配合极地空气钻进取芯式旋喷钻头随钻检测冰芯介电性质的装置

摘要

一种配合极地空气钻进取芯式旋喷钻头随钻检测冰芯介电性质的装置，其上部连接体与冰芯管连接；上部连接体具有上轴承座，上轴承座内镶嵌上推力球轴承，上推力球轴承下端安装有轴承挡环，下轴承座上安装下推力球轴承，钻头体与轴承挡环连接，钻头体与轴承挡环能同步转动，冰芯管的内部具有冰芯扶正器；冰芯管具有导线通孔、低位电极、中间环状间隙、高位电极和保护电极；钻头体的壁上具有导流气体凸起、冰芯卡断器、高压空气导流孔、底唇面空气导流孔，刀头固定在钻头体底部。本发明可以随着钻进检测冰芯的介电性质，配合高压空气旋喷钻进避免了液体对测量精度的影响。钻头体单动，上部冰芯管等不转动，增加了钻具的稳定性。

权利要求

1.一种配合极地空气钻进取芯式旋喷钻头随钻检测冰芯介电性质的装置，其特征在于：包括上部连接体(1)、上轴承座(2)、上推力球轴承(3)、下推力球轴承(20)、轴承挡环(4)、下轴承座(5)、钻头体(6)、导流气体凸起(7)、冰芯卡断器(8)、高压空气导流孔(9)、底唇面空气导流孔(10)、刀头(11)、螺钉(12)、冰芯管(13)、导线通孔(14)、低位电极(15)、中间环状间隙(16)、高位电极(17)、保护电极(18)和冰芯扶正器(19)；

上部连接体(1)与冰芯管(13)螺纹连接；

上部连接体(1)的下部具有上轴承座(2)，上轴承座(2)内镶嵌上推力球轴承(3)，上推力球轴承(3)下端安装有轴承挡环(4)，轴承挡环(4)下端的下轴承座(5)上安装下推力球轴承(20)，下轴承座(5)安装在钻头体(6)上，钻头体(6)与轴承挡环(4)螺纹连接，钻头体(6)与轴承挡环(4)能同步转动，上部连接体(1)由于与钻头体(6)和轴承挡环(4)不接触，由于上推力球轴承(3)和下推力球轴承(20)的设置，实现了钻头体(6)的单动，钻进过程中上部钻具不发生转动；

冰芯管(13)的内部具有冰芯扶正器(19)；冰芯管(13)具有导线通孔(14)、低位电极(15)、中间环状间隙(16)、高位电极(17)和保护电极(18)；钻头体(6)的壁上具有导流气体凸起(7)、冰芯卡断器(8)、高压空气导流孔(9)、底唇面空气导流孔(10)，刀头(11)通过螺钉(12)固定在钻头体(6)底部。

2.根据权利要求1所述的一种配合极地空气钻进取芯式旋喷钻头随钻检测冰芯介电性质的装置，其特征在于：所述的冰芯管(13)内部的低位电极(15)用聚四氟乙烯材料进行绝缘，高位电极(17)用绝缘物质固定在聚四氟乙烯材料上；保护电极(18)与高位电极(17)互不连接，防止短路；低位电极(15)用耐低温绝缘胶水固定在保护电极(18)的开槽内，与保护电极(18)一体但与保护电极(18)绝缘；高位电极(17)和低位电极(15)的中心各自引出一根特制的同轴电缆连接到LCR测试仪上；高位电极(17)和低位电极(15)通电以后，电源线和数据通讯线即同轴电缆经过导线通孔(14)上传至地表的LCR检测仪上，采集冰芯检测信号。

3.根据权利要求1所述的一种配合极地空气钻进取芯式旋喷钻头随钻检测冰芯介电性质的装置，其特征在于：所述的低位电极(15)和高位电极(17)是类卡簧式低位电极。

4.根据权利要求1所述的一种配合极地空气钻进取芯式旋喷钻头随钻检测冰芯介电性质的装置，其特征在于：所述的冰芯扶正器(19)是类卡簧式的弹性装置。

说明书

配合极地空气钻进取芯式旋喷钻头随钻检测冰芯介电性质的

装置

技术领域

[0001] 本发明是一种可以随钻测量冰芯介电性质的装置，在实际应用中取芯式旋喷钻进可以不用钻井液钻取冰芯，随钻检测装置可以不用将冰芯提取至地表测量冰芯介电性质。

