CN108868595B - 一种极地冰层空气反循环快速钻探*** - Google Patents

一种极地冰层空气反循环快速钻探*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种极地冰层空气反循环快速钻探***，包括有空压机、空气循环管路、空气反循环双管钻具和冰屑冰芯收集装置，其中空压机与空气循环管路的进气管相连接，空压机为空气循环管路提供带有压力的循环空气，空气反循环双管钻具装配在空气循环管路的下端，冰屑冰芯收集装置连接在空气循环管路的出口处用于收集空气反循环双管钻具钻取的冰芯和冰屑。有益效果：整套***紧凑、轻便，操作简单，可靠性高，钻进速度快，辅助时间短，适于极地环境下取芯或全面钻进。

Description

一种极地冰层空气反循环快速钻探***
技术领域
本发明涉及一种反循环快速钻探***，特别涉及一种极地冰层空气反循环快速钻探***。
背景技术
目前，极地地区气温低、远离人类污染，同其它气候代用指标相比具有信息量大且保真度好、时间分辨率高、时间尺度范围大、分布面积广等特点，是研究全球气候变化最为关键的地区之一。获得年代久远的冰芯，对于重建地球历史演化以及预测全球气候变迁具有重要意义。快速采集冰芯样品或快速获得钻孔以在孔内对冰盖温度、压力、冰流特性、地磁特性等进行监测，已成为当前国际冰芯研究的重要手段。
然而受恶劣气候和地表冰雪环境的影响，极地钻探较为复杂，目前常采用铠装电缆式电动机械取心钻具进行冰层取心钻探。该方法利用铠装电缆将电动机械钻具送至孔内进行钻进，回次结束后利用电缆将钻具提至地表获取冰芯和冰屑，然后再将钻具下放至孔底继续钻进，周而复始。由于该方法需要提钻取心，钻进辅助时间长，钻进效率低，导致极地取心钻探施工周期较长，严重制约了极地钻探科学技术的发展。此外，现有钻探方法采用钻井液作为循环介质，在冰盖上部积雪层和雪冰层施工时，钻井液极易漏失而污染极地自然环境，且钻井液对冰芯亦有一定的影响，因此急需一种环保、安全、快速的取心钻探技术。
近年来，空气反循环连续取心钻进技术因其具有不停钻连续取心、钻进效率和取心率高、对岩心无污染等优点，在常规地质岩心钻探领域得到了广泛的应用。如若将其应用到极地冰层钻探中，将大幅提高极地钻探钻进效率。然而由于常规空气反循环钻进方法需要采用钻机和双壁钻杆，设备重量大、结构复杂、功率消耗高，对后勤保障及人员专业素质提出了更高的要求，而且需不断加接双壁钻杆，钻探劳动强度大，不适于在极地地区大面积推广应用。因此，研发轻便、快速、高效、低耗的空气反循环钻进技术，提高极地冰层钻探效率、降低极地钻探综合成本具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决在极地钻探工程中所用的现有钻探设备在使用过程中存在的诸多问题而提供的一种极地冰层空气反循环快速钻探***。
本发明提供的极地冰层空气反循环快速钻探***包括有空压机、空气循环管路、空气反循环双管钻具和冰屑冰芯收集装置，其中空压机与空气循环管路的进气管相连接，空压机为空气循环管路提供带有压力的循环空气，空气反循环双管钻具装配在空气循环管路的下端，冰屑冰芯收集装置连接在空气循环管路的出口处用于收集空气反循环双管钻具钻取的冰芯和冰屑。
空压机设有两台，两台空压机串联，空压机与空气循环管路连接的管路上设有气体冷却装置和气体干燥装置用于循环空气的冷却和干燥，两台空压机、气体冷却装置和气体干燥装置均设在雪橇上。
空气循环管路为柔性管组成，空气循环管路绕设在绞车上，绞车的中心轴为空心的，中心轴上开设有空气循环管路的进气口和出气口，空气循环管路通过绞车的中心轴进行连通，空气循环管路为单循环管路或双循环管路，当空气循环管路为单循环管路时，空气循环管路是由进气管和出气管组成，进气管与空气反循环双管钻具相连通给空气反循环双管钻具提供压力空气，出气管与空气反循环双管钻具和冰屑冰芯收集装置相连通并把空气反循环双管钻具钻取的冰屑冰芯输送到冰屑冰芯收集装置中，当空气循环管路为双循环管路时，内管为出气通道，内管与空气反循环双管钻具和冰屑冰芯收集装置相连通并把空气反循环双管钻具钻取的冰屑冰芯输送到冰屑冰芯收集装置中，外管的内壁与内管的外壁之间为进气通道，进气通道与空气反循环双管钻具相连通给空气反循环双管钻具提供压力空气，空气循环管路上还设置有导向架，绞车和导向架也设置在雪橇上。
空气反循环双管钻具上部外管的内壁上设置有空气马达，空气马达设在与进气通道相连通的通道上，空气马达为空气反循环双管钻具下端的钻头提供动力，空气反循环双管钻具中心管的下部开设有排气口，排气口处的中心管内腔中插设有内置管。
空压机、空气反循环双管钻具、冰屑冰芯收集装置、气体冷却装置和气体干燥装置均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
本发明的工作原理：
本发明的目的是提供一种移动方便、操作简单以及重量轻、钻速快的冰层空气反循环钻进***，钻进作业时，开启空压机，高压空气经过气体干燥装置和气体冷却装置的干燥、冷却处理后，通过绞车中心轴上的通道进入柔性进气管，然后进入空气反循环双管钻具的外环间隙，驱动空气马达回转，空气马达经变速后带动双壁冰芯管和反循环钻头回转切削雪层或冰层，实现钻进。空气反循环双管钻具反扭***支撑在孔壁上，用于承受下部钻具回转切削产生的反扭矩。高压气体驱动空气马达后，经由双壁冰芯管的环状间隙下行至反循环钻头，然后依靠反循环钻头的引射原理进入钻头的中心管，携带冰屑和冰芯上行，经过空气反循环双管钻具的中心管进入单通道空气循环管路的出气管或双通道空气循环管路中心的出气通道，然后继续上返至地表的冰屑冰芯收集装置，形成全孔反循环。
