冰层取心装置及其方法

本申请属于冰层钻探领域，具体地涉及冰层取心装置及其方法。

背景技术：

1、南极冰下基岩取心钻探难度极大，除了恶劣的地表环境，还面临着冰层、冰岩夹层以及基岩层钻进的等各种复杂条件钻探的技术挑战。由于冰层的性质特殊以及恶劣作业环境的限制，加之陆上取心装置的取心过程需要停泵、停转盘、上提拔断岩心，操作复杂且耗时，陆上取心装置应用于冰层取心的过程中，往往面临操作困难，取心效率低，冰芯质量差等问题，难以满足冰层取心的需求。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种冰层取心装置及其方法，用于解决冰层取心的问题，达到操作简单、取心效率高、冰芯质量好的效果。

2、为了实现上述目的，本申请一方面提供一种冰层取心装置，包括：

3、空心钻杆，设有容纳冰芯的管腔；

4、钻头本体，设置在所述空心钻杆的底部；

5、冰芯卡断组件，设有第一凸起和第二凸起，所述第一凸起和所述第二凸起沿上下间隔并相对设置在所述钻头本体上方的空心钻杆的管壁内侧。

6、在一些实施方式中，所述第一凸起或所述第二凸起设有导向面和卡断刃；所述导向面用于引导所述冰芯上升时向一侧偏移；所述卡断刃位于所述导向面的上边缘并用于对所述冰芯施加径向力。

7、在一些实施方式中，所述钻头本体包括固定部、旋转部和轴承；所述固定部的顶部安装在所述空心钻杆的底端，所述固定部的底部通过所述轴承活动连接所述旋转部的顶部，所述旋转部的底部设有切削齿。

8、在一些实施方式中，所述旋转部的中心区域的内侧留空；所述中心区域的外侧，若干个所述切削齿沿所述旋转部的径向排列形成切削刃，若干条所述切削刃沿所述旋转部的中心周向分布。

9、在一些实施方式中，还包括驱动所述钻头本体旋转的电机；所述电机安装在所述空心钻杆的底部或所述钻头本体的固定部；所述电机的输出轴连接所述钻头本体的旋转部。

10、在一些实施方式中，还包括设置在所述空心钻杆顶部的提捞组件；所述提捞组件用于提捞上浮至所述空心钻杆顶部的所述冰芯。

11、在一些实施方式中，所述提捞组件包括提捞本体、活动提手、滤网板和拉线；所述提捞本体嵌入在所述空心钻杆的顶部；所述活动提手铰接于所述提捞本体的顶部，所述滤网板铰接于所述提捞本体的底部；所述活动提手通过所述拉线拉动所述滤网板摆动，所述滤网板闭合所述提捞本体底部的开口。

12、在一些实施方式中，所述提捞本体的顶部设有第一凹槽或底部设有第二凹槽；所述活动提手或所述滤网板的一端设有滑块；所述滑块在所述第一凹槽或所述第二凹槽内滑动。

13、在一些实施方式中，所述提捞本体的上部壁面设有限位块，所述空心钻杆通过所述限位块承托所述提捞本体。

14、本申请第二方面提供一种冰层取心方法，采用上述的冰层取心装置，包括：

15、取心作业，启动钻头本体旋转，同时向空心钻杆的管腔泵入钻井液；钻井液的密度大于冰芯的密度；

16、割心作业，冰芯沿空心钻杆的管腔向上移动，由第一凸起和第二凸起对冰芯产生一对沿其径向相反的作用力，将冰芯按预设长度卡断为若干段；

17、出心作业，若干段冰芯在浮力作用下，逐一上浮至空心钻杆的顶部开口，使用工具将其提捞。

18、与现有技术相比，本申请的有益效果为：

19、本申请通过在空心钻杆的管壁内侧设置第一凸起和第二凸起，使冰芯在钻头本体钻进的过程中自动卡断，并通过浮力作用将冰芯从空心钻杆的管腔中提捞出来，进而解决冰层取心的问题，达到操作简单、取心效率高、冰芯质量好的效果。

