一种极地钻进用铠装电缆式电动机械冲击回转钻具的制作方法

本发明涉及一种极地钻进用冲击回转钻具，特别涉及一种极地钻进用铠装电缆式电动机械冲击回转钻具。

背景技术：

目前，通过极地钻探技术获取冰心和冰盖下基岩样品，或通过钻探技术快速获取钻孔并在孔内安装监测仪器，是研究极地冰盖及冰下地质环境的重要手段。但受恶劣气候及地表冰雪环境的影响，极地钻探难度大且异常复杂，目前主要采用铠装电缆式电动机械钻具进行取心或全面钻进。然而受孔内动力及钻具本身重量的限制，在钻遇冰岩夹层、冰下岩层等地层时，由于钻压低、扭矩小及钻具本身不能提供足够的动力碎岩等技术障碍，导致钻进速度较慢，岩屑难以有效携离孔底，较易发生卡钻等复杂事故。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的用于极地钻进的回转钻具钻压低、扭矩小及钻具本身不能提供足够的动力碎岩等技术障碍，所导致的钻进速度较慢、岩屑难以有效携离孔底以及较易发生卡钻等复杂事故而提供的一种极地钻进用铠装电缆式电动机械冲击回转钻具。

本发明提供的极地钻进用铠装电缆式电动机械冲击回转钻具包括有岩屑室、水泵、驱动电机、变速系统、机械冲击系统和钻头，其中岩屑室设在水泵的上部，岩屑室的出液口与水泵的进液口相连通，驱动电机设在水泵的下部，驱动电机的下端与变速系统相连接，水泵和变速系统由驱动电机带动进行工作，变速系统的下部与机械冲击系统相连接，变速系统带动机械冲击系统进行工作，钻头装配在机械冲击系统的下部，钻头由机械冲击系统带动进行工作。

岩屑室的上部连接有反扭装置，反扭装置的上部连接有电子元件舱，电子元件舱的顶端连接有滑环，滑环上连接有铠装电缆，铠装电缆通过滑环为电子元件舱和驱动电机进行供电。

岩屑室由一套管组成，套管的侧壁上开设有数个进水口，套管的内腔中插设有过滤网，过滤网为圆柱形，圆柱形过滤网的出液口对应水泵的进液口设置。

机械冲击系统由旋转轴、外缸和冲锤组成，其中旋转轴上开设有波形槽，冲锤的上端装配有限位块，限位块卡接在旋转轴上的波形槽内并能够在波形槽的轨迹范围内进行滑动从而带动冲锤进行上下冲击运动，外缸的内侧壁上开设有花键槽，冲锤通过花键槽卡接在外缸的内腔中，冲锤能够沿花键槽进行上下滑动，机械冲击系统上部连接的变速系统为一行星减速器，行星减速器在驱动电机的驱动下进行变速后同时驱动机械冲击系统的外缸及旋转轴回转，从而使冲锤在限位块的带动下随旋转轴的转动而做上下往复运动，冲击机械冲击系统下部的钻头进行钻进。

外缸的下部螺接有花键套，钻头上部设有与花键套相匹配的花键，钻头通过花键卡接在花键套上，钻头的上部还设置有固定卡，钻头通过固定卡悬挂在花键套的内腔中，花键套的底面与钻头台阶间设置有缓冲垫圈。

钻头的上部开设有数个进液通道，钻头的中间部位开设有中心通道，钻头上部的数个进液通道与钻头中间部位的中心通道相连通，钻头底唇面上开设有数个喷嘴，数个喷嘴与钻头中间部位的中心通道相连通。

上述的水泵、驱动电机、钻头、反扭装置、电子元件舱、滑环、铠装电缆和行星减速器均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本发明的工作原理：

本发明提供的极地钻进用铠装电缆式电动机械冲击回转钻具进行钻进时，利用铠装电缆将回转钻具下放孔底，然后启动驱动电机，驱动电机通过行星减速器变速后同时驱动机械冲击系统的外缸及旋转轴回转。机械冲击系统中的冲锤在限位块作用下随旋转轴的转动而做上下往复运动，冲击钻头。同时，机械冲击系统中的外缸带动下部的花键套和钻头回转以切削地层，进而实现冲击回转钻进。产生的岩屑或冰屑在冲洗液作用下，沿钻具与孔壁的环形间隙上返，然后被水泵抽吸进入岩屑室，岩屑或冰屑滞留在岩屑室内待回次结束后提至地表处理。冲洗液经岩屑室套管内腔中的过滤网进入水泵，然后泵入驱动电机与钻具外管之间的间隙下行，经变速系统、机械冲击系统的间隙流入钻头的中心通道，并从钻头底唇面上的喷嘴高速喷出，冷却钻头，然后携带岩屑或冰屑上返，实现冲洗液的循环。

若采用取心钻头，则在钻头内部增加取心管，即可进行冰岩夹层、冰下岩层的取心钻进。

本发明的有益效果：

本发明提供的极地钻进用铠装电缆式电动机械冲击回转钻具与现有铠装电缆式电动机械钻具相比，本发明在钻具回转切削的基础上增加了冲击钻进，不但能够弥补传统冰钻钻具由于回转扭矩不足导致钻进能力受限的缺陷，而且冲击作用可有效避免冰屑在钻头体附近的堆积和粘附聚结，降低了卡钻等复杂钻进事故风险。该钻具具有结构简单，系统可靠，应用范围广，钻进效率高等优点，可用于冰层、冰岩夹层以及冰下基岩层等多工况条件的钻进。