反循环钻头可为反循环全面破碎冰钻钻头，用于快速钻孔。当需要取芯时，可更换为反循环取芯冰钻钻头。无论是全面破碎钻头还是取芯钻头，均依靠其中心管中的内置管引射结构实现反循环。
本发明的有益效果：
本发明提供的极地冰层空气反循环钻进***所有设备均安装在雪橇上，方便在极地冰雪路面上快速移动。采用绞车和柔性管代替传统的钻机和双壁钻杆，使得钻探装备重量、尺寸和功耗大幅度降低，减轻了极地后勤保障负担。同时，采用绞车提升和下放钻具，无需经常加接钻杆，大幅节省了钻进辅助时间。利用空压机提供的高压气体直接驱动空气马达工作，带动孔内钻具回转切削冰层，孔内无需额外动力，使得钻具结构极为简单且可靠性大幅增加。利用空气反循环实现冰屑冰芯的上返携带，不但能够有效防止循环介质在上部积雪层的漏失，而且不采用钻井液，有效避免了钻井液对极地环境的污染。更重要的是，冰芯和冰屑可连续不断地上返至地表，无需经常提放钻具，钻进效率高。因此，整套***紧凑、轻便，操作简单，可靠性高，钻进速度快，辅助时间短，适于极地环境下取芯或全面钻进。
附图说明
图1为本发明所述钻探***为单循环管路时的整体结构示意图。
图2为本发明所述钻探***为双循环管路时的整体结构示意图。
图3为本发明所述钻探***为单循环管路时的绞车结构示意图。
图4为本发明所述钻探***为双循环管路时的绞车结构示意图。
图5为本发明所述空气循环管路为双循环管路时的断面示意图。
图6为本发明所述空气反循环双管钻具结构示意图。
1、空压机 2、空气循环管路 3、空气反循环双管钻具
4、冰屑冰芯收集装置 5、气体冷却装置 6、气体干燥装置 7、雪橇
8、绞车 9、中心轴 10、进气口 11、出气口 12、进气管
13、出气管 14、出气通道 15、进气通道 16、导向架
17、空气马达 18、排气口 19、内置管。
具体实施方式
请参阅图1至图6所示：
本发明提供的极地冰层空气反循环快速钻探***包括有空压机1、空气循环管路2、空气反循环双管钻具3和冰屑冰芯收集装置4，其中空压机1与空气循环管路2的进气管12相连接，空压机1为空气循环管路2提供带有压力的循环空气，空气反循环双管钻具3装配在空气循环管路2的下端，冰屑冰芯收集装置4连接在空气循环管路2的出口处用于收集空气反循环双管钻具3钻取的冰芯和冰屑。
空压机1设有两台，两台空压机1串联，空压机1与空气循环管路2连接的管路上设有气体冷却装置5和气体干燥装置6用于循环空气的冷却和干燥，两台空压机1、气体冷却装置5和气体干燥装置6均设在雪橇7上。
空气循环管路2为柔性管组成，空气循环管路2绕设在绞车8上，绞车8的中心轴9为空心的，中心轴9上开设有空气循环管路2的进气口10和出气口11，空气循环管路2通过绞车8的中心轴9进行连通，空气循环管路2为单循环管路或双循环管路，当空气循环管路2为单循环管路时，空气循环管路2是由进气管12和出气管13组成，进气管12与空气反循环双管钻具3相连通给空气反循环双管钻具3提供压力空气，出气管13与空气反循环双管钻具3和冰屑冰芯收集装置4相连通并把空气反循环双管钻具3钻取的冰屑冰芯输送到冰屑冰芯收集装置4中，当空气循环管路2为双循环管路时，空气循环管路2为一双通道管结构，其中内管为出气通道14，内管与空气反循环双管钻具3和冰屑冰芯收集装置4相连通并把空气反循环双管钻具3钻取的冰屑冰芯输送到冰屑冰芯收集装置4中，外管的内壁与内管的外壁之间为进气通道15，进气通道15与空气反循环双管钻具3相连通给空气反循环双管钻具3提供压力空气，空气循环管路2上还设置有导向架16，绞车8和导向架16也设置在雪橇7上。
空气反循环双管钻具3上部外管的内壁上设置有空气马达17，空气马达17设在与进气通道15相连通的通道上，空气马达17为空气反循环双管钻具3下端的钻头提供动力，空气反循环双管钻具3中心管的下部开设有排气口18，排气口18处的中心管内腔中插设有内置管19。
空压机1、空气反循环双管钻具3、冰屑冰芯收集装置4、气体冷却装置5和气体干燥装置6均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
本发明的工作原理：
本发明的目的是提供一种移动方便、操作简单以及重量轻、钻速快的冰层空气反循环钻进***，钻进作业时，开启空压机1，高压空气经过气体干燥装置6和气体冷却装置5的干燥、冷却处理后，通过绞车8中心轴9上的通道进入柔性进气管12，然后进入空气反循环双管钻具3的外环间隙，驱动空气马达17回转，空气马达17经变速后带动双壁冰芯管和反循环钻头回转切削雪层或冰层，实现钻进。空气反循环双管钻具3反扭***支撑在孔壁上，用于承受下部钻具回转切削产生的反扭矩。高压气体驱动空气马达17后，经由双壁冰芯管的环状间隙下行至反循环钻头，然后依靠反循环钻头的引射原理进入钻头的中心管，携带冰屑和冰芯上行，经过空气反循环双管钻具3的中心管进入单通道空气循环管路的出气管13或双通道空气循环管路中心的出气通道14，然后继续上返至地表的冰屑冰芯收集装置4，形成全孔反循环。
反循环钻头可为反循环全面破碎冰钻钻头，用于快速钻孔。当需要取芯时，可更换为反循环取芯冰钻钻头。无论是全面破碎钻头还是取芯钻头，均依靠其中心管中的内置管19引射结构实现反循环。