20、本申请实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.冰层取心装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的冰层取心装置，其特征在于，所述第一凸起(31)或所述第二凸起(32)设有导向面(33)和卡断刃(34)；所述导向面(33)用于引导所述冰芯(6)上升时向一侧偏移；所述卡断刃(34)位于所述导向面(33)的上边缘并用于对所述冰芯(6)施加径向力。

3.根据权利要求1所述的冰层取心装置，其特征在于，所述钻头本体(2)包括固定部(21)、旋转部(22)和轴承(23)；所述固定部(21)的顶部安装在所述空心钻杆(1)的底端，所述固定部(21)的底部通过所述轴承(23)活动连接所述旋转部(22)的顶部，所述旋转部(22)的底部设有切削齿(221)。

4.根据权利要求3所述的冰层取心装置，其特征在于，所述旋转部(22)的中心区域的内侧留空；所述中心区域的外侧，若干个所述切削齿(221)沿所述旋转部(22)的径向排列形成切削刃(222)，若干条所述切削刃(222)沿所述旋转部(22)的中心周向分布。

5.根据权利要求3所述的冰层取心装置，其特征在于，还包括驱动所述钻头本体(2)旋转的电机(4)；所述电机(4)安装在所述空心钻杆(1)的底部或所述钻头本体(2)的固定部(21)；所述电机(4)的输出轴连接所述钻头本体(2)的旋转部(22)。

6.根据权利要求1至5任一所述的冰层取心装置，其特征在于，还包括设置在所述空心钻杆(1)顶部的提捞组件(5)；所述提捞组件(5)用于提捞上浮至所述空心钻杆(1)顶部的所述冰芯(6)。

7.根据权利要求6所述的冰层取心装置，其特征在于，所述提捞组件(5)包括提捞本体(51)、活动提手(52)、滤网板(53)和拉线(54)；所述提捞本体(51)嵌入在所述空心钻杆(1)的顶部；所述活动提手(52)铰接于所述提捞本体(51)的顶部，所述滤网板(53)铰接于所述提捞本体(51)的底部；所述活动提手(52)通过所述拉线(54)拉动所述滤网板(53)摆动，所述滤网板(53)闭合所述提捞本体(51)底部的开口。

8.根据权利要求7所述的冰层取心装置，其特征在于，所述提捞本体(51)的顶部设有第一凹槽(511)或底部设有第二凹槽(512)；所述活动提手(52)或所述滤网板(53)的一端设有滑块(513)；所述滑块(513)在所述第一凹槽(511)或所述第二凹槽(512)内滑动。

9.根据权利要求7所述的冰层取心装置，其特征在于，所述提捞本体(51)的上部壁面设有限位块(55)，所述空心钻杆(1)通过所述限位块(55)承托所述提捞本体(51)。

10.冰层取心方法，采用如权利要求1至9任一所述的冰层取心装置，其特征在于，包括：

技术总结
本申请涉及冰层钻探领域，公开了冰层取心装置及其方法。该冰层取心装置，包括：空心钻杆、钻头本体、冰芯卡断组件，设有第一凸起和第二凸起，第一凸起和第二凸起沿上下间隔并相对设置在钻头本体上方的空心钻杆的管壁内侧。该冰层取心方法，包括：取心作业，启动钻头本体旋转，同时向空心钻杆的管腔泵入钻井液；钻井液的密度大于冰芯的密度；割心作业，冰芯沿空心钻杆的管腔向上移动，由第一凸起和第二凸起对冰芯产生一对沿其径向相反的作用力，将冰芯按预设长度卡断为若干段；出心作业，若干段冰芯在浮力作用下，逐一上浮至空心钻杆的顶部开口，使用工具将其提捞。本申请用于解决冰层取心的问题，达到操作简单、取心效率高、冰芯质量好的效果。

技术研发人员：王海柱,张耀辰,李敬彬,穆总结,赫文豪,孙廉贺
受保护的技术使用者：中国石油大学（北京）
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17