极地冰层钻井孔内造斜装置及孔内造斜方法

技术领域：

本发明涉及一种钻探机具，尤其是用于极地冰层钻探的孔内造斜装置。

背景技术：

极地冰盖和古老冰川中蕴含着大量的气泡和固体尘埃物质，通过对这些物质 的研究可以重建几百万年以前的气候和生物信息，冰层钻探作为获取冰芯的重要 手段，越来越多的国家开始这方面的研究。而斜孔和分支孔的钻进不仅可以提高 主孔的利用效率，还可以使我们可以尽可能多的在一个区域获得更多冰芯。我国 在冰芯钻具及钻进工艺方面刚刚起步，还没有关于冰层钻进分支孔技术的研究； 在岩芯钻造斜装置的研究很多，但大都是由钻杆将造斜器下放到一定位置，或者 靠膨胀材料(如海带)吸收钻井液膨胀从而支撑在孔壁上，但冰层钻具大多采用铠 装电缆钻具，没有钻杆来下放造斜器。国外现在采用的开分支孔的普遍方法是用 拉削钻具将孔底局部扩大，然后再下入冰钻钻具，钻具在孔径较大的部分会产生 偏斜，从而钻进分支孔，这种技术的缺点就是分支孔只能在孔底开孔，定向性差， 而且由于孔底直径扩大，很容易导致钻具反扭装置失效。还有一种是采用铠装电 缆将造斜器下入孔内，依靠造斜器外侧12根弹簧卡爪将造斜器支撑在孔壁上， 但在造斜完成后不能回收将对极地特殊环境造成影响。

发明内容：

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种极地冰层钻井孔内造 斜装置；

本发明的另一目的是提供一种极地冰层钻井孔内造斜装置的孔内造斜方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

极地冰层钻井孔内造斜装置，是由回收下放装置A和孔内造斜装置B两部分 组成；

所述的回收下放装置A是由铠装电缆1依次穿过电机上盖2、板簧上限位板 3、板簧上安装板4与电机6连接，电机上盖2与板簧限位板3螺纹连接，电机 上盖2和电机下盖7分别通过螺钉与电机6连接，板簧5固定在板簧上安装板4 和板簧下安装板8上，板簧上安装板4相对电机上盖2上下自由滑动，通过调节 板簧限位板3限定板簧上安装板4的位置，从而改变板簧的弯曲程度来调节反扭 矩大小，板簧下安装板8通过螺钉固定在电机下盖7上，电机下盖7为中空，电 机轴9从电机下盖7中穿过；

所述的孔内造斜装置B是由外管14外壁装有2个密封圈15，连接底板16 与外管14螺纹连接，下板簧17安装在连接底板16和板簧安装板19之间，支撑 杆18通过螺纹与连接底板16连接，板簧安装板19相对支撑杆18滑动，支撑杆 18下端设有螺纹，板簧下限位块20与支撑杆18螺纹配合，通过调节板簧下限 位块20调节下板簧17的弯曲度从而改变下板簧17的反扭矩；孔内造斜装置B 是由造斜斜面12上表面设有中心孔，造斜斜面12与外管14螺纹相连，电机轴 9末端通过螺纹与连接块10连接，连接块10内装有电磁铁和弹簧销11，电机轴 9穿过造斜斜面12的中心孔与传动轴13相连，传动轴13上部设有喇叭口，传 动轴13内设有内台阶，侧壁设有销孔，当电机轴9底部连接块10到达传动轴 13内台阶时，刚好使弹簧销11和传动轴13侧壁设有的销孔在同一高度，此时 回转电机轴9，弹簧销11进入销孔，实现回收装置A与孔内造斜器B的连接。

孔内造斜装置B中设有固定机构C，固定机构C是由传动轴13与齿轮轴21 螺纹连接，齿轮轴21通过上限位轴承22和下限位轴承29固定在上轴承座23和 下轴承座30之间，上轴承座23和下轴承座30通过螺钉固定在外管14上，锥齿 轮24通过螺钉固定在齿轮轴21上，三个旋转套27分别与锥齿轮24啮合，三个 旋转套27分别安装在支架28上，并相对支架28转动，支架28通过螺钉固定在 外管14上，三个钻头26分别通过花键分别与三个旋转套27连接，三个钻头26 尾部分别焊有螺杆，并与三个螺母25螺纹配合，三个螺母25用压板固定在支架 28上构成。

