一种水压触发式冰层底部多点热水取芯钻具的制作方法

本实用新型涉及一种水压触发式冰层底部多点热水取芯钻具。

背景技术：

当前大约有11％的地球陆地表面被冰层覆盖着，其中包括冰川，冰冠，以及南极和格陵兰岛的冰盖。极地冰盖物质平衡及变化对全球气候变化的影响积累了大量的数据和资料。冰架物质平衡是冰盖动态变化的主要过程之一，准确地掌握冰架物质平衡过程，才可能精确定量研究极地冰盖的动态变化及其对全球环境变化(海平面、大洋洋流循环和大气循环等)的影响。冰架物质平衡过程主要包括冰川冰流输入、冰架表面积累与消融、冰架前缘崩裂和冰架底部的冻融等，冰架前缘发生的冰山断裂，可以通过卫星遥感和航测资料进行。然而，直接观测冰架底部的融化和冻结就比较困难，迄今为止，对冰架底部进行的直接观测仅有有限的几处，大都通过凿洞、钻孔或自然形成的冰裂缝进行。如果能够获取冰架底部冰芯样品，进行物理化学分析，将对研究冰架底部物质平衡过程，冰架与海洋相互作用机理具有重要作用。目前国际上通常采用的钻孔和采样方式多为效率最高的热水钻，热水钻喷射融冰成孔时，在接近底部层位进行取芯钻进，但常规热水钻系统在同一层位同一钻孔只能获取一支冰芯，取样量少，往往不能满足科学家对样品的需求。

技术实现要素：

本实用新型的目的提供一种水压触发式冰层底部多点热水取芯钻具。本实用新型基于热水钻系统进行设计，首先采用热水钻成孔，然后将钻具下入孔内，到达冰架底部后采用水压触发方式使取芯钻具张开，并通过钻头自下而上完成钻进和采样。本实用新型配合热水钻系统使用，在不增加地表设备情况下，可很好的完成冰架或冰层底部冰层取芯钻进，结构简单，钻进效率高，采样量大，可大大降低成本。

一种水压触发式冰层底部多点热水取芯钻具，包括热水管、钻具进水管、进水管扶正块、挡水帽、上外管、活塞缸体、密封圈、活塞、活塞杆、活塞杆扶正块、滑动支座、导正杆、弹簧、固定支座、钻头、卡断器销轴、卡断器、卡簧、卡簧固定螺钉、钻头连接螺钉、软管、转动销轴、支杆、冰芯管、顶杆、下外管及螺钉；

热水管与钻具进水管上部相连，钻具进水管下部与活塞缸体采用螺纹连接，进水管扶正块通过M8螺钉固定在上外管顶部，其内孔对钻具进水管起到扶正作用，上外管上部还通过M5螺钉固定有挡水帽，上外管下端通过M8螺钉固定在活塞缸体上；

活塞安装在活塞缸体内，其上安装有两道密封圈，下端通过螺纹固定有活塞杆，活塞和活塞杆可沿活塞缸体轴向上下自由滑动，活塞杆扶正块通过 M6螺钉固定在活塞缸体下端部，对活塞杆运动起到导正作用；活塞杆下部通过螺纹连接有滑动支座，导正杆上部与活塞杆内孔配合，下部通过螺纹固定在固定支座上，滑动支座和固定支座之间安装有弹簧，固定支座通过M8螺钉与下外管固定，下外管上部与活塞杆扶正块固定；顶杆一端通过转动销轴与滑动支座铰接，顶杆另一端通过转动销轴连接在支杆中部，支杆两端分别与固定支座和冰芯管通过转动销轴相连，所有转动销轴均配有锁紧螺钉对其进行定位，下外管在支杆和顶杆布置方向加工有长槽，允许支杆和顶杆在槽内上下移动。

冰芯管上部通过钻头连接螺钉与钻头连接，卡断器通过卡断器销轴固定在钻头上，卡簧通过卡簧固定螺钉固定在钻头上，并对卡断器进行限位，保证卡断器只能向钻头内方向转动，卡断器、卡断器销轴、卡簧和卡簧固定螺钉沿钻头径向均布三组；冰芯管进水口与活塞缸体出水口通过软管连接，冰芯管出水口则通过引水管与钻头进水口连接。

