CN109798071A - 一种极地冰川用超声波热水钻进装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极地冰川用超声波热水钻进装置及方法，属于极地冰川勘探技术领域，钻进装置由地表供水***、加热***、水循环***、超波声热水钻进***和电动绞车***组成，加热***将供水加热并输送至热水喷嘴处形成高速射流对冰层进行融化钻进。在钻进过程中，潜水泵抽出钻孔内混合水送至加热***作为继续钻进的热水原料。超声波热水钻头能够在冰雪层进行快速开孔，有效避免了常规热水钻头在冰雪层钻进过程中的大量热水漏失情况；超声波热水钻头能够有效解决卡钻问题；超声波的机械作用、热效应和空化激励辅助高温水流的机械冲刷，极大程度上加快了热水钻进的效率，并有效解决钻进过程中孔内热水易冻结的问题，扩大极地勘探范围。

Description

一种极地冰川用超声波热水钻进装置及方法

技术领域

本发明属于极地冰川勘探技术领域，特别涉及一种极地冰川用超声波热水钻进装置及方法。

背景技术

热水钻探技术是勘探极地冰川领域目前广泛使用的方法，具有钻进速度快、安全性高、成本低廉的优点，适于深部冰层钻进，但存在设备复杂庞大，钻耗能量高的缺点，并且在钻进冰层上方几十米至几百米不等的冰雪层时热水漏失严重，降低钻进效率，增加经济损失。在热水钻进预开孔作业中，通常采用以下两种方式：(1)采用机械钻进方式时，熔融的冰雪易粘结在切削齿，降低钻进效率，严重时发生卡钻事故；(2)采用热熔方法钻进时，钻头热量通过钻头与冰层之间存在的薄膜水层进行传递，大部分热量被用来扩宽孔径，导致实际热效率较低。上述两种开孔方法均需要更换钻头，操作复杂繁琐，耗费人力物力。

发明内容

本发明的目的是为了解决热水钻在极地冰川钻进过程中发生在冰雪层中的热水漏失严重的问题，提供了一种极地冰川用超声波热水钻进装置及方法，解决了极地冰川钻进过程中卡钻问题，在疏松构造的冰雪层中无需更换钻具，节省了大量人力物力，避免热水漏失，提高水资源利用率，节省能源，并能够以超声波振动的机械效应、热效应和空化效应辅助高温高压水流的机械冲刷，加快冰层的钻进进程，进一步提高了冰层钻进速度，有效提升钻进效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种极地冰川用超声波热水钻进装置，其特征在于，该钻进装置由地表供水***、加热***、水循环***、超波声热水钻进***和电动绞车***组成，所述地表供水***与加热***连接；所述加热***包括加热器；所述水循环***包括供水***和抽水***两部分，供水***包括高温高压泵、阀门及热水管，所述高温高压泵的吸入口与加热器连通；所述热水管的进水端与高温高压泵的排出口连接，热水管的出水端伸入超声波热水钻头内且下端面与超声波热水钻头的下端面齐平，热水管与超声波热水钻头内壁紧密连接，热水管伸入超声波热水钻头部分管径为由大变小的变径结构，其小口径端为热水喷嘴；所述阀门设置在热水管上；抽水***包括潜水泵、返水管、储水箱和抽水泵，所述返水管的一端与潜水泵的出水口连接，返水管的另一端与位于地表的储水箱连接；所述抽水泵的吸入口通过管路与储水箱连接，抽水泵的排出口通过管路与加热器连接；超波声热水钻进***包括铠装电缆、超声波发生器和超声波热水钻头，铠装电缆的一端与超声波发生器连接，铠装电缆的另一端与超声波热水钻头连接；超声波发生器设置在地表，具有两个驱动电源，分别为第一驱动电源、第二驱动电源，第一驱动电源用于控制超声波热水钻头的钻进动作，第二驱动电源用于控制超声波热水钻头的解卡动作；所述超声波热水钻头包括自上而下依次同轴设置的第二变幅杆、第二压电陶瓷、第二法兰盘、拉力传感器、第一法兰盘、第一压电陶瓷、第一变幅杆及工具头，所述第二变幅杆、第二压电陶瓷及第二法兰盘相互配合并通过螺栓固定连接，其中第二压电陶瓷的电压输入端通过铠装电缆与第二驱动电源连接；所述拉力传感器的一端与第二法兰盘连接，拉力传感器的另一端与第一法兰盘连接；所述第一法兰盘、第一压电陶瓷、第一变幅杆及工具头相互配合并通过螺栓固定连接，其中第一压电陶瓷的电压输入端通过铠装电缆与第一驱动电源连接；所述电动绞车***包括主绞车和副绞车，主绞车用于控制超声波热水钻头的升降动作；副绞车用于控制潜水泵的升降动作。

