[发明专利]热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法及装置

说明书

本发明公开了一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法及装置，该方法是采用热水作为动力介质驱动孔底钻具回转进而完成取芯钻进，利用旋流喷射器原理，通过在钻头体内部设计引流通道，引导热水从钻头侧壁喷出，热水反作用力将驱动钻头进行回转，从而切削冰层完成钻进。装置包括热水管、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。本发明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；本发明采用热‑机械混合方式进行取样钻进，热水既为孔底钻具提供孔底动力，同时也将钻进产生的冰屑带离孔底并融化，提高了孔底动力钻具的寿命和钻进效率。

技术领域

本发明涉及一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法及装置。

背景技术

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

本发明的目的提供一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法。

本发明的另一目的提供一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进装置。

本发明提供的一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进方法是：

采用热水作为动力介质驱动孔底钻具回转进而完成取芯钻进，利用旋流喷射器原理，通过在钻头体内部设计引流通道，引导热水从钻头侧壁喷出，热水反作用力将驱动钻头进行回转，从而切削冰层完成钻进，冰层切削钻头采用常规深冰芯钻探用工具钢刀头。钻进产生的冰屑被热水带离孔底，并在向上运输过程中融化，因此无需设计专门的冰屑收集装置，简化了钻具结构。热水采用管路输送至孔底钻具，同时采用电缆为钻具内传感器及通讯模块进行供电，并实现地表对孔内钻进参数的监测。为了保证钻具尽量垂直向下钻进，在钻具上部设计扶正器，使上部钻具始终处于钻孔中心。

采用本发明的钻进方法，钻具回转动力由热水高速喷出的反作用力提供，避免了采用螺杆马达等孔底动力钻具易磨损，寿命短等缺点。

本发明之一种热水驱动自旋转冰层取芯钻进装置包括热水管、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、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。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。接头下部加工有螺纹，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。