本发明公开了一种适用于极地冰盖钻进的装置及方法，包括井下钻具、监测系统、高强内衬缆连续管柱、井口密封、井口压力表、连续管柱卷扬机、钻井液油水分离器、泥浆泵、钻井液管汇、钻井液储蓄罐和主机系统；本发明中的用于极地冰盖钻进的装置能够实现全面钻进工作和取心钻进工作，分为钻井液反循环工艺和钻井液正循环工艺；能够有效应对极地钻进的特殊需求，具有快速高效和轻量化的优点。
1.一种适用于极地冰盖钻进的装置，其特征在于：包括井下钻具、监测系统、高强内衬缆连续管柱、井口密封、井口压力表、连续管柱卷扬机、钻井液油水分离器、泥浆泵、钻井液管汇、钻井液储蓄罐和主机系统；
所述井下钻具顶部设置所述监测系统，所述监测系统连接所述高强内衬缆连续管柱的一端；所述井下钻具包括钻头、井下电机、反扭定向装置和可控加热短节，所述井下电机通过减速机驱动所述钻头工作，所述反扭定向装置为所述井下钻具提供反力以及当井孔偏斜时进行纠斜，所述可控加热短节用于防止所述井下钻具与井壁发生冻结粘连；
所述高强内衬缆连续管柱的另一端穿过设置于井口的所述井口密封后绕过所述连续管柱卷扬机并连接所述钻井液油水分离器的一端，所述钻井液油水分离器的另一端通过所述钻井液管汇连接所述钻井液储蓄罐，所述钻井液储蓄罐还通过管路连接所述泥浆泵的一端，所述泥浆泵的另一端通过管路与钻井的内部通道连通；
或，所述高强内衬缆连续管柱的另一端穿过设置于井口的所述井口密封后绕过所述连续管柱卷扬机并连接所述泥浆泵的一端，所述泥浆泵的另一端通过所述钻井液管汇连接所述钻井液储蓄罐，所述钻井液储蓄罐还通过管路连接所述钻井液油水分离器的一端，所述钻井液油水分离器的另一端通过管路与钻井的内部通道连通；
所述高强内衬缆连续管柱包括管体和线缆，所述管体的内通道穿设所述线缆的同时还为钻井液的循环通道，所述线缆为所述井下钻具、监测系统提供电力和信号传输；所述井口压力表用于检测井内压力，所述主机系统用于接收井下监测数据，并实时调整钻进参数；
所述可控加热短节包括下短节、中短节和上短节，所述下短节设置于所述钻头与所述井下电机之间，所述中短节设置于所述井下电机与所述监测系统之间，所述监测系统的顶部设置所述反扭定向装置，所述上短节设置于所述反扭定向装置的顶部；
所述监测系统与所述高强内衬缆连续管柱通过连接器连接；
所述连续管柱卷扬机由电机驱动，用于带动所述高强内衬缆连续管柱收放所述井下监测系统和所述井下钻具。
2.根据权利要求1所述的适用于极地冰盖钻进的装置，其特征在于：所述钻头为钻进钻头或取心钻头。
3.一种应用权利要求1‑2任一项所述适用于极地冰盖钻进的装置进行的适用于极地冰盖钻进的方法，其特征在于：包括全面钻进工作和取心钻进工作；
所述全面钻进工作采用钻井液反循环工艺，钻井液从高强内衬缆连续管柱与井壁之间的环隙进入孔底，从所述高强内衬缆连续管柱内部流出，由于所述高强内衬缆连续管柱的内径小于所述高强内衬缆连续管柱与井壁之间的环隙，使上返流速增大，能够快速高效携带孔底冰屑，防止反复研磨，提高钻进效率；同时监测系统向主机系统实时提供井内数据，能够及时作出调整，当井斜超出设计范围时，可根据井眼偏斜方向启动反扭定向装置，进行纠斜钻进；
所述取心钻进工作采用钻井液正循环工艺，与反循环不同之处在于钻井液的流向和钻井液的流量，在泥浆泵的作用下，钻井液由高强内衬缆连续管柱与井壁之间的环隙通过井口密封上的出口由管路流入钻井油水分离器，并由高强内衬缆连续管柱再流回高强内衬缆连续管柱与井壁之间的环隙，泥浆泵能够实现变频调节，以满足不同工艺的需求。
一种适用于极地冰盖钻进的装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及钻探技术领域，特别是涉及一种适用于极地冰盖钻进的装置及方法。
背景技术
[0002] 极地科学与技术是探寻地球系统及其变化的关键、是应对全球气候变化和提高防灾减灾能力的手段、是探测极地资源、保护极地生态环境的方法、是我国建设海洋强国、保障极地战略核心利益的需求。极地冰盖蕴藏着数百万年以来随降雪而保存的重要气候信息，地球大气中的灰尘和悬浮颗粒、可溶性化学元素通过气流沉积在冰盖上，并随空气被冰雪所覆盖，所以冰盖记录了全球气候变化、重大地质事件和人类活动影响引起的气候与环境变化历史。极地冰盖的冰心具有分辨率高、保真性好、时间序列长等优点，是研究地球系统环境、生物、物化过程的最佳媒介。因此，极地冰盖钻探技术是研究极地关键技术之一。