本發(fā)明涉及極地鉆探，特別涉及一種極地鉆探集成裝備及極地鉆探方法。

背景技術(shù)：

1、研發(fā)極地冰下基巖鉆探技術(shù)與裝備、鉆取深冰下基巖樣品有著十分重要的科學(xué)意義。極地深冰下基巖鉆探為探知冰下環(huán)境提供了機(jī)會(huì)，通過獲取的冰下基巖及冰巖界面樣品，可以探究冰下地質(zhì)構(gòu)造重要信息，尋找古生物的生命形式，同時(shí)為極地地?zé)嵫芯刻峁┝丝臻g。但由于極地惡劣的環(huán)境條件和復(fù)雜的冰下環(huán)境(基底冰、基底融水和冰磧物等)，因此冰下基巖鉆探取樣難度非常大。

2、在極地研究領(lǐng)域，與極地冰蓋相關(guān)的科學(xué)問題始終是研究的前沿和熱點(diǎn)，不管是對(duì)極地資源、能源的勘探與開發(fā)還是對(duì)全球氣候變化規(guī)律的研究，都離不開冰層取芯鉆探。然而南極地質(zhì)條件復(fù)雜，冰層分為高滲透粒雪層、脆冰層、暖冰層、冰巖夾層；地層分為復(fù)雜冰巖界面(融水、未凍結(jié)冰磧物等)、冰下基巖。環(huán)境條件惡劣，南極內(nèi)陸地區(qū)氣溫低于-55℃，冰層內(nèi)溫度范圍為-55℃～-2℃，每年可施工時(shí)間很短，部分區(qū)域僅有40天左右，且鉆孔孔壁穩(wěn)定性差，粒雪層松散，脆冰層易坍塌，冰暖層存在蠕變，冰巖界面入巖困難。在上述條件下，對(duì)鉆探設(shè)施的運(yùn)輸，環(huán)境適應(yīng)性、可靠性耐低溫能力提出了較高的要求，冰層地層的復(fù)雜性也導(dǎo)致冰下基巖取芯鉆探具有更大的難度，因此，研究多工藝極地鉆探裝備與系統(tǒng)集成勢在必行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于此，本發(fā)明提出了一種極地鉆探集成裝備及極地鉆探方法，具體的，所述一種極地鉆探集成裝備，包括：

2、用于在鉆孔內(nèi)進(jìn)行一次鉆進(jìn)的極地空氣鉆循環(huán)集成系統(tǒng)；

3、用于在鉆孔內(nèi)進(jìn)行二次鉆進(jìn)以完成鉆進(jìn)取芯的極地鉆井液循環(huán)集成系統(tǒng)；

4、用于為極地空氣鉆循環(huán)集成系統(tǒng)和極地鉆井液循環(huán)集成系統(tǒng)提供動(dòng)力支持的極地鉆探鉆場動(dòng)力集成系統(tǒng)；

5、和與所述極地空氣鉆循環(huán)集成系統(tǒng)、極地鉆井液循環(huán)集成系統(tǒng)、極地鉆探鉆場動(dòng)力集成系統(tǒng)配合使用的用于完成鉆進(jìn)取芯的鉆機(jī)系統(tǒng)。

6、在上述方案的基礎(chǔ)上，所述極地空氣鉆循環(huán)集成系統(tǒng)包括：

7、用于對(duì)空氣進(jìn)行壓縮的空氣壓縮機(jī)、與所述空氣壓縮機(jī)連接的用于儲(chǔ)存高壓氣體的儲(chǔ)氣罐、與所述儲(chǔ)氣罐連接的用于對(duì)高壓空氣進(jìn)行一次干燥的冷凍式干燥機(jī)、與所述冷凍式干燥機(jī)連接的用于對(duì)高壓空氣進(jìn)行二次干燥的吸附式干燥機(jī)、與所述吸附式干燥機(jī)連接的用于對(duì)高壓空氣進(jìn)行冷卻的冷氣機(jī)、與所述冷氣機(jī)的出氣口連接的用于為鉆頭輸送高壓氣流的進(jìn)氣管線和與鉆頭連接用于排氣的排氣管線。

8、在上述方案的基礎(chǔ)上，所述極地空氣鉆循環(huán)集成系統(tǒng)還包括：在所述冷凍式干燥機(jī)的輸入管路上設(shè)置的用于過濾的前置過濾器和在所述吸附式干燥機(jī)的輸出管路上設(shè)置的用于過濾的后置過濾器。

9、在上述方案的基礎(chǔ)上，所述極地空氣鉆循環(huán)集成系統(tǒng)還包括：在所述進(jìn)氣管線上設(shè)置用于監(jiān)測高壓空氣流量、壓力、溫度和濕度的傳感器組件。

