本發(fā)明涉及一種極地冰下基巖熱水取心鉆進(jìn)方法及裝置。

背景技術(shù)：

南極大陸是地球上最古老的大陸之一，它不僅保存有多種多樣的古老克拉通陸塊，是探索地球早期演化的理想場(chǎng)所，其科學(xué)意義非常突出。獲取冰蓋下基巖巖心并對(duì)其進(jìn)行深入分析，可以推斷地殼形成和演變過(guò)程、大陸互相碰撞和擠壓的歷史過(guò)程、板塊構(gòu)造理論等，從而了解南極內(nèi)陸地質(zhì)構(gòu)造歷史，研究南極冰層的凍融、滑移和變形速度，以及冰川動(dòng)力學(xué)及氣候變化都具有非常重要的意義。

目前，尚且沒(méi)有任何一個(gè)國(guó)家在南極內(nèi)陸成功鉆取冰下沉積巖樣品。由于極地地表及冰川極低的溫度，交通困難，物資貧乏，天氣惡劣，地層環(huán)境復(fù)雜等不利條件，給鉆進(jìn)工作帶來(lái)了很大的難度。而極地每個(gè)工作季的時(shí)間短暫，采用常規(guī)方法鉆進(jìn)想要鉆穿冰蓋到達(dá)基巖界面往往需要幾年甚至幾十年時(shí)間，想要獲得多個(gè)孔位的巖心更是難上加難。研制可快速鉆至冰巖界面并完成基巖采樣的鉆進(jìn)設(shè)備迫在眉睫。

本發(fā)明提供一種極地冰下基巖熱水取心鉆進(jìn)方法及裝置。該方法及裝置可與熱水鉆系統(tǒng)相結(jié)合使用，先期采用熱水鉆快速鉆穿冰蓋到達(dá)冰巖界面，然后改為采用本發(fā)明的熱水取心鉆具進(jìn)行基巖取心鉆進(jìn)，達(dá)到快速高效采樣目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的提供一種極地冰下基巖熱水取心鉆進(jìn)方法。

本發(fā)明的另一目的提供一種極地冰下基巖熱水取心鉆進(jìn)裝置。

本發(fā)明之一種極地冰下基巖熱水取心鉆進(jìn)方法是：采用熱水作為動(dòng)力介質(zhì)驅(qū)動(dòng)孔底鉆具回轉(zhuǎn)進(jìn)而完成基巖取心鉆進(jìn)，孔底動(dòng)力裝置可為螺桿馬達(dá)或渦輪馬達(dá)，熱水采用管路輸送至孔底鉆具，同時(shí)采用電纜為鉆具內(nèi)傳感器及通訊模塊進(jìn)行供電，并實(shí)現(xiàn)地表對(duì)孔內(nèi)鉆進(jìn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)。巖石鉆進(jìn)鉆頭采用仿生金剛石鉆頭，通過(guò)回轉(zhuǎn)磨削向下鉆進(jìn)，同時(shí)鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑被熱水帶離孔底，并沿鉆具與孔壁環(huán)狀間隙上返，鉆具上方設(shè)計(jì)由專(zhuān)門(mén)的巖屑收集裝置，該裝置利用流體力學(xué)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，巖屑收集裝置上部鉆具直徑變小，當(dāng)攜帶有巖屑的熱水流經(jīng)巖屑收集裝置，熱水流速降低，巖屑依靠重力下落至巖屑收集裝置內(nèi)。采用此方法進(jìn)行鉆進(jìn)，需在鉆具上方設(shè)計(jì)反扭裝置，防止上部鉆具在鉆頭鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于巖心鉆探反鈕裝置需克服較大鉆進(jìn)扭矩，因此需設(shè)計(jì)大扭矩反扭裝置。

本發(fā)明之一種極地冰下基巖熱水取心鉆進(jìn)裝置包括熱水管、電纜、電纜終端、觸底檢測(cè)機(jī)構(gòu)、分水接頭、反扭裝置、電氣艙、巖屑管、螺桿馬達(dá)及下部雙管鉆具和鉆頭；

