[发明专利]极地冰下基岩热水取芯钻进方法及装置

说明书

本发明公开了一种极地冰下基岩热水取芯钻进方法及装置，装置包括热水管、电缆、电缆终端、触底检测机构、分水接头、反扭装置、电气舱、岩屑管、螺杆马达及下部双管钻具和钻头；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基岩取芯钻进，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；岩石钻进钻头通过回转磨削向下钻进，同时钻进产生的岩屑被热水带离孔底，并沿钻具与孔壁环状间隙上返；本发明很好地解决了极地冰下基岩快速取芯钻探技术难题，通过与热水钻相结合，可快速钻穿冰盖到达冰下基岩界面，并更换基岩热水取芯钻具完成岩心取样钻进。

技术领域

本发明涉及一种极地冰下基岩热水取芯钻进方法及装置。

背景技术

南极大陆是地球上最古老的大陆之一，它不仅保存有多种多样的古老克拉通陆块，是探索地球早期演化的理想场所，其科学意义非常突出。获取冰盖下基岩岩心并对其进行深入分析，可以推断地壳形成和演变过程、大陆互相碰撞和挤压的历史过程、板块构造理论等，从而了解南极内陆地质构造历史，研究南极冰层的冻融、滑移和变形速度，以及冰川动力学及气候变化都具有非常重要的意义。

目前，尚且没有任何一个国家在南极内陆成功钻取冰下沉积岩样品。由于极地地表及冰川极低的温度，交通困难，物资贫乏，天气恶劣，地层环境复杂等不利条件，给钻进工作带来了很大的难度。而极地每个工作季的时间短暂，采用常规方法钻进想要钻穿冰盖到达基岩界面往往需要几年甚至几十年时间，想要获得多个孔位的岩心更是难上加难。研制可快速钻至冰岩界面并完成基岩采样的钻进设备迫在眉睫。

本发明提供一种极地冰下基岩热水取芯钻进方法及装置。该方法及装置可与热水钻系统相结合使用，先期采用热水钻快速钻穿冰盖到达冰岩界面，然后改为采用本发明的热水取芯钻具进行基岩取芯钻进，达到快速高效采样目的。

发明内容

本发明的目的提供一种极地冰下基岩热水取芯钻进方法。

本发明的另一目的提供一种极地冰下基岩热水取芯钻进装置。

本发明之一种极地冰下基岩热水取芯钻进方法是：采用热水作为动力介质驱动孔底钻具回转进而完成基岩取芯钻进，孔底动力装置可为螺杆马达或涡轮马达，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。岩石钻进钻头采用仿生金刚石钻头，通过回转磨削向下钻进，同时钻进产生的岩屑被热水带离孔底，并沿钻具与孔壁环状间隙上返，钻具上方设计由专门的岩屑收集装置，该装置利用流体力学理论进行设计，岩屑收集装置上部钻具直径变小，当携带有岩屑的热水流经岩屑收集装置，热水流速降低，岩屑依靠重力下落至岩屑收集装置内。采用此方法进行钻进，需在钻具上方设计反扭装置，防止上部钻具在钻头钻进时发生转动，但由于岩心钻探反钮装置需克服较大钻进扭矩，因此需设计大扭矩反扭装置。

本发明之一种极地冰下基岩热水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、反扭装置、电气舱、岩屑管、螺杆马达及下部双管钻具和钻头；

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。

反扭装置为板状反扭类型，沿径向均布三根矩形反扭板，每根反扭板由反扭片和热熔片组成，其中热熔片内埋置有加热元件，加热元件通过加热元件电缆与电气舱相连。反扭片和热熔片分别采用螺钉固定在反钮装置外管上。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。岩屑管固定座与反扭装置相连，岩屑管通过螺纹连接在岩屑管固定座上。