极地冰‑岩芯钻探用可移动式钻探舱的制作方法

本发明涉及一种极地冰-岩芯钻探钻探用可移动式钻探舱。

背景技术：

目前，全球变暖问题日益严重，全球气候变化已经成为各国科学家高度关注的问题。南北极古老的冰芯中存在着大量气泡，通过对这些气泡中大气成分的研究可以反演地球过去几百万年的气候变化，寻找地球气候变化的规律，从而推测未来地球气候的发展趋势，因此各国科学家均致力于在极地冰盖中获取最古老的冰芯。截止目前，在南北极已经有多个国家先后开展了深冰芯钻探工程，最深孔已经达到3700多米，中国也于2011年在昆仑站正式开始实施深冰芯钻探计划，经过3个工作季的努力，现孔深已达到654.66米。但现有深冰芯钻探系统设备较大，存在运输和安装不便的缺点。以中国深冰芯钻探工程为例，冰芯场地建设花费约2个工作季(第27次南极科学考察和第28次南极科学考察)，深冰芯钻机安装和调试花费1个工作季(第29次南极科学考察)，共花费了3年时间才完成全部准备工作，在极地特殊的恶劣的环境下，这大大增加了钻探成本，人员投入，降低了劳动效率。目前国际上的深冰芯钻探项目也多采用此方式进行，效率低下。

本发明提供一种极地冰-岩芯钻探钻探用可移动式钻探舱，该钻探舱将所有钻探相关的设备均集成在雪橇上，组装完毕后，采用雪地车辆可轻松的将可移动式钻探系统拖拉至钻探场地，经过简单准备即可以开始钻探施工，大大节约了准备时间。该钻探舱还可在不同钻探场地件快速转场，满足冰盖多钻孔作业对钻机系统的便捷快速要求。

技术实现要素：

本发明的目的提供极地冰-岩芯钻探钻探用可移动式钻探舱。

本发明集成有绞车、钻塔、控制桌等钻探装备，其结构设计可实现高效的冰心钻探和岩心钻探，完成冰心和岩心的采集。可移动式钻探舱具有在南极快速安装、搬运方便的特点。

本发明包括有钻塔、保温墙体和雪橇；

钻塔包括四角塔、下钻塔和上钻塔三部分，其中四角塔采用螺钉固定在地板上，下钻塔与四角塔采用铰点连接，并采用支撑杆对四角塔进行加固，支撑杆中部具有调节螺丝，可对支撑杆长度进行调整；当下钻塔直立后，下钻塔铰点另一侧采用螺栓将下钻塔和四角塔固定在一起；上钻塔和下钻塔采用铰接，上钻塔可翻转至下钻塔一侧。钻塔共有两个位置状态，当运输时，钻塔平放在保温房顶部，上钻塔与下钻塔平行放置在保温房顶部，并于保温房顶部固定；当钻进时，首先将上钻塔展开至与下钻塔同一直线，并用螺栓牢固连接，再将钻塔用起塔螺杆顶起，当钻塔处于直立状态时，并将下钻塔和四角塔用螺栓牢固连接，保证钻塔处于直立状态。起塔螺杆上部与下钻塔铰接，下部固定在地板上。为了提高钻塔直立状态的稳定性，采用绷绳将钻塔与保温房四个角相连。上钻塔和下钻塔外部采用具有保温材料的钻塔盖板覆盖，内部均焊接有扶梯，上钻塔内安装有二层台，维修人员可通过扶梯上至二层台对顶部滑轮进行维修保养，登塔扶梯为可拆卸式，需要登塔时，将登塔扶梯放至钻塔下方，不需要时则移开，以增大地面工作空间。上钻塔顶部固定有顶部滑轮，四角塔中则固定有下部滑轮，两个滑轮构成滑轮组，辅助绞车提升和下放钻具。

保温房采用拼装结构，整个保温房由40块保温板依次连接组成，保温板之间采用暗锁连接，在保证强度的同时保证很好的美观性。保温墙板内部预埋有钢骨架，该钢骨架与不锈钢板一边采用螺钉连接，不锈钢板另一边用螺钉与地板连接，从而达到将保温房牢固的固定在地板上的目的。

