[发明专利]随钻测量海冰及河冰厚度的钻具及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻探机具，特别涉及一种是用于海冰及河冰等浅层冰随钻测量厚度的海冰测厚钻具。

背景技术

海冰是极区海域中的重要组成部分，是表面热量收支和海洋热通量共同作用的产物，因此海冰的生长和消融在气候变化中具有重要影响。而海冰厚度是一个重要的气候参数而且必须精确地在全球气候体系的数字模型中体现，它是最难测量的地球物理参数之一。海冰厚度控制海洋和大气之间的热能、湿气、和动量交换来影响全球气候。海冰覆盖的长期变化和它的厚度分布是全球气候变化的灵敏指示。 

此外，在寒区的内海海洋工程开发中，海冰对水产养殖、渔业生产、交通运输、油气开采、海洋生态环境及人民的生产生活等构成巨大的威胁。特别在冰情严重年份，海冰会封冻港口和船只、破坏海水养殖、推毁护岸和海洋工程结构物，不仅造成巨大的经济损失和环境污染，还危及人民群众的生命安全。而对海冰的立体监测中，海冰厚度也是最主要的环境参数。

为了监测海冰厚度的变化与分布，人们已经尝试了多种方法。包括声纳法、电磁法、视觉观察法、遥感监测与钻孔测量等。但准确的监测冰厚的变化与空间分布仍然没有很好的方法。钻孔测量海冰厚度是最精确和最可靠的方法，常作为其它海冰厚度测量方法的依据和验证手段。目前，国内外钻孔测量海冰厚度的方法是利用螺杆钻具在海冰上钻孔，待钻穿海冰之后，再下入专用冰尺来测量海冰的厚度，这种方法操作繁琐、效率低，给野外现场工作带来极大的不便。

发明内容

本发明的目的是提供一种随钻测量海冰及河冰厚度的钻具。

本发明的另一目的是提供一种随钻测量海冰及河冰厚度的方法。

本发明之随钻测量海冰及河冰厚度的钻具是由显示器、检测控制单元、直流电机、螺杆钻杆、钻头和电瓶构成，检测控制单元内部集成有PLC控制模块，PLC控制模块可以收集扭矩传感器和激光测距仪测量的数据，并通过检测控制单元上方的显示器显示钻杆钻进的扭矩和冰层的厚度，显示器一侧设置按钮，可以设定保存测距仪数据时的扭矩值大小；激光测距仪通过激光测距仪安装板用螺钉固定在检测控制单元的一侧；检测控制单元固定在直流电机的上方，直流电机外壳两侧安装有电机手柄，方便钻进过程中人对钻具的把握，直流电机由电瓶通过电线供电，采用电瓶供电是考虑到冰层厚度测量都是在户外及野外地区，供电困难，采用电瓶供电方便携带；电机轴通过花键与扭矩传感器相连，螺杆钻杆通过螺杆钻杆弹簧销与扭矩传感器相连，螺杆钻杆弹簧销可以在螺杆钻杆中伸缩，需要连接时，压下螺杆钻杆弹簧销并将螺杆钻杆上端伸入扭矩传感器下部，当螺杆钻杆弹簧销到达扭矩传感器侧面销孔位置时则弹入销孔，实现螺杆钻杆与扭矩传感器的连接。拆卸时依然将螺杆钻杆弹簧销压下，同时将螺杆钻杆从扭矩传感器中抽出即可；钻头通过钻头弹簧销与螺杆钻杆相连，连接原理同螺杆钻杆与扭矩传感器的连接相同。

本发明之随钻测量海冰及河冰厚度的方法是：

测量的原理是：随钻测量海冰或河冰的厚度，关键在于如何在钻具钻进过程中判断钻具钻穿冰层的瞬间，记录钻具钻入冰层的长度，此长度即为该地冰层的厚度。由于采用钻探机具钻进冰层到钻穿冰层的瞬间，施加在钻杆上的扭矩会发生突变，因此根据这一特点，可以在钻机和钻杆连接处加装扭矩传感器用来实时监测钻杆的状态，当扭矩参数突然发生大的变化时即为钻具钻穿海冰冰层的瞬间。

该方法是：在钻具上加装激光测距仪，在钻机和钻杆连接处加装扭矩传感器，将扭矩传感器以及激光测距仪的数据同步实时的传输至PLC控制器的信号采集模块，当扭矩传感器的数据出现突变，并小于设定值时，PLC控制器保存测距仪的数据，通过程序计算显示在显示器上，使操作者可以直接在显示屏上看到冰层的厚度数据；

所述激光测距仪测量的是激光测距仪距离冰面的高度，而不是直接的冰层厚度，冰层厚度与激光测距仪测量值之间的关系为：

冰层厚度=激光测距仪到传感器底部的距离+钻杆长度-激光测距仪的测量值；将此算法加载在PLC 控制器中，使其自动换算，并将结果显示在液晶屏上，该值即为所测冰层厚度值。

由于不同厚度、不同区域冰层的性质不同，当钻具钻穿冰层瞬间，各种传感器的突变值也不相同，因此为了使该检测方法适应多种环境，还可以在钻机的显示屏上设置传感器限值的大小。

本发明的有益效果是：

1、本发明很好的将钻探机具和随钻测量及自动化检测控制手段结合在一起，在钻进过程中即可获得海冰厚度数据，并通过液晶屏显示出来，大大提高了海冰及河冰测厚的效率，降低了劳动强度。