背景技术

[0002] 南极大陆的冰芯对人们来说至关重要，从获取的冰芯中可以对冰芯内部物质组分进行分析，进而获取地球古气候演变的重要信息。自从我国2012年在南极开展冰芯钻探活
动以来，钻探进尺量和冰芯钻取量取得了突飞猛进的进展，但是在冰芯检测与控制分析方
面的技术不是很成熟，存在测试手段单一、依赖国外设备，以及无法进行原位无损测试等弊
端，我们急需自行研发一种无损的、高分辨率的冰芯测试方法，以快速准确地获取冰芯内部
物质组成及含量。目前国内外测试冰芯的方法还只停留在把冰芯取到地表进行测量，这就
导致了冰芯数据的大量失真。如果钻至脆冰区，冰芯内部有高度压缩的气泡，取至地表极易
破碎。随钻测量就可以直接测量到冰芯，不会导致冰芯数据失真。

发明内容

[0003] 本发明提供一种配合极地空气钻进取芯式旋喷钻头随钻检测冰芯介电性质的装置。

[0004] 一种配合极地空气钻进取芯式旋喷钻头随钻检测冰芯介电性质的装置，包括上部连接体、上轴承座、上推力球轴承、下推力球轴承、轴承挡环、下轴承座、钻头体、导流气体凸
起、冰芯卡断器、高压空气导流孔、底唇面空气导流孔、刀头、螺钉、冰芯管、导线通孔、低位
电极、中间环状间隙、高位电极、保护电极和冰芯扶正器；

[0005] 上部连接体与冰芯管螺纹连接；

[0006] 上部连接体的下部具有上轴承座，上轴承座内镶嵌上推力球轴承，上推力球轴承下端安装有轴承挡环，轴承挡环下端的下轴承座上安装下推力球轴承，下轴承座安装在钻
头体上，钻头体与轴承挡环螺纹连接，钻头体与轴承挡环能同步转动，上部连接体由于与钻
头体和轴承挡环不接触，由于上推力球轴承和下推力球轴承的设置，实现了钻头体的单动，
钻进过程中上部钻具不发生转动。

[0007] 冰芯管的内部具有冰芯扶正器；冰芯管具有导线通孔、低位电极、中间环状间隙、高位电极和保护电极；冰芯管内部的低位电极用聚四氟乙烯材料进行绝缘，高位电极用绝
缘物质固定在聚四氟乙烯材料上；保护电极18与高位电极互不连接，防止短路。低位电极用
耐低温绝缘胶水固定在保护电极的开槽内，与保护电极一体但与保护电极绝缘。高位电极
和低位电极的中心各自引出一根特制的同轴电缆连接到LCR测试仪上。高位电极和低位电
极通电以后，电源线和数据通讯线即同轴电缆经过导线通孔上传至地表的LCR检测仪上，采
集冰芯检测信号。

[0008] 钻头体的壁上具有导流气体凸起、冰芯卡断器、高压空气导流孔、底唇面空气导流孔，刀头通过螺钉固定在钻头体底部。

[0009] 所述的低位电极和高位电极是类卡簧式低位电极。

[0010] 所述的冰芯扶正器是类卡簧式的弹性装置。

[0011] 当高压空气驱动钻头体转动时，刀头切削冰层，产生的冰屑会被来自底唇面的高压空气导流孔的高压空气吹至地表，同时，高压空气还能冷却钻头。上推力球轴承和下推力
球轴承被上部连接体中的上轴承座和下轴承座限位，上推力球轴承和下推力球轴承之间还
有轴承挡环对其限位，同时轴承挡环与钻头体螺纹连接可以实现钻头体的单动，上部冰芯
管不转动。