其中熱水管和電纜捆綁一起下放，熱水管為熱水通道，地表熱水通過(guò)熱水管送至鉆具，電纜為鉆具提供電力，并完成地表與鉆具的信號(hào)通訊；電纜終端用于連接電纜與鉆具，觸底檢測(cè)機(jī)構(gòu)安裝由位移傳感器和彈簧機(jī)構(gòu)，通過(guò)位移傳感器檢測(cè)彈簧壓縮量，從而計(jì)算得出電纜承受的拉力值，當(dāng)電纜上承受拉力等于重力時(shí)，表明鉆具處于懸吊狀態(tài)，當(dāng)電纜上承受拉力小于重力時(shí)，說(shuō)明鉆具已經(jīng)到達(dá)孔底，此時(shí)即可通水進(jìn)行鉆進(jìn)。分水接頭與熱水管相連，用于將熱水管中熱水導(dǎo)入鉆具內(nèi)部。

反扭裝置為板狀反扭類(lèi)型，沿徑向均布三根矩形反扭板，每根反扭板由反扭片和熱熔片組成，其中熱熔片內(nèi)埋置有加熱元件，加熱元件通過(guò)加熱元件電纜與電氣艙相連。反扭片和熱熔片分別采用螺釘固定在反鈕裝置外管上。電氣艙為耐高壓密封艙，內(nèi)部填充常壓空氣，鉆具內(nèi)信號(hào)采集及通訊模塊均安裝在電氣艙內(nèi)，且安裝有溫度和壓力傳感器，用于對(duì)鉆具內(nèi)熱水溫度和水壓進(jìn)行檢測(cè)。巖屑管固定座與反扭裝置相連，巖屑管通過(guò)螺紋連接在巖屑管固定座上。

螺桿馬達(dá)為鉆具回轉(zhuǎn)動(dòng)力源，螺桿馬達(dá)外殼與巖屑管固定座相連，在鉆進(jìn)時(shí)保持不轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿馬達(dá)內(nèi)螺桿在熱水驅(qū)動(dòng)下回轉(zhuǎn)并通過(guò)螺桿馬達(dá)輸出軸與下部鉆具相連，驅(qū)動(dòng)下部鉆具和鉆頭回轉(zhuǎn)切削完成鉆進(jìn)取樣。螺桿馬達(dá)具有外管。

為了盡量減小鉆具回轉(zhuǎn)對(duì)巖心質(zhì)量的影響，下部鉆具設(shè)計(jì)為單動(dòng)雙管結(jié)構(gòu)，即鉆進(jìn)時(shí)鉆具外管帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，巖心管則不回轉(zhuǎn)減少對(duì)冰心磨損。其具體結(jié)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)接頭、密封圈、軸承、軸承擋環(huán)、單動(dòng)接頭、鎖緊螺母、單向球閥、鉆具外管和巖心管。其中旋轉(zhuǎn)接頭上部通過(guò)平鍵與螺桿馬達(dá)輸出軸相連，鉆具外管通過(guò)螺紋與旋轉(zhuǎn)接頭連接，螺桿馬達(dá)輸出軸、旋轉(zhuǎn)接頭、鉆具外管和鉆頭保持同步轉(zhuǎn)動(dòng)。巖心管通過(guò)螺紋與單動(dòng)接頭相連，單動(dòng)接頭內(nèi)由兩套軸承與旋轉(zhuǎn)接頭心軸配合，兩套軸承之間由軸承檔環(huán)進(jìn)行限位。密封圈可保證熱水不會(huì)從單動(dòng)接頭和旋轉(zhuǎn)接頭之間間隙進(jìn)入冰心管。旋轉(zhuǎn)接頭下部加工由螺紋，通過(guò)鎖緊螺母可實(shí)現(xiàn)對(duì)單動(dòng)接頭的限位。鉆頭通過(guò)螺紋連接在鉆具外管底部。

本發(fā)明的工作過(guò)程：

向下鉆進(jìn)時(shí)，首先利用地表絞車(chē)將鉆具放入孔內(nèi)，并連續(xù)下放，下放過(guò)程中隨時(shí)觀察觸底檢測(cè)機(jī)構(gòu)反饋的觸底壓力數(shù)值，當(dāng)觸底壓力持續(xù)增大至與鉆具重量相當(dāng)，表明鉆具已到達(dá)孔底，此時(shí)停止下放，并通過(guò)熱水管向鉆具內(nèi)泵送熱水開(kāi)始鉆進(jìn)。