地板为可移动式钻探舱的主要承载部件，固定有绞车、四角塔、控制系统、工具桌、离心机、冰屑振动器、搅拌桶、冰芯处理桌、拧卸移动小车、调平螺杆、绞车控制柜、钻井液回流槽及相关线槽和灯具设备，这些设备为钻探顺利进行提供了有力保障。

地板通过螺栓与雪橇前顶板和雪橇后顶板连接，从而使整个上部结构牢固的固定在雪橇之上，并可随雪橇进行运移。由于南极雪面较软，在钻进过程中雪橇脚下方雪面会因为上部钻机重量的长期压迫而产生轻微塌陷，导致钻探舱地板不水平，容易造成钻具不能沿之前孔迹进行钻进。因此设计了特殊的调平机构，该机构由四个调平螺杆分别控制地板四个角相对雪橇顶板进行升降，每个调平螺杆升降距离不同，则地板与雪橇顶板会形成一定角度，从而弥补由地面塌陷造成的地板不水平问题。地板相对雪橇顶板最大调节角度达10°，最大相对距离可达300mm。

雪橇采用先进的链传动结构，使牵引了均匀的分步与雪橇前后受力部件，增加了雪橇的使用寿命。雪橇前部两个撬脚用前雪橇梁连接，撬脚可以前雪橇梁为轴心进行摆动，以适应凹凸不平的雪面，前雪橇梁下部的限位螺钉可将撬脚摆动限制在一定范围内。前雪橇梁与前滑动梁采用主销轴连接，前滑动梁可以主销轴为中心相对前雪橇梁转动，前滑动梁两侧通过两个前滑动销轴与雪橇前顶板连接，前滑动梁可沿前滑动销轴相对雪橇前顶板相对运动，前滑动销轴利用固定销与雪橇前顶板固定。雪橇后部两个撬脚用后雪橇梁连接，后雪橇梁与后滑动梁采用主销轴连接，后滑动梁可以主销轴为中心相对后雪橇梁转动，后滑动梁两侧通过两个后滑动销轴与雪橇后顶板连接，后滑动梁可沿后滑动销轴相对雪橇后顶板相对运动，后滑动销轴利用固定销与雪橇后顶板固定。雪橇前顶板和雪橇后顶板采用加强梁连接以增大雪橇的承载能力，加强梁通过后连接销与雪橇后顶板相连，通过前连接销与雪橇前顶板相连。

雪橇的传动系统由第一铁链、第二铁链、第三铁链、第四铁链和拉板组成，牵引头套在牵引架上，并能沿牵引架进行前后滑动，牵引架连接在前两个撬脚头部，并可带动撬脚转动，牵引头末端通过第一铁链与前撬脚拉板相连，前撬脚拉板中心加工有椭圆形孔，该椭圆形孔使前撬脚拉板能沿牵引架前后滑动，前撬脚拉板另一侧通过第二铁链与前雪橇梁前侧相连，前雪橇梁后侧通过第三铁链交叉连接至后撬脚拉板，后撬脚拉板中心加工有椭圆形孔，使其能沿连接圆梁前后滑动，后撬脚拉板另一侧通过第四铁链连接至后雪橇梁。

本发明的有益效果：

本发明很好地解决了现有深冰芯及岩心钻探系统在极地恶劣环境下准备周期长、投入成本高等问题，将钻探相关设备高度集成在雪橇上，可实现极地冰-岩芯的快速取芯钻探，并具有在极地冰盖快速转场能力，为极地冰盖大范围多孔作业提供了重要的技术支撑。

本发明全部结构均采用模块化设计，单件重量不超过4吨，且单件尺寸可放入20英尺集装箱内，满足极地飞机运输标准，且具有现场组装方便、快捷特点。

本发明为首次将钻探所有设备集成在一个可移动设备上，为以后钻机系统的模块化设计提供了良好的借鉴。

附图说明

图1为本发明的总体图。

图2为本发明的雪橇侧视图。

图3为本发明的雪橇俯视图。

图4为本发明的地板设备布置图。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明包括有钻塔、保温房8和雪橇17；

