[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

说明书

本发明公开了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，设备包括冰下湖取样探测钻具、伴热电缆、地表绞车和密封无菌帐篷，冰下湖取样探测钻具包括钻具运载单元和钻具取样探测单元，用于冰层钻进、湖水取样及湖水参数观测；伴热电缆用于信号和电力传输和确保电缆不被冻住；地表绞车用于下放和提升钻具；密封无菌帐篷用于钻具及钻探场地无污染处理。方法包括开孔、伴热电缆加热钻进、停止伴热电缆加热、钻具内部卷筒放缆钻进、取样及参数观测、钻具内部卷筒收缆返回、伴热电缆加热返回和钻具拆卸及样品回收步骤。本发明所能解决钻井液和热水钻的热水对冰下湖造成污染的问题，实现南极冰下湖无污染取样及探测。

技术领域

本发明涉及一种冰下湖取样与探测方法，特别涉及一种基于伴热电缆的无污染冰下湖探测方法及设备。

背景技术

南极冰下湖无污染钻进采样与观测技术，对于获取冰下湖基础环境数据、探究冰下湖是否存在微生物、研究冰下湖形成机理和演化规律、揭示南极冰下湖与冰盖物质平衡形式，获取古环境和古气候记录，具有极其重要的科学意义。结合以上科学目的，需确保冰下湖水原始环境的受到最小污染，科学目的转化为探测技术需求，为此需要采用无污染冰下湖探测方法和装备。

目前在Vostok、Whillans和Ellsworth进行了南极冰下湖取样与观测。俄罗斯在Vostok采用铠装电缆式电动机械取心钻具，钻穿3700多米冰层，成功获取冰下湖水样，但湖水受到了钻井液污染。Whillans和Ellsworth冰下湖取样与观测均首先采用热水钻成孔，然后下入探测器，该过程中冰下湖水会受到热水的污染。由此可看，目前冰下湖取样与观测方法会存在钻井液或热水等外源污染。

发明内容

本发明的目的在于提供基于伴热电缆的无污染冰下湖取样与探测方法及设备，该方法及设备可以解决钻井液和热水钻的热水对冰下湖造成污染的问题，实现南极冰下湖无污染取样及探测。

本发明之方法包括以下步骤：

(A)开孔：采用常规钻进方法(热水钻、浅冰心大直径螺旋钻等)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和钻具取样探测单元；

(B)伴热电缆加热钻进：启动钻具热熔钻头及热熔外筒，以钻具取样探测单元的下部加热钻头加热为主，同时启动地表绞车，下放钻具；分段接通伴热电缆，保持伴热电缆周围有一薄层水膜，防止出现伴热电缆被冻结导致钻具无法顺利下放，同时避免地表的伴热电缆产生大量热量；

(C)停止伴热电缆加热：采用钻具取样探测单元上的声呐装置探测钻具距冰下湖的距离；当钻具取样探测单元将至冰-湖界面时，停止伴热电缆加热，伴热电缆周围水膜重新结冰，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：关闭钻具运载单元热熔钻头及热熔外筒；打开钻具取样探测单元与钻具运载单元的连接机构，使钻具取样探测单元可继续下行；启动钻具内部卷筒，通过卷筒控制系统使卷筒缓慢释放电缆，钻具取样探测单元上方的融水由于低温再次冻结；钻具取样探测单元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与钻具运载单元的连接机构包括钻具运载单元的连接杆和钻具取样探测单元的连接座；

(E)取样及参数观测：钻穿冰层后，关闭钻具取样探测单元下部热熔钻头及热熔外筒，当大部分钻具取样探测单元进入冰下湖后，停止钻具下放，进行冰下湖湖水取样、参数观测及摄像等；

(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下部热熔钻头及热熔外筒，并以上部热熔钻头加热为主；启动钻具内部卷筒，缓慢收缆向上钻进，与钻具运载单元对接；

(G)伴热电缆加热返回：启动钻具运载单元热熔钻头及热熔外筒，以其上部加热钻头加热为主；分段接通伴热电缆，保持伴热电缆周围有一薄层水膜，使电缆可上下移动；启动地表绞车，回收钻具；