一种涡流管式保温取样钻具的制作方法

本发明涉及一种岩矿心取样钻具，特别涉及一种涡流管式保温取样钻具。

背景技术：

目前国家投入极地开发的前景愈加广阔，正在使用的冰心取样器如电缆悬挂式气体局部反循环电动机械取心钻具(201210258991.4),虽然满足极地钻探环保的要求，但是由于其采用的是铠装电缆作为悬挂钻具的绳索，在钻进过程中由于钻头的旋转，会导致铠装电缆不规律的震动与旋转，影响铠装电缆寿命，而且施工难度较大，工艺繁琐，此外不规则的震动会对冰心造成扰动，影响原生状态，不利于后续研究工作的进行；对于陆地高原冻土区由于交通不便，而且水资源短缺，因此常规采用钻井泥浆作为冲洗液的经济成本较高、效率低下，寻求一种代替液体冲洗液的方法迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决南极基地钻井工程中冰心采取困难、取心工艺繁琐的问题，而提供的一种涡流管式保温取样钻具,本发明工艺简单无污染、冰心采取效率高、对冰心的原生状态扰动小的涡流管式冰心保温取样钻具；此外可以解决高原冻土型天然气水合物的钻探取样水资源不足、取心效率低的问题。

本发明包括双壁钻杆、隔热保温层、取心筒、涡流管、上滚动轴承、下滚动轴承、热熔钻头和螺旋叶片，其中隔热保温层紧贴设置在双壁钻杆的内壁上，取心筒设置在隔热保温层的内部，取心筒的外侧同轴设置有螺旋叶片，隔热保温层、取心筒和螺旋叶片三者之间形成冷气螺旋通道；涡流管设置在双壁钻杆的上端，涡流管包括有高压气体入口、涡流室、冷气流出口、热气流上出口和涡流控制阀组成，其中高压气体入口开设在涡流管的上端，且外部设置有外螺纹，高压气体入口下方为涡流室，涡流室的两侧分别开设有冷气流出口和热气流上出口，涡流控制阀设置在热气流上出口处；涡流管的下平面、双壁钻杆的内壁以及上滚动轴承的上平面形成冷气体储存室；螺旋通道的下端设置有下滚动轴承，并且上滚动轴承和下滚动轴承的上部均进行密封处理，安装有橡胶密封垫；双壁钻杆的上、下端分别与取心筒通过上滚动轴承和下滚动轴承联接；热熔钻头通过螺纹连接的方式设置在取心筒的下端，热熔钻头的顶部设置有热熔钻头热气流通道，热熔钻头的顶部开设有热熔钻头气流入口，热熔钻头的底部开设有热熔钻头气流出口；双壁钻杆的内外壁的环状间隙为热气流通道，双壁钻杆的下部开设有双壁钻杆气流出口；双壁钻杆气流出口对应热熔钻头气流入口；

冷气流用于冰心的保温储存和驱动螺旋叶片带动取心筒和热熔钻头转动；冷气体储存室用于储存涡流管产生的冷气流；上滚动轴承和下滚动轴承的内壁与双壁钻杆的内壁连接为一体，上滚动轴承和下滚动轴承的外壁与取心筒连接为一体，上滚动轴承和下滚动轴承的内壁外侧与外壁内侧均设计有槽型滑道，滚珠可以在滑道内自由滑行；隔热保温层将冷热气流的热传导降低；上滚动轴承和下滚动轴承的上部均进行密封处理，安装有橡胶密封垫，密封垫既可以保持螺旋通道的密封性又可以减少热熔钻头震动对冰心的扰动；双壁钻杆气流出口对应热熔钻头气流入口，这样排出的热气体对热熔钻头具有加热的作用，热气流通过热熔钻头热气流通道可以辅助排除孔底的冰屑，同时对于冰层加热具有辅助钻进的作用；

上述双壁钻杆上端与输气高压管道联接方式采用法兰联接，提高连接强度和稳定性，防止高压气体从接头处溢出；

上述涡流管的热气流上出口设置有流量温度控制阀，通过控制三角形阀体的前进程度可以控制排出的温度、流速。

本发明的工作过程及原理为：

常温高压气体流入涡流管之后，在涡流室内产生冷热两种气体；冷气体经由冷气流出口流出，流入冷气体储存室，再由冷气体储存室出口流入冷气螺旋通道，带动螺旋叶片转动，从而带动取心筒转动，进而带动热熔钻头转动；由于双壁钻杆的上、下端分别与取心筒通过上滚动轴承和下滚动轴承联接，因此可以保证在取心筒与热熔钻头转动的同时双壁钻杆保持稳定，冷气流通过冷气螺旋通道流至热熔钻头，经热熔钻头气流出口排出；另一方面热气流经过涡流管的热气流上出口排出至双壁钻杆内外壁之间的热气流通道，并经由双壁钻杆气流出口排出，排出的热气体一部分会经过至钻孔与钻具的环状间隙返回地面，另一部分热气流流经热熔钻头热气流通道，加热热熔钻头辅助钻进，在热熔钻头底部与冷气流汇合之后沿孔壁与钻具的环状间隙返回地面。