钻塔包括四角塔12、下钻塔6和上钻塔5，四角塔12采用螺钉固定在地板16上，并采用支撑杆13对四角塔12进行加固，支撑杆13中部具有调节螺丝，可对支撑杆13长度进行调整；下钻塔6与四角塔12采用铰点连接，当下钻塔6直立后，下钻塔6铰点另一侧采用螺栓将下钻塔6和四角塔12固定在一起；上钻塔5和下钻塔6采用铰接，上钻塔5可翻转至下钻塔6一侧；钻塔共有两个位置状态，当运输时，钻塔平放在保温房8顶部，上钻塔5与下钻塔6平行放置在保温房8顶部，并于保温房8顶部固定；当钻进时，首先将上钻塔5展开至与下钻塔6同一直线，并用螺栓牢固连接，再将钻塔用起塔螺杆14顶起，当钻塔处于直立状态时，并将下钻塔6和四角塔12用螺栓牢固连接，保证钻塔处于直立状态；起塔螺杆14上部与下钻塔6铰接，起塔螺杆14下部固定在地板16上；为了提高钻塔直立状态的稳定性，采用绷绳7将钻塔与保温房8四个角相连。上钻塔5和下钻塔6外部采用具有保温材料的钻塔盖板2覆盖，上钻塔5和下钻塔6内部均焊接有扶梯4，上钻塔5内安装有二层台3，维修人员可通过扶梯4上至二层台3对顶部滑轮1进行维修保养，登塔扶梯9为可拆卸式，需要登塔时，将登塔扶梯9放至钻塔下方，不需要时则移开，以增大地面工作空间。上钻塔5顶部固定有顶部滑轮1，四角塔12中则固定有下部滑轮11，顶部滑轮1和下部滑轮11构成滑轮组，辅助绞车15提升和下放钻具。

保温房8采用拼装结构，整个保温房由40块保温板依次连接组成，保温板之间采用暗锁连接，在保证强度的同时保证很好的美观性。保温墙板内部预埋有钢骨架，该钢骨架与不锈钢板一边采用螺钉连接，不锈钢板另一边用螺钉与地板16连接，从而达到将保温房8牢固的固定在地板16上的目的。

地板16为可移动式钻探舱的主要承载部件，固定有绞车15、四角塔12、控制系统43、调平螺杆44、工具桌45、离心机46、冰屑振动器47、搅拌桶48、冰芯处理桌49、钻井液回流槽50、钻具拧卸小车51、绞车控制柜52及相关线槽和灯具设备，这些设备为钻探顺利进行提供了有力保障。

地板16通过螺栓与雪橇前顶板28和雪橇后顶板21连接，从而使整个上部结构牢固的固定在雪橇17之上，并可随雪橇进行运移。由于南极雪面较软，在钻进过程中雪橇脚下方雪面会因为上部钻机重量的长期压迫而产生轻微塌陷，导致钻探舱地板不水平，容易造成钻具不能沿之前孔迹进行钻进。因此设计了调平机构，调平机构由四个调平螺杆44分别控制地板四个角相对雪橇顶板进行升降，每个调平螺杆44升降距离不同，则地板16与雪橇顶板会形成一定角度，从而弥补由地面塌陷造成的地板不水平问题。地板相对雪橇顶板最大调节角度达10°，最大相对距离可达300mm。