进一步，所述加热器为燃油锅炉加热器。

进一步，所述热水管为耐高温胶管。

进一步，所述热水管的外部套设有丁晴橡胶保温管。

其中，所述耐高温胶管为乙丙橡胶管、氟橡胶管或硅橡胶管。

本发明还提供了一种极地冰川用超声波热水钻进方法，其特征在于，该钻进方法采用上述钻进装置进行钻进，具体包括如下步骤：

步骤一、选定极地冰川目标勘探区域，获取目标勘探区域地质资料，根据所述地质资料预先设定预开孔深度及钻进深度，确定钻井实施方案，完成预开孔定位工作；

步骤二、钻机就位，启动主绞车，下放超声波热水钻头；

步骤三、在冰雪层进行预开孔钻进作业：

启动第一驱动电源，第一驱动电源输出的超声波频率电信号经铠装电缆传送至第一压电陶瓷，第一压电陶瓷将接收到的超声波频率电信号转换成机械振动，经第一变幅杆放大后传输至工具头对冰雪层冲击钻进，直至钻至预定深度；

步骤四、在预开孔作业完成后，打开地表供水***，开启加热器，加热冰层钻进所需要的热水；

步骤五、启动高温高压泵，打开阀门，热水经热水管输送到热水喷嘴处，通过阀门控制热水流速和流量，同时通过第一驱动电源调整超声波热水钻头的频率与振幅，进行冰层的融化钻进工作；

步骤六、当钻孔内水面到达一定高度后，启动副绞车，下放潜水泵至钻孔水面以下；

步骤七、潜水泵将钻孔内的混合水抽出经由返水管输送至储水箱，再通过抽水泵输送至加热器内，作为继续钻进的热水原料；

步骤八、钻进预定深度后，关闭阀门和第一驱动电源，控制电动绞车***收回超声波热水钻头及潜水泵；

步骤九、在回次过程中，当拉力传感器数据显示异常时，关闭阀门，停止超声波热水钻头热水的供应，启动第二驱动电源，第二驱动电源输出的超声波频率电信号经铠装电缆传递给第二压电陶瓷，第二压电陶瓷将接收到的超声波频率电信号转换成机械振动经第二变幅杆放大，使位于超声波热水钻头上部的冰融化，同时启动主绞车上拉超声波热水钻头，进行解卡，解卡完毕后关闭第二驱动电源并回收超声波热水钻头。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明既能作为热水钻开孔用钻具，也能与热水钻结合使用，在冰雪层预开孔钻进阶段关闭热水进入阀门，仅使用超声波工作，在冰层钻进工作时打开热水进入阀门即可进行热水钻进，无需重新打捞、更换钻具，结构简单，操作方便，一是解决了在进行电动机械钻进预开孔时所产生的钻井液污染问题，保护了周围脆弱的生态环境，更避免出现熔融冰雪粘结钻具造成卡钻等孔内事故的危险，提高了开孔钻进效率；二是有效避免了常规热水钻在冰雪层发生的热水严重漏失问题，节省了热水与电力资源，三是在发生卡钻事故时能够快速解卡钻头。在钻进过程中，超声波的机械作用、热效应与空化效应结合高温高压水流的机械冲刷，加快周围冰层的融化与脱落，提高热水钻进的效率，扩大极地勘探范围；潜水泵抽取混合水作为超声波热水钻头原料的一部分循环使用，节省了水资源与电力资源，提高资源利用率，加强了对极地脆弱环境生态的保护。此外，超声波热水钻头的高频振动具有除垢防垢作用，能够配合水流喷射，在钻进过程同时清洗钻孔，不易发生堵塞，机具故障小，故而可在夹杂有粉砂的冰层环境中持续工作；超声波能够有效降低水的冻结速率，防止钻孔内水的复冻，有助于潜水泵长时间连续正常运行。超声波热水钻头保养简便，在回次结束后空载启动超声波热水钻头即能进行脱冰。在周围低温环境条件下，冰屑及冷空气能够自然冷却超声波热水钻头，有效延长工作时间，是传统钻进所不及的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1为根据本发明实施例的极地冰川用超声波热水钻进装置的结构示意图。