[0012] 该套设备可以实现不用钻井液对冰层进行钻进，进而减少了液体对测量冰芯介电性质的影响。冰芯测量装置配合空气取芯式旋喷钻头向下钻进进而检测冰芯。

[0013] 本发明工作过程：

[0014] 向下钻进时，首先利用地表绞车将整个钻具下放直至与积雪层或冰层接触，然后将高压空气管路经过冰芯管侧壁，再经过上部连接体、上轴承座侧壁、轴承挡环侧壁，然后
高压空气被送入钻头体内，经过高压气体凸起时，会驱动钻头顺时针旋转，高压空气继续从
高压气体导流孔和底唇面空气导流孔喷出钻头外，由高压气体导流孔喷出的高压空气喷到
孔壁也会驱动钻头体和刀头进行顺时针回转切削钻进，钻压由整套上部钻具的部分重量提
供，由地表绞车的天车压力来控制。此时钻头体由于与轴承挡环螺纹连接保持同步转动，而
上部连接体由于与钻头体和轴承挡环不接触，由于上推力球轴承和下推力球轴承的存在，
实现了钻头体的单动，钻进过程中上部钻具不发生转动。

[0015] 在钻进一段时间过后，冰芯会进入到冰芯管中，这时，冰芯会撑开坐落在底座上的冰芯扶正器，冰芯管上部凸起对冰芯扶正器进行限位。此时，冰芯测量装置会紧紧的抱住冰
芯，这样高位电极和低位电极就可以与冰芯无缝接触，提高了测试精度，消除了极板中间其
他介质的影响。由于保护电极的存在，也消除了寄生电容的影响。冰芯管内部的低位电极用
聚四氟乙烯材料进行绝缘，高位电极用绝缘物质固定在聚四氟乙烯材料上。保护电极与高
位电极互不连接，防止短路。低位电极用耐低温绝缘胶水固定在保护电极的开槽内，与保护
电极一体但与保护电极绝缘。高位电极和低位电极的中心各自引出一根特制的同轴电缆连
接到LCR测试仪上。高低位电极通电以后，电源线和数据通讯线即同轴电缆经过导线通孔上
传至地表的LCR检测仪上，采集冰芯检测信号。

[0016] 在钻进过程中，高压空气经过钻头底唇面时，会清除孔底的冰屑，并且冰屑会沿着钻杆与孔壁的间隙上返。省去了收集冰屑的装置，节省了大量的空间，可以收集大量的冰
芯，进而检测到大量的冰芯。

[0017] 本发明有益效果：

[0018] 利用高压空气驱动钻头体转动，这里的钻头是取芯式钻头，可以获取冰芯。在钻进过程中，安置在冰芯管中的高低位电极可以实现随钻测量冰芯。检测出冰芯的介电性质，经
过485总线通信传输到地表的LCR仪上显示。这样便实现了随钻测量，不用将冰芯取至地表
再进行测量，也避免了钻井液体对测量精度的影响。减少了大量的工作强度，也提高了工作
精度。

附图说明

[0019] 图1为本发明的立体示意图。

[0020] 图2为本发明的剖视图。

[0021] 图3为本发明的冰芯管立体示意图。

[0022] 图4为本发明的冰芯管剖视图。

具体实施方式

[0023] 如图1、图2、图3和图4所示，一种配合极地空气钻进取芯式旋喷钻头随钻检测冰芯介电性质的装置，包括上部连接体1、上轴承座2、上推力球轴承3、下推力球轴承20、轴承挡
环4、下轴承座5、钻头体6、导流气体凸起7、冰芯卡断器8、高压空气导流孔9、底唇面空气导
流孔10、刀头11、螺钉12、冰芯管13、导线通孔14、低位电极15、中间环状间隙16、高位电极
17、保护电极18和冰芯扶正器19；

[0024] 上部连接体1与冰芯管13螺纹连接；

[0025] 上部连接体1的下部具有上轴承座2，上轴承座2内镶嵌上推力球轴承3，上推力球轴承3下端安装有轴承挡环4，轴承挡环4下端的下轴承座5上安装下推力球轴承20，下轴承
座5安装在钻头体6上，钻头体6与轴承挡环4螺纹连接，钻头体6与轴承挡环4能同步转动，上
部连接体1由于与钻头体6和轴承挡环4不接触，由于上推力球轴承3和下推力球轴承20的设
置，实现了钻头体6的单动，钻进过程中上部钻具不发生转动。