一种极地冰层钻井孔内造斜装置的孔内造斜方法，包括以下步骤：

a、在地表，先调节板簧上限位板3和板簧下限位块20的位置，使板簧5和 下板簧17不妨碍回收和下放装置A和孔内造斜装置B的下放，然后将回收下放 装置A的电机轴9与孔内造斜器的传动轴13相连；

b、用铠装电缆1将回收和下放装置A和孔内造斜装置B吊放入孔内，在自 重作用下下落，通过铠装电缆1的长度计量造斜装置的位置，到达指定位置后停 止回收和下放装置A和孔内造斜装置B的下放；

c、接通电机6的电源，电机6正转，电机轴9通过传动轴13、齿轮轴21 和锥齿轮24带动三个旋转套27和三个钻头26同步转动，钻头26将在尾部螺杆 推力作用下边转动边向外伸出钻入冰层，当三个钻头26钻进深度达到设计要求 时停止钻进，通过三个钻头26将孔内造斜装置B固定在设计位置；

d、接通电磁铁电源，弹簧销11随电磁铁的吸合脱离传动轴13侧壁设有的 销孔，使电机轴9与传动轴13脱开；

e、提升铠装电缆1，将回收下放装置A提至地表，再将铠装电缆1与冰钻 钻具连接，下入的冰钻钻具在造斜斜面12的斜面作用下开始斜孔或分支孔钻进， 当钻到设计深度时停止钻进，再提升铠装电缆1，将冰钻钻具提至地表；

f、再通过铠装电缆1下入回收下放装置A，连接块10进入传动轴13上部设 有的喇叭口到达传动轴13内台阶时，停止下放回收下放装置A，回转电机轴9， 弹簧销11进入销孔，回收装置A与孔内造斜器B连接；

g、接通电机6的电源，电机6反转，电机轴9通过传动轴13、齿轮轴21 和锥齿轮24带动三个旋转套27同步转动，螺杆向内缩回，带动三个钻头26缩 回外管14内；

h、提升铠装电缆1，将回收下放装置A和孔内造斜装置B改变孔内造斜装 置在孔内的位置或提升到地表，下次孔内造斜钻进时再用。

有益效果：本发明很好的解决了极地冰层钻探中在主孔任意位置开分支孔的 技术难题，用铠装电缆下放和提升孔内造斜装置，速度快，效率高；并且可以放 置在孔内的任意位置。本发明与现有技术相比，结构简单，工作可靠，便于操作， 可重复利用，降低成本，并防止了对极地和冰川环境的破坏。

附图说明：

附图1为极地冰层钻井孔内造斜装置结构图

附图2为附图1中孔内造斜装置B的固定机构C的结构图

附图3为附图1中A—A′剖面钻头平面分布图

1铠装电缆，2电机上盖，3板簧上限位板，4板簧上安装板，5板簧，6电 机，7电机下盖，8板簧下安装板，9电机轴，10连接块，11弹簧销，12造斜斜 面，13传动轴，14外管，15密封圈，16连接底板，17下板簧，18支撑杆，19 板簧安装板，20板簧下限位块，21齿轮轴，22上限位轴承，23上轴承座，24 锥齿轮，25螺母，26钻头，27旋转套，28支架，29下限位轴承，30下轴承座

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：

极地冰层钻井孔内造斜装置，是由回收下放装置A和孔内造斜装置B两部分 组成：

回收下放装置A由铠装电缆1、电机6、电机输出轴9、板簧5组成。铠装 电缆1悬吊和回收装置A上下孔内，并为电机6供电；电机6可带动输出轴9转 动；板簧5与电机上下盖相连，并始终张开与孔壁接触，从而克服电机6回转产 生的反扭矩。电机6用螺钉与电机上盖2和电机下盖7连接，板簧5固定在板簧 上安装板4和板簧下安装板8上，电机上盖2与板簧限位板3为螺纹配合，板簧 上安装板4可以相对电机上盖2上下自由滑动，通过调节板簧限位板3可以限定 板簧上安装板4的位置，从而改变板簧的弯曲程度来调节反扭矩大小。板簧下安 装板8用螺钉固定在电机下盖7上。电机下盖7为中空，电机轴9从电机下盖7 中穿过，连接块10连接在电机轴9末端，其中安装有电磁铁，当电磁铁不通电 时，弹簧销11在弹簧作用下向外弹出，当电磁铁通电时，弹簧销11则被吸回。