由于特殊的地理位置和恶劣的自然环境，使得极地的平均温度在‑50℃左右，导致常规的陆地钻探技术难以满足极地的特殊环境要求。此外，由于受到后勤保障能力的限制，极地科考的工作季平均为15‑20天，这对极地钻探技术提出了新的要求，即快速高效和轻量化。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种适用于极地冰盖钻进的装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够有效应对极地钻进的特殊需求，具有快速高效和轻量化的优点。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0005] 本发明提供一种适用于极地冰盖钻进的装置，包括井下钻具、监测系统、高强内衬缆连续管柱、井口密封、井口压力表、连续管柱卷扬机、钻井液油水分离器、泥浆泵、钻井液管汇、钻井液储蓄罐和主机系统；
[0006] 所述井下钻具顶部设置所述监测系统，所述监测系统连接所述高强内衬缆连续管柱的一端；
[0007] 所述高强内衬缆连续管柱的另一端穿过设置于井口的所述井口密封后绕过所述连续管柱卷扬机并连接所述钻井液油水分离器的一端，所述钻井液油水分离器的另一端通过所述钻井液管汇连接所述钻井液储蓄罐，所述钻井液储蓄罐还通过管路连接所述泥浆泵的一端，所述泥浆泵的另一端通过管路与钻井的内部通道连通；
[0008] 或，所述高强内衬缆连续管柱的另一端穿过设置于井口的所述井口密封后绕过所述连续管柱卷扬机并连接所述泥浆泵的一端，所述泥浆泵的另一端通过所述钻井液管汇连接所述钻井液储蓄罐，所述钻井液储蓄罐还通过管路连接所述钻井液油水分离器的一端，所述钻井液油水分离器的另一端通过管路与钻井的内部通道连通；
[0009] 所述高强内衬缆连续管柱包括管体和线缆，所述管体的内通道穿设所述线缆的同时还为钻井液的循环通道，所述线缆为所述井下钻具、监测系统提供电力和信号传输；所述井口压力表用于检测井内压力，所述主机系统用于接收井下监测数据，并实时调整钻进参数。
[0010] 优选地，所述井下钻具包括钻头、井下电机、反扭定向装置和可控加热短节，所述井下电机通过减速机驱动所述钻头工作，所述反扭定向装置为所述井下钻具提供反力以及当井孔偏斜时进行纠斜，所述可控加热短节用于防止所述井下钻具与井壁发生冻结粘连。
[0011] 优选地，所述可控加热短节包括下短节、中短节和上短节，所述下短节设置于所述钻头与所述井下电机之间，所述中短节设置于所述井下电机与所述监测系统之间，所述监测系统的顶部设置所述反扭定向装置，所述上短节设置于所述反扭定向装置的顶部。
[0012] 优选地，所述钻头为钻进钻头或取心钻头。
[0013] 优选地，所述井口压力表安装于所述井口密封上。
[0014] 优选地，所述监测系统与所述高强内衬缆连续管柱通过连接器连接。
[0015] 优选地，所述连续管柱卷扬机由电机驱动，用于带动所述高强内衬缆连续管柱收放所述监测系统和所述井下钻具。
[0016] 基于上述适用于极地冰盖钻进的装置，本发明还提供了一种适用于极地冰盖钻进的方法，包括全面钻进工作和取心钻进工作；
[0017] 所述全面钻进工作采用钻井液反循环工艺，钻井液从高强内衬缆连续管柱与井壁之间的环隙进入孔底，从所述高强内衬缆连续管柱内部流出；同时监测系统向主机系统实时提供井内数据，能够及时作出调整，当井斜超出设计范围时，可根据井眼偏斜方向启动反扭定向装置，进行纠斜钻进；
[0018] 所述取心钻进工作采用钻井液正循环工艺，在泥浆泵的作用下，钻井液由高强内衬缆连续管柱与井壁之间的环隙通过井口密封上的出口由管路流入钻井油水分离器，并由高强内衬缆连续管柱再流回高强内衬缆连续管柱与井壁之间的环隙。
[0019] 本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
[0020] 本发明提供的适用于极地冰盖钻进的装置及方法，利用卷扬机配合带有通路的高强内衬缆连续管柱，实现钻具的收放，配合泥浆泵、井下监测系统，实现正反循环钻进，能够有效应对极地钻进的特殊需求，具有快速高效和轻量化的优点。
附图说明
[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022] 图1为本发明中适用于极地冰盖钻进的装置的结构示意图，具体为全面钻进工作状态；
[0023] 图2为本发明中适用于极地冰盖钻进的装置的结构示意图，具体为取心钻进工作状态；
