[发明专利]一种基于伴热电缆的无污染冰下湖取样与探测方法及设备

权利要求书

1.一种基于伴热电缆的无污染冰下湖取样与探测方法，该方法包括以下步骤：

(A)开孔：采用常规钻进方法开孔，开孔深度至少应大于冰下湖取样探测钻具长度；冰下湖取样探测钻具包括钻具运载单元(Ⅰ)和钻具取样探测单元(Ⅱ)；

(B)伴热电缆加热钻进：启动钻具运载单元(Ⅰ)上部热熔钻头(2)、钻具运载单元(Ⅰ)下部热熔钻头(6)、钻具运载单元(Ⅰ)热熔外筒(5)、钻具取样探测单元(Ⅱ)上部热熔钻头(9)、钻具取样探测单元(Ⅱ)下部热熔钻头(18)和钻具取样探测单元(Ⅱ)热熔筒体(14)，以钻具取样探测单元(Ⅱ)的下部加热钻头(18)加热为主，同时启动地表绞车(22)，下放钻具；分段接通伴热电缆加热丝负极(26)，保持伴热电缆(1)周围有一层水膜，防止出现伴热电缆(1)被冻结导致钻具无法顺利下放；绞车缠绕的伴热电缆(1)不加热，防止出现伴热电缆(1)散热不及时而导致的伴热电缆(1)损坏；

(C)停止伴热电缆加热：采用钻具取样探测单元(Ⅱ)上的声呐装置(16)探测钻具距冰下湖的距离；当钻具取样探测单元(Ⅱ)将至冰-湖界面时，停止伴热电缆(1)加热，伴热电缆(1)周围水膜重新结冰，保证冰下湖不受外源物质及冰盖融水污染；

(D)钻具内部卷筒放缆钻进：关闭钻具运载单元(Ⅰ)上部热熔钻头(2)、钻具运载单元(Ⅰ)下部热熔钻头(6)和钻具运载单元(Ⅰ)热熔外筒(5)；打开钻具取样探测单元(Ⅱ)与钻具运载单元(Ⅰ)的连接机构，连接杆(7)脱离连接座(10)，使钻具取样探测单元(Ⅱ)能继续下行；启动钻具取样探测单元 ( Ⅱ ) 的 钻具内部卷筒系统(11)，缓慢释放电缆(8)，钻具取样探测单元(Ⅱ)上方的融水由于低温再次冻结；钻具取样探测单元(Ⅱ)钻穿冰盖进入冰下湖，实现无污染钻进；所述的钻具取样探测单元(Ⅱ)与钻具运载单元(Ⅰ)的连接机构包括钻具运载单元(I)的连接杆(7)和钻具取样探测单元(Ⅱ)的连接座(10)；

(E)取样及参数观测：钻穿冰层后，关闭钻具取样探测单元(Ⅱ)下部热熔钻头(18)及热熔外筒(14)，当大部分钻具取样探测单元(Ⅱ)进入冰下湖后，停止钻具内部卷筒系统(11)；启动取样筒(15)，进行冰下湖湖水取样；唤醒传感器单元(17)进行冰下湖湖水物理化学参数检测；开启冷光源(19)和摄像头(20)，进行冰下湖摄像；

(F)钻具内部卷筒收缆返回：完成取样及观测后，开启钻具取样探测单元(Ⅱ)下部热熔钻头(18)及热熔外筒(14)，并以钻具取样探测单元(Ⅱ)上部热熔钻头(9)加热为主；启动钻具内部卷筒系统(11)，缓慢回收电缆(8)向上钻进，与钻具运载单元(Ⅰ)对接；

(G)伴热电缆加热钻具返回：启动钻具运载单元(Ⅰ)上部热熔钻头(2)、钻具运载单元(Ⅰ)下部热熔钻头(6)和钻具运载单元(Ⅰ)热熔外筒(5)，以钻具运载单元(Ⅰ)上部热熔钻头(2)加热为主；分段接通伴热电缆加热丝负极(26)，保持伴热电缆(1)周围有一层水膜，使伴热电缆(1)可上下移动；启动地表绞车(22)，回收钻具；