图2为根据本发明实施例的超声波热水钻头的结构示意图。

图中各标记如下：1为地表供水***，2为加热器，3为高温高压泵，4为阀门，5为热水管，6为铠装电缆接头，7为铠装电缆，8为第一驱动电源，9为第二驱动电源，10为主绞车，11为冰层，12为混合水，13为超声波热水钻头，14为潜水泵，15为返水管，16为副绞车，17为储水箱，18为抽水泵，19为热水通道，20为第二变幅杆，21为第二压电陶瓷，22为第二法兰盘，23为拉力传感器，24为第一法兰盘，25为第一压电陶瓷，26为第一变幅杆，27为工具头，28为热水喷嘴。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量、或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“上”、“下”仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1及图2所示，本发明提供了一种极地冰川用超声波热水钻进装置，该钻进装置由地表供水***1、加热***、水循环***、超波声热水钻进***和电动绞车***组成，所述地表供水***1与加热***连接。所述加热***包括加热器2，优选地，加热器2采用燃油锅炉加热器，加热***在地表将供水加热至80℃～90℃。所述水循环***包括供水***和抽水***两部分，供水***包括高温高压泵3、阀门4及热水管5，所述高温高压泵3选择上海申贝泵业制造有限公司生产制造的SHP系列卧式三柱塞单作用高压往复泵，可输送热水温度上限为90℃；高温高压泵3的吸入口与加热器2连通；所述热水管5的进水端与高温高压泵3的排出口连接，热水管5的出水端伸入超声波热水钻头13内且下端面与超声波热水钻头13的下端面齐平，热水管5与超声波热水钻头13内壁紧密连接，热水管5伸入超声波热水钻头13部分管径为由大变小的变径结构，其小口径端为热水喷嘴28，变径增压结构能够在热水流量不变的情况下减小出水面积，增大热水喷出压力、提高射流速度，热水管5为耐高温胶管，耐高温胶管采用乙丙橡胶管、氟橡胶管或硅橡胶管，热水管5的外部套有丁晴橡胶保温管防止热水热量的散失；所述阀门4设置在热水管5上，阀门4用于控制热水的输送、热水流速和流量；抽水***包括潜水泵14、返水管15、储水箱17和抽水泵18，返水管15的一端与潜水泵14的出水口连接，另一端与位于地表的储水箱17连接；所述抽水泵18的吸入口通过管路与储水箱17连接，抽水泵18的排出口通过管路与加热器2连接；潜水泵14将钻孔内混合水12抽出至储水箱17后经抽水泵18送至加热器2，再次加热后重新注入热水管5的热水通道19内，构成水循环***的循环流动回路。超波声热水钻进***包括铠装电缆7、超声波发生器和超声波热水钻头13，铠装电缆7的一端与超声波发生器连接，铠装电缆7的另一端与超声波热水钻头13连接，铠装电缆7为超声波热水钻头13输送电力，同时铠装电缆7置于热水管5外部并通过铠装电缆接头6与热水管5连接；超声波发生器设置在地表，具有两个驱动电源，分别为第一驱动电源8、第二驱动电源9，第一驱动电源8用于控制超声波热水钻头13的钻进动作，第二驱动电源9用于控制超声波热水钻头13的解卡动作；所述超声波热水钻头13包括自上而下依次同轴设置的第二变幅杆20、第二压电陶瓷21、第二法兰盘22、拉力传感器23、第一法兰盘24、第一压电陶瓷25、第一变幅杆26及工具头27，所述第二变幅杆20、第二压电陶瓷21及第二法兰盘22相互配合并通过螺栓固定连接，其中第二压电陶瓷21的电压输入端通过铠装电缆7与第二驱动电源9连接；所述拉力传感器23的一端与第二法兰盘22连接，拉力传感器23的另一端与第一法兰盘24连接；所述第一法兰盘24、第一压电陶瓷25、第一变幅杆26及工具头27相互配合并通过螺栓固定连接，其中第一压电陶瓷25的电压输入端通过铠装电缆7第一驱动电源8连接；第一压电陶瓷25和第二压电陶瓷21形成独立工作的并联电路，在工作过程中互不干扰。超声波热水钻头13各个部分达到谐振状态，避免出现各部分之间的不稳定导致钻孔倾斜等情况，钻进过程更加稳定；所述第一变幅杆26及第二变幅杆20的通孔和第一压电陶瓷25、第二压电陶瓷21、第一法兰盘24、拉力传感器23及第二法兰盘22的内直径相同，第一变幅杆26、第二变幅杆20、第一压电陶瓷25、第二压电陶瓷21、第一法兰盘24、拉力传感器23及第二法兰盘22的内壁与热水管5紧密连接。所述超声波热水钻头13的工具头27中间具有通孔，通孔直径小于第一变幅杆26的通孔直径，工具头27中间通孔的内壁与热水管5紧密连接。电动绞车***包括主绞车10和副绞车16，主绞车10用于控制超声波热水钻头13的升降动作；副绞车16用于控制潜水泵14的升降动作。