本发明的有益效果：

本发明工艺简单、冰心与高原冻土区天然气水合物的岩心采取效率高、对冰心与水合物样品的原生状态扰动小，不仅在取心钻进时地效果更加突出，采用空气作为动力无污染，而且无需额外施加机械扭矩其使用寿命及其可信赖性也很有保证，解决了高原冻土区水资源不足，对于降低高原冻土区天然气水合物开采成本具有重要意义，整体性价比大幅提高。

附图说明

图1为本发明实施例的剖视图。

图2为本发明实施例涡流管的横向剖视图。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，为本发明的实施例，包括双壁钻杆1、隔热保温层2、取心筒3、涡流管4、上滚动轴承51、下滚动轴承52、热熔钻头6和螺旋叶片7，其中隔热保温层2紧贴设置在双壁钻杆1的内壁上，取心筒3设置在隔热保温层2的内部，取心筒3的外侧同轴设置有螺旋叶片8，隔热保温层2、取心筒3和螺旋叶片7三者之间形成冷气螺旋通道8；涡流管4设置在双壁钻杆1的上端，涡流管4包括有高压气体入口41、涡流室42、冷气流出口43、热气流上出口44和涡流控制阀45组成，其中高压气体入口41开设在涡流管4的上端，且外部设置有外螺纹411，高压气体入口41下方为涡流室42，涡流室42的两侧分别开设有冷气流出口43和热气流上出口44，涡流控制阀45设置在热气流上出口44处；涡流管4的下平面、双壁钻杆1的内壁以及上滚动轴承51的上平面形成冷气体储存室9；螺旋通道8的下端设置有下滚动轴承52，并且上滚动轴承51和下滚动轴承52的上部均进行密封处理，安装有橡胶密封垫；双壁钻杆1的上、下端分别与取心筒3通过上滚动轴承51和下滚动轴承52联接；热熔钻头6通过螺纹连接的方式设置在取心筒3的下端，热熔钻头6的顶部设置有热熔钻头热气流通道61，热熔钻头6的顶部开设有热熔钻头气流入口611，热熔钻头6的底部开设有热熔钻头气流出口612；双壁钻杆1的内外壁的环状间隙为热气流通道11，双壁钻杆1的下部开设有双壁钻杆气流出口111；双壁钻杆气流出口111对应热熔钻头气流入口611；

冷气流用于冰心的保温储存和驱动螺旋叶片7带动取心筒3和热熔钻头6转动；冷气体储存室9用于储存涡流管4产生的冷气流；上滚动轴承51和下滚动轴承52的内壁与双壁钻杆1的内壁连接为一体，上滚动轴承51和下滚动轴承52的外壁与取心筒3连接为一体，上滚动轴承51和下滚动轴承52的内壁外侧与外壁内侧均设计有槽型滑道，滚珠可以在滑道内自由滑行；隔热保温层2将冷热气流的热传导降低；上滚动轴承51和下滚动轴承52的上部均进行密封处理，安装有橡胶密封垫，密封垫既可以保持螺旋通道8的密封性又可以减少热熔钻头6震动对冰心的扰动；双壁钻杆气流出口111对应热熔钻头气流入口611，这样排出的热气体对热熔钻头6具有加热的作用，热气流通过热熔钻头热气流通道61可以辅助排除孔底的冰屑，同时对于冰层加热具有辅助钻进的作用；

上述双壁钻杆1上端与输气高压管道联接方式采用法兰联接，提高连接强度和稳定性，防止高压气体从接头处溢出；

上述涡流管4的热气流上出口44设置有流量温度控制阀，通过控制三角形阀体的前进程度可以控制排出的温度、流速。

本实施例的工作过程及原理：

常温高压气体流入涡流管4之后，在涡流室42内产生冷热两种气体；冷气体经由冷气流出口43流出，流入冷气体储存室9，再由冷气体储存室9出口流入冷气螺旋通道8，带动螺旋叶片7转动，从而带动取心筒3转动，进而带动热熔钻头6转动；由于双壁钻杆1的上、下端分别与取心筒3通过上滚动轴承51和下滚动轴承52联接，因此可以保证在取心筒3与热熔钻头6转动的同时双壁钻杆1保持稳定，冷气流通过冷气螺旋通道8流至热熔钻头6，经热熔钻头气流出口612排出；另一方面热气流经过涡流管4的热气流上出口44排出至双壁钻杆1内外壁之间的热气流通道11，并经由双壁钻杆气流出口111排出，排出的热气体一部分会经过至钻孔与钻具的环状间隙返回地面，另一部分热气流流经热熔钻头热气流通道61，加热热熔钻头6辅助钻进，在热熔钻头6底部与冷气流汇合之后沿孔壁与钻具的环状间隙返回地面。