雪橇17采用先进的链传动结构，使牵引了均匀的分步与雪橇17前后受力部件，增加了雪橇17的使用寿命。雪橇17前部两个撬脚39用前雪橇梁29连接，撬脚39能以前雪橇梁29为轴心进行摆动，以适应凹凸不平的雪面，前雪橇梁29下部的限位螺钉20可将撬脚39摆动限制在一定范围内；前雪橇梁29与前滑动梁30采用主销轴35连接，前滑动梁30能以主销轴35为中心相对前雪橇梁29转动，前滑动梁30两侧通过两个前滑动销轴37与雪橇前顶板28连接，前滑动梁29能沿前滑动销轴37相对雪橇前顶板28前后运动，前滑动销轴37利用固定销33与雪橇前顶板28固定。雪橇17后部两个撬脚用后雪橇梁19连接，后雪橇梁19与后滑动梁18采用主销轴35连接，后滑动梁18可以主销轴35为中心相对后雪橇梁19转动，后滑动梁18两侧通过两个后滑动销轴34与雪橇后顶板21连接，后滑动梁18能沿后滑动销轴34相对雪橇后顶板21相对运动，后滑动销轴34利用固定销33与雪橇后顶板21固定。雪橇前顶板28和雪橇后顶板21采用加强梁25连接以增大雪橇的承载能力，加强梁25通过后连接销23与雪橇后顶板21相连，通过前连接销27与雪橇前顶板28相连；雪橇17的传动系统由第一铁链41、第二铁链31、第三铁链26、第四铁链22和拉板组成，牵引头42套在牵引架40上，并能沿牵引架40进行前后滑动，牵引架40连接在前两个撬脚39头部，并可带动撬脚39转动，牵引头42末端通过第一铁链41与前撬脚拉板32相连，前撬脚拉板32中心加工有椭圆形孔，该椭圆形孔使前撬脚拉板32能沿牵引架40前后滑动，前撬脚拉板32另一侧通过第二铁链31与前雪橇梁29前侧相连，前雪橇梁29后侧通过第三铁链26交叉连接至后撬脚拉板24，后撬脚拉板24中心加工有椭圆形孔，使其能沿连接圆梁36前后滑动，后撬脚拉板24另一侧通过第四铁链22连接至后雪橇梁19。

本发明的工作过程：

运输过程中，上钻塔5和下钻塔6均水平固定在保温房8顶部。雪橇通过雪地车辆牵引运往钻探地点。运输过程中雪橇受力状态为：雪地车辆通过钢丝绳连接牵引头42，牵引头42受力将沿牵引架40向前滑动，并通过铁链一41将力传递至前撬脚拉板32，并通过铁链二31传递到前雪橇梁29，前雪橇梁29带动前两个撬脚39沿前滑动销轴37向前滑动，此时雪橇前顶板28不动，前雪橇梁29向前移动并通过铁链三26将力传递至后撬脚拉板24，并通过铁链四22传递至后雪橇梁19，后雪橇梁19带动后两个撬脚39沿后滑动销轴34向前滑动，当后雪橇梁19运动至与雪橇后顶板21接触，雪橇后顶板21将在后雪橇梁19的推动下向前运动，从而带动整个钻探舱向前运动。设计中雪橇前顶板28间距较大，因此当后雪橇梁19与雪橇后顶板21接触时，前雪橇梁29与雪橇前顶板28并未接触，因此雪橇的受力情况始终是从牵引头42一直到后雪橇梁19，再传递至钻探舱上部，保证雪橇下部铁链机构均处于受力状态。

当可移动式钻探舱到达钻塔场地，准备钻探时：首先对场地进行平整，将可移动式钻探舱拖拉至平整完毕的场地内，将上钻塔5展开，并于下钻6塔用螺栓固定，采用起塔螺杆14将钻塔竖起，当钻塔处于直立位置后，用螺栓将下钻塔6和四角塔12牢固连接，并将钻塔用绷绳7固定在保温房8四角。将绞车15的钢丝绳穿过下部滑轮11和顶部滑轮1，与钻探机具相连。

钻探时，孔内需要填充钻井液，如果钻井液采用两种液体混合制成，则用搅拌桶48对两种液体进行充分混合后再注入孔内。操作人员利用控制系统43和绞车控制柜52控制绞车15和钻探机具进行钻探，当钻探完毕后，将钻具收集冰芯部分采用钻具拧卸小车51拆卸下来，并移至冰芯处理桌49进行后处理，将钻具收集冰屑部分放入冰屑振动器47，进行振动，使冰屑与钻具分离，并将收集的冰屑放入离心机46进行甩干，并对离心出的钻井液进行重复利用。钻井液回收槽50主要回收被钢丝绳从孔内带出的钻井液。

在钻进过程中，如果雪橇脚下方雪面因为上部钻机重量的长期压迫而产生轻微塌陷，导致钻探舱地板不水平，需要对地板进行调平时：首先松开雪橇上地板连接板38与地板16的连接螺栓，其次对塌陷撬脚上方的调平螺杆44进行调节，抬升此处地板，并对其他位置调平螺杆44进行微调，直到地板16重新水平为止。