(H)钻具拆卸及样品回收：当钻具到地表后，拆卸钻具，完成冰下湖无污染钻进取样与参数观测。

2.根据权利要求1所述的一种基于伴热电缆的无污染冰下湖取样与探测方法，其特征在于：所述的常规钻进方法为热水钻或浅冰心大直径螺旋钻。

3.一种权利要求1所述的方法所用的取样与观测设备，其特征在于：由冰下湖取样探测钻具、伴热电缆、地表绞车和密封无菌帐篷组成；

冰下湖取样探测钻具包括钻具运载单元(Ⅰ)和钻具取样探测单元(Ⅱ)；

钻具运载单元(Ⅰ)包括运载单元上部热熔钻头(2)、电源适配器(3)、运载单元高压密封舱(4)、运载单元热熔外筒(5)、运载单元下部热熔钻头(6)和连接杆(7)，运载单元上部热熔钻头(2)、运载单元下部热熔钻头(6)和运载单元热熔外筒(5)用于融化冰层，确保钻具运载单元(Ⅰ)在冰层内顺利行进；电源适配器(3)和运载单元高压密封舱(4)用于电力转换、分配与管理；钻具运载单元(Ⅰ)在地表绞车(22)和伴热电缆(1)的作用下将钻具取样探测单元(Ⅱ)运送至近冰-湖界面处；

钻具取样探测单元(Ⅱ)包括电缆(8)、钻具取样探测单元上部热熔钻头(9)、连接座(10)、钻具内部卷筒系统(11)、钻具取样探测单元高压密封舱(12)、微型计算机(13)、钻具取样探测单元热熔外筒(14)、取样筒(15)、声呐装置(16)、传感器单元(17)、冷光源(19)、摄像头(20)和钻具取样探测单元下部热熔钻头(18)，钻具取样探测单元上部热熔钻头(9)、钻具取样探测单元下部热熔钻头(18)和钻具取样探测单元热熔筒体(14)用于融化冰层，确保钻具取样探测单元(Ⅱ)在冰层内顺利钻进；声呐装置(16)用于探测钻具距离冰下湖的距离；钻具内部卷筒系统(11)缠绕电缆(8)，用于近冰下湖段冰层钻进及返回；取样筒(15)、传感器单元(17)、冷光源(19 )和摄像头(20 )用于冰下湖水取样、物理化学参数测量及摄像；钻具取样探测单元高压密封舱(12)和微型计算机(13 )用于参数监测、钻具控制和数据处理；

钻具运载单元(Ⅰ)与钻具取样探测单元(Ⅱ)由连接杆(7)和连接座(10)连接，电缆(8)穿过连接杆(7)为钻具取样探测单元(Ⅱ)提供电力传输和信号传输；

伴热电缆(1)用于连接钻具运载单元(Ⅰ)与绞车(22)，通过绞车(22)实现钻具下放与提升；伴热电缆(1)由伴热电力传输线、伴热电热丝(28)、钻具电力传输线(29)、钻具通讯传输线(30)、备用传输线(31)和光纤(32)组成；伴热电力传输线包括电缆加热丝正极(24)、电缆加热丝备用正极(25)、电缆加热丝负极(26)和电缆加热丝备用负极(27)；电缆加热丝正极(24)始终处于接通状态，电缆加热丝负极(26)分别对应不同段的伴热电热丝(28)，通过接通不同位置的电缆加热丝负极(26)实现不同段伴热电热丝(28)的控制；电缆加热丝备用正极(25)和电缆加热丝备用负极(27)为备用电极，降低电缆被冻结的概率；钻具电力传输线(29)采用两芯制；为钻具内部电器件供电；钻具通讯传输线(30)采用两芯制，用于钻具内信号传输；两芯备用传输线(31)作为钻具电力传输或钻具通讯传输的备用线；光纤(32)用于摄像头(20)所采集视频信号的传输；

地表绞车包括绞车(22)和滑轮(21)，用于下放和提升钻具，通过设置在滑轮(21)上的编码器记录钻进深度；

密封无菌帐篷(23)包括帐篷及灭菌设备，帐篷用于隔离钻探场地与外部环境，确保钻探场地无污染，灭菌设备用于钻具及场地设备无菌处理。