Claims (1)

1.一种极地冰层空气反循环快速钻探***，包括有空压机、空气循环管路、空气反循环双管钻具和冰屑冰芯收集装置，其中空压机与空气循环管路的进气管相连接，空压机为空气循环管路提供带有压力的循环空气，空气反循环双管钻具装配在空气循环管路的下端，冰屑冰芯收集装置连接在空气循环管路的出口处用于收集空气反循环双管钻具钻取的冰芯和冰屑，其特征在于：所述的空气循环管路为柔性管组成，空气循环管路绕设在绞车上，绞车的中心轴为空心的，中心轴上开设有空气循环管路的进气口和出气口，空气循环管路通过绞车的中心轴进行连通，空气循环管路为单循环管路或双循环管路，当空气循环管路为单循环管路时，空气循环管路是由进气管和出气管组成，进气管与空气反循环双管钻具相连通给空气反循环双管钻具提供压力空气，出气管与空气反循环双管钻具和冰屑冰芯收集装置相连通并把空气反循环双管钻具钻取的冰屑冰芯输送到冰屑冰芯收集装置中，当空气循环管路为双循环管路时，空气循环管路为一双通道管结构，其中内管为出气通道，内管与空气反循环双管钻具和冰屑冰芯收集装置相连通并把空气反循环双管钻具钻取的冰屑冰芯输送到冰屑冰芯收集装置中，外管的内壁与内管的外壁之间为进气通道，进气通道与空气反循环双管钻具相连通给空气反循环双管钻具提供压力空气，空气循环管路上还设置有导向架，绞车和导向架也设置在雪橇上。
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