[实用新型]热水驱动自旋转冰层取芯钻进装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进装置。

背景技术

南极冰盖层中蕴藏着大量的微生物、微体动植物肢体、火山喷发的微粒、核爆炸的核微尘及大气中裹胁而来的各种微尘。由于南极冰芯直接记录着远古时代的大气组成，蕴藏着珍贵的古气候和古环境信息，找到年代久远的冰芯，对于重建地球的历史演化以及预测全球气候和环境的演变意义重大。因此，目前世界各国都竞相在南极寻找年代久远的深冰芯。目前常用的深冰芯钻探方法多为铠装电缆式电动机械取芯钻探方法，该方法具有功率小、重量轻等优点，但地表辅助操作较多，钻进周期长，钻进效率低，往往几年甚至十几年才能完成一个冰孔钻进，无法满足科学家日已增长的科研需求，因此亟待研发一种能够快速完成冰层取芯钻探的方法。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进装置。

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、上扶正器、电气舱、下扶正器、过渡管及下部双管钻具和自旋转钻头，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。上扶正器和下扶正器分别于径向均布三根矩形板簧片，依靠板簧片进入孔内发生变形，从而将钻具维持在钻孔中心。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。

下部钻具通过过渡管与下扶正器相连，其结构为单动双管，钻进时钻具外管不转动，自旋转钻头带动冰芯管回转钻进。下部钻具结构包括接头、第一密封圈、轴承、轴承挡环、单动接头、锁紧螺母、单向球阀、钻具外管和冰芯管。其中接头上部与过渡管螺纹连接，钻具外管通过螺纹与接头连接。冰芯管通过螺纹与单动接头相连，单动接头内由两套轴承与接头芯轴配合，两套轴承之间由轴承挡环进行限位。第一密封圈可保证热水不会从单动接头和接头之间间隙进入冰芯管。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。自旋转钻头通过螺纹连接在冰芯管底部。

自旋转钻头由骨架密封、过渡接头、第二密封圈、芯管、钻头体、冰芯卡断器、卡断器销轴、刀头及螺钉组成。其中过渡接头上部与冰芯管连接，下部与钻头体螺纹连接，中部安装有第二密封圈，用于封闭过渡接头与钻具外管环状间隙。钻头体中心采用螺纹与芯管相连，芯管上部安装有骨架密封，通过与过渡接头内表面配合实现密封。冰芯卡断器通过卡断器销轴固定在钻头体上，轴向均布三个，卡断器可围绕卡断器销轴自由转动。刀头通过螺钉固定钻头体底部，径向均布三个。钻头体内部设计有竖直流道和侧喷流道，两者相互贯通，热水可经由竖直流道和侧喷流道喷出钻头体外。

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，流经上扶正器、电气舱、下扶正器到达接头处，并通过接头流道进入钻具外管与冰芯管环状间隙，然后经由过渡接头侧孔、钻头体竖直流道，由侧喷流道喷出钻头体外。高速喷出的热水对钻头体产生发作用力，从而驱动钻头进行回转钻进，此时刀头、钻头体、芯管、过渡接头和冰芯管将同步转动，钻具外管则保持静止。

钻进产生的冰芯样品进入冰芯管内，为了防止冰芯管内存水对冰芯产生静水压力，降低钻进速度，在接头中心设置有单向阀。当冰芯管内存水压力达到某一数值，单向球阀打开，冰芯管内存水通过接头中心水道排出钻具。回次钻进结束后，提拉钻具，冰芯卡断器将切入并卡断冰芯，继续上提钻具至地表，清除冰芯然后开始下一回次钻进。

钻进过程中，上扶正器和下扶正器支撑在孔壁上，有利于将钻具保持在钻孔中心，可最大程度的减小孔斜。

本实用新型的有益效果：

本实用新型将旋流喷射器原理应用于孔底碎岩，可实现极地冰层快速取芯钻探，为极地冰盖快速取芯提供了新的技术手段，对加快极地研究的发展具有重要作用。