10、在上述方案的基礎(chǔ)上，所述極地鉆井液循環(huán)集成系統(tǒng)包括用于對(duì)鉆井液進(jìn)行冷卻的冷卻組件、設(shè)置在鉆井液輸入管路上并與所述冷卻組件連接的用于向鉆井注入低溫鉆井液以配合鉆頭鉆進(jìn)的注入組件、與所述注入組件連接的用于將鉆井液和冰屑或巖屑分離的固液分離組件和在所述注入組件的輸出端設(shè)置的用于監(jiān)測進(jìn)入井口鉆井液的關(guān)鍵參數(shù)的參數(shù)檢測組件。

11、在上述方案的基礎(chǔ)上，所述冷卻組件包括用于與室外空氣進(jìn)行熱量交換來對(duì)鉆井液散熱的風(fēng)冷機(jī)、與所述風(fēng)冷機(jī)連接用于熱量交換的換熱器和與所述換熱器連接用于從注入組件向換熱器輸送鉆井液的循環(huán)泵。

12、在上述方案的基礎(chǔ)上，所述注入組件包括：

13、與所述換熱器連接的用于儲(chǔ)存鉆井液的鉆井液收集罐、在所述鉆井液收集罐上設(shè)置的攪拌器、與所述鉆井液收集罐連接的用于輸送鉆井液的低溫柱塞泵、在與所述低溫柱塞泵連接的輸出管路上設(shè)置的用于穩(wěn)定平衡鉆井液壓力的蓄能器和在與所述蓄能器連接的輸出管路上設(shè)置的用于泄壓的泄壓閥。

14、在上述方案的基礎(chǔ)上，所述固液分離組件包括：與鉆桿連接的用于排出鉆桿內(nèi)排出的雜質(zhì)的排污泵、與所述排污泵連接的用于實(shí)現(xiàn)固液物料分離的振動(dòng)篩、與所述振動(dòng)篩連接用于實(shí)現(xiàn)固液分離以引導(dǎo)鉆井液和巖屑或冰屑輸出的立式離心機(jī)。

15、在上述方案的基礎(chǔ)上，還包括：用于安裝極地空氣鉆循環(huán)集成系統(tǒng)的第一集裝箱結(jié)構(gòu)、用于安裝極地鉆井液循環(huán)集成系統(tǒng)的第二集裝箱結(jié)構(gòu)和用于安裝極地鉆探鉆場動(dòng)力集成系統(tǒng)的第三集裝箱結(jié)構(gòu)；

16、在所述第一集裝箱結(jié)構(gòu)、第二集裝箱結(jié)構(gòu)和第三集裝箱結(jié)構(gòu)的底部均設(shè)置有用于雪地或冰面上的運(yùn)輸和運(yùn)動(dòng)的雪橇結(jié)構(gòu)；

17、在所述第一集裝箱結(jié)構(gòu)、第二集裝箱結(jié)構(gòu)和第三集裝箱結(jié)構(gòu)的內(nèi)部均設(shè)置有用于加熱以使設(shè)備保持運(yùn)行溫度的加熱器。

18、除此之外，本發(fā)明還提供了一種極地鉆探方法，采用所述的極地鉆探集成裝備，包括以下步驟：

19、ⅰ、在粒雪層鉆進(jìn)時(shí)，采用極地空氣鉆循環(huán)集成系統(tǒng)進(jìn)行空氣反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，并下入套管，通過注水凍結(jié)方式封隔套管；

20、ⅱ、在冰層鉆進(jìn)時(shí)，若冰蓋厚度小于空氣鉆進(jìn)極限深度，采用雙壁鉆桿和鉆頭進(jìn)行空氣反循環(huán)鉆進(jìn)；

21、若冰蓋厚度大于空氣鉆進(jìn)極限深度：

22、第一步，采用極地空氣鉆循環(huán)集成系統(tǒng)進(jìn)行空氣反循環(huán)鉆進(jìn)工藝鉆至極限深度；

23、第二步，使用極地鉆井液循環(huán)集成系統(tǒng)進(jìn)行鉆井液反循環(huán)鉆進(jìn)工藝鉆進(jìn)至冰巖夾層；

24、ⅲ、在冰巖夾層鉆進(jìn)時(shí)，采用極地鉆井液循環(huán)集成系統(tǒng)和鉆頭進(jìn)行反循環(huán)鉆進(jìn)；

25、ⅳ、在冰下基巖鉆進(jìn)時(shí)，采用極地鉆井液循環(huán)集成系統(tǒng)進(jìn)行繩索取心鉆具進(jìn)行鉆取。

26、與現(xiàn)有裝備相比，本發(fā)明的極地空氣鉆循環(huán)集成系統(tǒng)、極地鉆井液循環(huán)集成系統(tǒng)和極地鉆探鉆場動(dòng)力集成系統(tǒng)三套系統(tǒng)，可以在南極大陸完成冰下基巖取芯不超過25m以及在其它極寒氣候環(huán)境下進(jìn)行連續(xù)取芯工作。三套系統(tǒng)適用公路、鐵路、集裝箱海洋運(yùn)輸船、雪地雪橇等多種形式運(yùn)輸條件；集成系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)整體吊裝，又能實(shí)現(xiàn)分體直升機(jī)吊裝；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)智能化、模塊化、便捷化、輕量化，設(shè)備適應(yīng)超低溫環(huán)境長期存放與施工。