孔内造斜装置B由上部造斜斜面12、中部钻头伸缩装置、下部反扭扶正装 置组成。造斜斜面12上表面中心开孔，回收下放装置的电机轴9可以穿过造斜 斜面12的中心孔与传动轴13相连。造斜斜面12与外管14螺纹相连，造斜斜面 12可以根据实际需要更换不同角度的斜面，以满足不同角度分支孔造斜的需要。 外管14外壁安装2个密封圈15，可以起到扶正作用，同时还可以防止钻孔上部 掉落的冰屑落入下部孔内。传动轴13上部设有喇叭口，目的是为了在回收造斜 器时，方便电机输出轴9进入传动轴13内，传动轴13内设有内台阶，侧边开有 销孔，当电机轴底部连接块10到达传动轴13内台阶时，刚好使弹簧销11和传 动轴13侧壁的开孔在同一高度，此时回转电机输出轴，弹簧销就会进入销孔中， 实现回收装置A与孔内造斜器B的连接。

孔内造斜装置B的固定机构C是由传动轴13和齿轮轴21螺纹连接，当传动 轴13转动时，齿轮轴21将随着一起转动，齿轮轴21通过上限位轴承22和下限 位轴承29固定在上轴承座23和下轴承座30之间，上轴承座23和下轴承座30 通过螺钉固定在外管14上。锥齿轮24通过螺钉固定在齿轮轴21上，三个旋转 套27分别与锥齿轮24啮合，三个旋转套27分别安装在支架28上，并相对支架 28转动，支架28通过螺钉固定在外管14上，三个钻头26分别通过花键与三个 旋转套27连接，三个钻头26尾部分别焊有螺杆，并与三个螺母25螺纹配合， 三个螺母25用压板固定在支架28上。当齿轮轴21通过锥齿轮24带动三个旋转 套27转动时，三个钻头26也跟着旋转，当三个钻头26转动时，尾部螺杆也跟 着旋转，从而产生向外地推力，促使钻头伸出外管14向冰层内钻进。当电机反 向转动时，螺杆向内缩回，带动钻头26缩回外管14内。连接底板16与外管14 螺纹连接，下板簧17安装在连接底板16和板簧安装板19之间，支撑杆18螺纹 连接在连接底板16上。板簧安装板19可相对支撑杆18滑动，支撑杆18下端加 工有螺纹，板簧下限位块20与支撑杆18螺纹配合，通过调节板簧下限位块20 可以改变下板簧17的弯曲程度从而改变板簧所能提供的反扭矩。

极地冰层钻井孔内造斜装置的孔内造斜方法，包括以下步骤：

a、在地表，先调节板簧上限位板3和板簧下限位块20的位置，使板簧5和 下板簧17不妨碍回收和下放装置A和孔内造斜装置B的下放，然后将回收下放 装置A的电机轴9与孔内造斜器的传动轴13相连；

b、用铠装电缆1将回收和下放装置A和孔内造斜装置B吊放入孔内，在自 重作用下下落，通过铠装电缆1的长度计量造斜装置的位置，到达指定位置后停 止回收和下放装置A和孔内造斜装置B的下放；

c、接通电机6的电源，电机6正转，电机轴9通过传动轴13、齿轮轴21 和锥齿轮24带动三个旋转套27和三个钻头26同步转动，钻头26将在尾部螺杆 推力作用下边转动边向外伸出钻入冰层，当三个钻头26钻进深度达到设计要求 时停止钻进，通过三个钻头26将孔内造斜装置B固定在设计位置；

d、接通电磁铁电源，弹簧销11随电磁铁的吸合脱离传动轴13侧壁设有的 销孔，使电机轴9与传动轴13脱开；

e、提升铠装电缆1，将回收下放装置A提至地表，再将铠装电缆1与冰钻 钻具连接，下入的冰钻钻具在造斜斜面12的斜面作用下开始斜孔或分支孔钻进， 当钻到设计深度时停止钻进，再提升铠装电缆1，将冰钻钻具提至地表；

f、再通过铠装电缆1下入回收下放装置A，连接块10进入传动轴13上部设 有的喇叭口到达传动轴13内台阶时，停止下放回收下放装置A，回转电机轴9， 弹簧销11进入销孔，回收装置A与孔内造斜器B连接；

g、接通电机6的电源，电机6反转，电机轴9通过传动轴13、齿轮轴21 和锥齿轮24带动三个旋转套27同步转动，螺杆向内缩回，带动三个钻头26缩 回外管14内；

h、提升铠装电缆1，将回收下放装置A和孔内造斜装置B改变孔内造斜装 置在孔内的位置或提升到地表，下次孔内造斜钻进时再用。