本发明提供的一种极地冰川用超声波热水钻进方法采用上述钻进装置进行钻进，加热***在地表将供水加热至80℃～90℃，通过热水管5经高温高压泵3输送至位于超声波热水钻头13头部部位的热水喷嘴28处，通过单孔热水喷嘴28形成高速射流，对超声波热水钻头13下方的冰层进行融化钻进。在钻进过程中，潜水泵14抽出钻孔内冰层融水和热水喷嘴28喷出热水的混合水12，经由抽水***的返水管15上返至地表储水箱17储存，并通过抽水泵18送至加热***作为继续钻进的热水原料，形成钻进水循环***。超声波热水钻头13能够在冰雪层进行快速开孔，有效避免了常规热水钻头在冰雪层钻进过程中的大量热水漏失情况；超声波热水钻头13能够有效解决卡钻问题；超声波的机械作用、热效应和空化激励辅助高温水流的机械冲刷，极大程度上加快了热水钻进的效率，并有效解决钻进过程中孔内热水易冻结的问题，有利于潜水泵14持续工作，扩大极地勘探范围；潜水泵14抽出的混合水12能够作为水循环原料使用，节省了水资源与电力资源，加强了对极地脆弱环境生态的保护。

具体包括步骤如下：

步骤一、选定极地冰川目标勘探区域，获取目标勘探区域地质资料，根据所述地质资料预先设定预开孔深度及钻进深度，确定钻井实施方案，完成预开孔定位工作；

步骤二、钻机就位，启动主绞车10，下放超声波热水钻头13；

步骤三、在冰雪层进行预开孔钻进作业：

启动第一驱动电源8，第一驱动电源8输出的超声波频率电信号经铠装电缆7传送至第一压电陶瓷25，第一压电陶瓷25将接收到的超声波频率电信号转换成机械振动，经第一变幅杆26放大后传输至工具头27对冰雪层冲击钻进，直至钻至预定深度；

步骤四、在预开孔作业完成后，根据钻进需要计算所需热水流量，打开地表供水***1，开启加热器2，加热冰层11钻进所需要的热水；

步骤五、启动高温高压泵3，打开阀门4，将热水通过热水管5输送到热水喷嘴28处，通过阀门4控制热水流速和流量，同时通过第一驱动电源8调整超声波热水钻头13的频率与振幅，继续进行冰层11的融化钻进工作；

步骤六、当钻孔内水面到达一定高度后，启动副绞车16，下放潜水泵14至钻孔水面以下；

步骤七、潜水泵14将钻孔内的混合水12抽出经由返水管15输送至储水箱17，再通过抽水泵18输送至加热器2内，作为继续钻进的热水原料；

步骤八、钻进预定深度后，关闭阀门4和第一驱动电源8，控制电动绞车***收回超声波热水钻头13及潜水泵14；

步骤九、在回次过程中，当遇到卡钻(拉力传感器23数据显示异常)时，关闭阀门4，停止超声波热水钻头13热水的供应，启动第二驱动电源9，第二驱动电源9输出的超声波频率电信号经铠装电缆7传递给第二压电陶瓷21，第二压电陶瓷21将接收到的超声波频率电信号转换成机械振动经第二变幅杆20放大，使位于超声波热水钻头13上部的冰融化，同时启动主绞车10上拉超声波热水钻头13，进行解卡，解卡完毕后关闭第二驱动电源9并回收超声波热水钻头13。

Claims (6)