熱水從分水接頭處進(jìn)入鉆具內(nèi)部，流經(jīng)上反扭裝置、電氣艙、巖屑管固定座到達(dá)螺桿馬達(dá)，并驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)回轉(zhuǎn)，為鉆進(jìn)提供動(dòng)力。從螺桿馬達(dá)流出的熱水繼續(xù)經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部水道進(jìn)入鉆具外管和冰心管之間間隙，并從鉆頭底位噴出。

鉆進(jìn)時(shí)，螺桿馬達(dá)輸出軸通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭帶動(dòng)鉆具外管和鉆頭進(jìn)行回轉(zhuǎn)切削完成鉆進(jìn)，鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑由噴出的熱水將其帶離孔底并沿鉆具與孔壁環(huán)狀間隙上返，從而保證孔底清潔，為高效取心鉆進(jìn)提供可能，攜帶有巖屑的熱水流經(jīng)巖屑管時(shí)，由于鉆具直徑減小，熱水流速降低，導(dǎo)致熱水對(duì)巖屑攜帶力降低，巖屑在重力作用下將沉降至巖心管內(nèi)，實(shí)現(xiàn)收集巖屑的目的。鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖心樣品進(jìn)入巖心管內(nèi)，為了防止巖心管內(nèi)存水對(duì)巖心產(chǎn)生靜水壓力，降低鉆進(jìn)速度，在旋轉(zhuǎn)接頭中心設(shè)置有單向閥。當(dāng)巖心管內(nèi)存水壓力達(dá)到某一數(shù)值，單向球閥打開(kāi)，巖心管內(nèi)存水通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭中心水道排出鉆具。

鉆進(jìn)過(guò)程中，控制電氣艙為加熱元件供電，加熱元件發(fā)熱并將熱熔片加熱至高溫，由于反扭片和熱熔片徑向尺寸大于鉆孔直徑，在熱熔片高溫作用下，熱熔片將在孔壁內(nèi)熱熔形成長(zhǎng)槽，反扭片和熱熔片將沿?zé)崛坌纬傻拈L(zhǎng)槽向下運(yùn)動(dòng)，并提供鉆進(jìn)所需的反扭矩。因?yàn)樾纬砷L(zhǎng)槽的深度可以預(yù)先設(shè)定，因此這種反扭裝置可提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他反扭裝置的反扭矩，滿(mǎn)足冰下基巖鉆探大扭矩的需要。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明很好地解決了極地冰下基巖快速取心鉆探技術(shù)難題，通過(guò)與熱水鉆相結(jié)合，可快速鉆穿冰蓋到達(dá)冰下基巖界面，并更換基巖熱水取心鉆具完成巖心取樣鉆進(jìn)。本發(fā)明為研究極地冰巖環(huán)境提供了新技術(shù)手段，對(duì)加快極地研究的發(fā)展具有重要作用。