[0026] 冰芯管13的内部具有冰芯扶正器19；冰芯管13具有导线通孔14、低位电极15、中间环状间隙16、高位电极17和保护电极18；冰芯管13内部的低位电极15用聚四氟乙烯材料进
行绝缘，高位电极17用绝缘物质固定在聚四氟乙烯材料上；保护电极18与高位电极17互不
连接，防止短路。低位电极15用耐低温绝缘胶水固定在保护电极18的开槽内，与保护电极18
一体但与保护电极18绝缘。高位电极17和低位电极15的中心各自引出一根特制的同轴电缆
连接到LCR测试仪上。高位电极17和低位电极15通电以后，电源线和数据通讯线即同轴电缆
经过导线通孔14上传至地表的LCR检测仪上，采集冰芯检测信号。

[0027] 钻头体6的壁上具有导流气体凸起7、冰芯卡断器8、高压空气导流孔9、底唇面空气导流孔10，刀头11通过螺钉12固定在钻头体6底部。

[0028] 所述的低位电极15和高位电极17是类卡簧式低位电极。

[0029] 所述的冰芯扶正器19是类卡簧式的弹性装置。

[0030] 当高压空气驱动钻头体6转动时，刀头11切削冰层，产生的冰屑会被来自底唇面的高压空气导流孔9的高压空气吹至地表，同时，高压空气还能冷却钻头。上推力球轴承3和下
推力球轴承20被上部连接体1中的上轴承座2和下轴承座5限位，上推力球轴承3和下推力球
轴承20之间还有轴承挡环4对其限位，同时轴承挡环4与钻头体6螺纹连接可以实现钻头体6
的单动，上部冰芯管13不转动。

[0031] 该套设备可以实现不用钻井液对冰层进行钻进，进而减少了液体对测量冰芯介电性质的影响。冰芯测量装置配合空气取芯式旋喷钻头向下钻进进而检测冰芯。

[0032] 本实施例的工作过程：

[0033] 向下钻进时，首先利用地表绞车将整个钻具下放直至与积雪层或冰层接触，然后将高压空气管路经过冰芯管13侧壁，再经过上部连接体1、上轴承座2侧壁、轴承挡环4侧壁，
然后高压空气被送入钻头体6内，经过高压气体凸起7时，会驱动钻头顺时针旋转，高压空气
继续从高压气体导流孔9和底唇面空气导流孔11喷出钻头外，由高压气体导流孔9喷出的高
压空气喷到孔壁也会驱动钻头体6和刀头11进行顺时针回转切削钻进，钻压由整套上部钻
具的部分重量提供，由地表绞车的天车压力来控制。此时钻头体6由于与轴承挡环4螺纹连
接保持同步转动，而上部连接体1由于与钻头体6和轴承挡环4不接触，由于上推力球轴承3
和下推力球轴承20的存在，实现了钻头体6的单动，钻进过程中上部钻具不发生转动。

[0034] 在钻进一段时间过后，冰芯会进入到冰芯管13中，这时，冰芯会撑开坐落在底座上的冰芯扶正器19，冰芯管上部凸起对冰芯扶正器19进行限位。此时，冰芯测量装置会紧紧的
抱住冰芯，这样高位电极17和低位电极15就可以与冰芯无缝接触，提高了测试精度，消除了
极板中间其他介质的影响。由于保护电极18的存在，也消除了寄生电容的影响。冰芯管内部
的低位电极15用聚四氟乙烯材料进行绝缘，高位电极17用绝缘物质固定在聚四氟乙烯材料
上。保护电极18与高位电极17互不连接，防止短路。低位电极15用耐低温绝缘胶水固定在保
护电极18的开槽内，与保护电极18一体但与保护电极18绝缘。高位电极17和低位电极15的
中心各自引出一根特制的同轴电缆连接到LCR测试仪上。高低位电极通电以后，电源线和数
据通讯线即同轴电缆经过导线通孔14上传至地表的LCR检测仪上，采集冰芯检测信号。

[0035] 在钻进过程中，高压空气经过钻头底唇面时，会清除孔底的冰屑，并且冰屑会沿着钻杆与孔壁的间隙上返。省去了收集冰屑的装置，节省了大量的空间，可以收集大量的冰
芯，进而检测到大量的冰芯。