为了增加单次钻进冰芯采样量，冰芯管和钻头沿钻具径向均布三组，分别通过支杆、顶杆及转动销轴与滑动支座和固定支座相连。

本实用新型的工作过程：

本钻具使用前应采用热水钻在极地冰架进行钻孔，并成功穿透冰架，使钻孔与冰架下海水联通，此时将热水钻热水管路与钻具进水管相连，采用地表热水管路绞车将该钻具下放到孔内。此时由于钻具内没有通热水，活塞、活塞杆、滑动支座在弹簧作用下处于上位，冰芯管则处于缩回状态，钻具整体直径小于热水钻孔直径，因此钻具可在钻孔内提升和下放。

当钻具穿过冰架底部并进入冰架下海水后，利用地表热水泵向钻具内泵送热水，热水经过热水管路、钻具进水管到达活塞缸体上腔，活塞在热水压力作用下开始向下移动，并通过活塞杆推动滑动支座压缩弹簧并向下移动，由于滑动支座、顶杆、支杆和固定支座构成了连杆机构，当滑动支座下移时，顶杆推动支杆绕固定支座的铰点转动，从而使冰芯管向外张开。当活塞下行至活塞缸体侧壁开孔以下时，热水从活塞缸体上腔进入侧腔，并通过软管进入冰芯管侧水腔，然后通过引水管进入钻头，并喷射而出，此时由于热水得以释放，活塞缸体上腔水压将保持不变，同时在弹簧力作用下，活塞不再下移而保持位置不变，冰芯管张开至最大位置。

当冰芯管张开至最大位置后，三个冰芯管分布直径远大于钻孔直径，此时缓慢上提钻具，由于热水始终从钻头处喷出，因此即可在冰架底部冰层中自下而上融出环状冰孔，冰芯则进入冰芯管内。当钻进至设计最大深度后，缓慢下放钻具，此时卡断器尖端与冰芯接触并受阻，当钻头带动卡断器向下运动时，卡断器则围绕卡断器销轴转动，并切入至冰芯内，导致冰芯与冰层分离，掉落的冰芯则收集在冰芯管内。

继续下放钻具至冰芯管退出钻孔重新回到冰架下海水中，此时停止热水供应，活塞缸体上腔水压降低，活塞、活塞杆、滑动支座在弹簧力作用下上移，并通过顶杆和支杆带动冰芯管向内缩回，直至活塞上移至与活塞缸体上腔顶面接触而停止，此时冰芯管缩至最小直径。启动地表热水管路绞车将钻具提至地表并完成取芯，在上提过程中，由于冰芯管直径小于挡水帽直径，因此避免了水流对冰芯管内冰芯的冲刷，实现最大限度的保护冰芯样品。

本实用新型的有益效果：

本实用新型很好地解决了极地冰架底部冰层样品采集难的问题，设计的钻具采用压力触发方式，使钻具到达孔底后，携带的三个冰芯管张开，并完成钻进采样，并可多次下放钻具进行多点采样，使得同一个钻孔的孔底采样量大大增加。

本实用新型结构简单，工作可靠，操作方便，与热水钻系统配合使用，在不增加地表设备情况下完成孔底多点多次采样，大大降低了施工成本，且整套钻具易损件少，使用寿命长。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的钻进状态示意图。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，一种水压触发式冰层底部多点热水取芯钻具，包括热水管1、钻具进水管2、进水管扶正块3、M8螺钉4、挡水帽5、M5 螺钉6、上外管7、活塞缸体8、密封圈9、活塞10、活塞杆11、M6螺钉12、活塞杆扶正块13、滑动支座14、导正杆15、弹簧16、固定支座17、钻头18、卡断器销轴19、卡断器20、卡簧21、卡簧固定螺钉22、钻头连接螺钉23、引水管24、软管25、锁紧螺钉26、转动销轴27、支杆28、冰芯管29、顶杆 30和下外管31；

其中热水管1与钻具进水管2上部相连，钻具进水管2下部与活塞缸体8 采用螺纹连接，进水管扶正块3通过M8螺钉4固定在上外管7顶部，其内孔对钻具进水管2起到扶正作用，上外管7上部通过M5螺钉6固定有挡水帽5，上外管7下端通过M8螺钉4固定在活塞缸体8上；