本發(fā)明采用熱熔板式反扭裝置，該反扭裝置通過(guò)在孔壁熱熔出深槽，由反扭片與深槽相互作用提供反扭矩，可滿(mǎn)足基巖鉆進(jìn)大扭矩需要。

附圖說(shuō)明

圖1為極地冰下基巖熱水取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明之一種極地冰下基巖熱水取心鉆進(jìn)方法是：采用熱水作為動(dòng)力介質(zhì)驅(qū)動(dòng)孔底鉆具回轉(zhuǎn)進(jìn)而完成基巖取心鉆進(jìn)，孔底動(dòng)力裝置可為螺桿馬達(dá)或渦輪馬達(dá)，熱水采用管路輸送至孔底鉆具，同時(shí)采用電纜為鉆具內(nèi)傳感器及通訊模塊進(jìn)行供電，并實(shí)現(xiàn)地表對(duì)孔內(nèi)鉆進(jìn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)。巖石鉆進(jìn)鉆頭采用仿生金剛石鉆頭，通過(guò)回轉(zhuǎn)磨削向下鉆進(jìn)，同時(shí)鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑被熱水帶離孔底，并沿鉆具與孔壁環(huán)狀間隙上返，鉆具上方設(shè)計(jì)由專(zhuān)門(mén)的巖屑收集裝置，該裝置利用流體力學(xué)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，巖屑收集裝置上部鉆具直徑變小，當(dāng)攜帶有巖屑的熱水流經(jīng)巖屑收集裝置，熱水流速降低，巖屑依靠重力下落至巖屑收集裝置內(nèi)。采用此方法進(jìn)行鉆進(jìn)，需在鉆具上方設(shè)計(jì)反扭裝置，防止上部鉆具在鉆頭鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于巖心鉆探反鈕裝置需克服較大鉆進(jìn)扭矩，因此需設(shè)計(jì)大扭矩反扭裝置。

請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明之一種極地冰層熱水取心鉆進(jìn)裝置包括熱水管1、電纜2、電纜終端3、觸底檢測(cè)機(jī)構(gòu)4、分水接頭5、反扭裝置6、電氣艙12、巖屑管13、螺桿馬達(dá)15及下部雙管鉆具和鉆頭28，熱水管1和電纜2捆綁一起下放，熱水管1為熱水通道，地表熱水通過(guò)熱水管1送至鉆具，電纜2為鉆具提供電力，并完成地表與鉆具的信號(hào)通訊；電纜終端3用于連接電纜2與鉆具，觸底檢測(cè)機(jī)構(gòu)4安裝由位移傳感器和彈簧機(jī)構(gòu)，通過(guò)位移傳感器檢測(cè)彈簧壓縮量，從而計(jì)算得出電纜2承受的拉力值，當(dāng)電纜2上承受拉力等于重力時(shí)，表明鉆具處于懸吊狀態(tài)，當(dāng)電纜2上承受拉力小于重力時(shí)，說(shuō)明鉆具已經(jīng)到達(dá)孔底，此時(shí)即可通水進(jìn)行鉆進(jìn)。分水接頭5與熱水管1相連，用于將熱水管1中熱水導(dǎo)入鉆具內(nèi)部。

反扭裝置6為板狀反扭類(lèi)型，沿徑向均布三根矩形反扭板，每根反扭板由反扭片8和熱熔片9組成，其中熱熔片9內(nèi)埋置有加熱元件10，加熱元件10通過(guò)加熱元件電纜11與電氣艙12相連。反扭片8和熱熔片9分別采用螺釘7固定在反鈕裝置外管上。電氣艙12為耐高壓密封艙，內(nèi)部填充常壓空氣，鉆具內(nèi)信號(hào)采集及通訊模塊均安裝在電氣艙12內(nèi)，且安裝有溫度和壓力傳感器，用于對(duì)鉆具內(nèi)熱水溫度和水壓進(jìn)行檢測(cè)。巖屑管固定座14與反扭裝置6相連，巖屑管13通過(guò)螺紋連接在巖屑管固定座14上。

螺桿馬達(dá)15為鉆具回轉(zhuǎn)動(dòng)力源，螺桿馬達(dá)15外殼與巖屑管固定座14相連，在鉆進(jìn)時(shí)保持不轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿馬達(dá)內(nèi)螺桿在熱水驅(qū)動(dòng)下回轉(zhuǎn)并通過(guò)螺桿馬達(dá)輸出軸16與下部鉆具相連，驅(qū)動(dòng)下部鉆具和鉆頭28回轉(zhuǎn)切削完成鉆進(jìn)取樣；螺桿馬達(dá)15具有外管17。