[0024] 图3为井下钻具的结构示意图，其中钻头为钻进钻头；
[0025] 图4为井下钻具的结构示意图，其中钻头为取心钻头；
[0026] 图中：1‑井下钻具、2‑监测系统、3‑连接器、4‑高强内衬缆连续管柱、5‑井口密封、6‑井口压力表、7‑连续管柱卷扬机、8‑钻井液油水分离器、9‑泥浆泵、10‑钻井液管汇、11‑钻井液储蓄罐、12‑主机系统、13‑钻头、14‑井下电机、15‑反扭定向装置、16‑下短节、17‑中短节、18‑上短节。
具体实施方式
[0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028] 本发明的目的是提供一种适用于极地冰盖钻进的装置及方法，以解决现有技术存在的问题。
[0029] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0030] 本实施例中的适用于极地冰盖钻进的装置，如图1‑图4所示，包括井下钻具1、监测系统2、连接器3、高强内衬缆连续管柱4、井口密封5、井口压力表6、连续管柱卷扬机7、钻井液油水分离器8、泥浆泵9、钻井液管汇10、钻井液储蓄罐11和主机系统12；
[0031] 井下钻具1顶部设置监测系统2，监测系统2通过连接器3连接高强内衬缆连续管柱4的一端；
[0032] 全面钻进工作时，高强内衬缆连续管柱4的另一端穿过设置于井口的井口密封5后绕过连续管柱卷扬机7并连接钻井液油水分离器8的一端，钻井液油水分离器8的另一端通过钻井液管汇10连接钻井液储蓄罐11，钻井液储蓄罐11还通过管路连接泥浆泵9的一端，泥浆泵9的另一端通过管路与钻井的内部通道连通；
[0033] 取心钻进工作时，高强内衬缆连续管柱4的另一端穿过设置于井口的井口密封5后绕过连续管柱卷扬机7并连接泥浆泵9的一端，泥浆泵9的另一端通过钻井液管汇10连接钻井液储蓄罐11，钻井液储蓄罐11还通过管路连接钻井液油水分离器8的一端，钻井液油水分离器8的另一端通过管路与钻井的内部通道连通；
[0034] 高强内衬缆连续管柱4包括管体和线缆，管体的内通道穿设线缆的同时还为钻井液的循环通道，线缆为井下钻具1、监测系统2提供电力和信号传输；井口压力表6安装于井口密封5上，井口压力表6用于检测井内压力，主机系统12用于接收井下监测数据，并实时调整钻进参数。
[0035] 于本具体实施例中，井下钻具1包括钻头13、井下电机14、反扭定向装置15和可控加热短节，钻头13为钻进钻头或取心钻头，根据不同的工作需要选择不同的钻头13，井下电机14通过减速机驱动钻头13工作，反扭定向装置15为井下钻具1提供反力以及当井孔偏斜时进行纠斜，可控加热短节用于防止井下钻具1与井壁发生冻结粘连。可控加热短节包括下短节16、中短节17和上短节18，下短节16设置于钻头13与井下电机14之间，中短节17设置于井下电机14与监测系统2之间，监测系统2的顶部设置反扭定向装置15，上短节18设置于反扭定向装置15的顶部。
[0036] 于本具体实施例中，连续管柱卷扬机7由电机驱动，用于带动高强内衬缆连续管柱4收放井下监测系统2和井下钻具1。
[0037] 基于上述适用于极地冰盖钻进的装置，本发明还提供了一种适用于极地冰盖钻进的方法，包括全面钻进工作和取心钻进工作；
[0038] 全面钻进工作采用钻井液反循环工艺，钻井液从高强内衬缆连续管柱4与井壁之间的环隙进入孔底，从高强内衬缆连续管柱4内部流出，由于高强内衬缆连续管柱4的内径远远小于高强内衬缆连续管柱4与井壁之间的环隙，使上返流速增大，能够快速高效携带孔底冰屑，防止反复研磨，提高钻进效率；同时监测系统2向主机实时提供井内数据，能够及时作出调整，当井斜超出设计范围时，可根据井眼偏斜方向启动反扭定向装置15，进行纠斜钻进；
[0039] 取心钻进工作采用钻井液正循环工艺，与反循环不同之处在于钻井液的流向和钻井液的流量，在泥浆泵9的作用下，钻井液由高强内衬缆连续管柱4与井壁之间的环隙通过井口密封5上的出口由管路流入钻井油水分离器，并由高强内衬缆连续管柱4再流回高强内衬缆连续管柱4与井壁之间的环隙，取心钻进过程会产生少量的岩屑，此过程中钻井液除了携带孔底冰屑，还具备携带岩屑、润滑钻头、平衡井内压力、防止缩颈、防止冰孔冻结的作用。泥浆泵9可实现变频调节，以满足不同工艺的需求。
[0040] 本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
