阅读说明：本技术 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 (Device for detecting dielectric property of ice core while drilling by matching with polar air drilling coring type rotary jet drill bit ) 是由 张楠 王亮 范晓鹏 帕维尔达拉拉伊 宫达 刘昀忱 王婷 洪嘉琳 于 2019-11-13 设计创作，主要内容包括：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。(A device for detecting the dielectric property of an ice core while drilling by matching with a polar air drilling coring type rotary jet drill bit is characterized in that an upper connector of the device is connected with an ice core pipe; the upper connecting body is provided with an upper bearing seat, an upper thrust ball bearing is embedded in the upper bearing seat, the lower end of the upper thrust ball bearing is provided with a bearing baffle ring, a lower thrust ball bearing is arranged on a lower bearing seat, a bit body is connected with the bearing baffle ring, the bit body and the bearing baffle ring can synchronously rotate, and an ice core centralizer is arranged in the ice core pipe; the ice core pipe is provided with a lead through hole, a low-level electrode, a middle annular gap, a high-level electrode and a protective electrode; the wall of the drill bit body is provided with a gas guide bulge, an ice core snap, a high-pressure air guide hole and a bottom lip surface air guide hole, and the cutter head is fixed at the bottom of the drill bit body. The invention can detect the dielectric property of the ice core along with drilling, and avoids the influence of liquid on the measurement precision by matching with high-pressure air rotary jet drilling. The drill body is single-acting, and the ice core pipe and the like on the upper part do not rotate, so that the stability of the drilling tool is improved.)

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

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

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

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。

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；

上部连接体与冰芯管螺纹连接；

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。

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。

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。

所述的低位电极和高位电极是类卡簧式低位电极。

所述的冰芯扶正器是类卡簧式的弹性装置。

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。

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。

本发明工作过程：

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。

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。

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。

本发明有益效果：

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

图1为本发明的立体示意图。

图2为本发明的剖视图。

图3为本发明的冰芯管立体示意图。

图4为本发明的冰芯管剖视图。

具体实施方式

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；

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；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。

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。

所述的低位电极15和高位电极17是类卡簧式低位电极。

所述的冰芯扶正器19是类卡簧式的弹性装置。

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。

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。

本实施例的工作过程：

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。

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。

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。