為了盡量減小鉆具回轉(zhuǎn)對(duì)巖心質(zhì)量的影響，下部鉆具設(shè)計(jì)為單動(dòng)雙管結(jié)構(gòu)，即鉆進(jìn)時(shí)鉆具外管帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，巖心管則不回轉(zhuǎn)減少對(duì)冰心磨損。其具體結(jié)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)接頭19、密封圈20、軸承21、軸承擋環(huán)22、單動(dòng)接頭23、鎖緊螺母24、單向球閥25、鉆具外管26和巖心管27。其中旋轉(zhuǎn)接頭19上部通過(guò)平鍵18與螺桿馬達(dá)輸出軸16相連，鉆具外管26通過(guò)螺紋與旋轉(zhuǎn)接頭19連接，螺桿馬達(dá)輸出軸16、旋轉(zhuǎn)接頭19、鉆具外管26和鉆頭28保持同步轉(zhuǎn)動(dòng)。巖心管27通過(guò)螺紋與單動(dòng)接頭23相連，單動(dòng)接頭23內(nèi)由兩套軸承21與旋轉(zhuǎn)接頭19心軸配合，兩套軸承21之間由軸承檔環(huán)22進(jìn)行限位。密封圈20可保證熱水不會(huì)從單動(dòng)接頭23和旋轉(zhuǎn)接頭19之間間隙進(jìn)入冰心管。旋轉(zhuǎn)接頭19下部加工由螺紋，通過(guò)鎖緊螺母24可實(shí)現(xiàn)對(duì)單動(dòng)接頭23的限位。鉆頭28通過(guò)螺紋連接在鉆具外管26底部。

本發(fā)明的工作過(guò)程：

向下鉆進(jìn)時(shí)，首先利用地表絞車(chē)將鉆具放入孔內(nèi)，并連續(xù)下放，下放過(guò)程中隨時(shí)觀察觸底檢測(cè)機(jī)構(gòu)4反饋的觸底壓力數(shù)值，當(dāng)觸底壓力持續(xù)增大至與鉆具重量相當(dāng)，表明鉆具已到達(dá)孔底，此時(shí)停止下放，并通過(guò)熱水管1向鉆具內(nèi)泵送熱水開(kāi)始鉆進(jìn)。

熱水從分水接頭5處進(jìn)入鉆具內(nèi)部，流經(jīng)上反扭裝置6、電氣艙12、巖屑管固定座14到達(dá)螺桿馬達(dá)15，并驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)回轉(zhuǎn)，為鉆進(jìn)提供動(dòng)力。從螺桿馬達(dá)流出的熱水繼續(xù)經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭19內(nèi)部水道進(jìn)入鉆具外管26和冰心管27之間間隙，并從鉆頭28底位噴出。

鉆進(jìn)時(shí)，螺桿馬達(dá)輸出軸16通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭19帶動(dòng)鉆具外管26和鉆頭28進(jìn)行回轉(zhuǎn)切削完成鉆進(jìn)，鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑由噴出的熱水將其帶離孔底并沿鉆具與孔壁環(huán)狀間隙上返，從而保證孔底清潔，為高效取心鉆進(jìn)提供可能，攜帶有巖屑的熱水流經(jīng)巖屑管13時(shí)，由于鉆具直徑減小，熱水流速降低，導(dǎo)致熱水對(duì)巖屑攜帶力降低，巖屑在重力作用下將沉降至巖心管13內(nèi)，實(shí)現(xiàn)收集巖屑的目的。鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖心樣品進(jìn)入巖心管27內(nèi)，為了防止巖心管27內(nèi)存水對(duì)巖心產(chǎn)生靜水壓力，降低鉆進(jìn)速度，在旋轉(zhuǎn)接頭19中心設(shè)置有單向閥。當(dāng)巖心管27內(nèi)存水壓力達(dá)到某一數(shù)值，單向球閥19打開(kāi)，巖心管27內(nèi)存水通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭19中心水道排出鉆具。

鉆進(jìn)過(guò)程中，控制電氣艙12為加熱元件10供電，加熱元件10發(fā)熱并將熱熔片9加熱至高溫，由于反扭片8和熱熔片9徑向尺寸大于鉆孔直徑，在熱熔片9高溫作用下，熱熔片9將在孔壁內(nèi)熱熔形成長(zhǎng)槽，反扭片8和熱熔片9將沿?zé)崛坌纬傻拈L(zhǎng)槽向下運(yùn)動(dòng)，并提供鉆進(jìn)所需的反扭矩。因?yàn)樾纬砷L(zhǎng)槽的深度可以預(yù)先設(shè)定，因此這種反扭裝置可提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他反扭裝置的反扭矩，滿(mǎn)足冰下基巖鉆探大扭矩的需要。