附图说明

图1为本发明所述回转钻具整体结构剖视示意图。

图2为本发明所述机械冲击系统整体结构示意图。

图3为本发明所述旋转轴和冲锤连接结构示意图。

图4为本发明所述冲锤结构示意图。

图5为本发明所述旋转轴结构示意图。

图6为本发明所述钻头结构示意图。

上图中的标注如下：

1、岩屑室2、水泵3、驱动电机4、变速系统5、机械冲击系统6、钻头7、反扭装置8、电子元件舱9、滑环10、铠装电缆11、套管12、进水口13、过滤网14、旋转轴15、外缸16、冲锤17、波形槽18、限位块19、花键槽20、花键套21、花键22、固定卡23、缓冲垫圈24、进液通道25、中心通道26、喷嘴。

具体实施方式

请参阅图1至图6所示：

本发明提供的极地钻进用铠装电缆式电动机械冲击回转钻具包括有岩屑室1、水泵2、驱动电机3、变速系统4、机械冲击系统5和钻头6，其中岩屑室1设在水泵2的上部，岩屑室1的出液口与水泵2的进液口相连通，驱动电机3设在水泵2的下部，驱动电机3的下端与变速系统4相连接，水泵2和变速系统4由驱动电机3带动进行工作，变速系统4的下部与机械冲击系统5相连接，变速系统4带动机械冲击系统5进行工作，钻头6装配在机械冲击系统5的下部，钻头6由机械冲击系统5带动进行工作。

岩屑室1的上部连接有反扭装置7，反扭装置7的上部连接有电子元件舱8，电子元件舱8的顶端连接有滑环9，滑环9上连接有铠装电缆10，铠装电缆10通过滑环9为电子元件舱8和驱动电机3进行供电。

岩屑室1由一套管11组成，套管11的侧壁上开设有数个进水口12，套管11的内腔中插设有过滤网13，过滤网13为圆柱形，圆柱形过滤网13的出液口对应水泵2的进液口设置。

机械冲击系统5由旋转轴14、外缸15和冲锤16组成，其中旋转轴14上开设有波形槽17，冲锤16的上端装配有限位块18，限位块18卡接在旋转轴14上的波形槽17内并能够在波形槽17的轨迹范围内进行滑动从而带动冲锤16进行上下冲击运动，外缸15的内侧壁上开设有花键槽19，冲锤16通过花键槽19卡接在外缸15的内腔中，冲锤16能够沿花键槽19进行上下滑动，机械冲击系统5上部连接的变速系统4为一行星减速器，行星减速器在驱动电机3的驱动下进行变速后同时驱动机械冲击系统5的外缸15及旋转轴14回转，从而使冲锤16在限位块18的带动下随旋转轴14的转动而做上下往复运动，冲击机械冲击系统5下部的钻头6进行钻进。

外缸15的下部螺接有花键套20，钻头6上部设有与花键套20相匹配的花键21，钻头6通过花键21卡接在花键套20上，钻头6的上部还设置有固定卡22，钻头6通过固定卡22悬挂在花键套20的内腔中，花键套20的底面与钻头6台阶间设置有缓冲垫圈23。

钻头6的上部开设有数个进液通道24，钻头6的中间部位开设有中心通道25，钻头6上部的数个进液通道24与钻头6中间部位的中心通道25相连通，钻头6底唇面上开设有数个喷嘴26，数个喷嘴26与钻头6中间部位的中心通道25相连通。

上述的水泵2、驱动电机3、钻头6、反扭装置7、电子元件舱8、滑环9、铠装电缆10和行星减速器均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本发明的工作原理：

本发明提供的极地钻进用铠装电缆式电动机械冲击回转钻具进行钻进时，利用铠装电缆10将回转钻具下放孔底，然后启动驱动电机3，驱动电机3通过行星减速器变速后同时驱动机械冲击系统5的外缸15及旋转轴14回转。机械冲击系统5中的冲锤16在限位块18作用下随旋转轴14的转动而做上下往复运动，冲击钻头6。同时，机械冲击系统5中的外缸15带动下部的花键套20和钻头6回转以切削地层，进而实现冲击回转钻进。产生的岩屑或冰屑在冲洗液作用下，沿钻具与孔壁的环形间隙上返，然后被水泵2抽吸进入岩屑室1，岩屑或冰屑滞留在岩屑室1内待回次结束后提至地表处理。冲洗液经岩屑室套管11内腔中的过滤网13进入水泵2，然后泵入驱动电机3与钻具外管之间的间隙下行，经变速系统4、机械冲击系统5的间隙流入钻头6的中心通道25，并从钻头6底唇面上的喷嘴26高速喷出，冷却钻头6，然后携带岩屑或冰屑上返，实现冲洗液的循环。

若采用取心钻头6，则在钻头6内部增加取心管，即可进行冰岩夹层、冰下岩层的取心钻进。