可实现对单动接头的限位。钻头通过螺纹连接在钻具外管底部。

本实用新型的工作过程：

向下钻进时，首先利用地表绞车将钻具放入孔内，并连续下放，下放过程中随时观察触底检测机构反馈的触底压力数值，当触底压力持续增大至与钻具重量相当，表明钻具已到达孔底，此时停止下放，并通过热水管向钻具内泵送热水开始钻进。

热水从分水接头处进入钻具内部，流经上反扭装置、电气舱、岩屑管固定座到达螺杆马达，并驱动螺杆马达回转，为钻进提供动力。从螺杆马达流出的热水继续经过旋转接头内部水道进入钻具外管和冰心管之间间隙，并从钻头底位喷出。