1.一种极地冰川用超声波热水钻进装置，其特征在于，该钻进装置由地表供水***、加热***、水循环***、超波声热水钻进***和电动绞车***组成，所述地表供水***与加热***连接；所述加热***包括加热器；所述水循环***包括供水***和抽水***两部分，供水***包括高温高压泵、阀门及热水管，所述高温高压泵的吸入口与加热器连通；所述热水管的进水端与高温高压泵的排出口连接，热水管的出水端伸入超声波热水钻头内且下端面与超声波热水钻头的下端面齐平，热水管与超声波热水钻头内壁紧密连接，热水管伸入超声波热水钻头部分管径为由大变小的变径结构，其小口径端为热水喷嘴；所述阀门设置在热水管上；抽水***包括潜水泵、返水管、储水箱和抽水泵，所述返水管的一端与潜水泵的出水口连接，返水管的另一端与位于地表的储水箱连接；所述抽水泵的吸入口通过管路与储水箱连接，抽水泵的排出口通过管路与加热器连接；超波声热水钻进***包括铠装电缆、超声波发生器和超声波热水钻头，铠装电缆的一端与超声波发生器连接，铠装电缆的另一端与超声波热水钻头连接；超声波发生器设置在地表，具有两个驱动电源，分别为第一驱动电源、第二驱动电源，第一驱动电源用于控制超声波热水钻头的钻进动作，第二驱动电源用于控制超声波热水钻头的解卡动作；所述超声波热水钻头包括自上而下依次同轴设置的第二变幅杆、第二压电陶瓷、第二法兰盘、拉力传感器、第一法兰盘、第一压电陶瓷、第一变幅杆及工具头，所述第二变幅杆、第二压电陶瓷及第二法兰盘相互配合并通过螺栓固定连接，其中第二压电陶瓷的电压输入端通过铠装电缆与第二驱动电源连接；所述拉力传感器的一端与第二法兰盘连接，拉力传感器的另一端与第一法兰盘连接；所述第一法兰盘、第一压电陶瓷、第一变幅杆及工具头相互配合并通过螺栓固定连接，其中第一压电陶瓷的电压输入端通过铠装电缆与第一驱动电源连接；所述电动绞车***包括主绞车和副绞车，主绞车用于控制超声波热水钻头的升降动作；副绞车用于控制潜水泵的升降动作。

2.根据权利要求1所述的极地冰川用超声波热水钻进装置，其特征在于，所述加热器为燃油锅炉加热器。

3.根据权利要求1所述的极地冰川用超声波热水钻进装置，其特征在于，所述热水管为耐高温胶管。

4.根据权利要求1所述的极地冰川用超声波热水钻进装置，其特征在于，所述热水管的外部套设有丁晴橡胶保温管。

5.根据权利要求3所述的极地冰川用超声波热水钻进装置，其特征在于，所述耐高温胶管为乙丙橡胶管、氟橡胶管或硅橡胶管。

6.一种极地冰川用超声波热水钻进方法，其特征在于，该钻进方法采用权利要求1-5中任意一项所述钻进装置进行钻进，具体包括如下步骤：

步骤一、选定极地冰川目标勘探区域，获取目标勘探区域地质资料，根据所述地质资料预先设定预开孔深度及钻进深度，确定钻井实施方案，完成预开孔定位工作；

步骤二、钻机就位，启动主绞车，下放超声波热水钻头；

步骤三、在冰雪层进行预开孔钻进作业：

启动第一驱动电源，第一驱动电源输出的超声波频率电信号经铠装电缆传送至第一压电陶瓷，第一压电陶瓷将接收到的超声波频率电信号转换成机械振动，经第一变幅杆放大后传输至工具头对冰雪层冲击钻进，直至钻至预定深度；

步骤四、在预开孔作业完成后，打开地表供水***，开启加热器，加热冰层钻进所需要的热水；

步骤五、启动高温高压泵，打开阀门，热水经热水管输送到热水喷嘴处，通过阀门控制热水流速和流量，同时通过第一驱动电源调整超声波热水钻头的频率与振幅，进行冰层的融化钻进工作；

步骤六、当钻孔内水面到达一定高度后，启动副绞车，下放潜水泵至钻孔水面以下；

步骤七、潜水泵将钻孔内的混合水抽出经由返水管输送至储水箱，再通过抽水泵输送至加热器内，作为继续钻进的热水原料；

步骤八、钻进预定深度后，关闭阀门和第一驱动电源，控制电动绞车***收回超声波热水钻头及潜水泵；

步骤九、在回次过程中，当拉力传感器数据显示异常时，关闭阀门，停止超声波热水钻头热水的供应，启动第二驱动电源，第二驱动电源输出的超声波频率电信号经铠装电缆传递给第二压电陶瓷，第二压电陶瓷将接收到的超声波频率电信号转换成机械振动经第二变幅杆放大，使位于超声波热水钻头上部的冰融化，同时启动主绞车上拉超声波热水钻头，进行解卡，解卡完毕后关闭第二驱动电源并回收超声波热水钻头。