活塞10安装在活塞缸体8内，活塞10上安装有两道密封圈9，活塞10 下端通过螺纹固定有活塞杆11，活塞10和活塞杆11可沿活塞缸体8轴向上下自由滑动，活塞杆扶正块13通过M6螺钉12固定在活塞缸体8下端部，对活塞杆11运动起到导正作用；活塞杆11下部通过螺纹连接有滑动支座14，导正杆15上部与活塞杆11内孔配合，下部通过螺纹固定在固定支座17上，滑动支座14和固定支座17之间安装有弹簧16，固定支座17通过M8螺钉4 与下外管31固定，下外管31上部与活塞杆扶正块13固定；顶杆30一端通过转动销轴27与滑动支座14铰接，顶杆30另一端通过转动销轴27连接在支杆28中部，支杆28两端分别与固定支座17和冰芯管29通过转动销轴27 相连，所有转动销轴27均配有锁紧螺钉26对其进行定位，下外管31在支杆 28和顶杆30布置方向加工有长槽，允许支杆28和顶杆30在槽内上下移动。

冰芯管29上部通过钻头连接螺钉23与钻头18连接，卡断器20通过卡断器销轴19固定在钻头18上，卡簧21通过卡簧固定螺钉22固定在钻头上，并对卡断器20进行限位，保证卡断器20只能向钻头18内方向转动，卡断器 20、卡断器销轴19、卡簧21和卡簧固定螺钉22沿钻头径向均布三组；冰芯管29进水口与活塞缸体8出水口通过软管25连接，冰芯管29出水口则通过引水管24与钻头18进水口连接。

为了增加单次钻进冰芯采样量，冰芯管29和钻头18沿钻具径向均布三组，分别通过支杆28、顶杆30及转动销轴27与滑动支座14和固定支座17 相连。

本实施例的工作过程：

如图2所示，本钻具使用前应采用热水钻在极地冰架进行钻孔，并成功穿透冰架，使钻孔与冰架下海水联通，此时将热水钻热水管路1与钻具进水管2相连，采用地表热水管路绞车将该钻具下放到孔内。此时由于钻具内没有通热水，活塞10、活塞杆11、滑动支座14在弹簧16作用下处于上位，冰芯管则处于缩回状态，钻具整体直径小于热水钻孔直径，因此钻具可在钻孔内提升和下放。

当钻具穿过冰架底部并进入冰架下海水后，利用地表热水泵向钻具内泵送热水，热水经过热水管路1、钻具进水管2到达活塞缸体8上腔，活塞10 在热水压力作用下开始向下移动，并通过活塞杆11推动滑动支座14压缩弹簧16并向下移动，由于滑动支座14、顶杆30、支杆28和固定支座17构成了连杆机构，当滑动支座14下移时，顶杆30推动支杆28绕固定支座17的铰点转动，从而使冰芯管29向外张开。当活塞下行至活塞缸体8侧壁开孔以下时，热水从活塞缸体上腔进入侧腔，并通过软管25进入冰芯管侧水腔，然后通过引水管24进入钻头18，并喷射而出，此时由于热水得以释放，活塞缸体8上腔水压将保持不变，同时在弹簧16力作用下，活塞10不再下移而保持位置不变，冰芯管29张开至最大位置。

当冰芯管29张开至最大位置后，3个冰芯管分布直径远大于钻孔直径，此时缓慢上提钻具，由于热水始终从钻头18处喷出，因此即可在冰架底部冰层中自下而上融出环状冰孔，冰芯则进入冰芯管29内。当钻进至设计最大深度后，缓慢下放钻具，此时卡断器20尖端与冰芯接触并受阻，当钻头带动卡断器20向下运动时，卡断器20则围绕卡断器销轴19转动，并切入至冰芯内，导致冰芯与冰层分离，掉落的冰芯则收集在冰芯管29内。

继续下放钻具至冰芯管29退出钻孔重新回到冰架下海水中，此时停止热水供应，活塞缸体8上腔水压降低，活塞10、活塞杆11、滑动支座14在弹簧16力作用下上移，并通过顶杆30和支杆28带动冰芯管29向内缩回，直至活塞10上移至与活塞缸体8上腔顶面接触而停止，此时冰芯管29缩至最小直径。启动地表热水管路绞车将钻具提至地表并完成取芯，在上提过程中，由于冰芯管29直径小于挡水帽5直径，因此避免了水流对冰芯管内冰芯的冲刷，实现最大限度的保护冰芯样品。