技術(shù)特征：

1.一種極地鉆探集成裝備，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極地鉆探集成裝備，其特征在于，所述極地空氣鉆循環(huán)集成系統(tǒng)(1)包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的極地鉆探集成裝備，其特征在于，所述極地空氣鉆循環(huán)集成系統(tǒng)(1)還包括：在所述冷凍式干燥機(jī)(1-3)的輸入管路上設(shè)置的用于過濾的前置過濾器(1-9)和在所述吸附式干燥機(jī)(1-4)的輸出管路上設(shè)置的用于過濾的后置過濾器(1-10)。

4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的極地鉆探集成裝備，其特征在于，所述極地空氣鉆循環(huán)集成系統(tǒng)(1)還包括：在所述進(jìn)氣管線(1-6)上設(shè)置用于監(jiān)測高壓空氣流量、壓力、溫度和濕度的傳感器組件(1-8)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極地鉆探集成裝備，其特征在于，所述極地鉆井液循環(huán)集成系統(tǒng)(2)包括用于對(duì)鉆井液進(jìn)行冷卻的冷卻組件(2-1)、設(shè)置在鉆井液輸入管路上并與所述冷卻組件(2-1)連接的用于向鉆井注入低溫鉆井液以配合鉆頭鉆進(jìn)的注入組件(2-2)、與所述注入組件(2-2)連接的用于將鉆井液和冰屑或巖屑分離的固液分離組件(2-3)和在所述注入組件(2-2)的輸出端設(shè)置的用于監(jiān)測進(jìn)入井口鉆井液的參數(shù)的參數(shù)檢測組件(2-4)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的極地鉆探集成裝備，其特征在于，所述冷卻組件(2-1)包括用于與室外空氣進(jìn)行熱量交換來對(duì)鉆井液散熱的風(fēng)冷機(jī)(2-1-1)、與所述風(fēng)冷機(jī)(2-1-1)連接用于熱量交換的換熱器(2-1-2)和與所述換熱器(2-1-2)連接用于從注入組件(2-2)向換熱器(2-1-2)輸送鉆井液的循環(huán)泵(2-1-3)。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的極地鉆探集成裝備，其特征在于，所述注入組件(2-2)包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的極地鉆探集成裝備，其特征在于，所述固液分離組件(2-3)包括：與鉆桿連接的用于排出鉆桿內(nèi)排出的雜質(zhì)的排污泵(2-3-1)、與所述排污泵(2-3-1)連接的用于實(shí)現(xiàn)固液物料分離的振動(dòng)篩(2-3-2)、與所述振動(dòng)篩(2-3-2)連接用于實(shí)現(xiàn)固液分離以引導(dǎo)鉆井液和巖屑或冰屑輸出的立式離心機(jī)(2-3-3)。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極地鉆探集成裝備，其特征在于，還包括：用于安裝極地空氣鉆循環(huán)集成系統(tǒng)(1)的第一集裝箱結(jié)構(gòu)(4)、用于安裝極地鉆井液循環(huán)集成系統(tǒng)(2)的第二集裝箱結(jié)構(gòu)(5)和用于安裝極地鉆探鉆場動(dòng)力集成系統(tǒng)(3)的第三集裝箱結(jié)構(gòu)(6)；

10.一種極地鉆探方法，采用權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的極地鉆探集成裝備，其特征在于，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種極地鉆探集成裝備及極地鉆探方法，具體的，所述集成裝備，用于極地冰層鉆探或極端氣候環(huán)境下的鉆探集成裝備，包括：用于在鉆孔內(nèi)進(jìn)行一次鉆進(jìn)的極地空氣鉆循環(huán)集成系統(tǒng)、用于在鉆孔內(nèi)進(jìn)行二次鉆進(jìn)的極地鉆井液循環(huán)集成系統(tǒng)、用于為極地空氣鉆循環(huán)集成系統(tǒng)和極地鉆井液循環(huán)集成系統(tǒng)提供動(dòng)力支持的極地鉆探鉆場動(dòng)力集成系統(tǒng)和與極地空氣鉆循環(huán)集成系統(tǒng)、極地鉆井液循環(huán)集成系統(tǒng)、極地鉆探鉆場動(dòng)力集成系統(tǒng)配合使用的用于完成鉆進(jìn)取芯的鉆機(jī)系統(tǒng)。本發(fā)明可達(dá)到設(shè)備耐低溫能力≤?45℃，可在南極越冬，越冬后能正常啟動(dòng)，在南極施工期間能經(jīng)受住極地惡劣的環(huán)境條件和復(fù)雜的冰下環(huán)境考驗(yàn)，滿足鉆探可靠性要求。

技術(shù)研發(fā)人員：張曉宏,朱昱諶,盧養(yǎng)茜,王家樂,邵祎,馮樂,儲(chǔ)朱敏
受保護(hù)的技術(shù)使用者：陜西太合智能鉆探有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9