本實(shí)用新型專利屬于極地鉆探技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種空氣反循環(huán)連續(xù)取心冰層鉆進(jìn)用鉆頭。

背景技術(shù)：

極地冰蓋約占全球陸地面積的10％，其自然環(huán)境對(duì)人類具有重要價(jià)值。由于極地冰蓋氣溫低、遠(yuǎn)離人群污染，同其它氣候代用指標(biāo)相比具有信息量大且保真度好、時(shí)間分辨率高、時(shí)間尺度范圍大、分布面積廣等特點(diǎn)，是研究全球氣候變化最為關(guān)鍵的地區(qū)之一。通過(guò)冰層取心鉆探技術(shù)，獲取高質(zhì)量冰心已成為極地科學(xué)的重要研究方向，對(duì)人類社會(huì)發(fā)展和對(duì)自然界的認(rèn)知具有重要的科學(xué)意義和社會(huì)價(jià)值。然而受惡劣氣候和地表冰雪環(huán)境的影響，極地鉆探取心較為復(fù)雜，目前常采用鎧裝電纜式電動(dòng)機(jī)械取心鉆具進(jìn)行冰層取心鉆探。該方法利用鎧裝電纜將電動(dòng)機(jī)械鉆具送至孔內(nèi)進(jìn)行鉆進(jìn)，回次結(jié)束后利用電纜將鉆具提至地表獲取冰心和冰屑，然后再將鉆具下放至孔底繼續(xù)鉆進(jìn)，周而復(fù)始。由于該方法需要提鉆取心，鉆進(jìn)輔助時(shí)間長(zhǎng)，鉆進(jìn)效率低，且由于采用鎧裝電纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉆桿，一旦孔內(nèi)發(fā)生卡鉆等復(fù)雜事故，處理極為困難。因此，極地取心鉆探施工周期較長(zhǎng)，嚴(yán)重制約了極地鉆探科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。此外，現(xiàn)有鉆探方法采用鉆井液作為循環(huán)介質(zhì)，在冰蓋上部積雪層和雪冰層施工時(shí)，鉆井液極易漏失而污染極地自然環(huán)境，且鉆井液對(duì)冰心亦有一定的影響，因此急需一種環(huán)保、安全、快速的取心鉆探技術(shù)。近年來(lái)，空氣反循環(huán)連續(xù)取心鉆進(jìn)技術(shù)因其具有不停鉆連續(xù)取心、鉆進(jìn)效率和取心率高、對(duì)巖心無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在常規(guī)地質(zhì)巖心鉆探領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如若將其應(yīng)用到極地冰層鉆探中，將大幅提高極地鉆探鉆進(jìn)效率。然而由于冰層與巖層的物性參數(shù)不同，常規(guī)地質(zhì)巖心鉆探用反循環(huán)鉆頭難以有效鉆進(jìn)冰層。鉆頭結(jié)構(gòu)是空氣反循環(huán)鉆進(jìn)的關(guān)鍵部件之一，其性能直接決定著反循環(huán)鉆進(jìn)的成敗，如果反循環(huán)形成不徹底，將導(dǎo)致冰屑從鉆具與冰壁的環(huán)形空間噴出，不但降低冰心冰樣采取率，而且影響鉆進(jìn)效率，甚至?xí)l(fā)生卡鉆等孔內(nèi)復(fù)雜事故。如何設(shè)計(jì)出能夠快速鉆進(jìn)冰層的空氣反循環(huán)取心鉆頭，已成為在極地冰蓋實(shí)施空氣反循環(huán)鉆進(jìn)急需解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠在冰層中快速鉆進(jìn)的對(duì)孔底具有強(qiáng)烈抽吸作用的空氣反循環(huán)連續(xù)取心冰鉆鉆頭。

本實(shí)用新型包括有鉆頭體、承噴管、冰心卡斷器、切削刀頭、雙壁接頭、導(dǎo)流罩及墊鞋，鉆頭體與雙壁接頭的雙壁接頭外管螺紋連接，鉆頭體的底唇面上通過(guò)螺栓固定若干個(gè)切削刀頭，切削刀頭前角向鉆頭中心通道方向傾斜角度α為5～15°，便于冰屑向中心通道運(yùn)移。切削刀頭的切削深度由墊鞋控制，墊鞋通過(guò)螺栓與切削刀頭和鉆頭體連接。鉆頭體底唇面為成弧形面。承噴管與鉆頭體通過(guò)螺紋連接，冰心卡斷器固定在鉆頭體內(nèi)部臺(tái)階上。

冰心卡斷器由半圓楔形結(jié)構(gòu)及半圓形結(jié)構(gòu)構(gòu)成，承噴管與雙壁接頭內(nèi)管組成環(huán)縫間隙。雙壁接頭外管和雙壁接頭內(nèi)管組成環(huán)形空間，

雙壁接頭外管和雙壁接頭內(nèi)管之間設(shè)有支撐塊，導(dǎo)流罩通過(guò)螺紋與雙壁接頭外管螺紋連接，導(dǎo)流罩與鉆頭體外壁組成環(huán)形噴嘴，雙壁接頭外管上開(kāi)設(shè)有若干進(jìn)氣孔。

本實(shí)用新型的工作過(guò)程和原理：

從孔內(nèi)動(dòng)力鉆具或雙壁鉆桿進(jìn)來(lái)的氣體進(jìn)入鉆頭的雙壁接頭的環(huán)形空間，一部分通過(guò)雙壁接頭外管上開(kāi)設(shè)的進(jìn)氣孔進(jìn)入導(dǎo)流罩與鉆頭體之間的環(huán)形空間向下噴射，在柯恩達(dá)附壁作用下氣體沿著弧形面向鉆頭中心通道流動(dòng)，對(duì)孔底的冰屑和氣體產(chǎn)生抽吸作用，形成反循環(huán)。另一部分氣體經(jīng)由承噴管與雙壁接頭內(nèi)管之間的極窄環(huán)縫間隙噴出，形成極薄的高速射流，對(duì)孔底氣體及冰屑產(chǎn)生強(qiáng)大的二次抽吸作用。隨著鉆進(jìn)的不斷進(jìn)行，冰心高度逐漸增加，當(dāng)其接觸到冰心卡斷器的半圓楔形結(jié)構(gòu)時(shí)，受到冰心卡斷器的側(cè)向擠壓力而折斷，隨即被氣體攜帶上返至地表，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過(guò)程中不提鉆連續(xù)取心。

本實(shí)用新型的有益效果：

當(dāng)氣體從導(dǎo)流罩與鉆頭體外壁之間的環(huán)形空間高速噴出時(shí)，由于柯恩達(dá)附壁效應(yīng)，氣體沿著鉆頭體弧形底唇面流動(dòng)而進(jìn)入鉆頭中心通道，對(duì)孔底具有較強(qiáng)的抽吸作用。另一部分氣體經(jīng)過(guò)承噴管與雙壁接頭內(nèi)管形成的環(huán)形噴嘴噴出時(shí)，對(duì)孔底產(chǎn)生二次抽吸作用，利于清除冰屑和形成有效的反循環(huán)，能夠?qū)崿F(xiàn)不停鉆連續(xù)取心，有利于提高鉆進(jìn)效率和冰心采取率，從而大幅縮短極地鉆探工程施工周期，降低產(chǎn)生孔內(nèi)復(fù)雜事故的風(fēng)險(xiǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的剖面示意圖。

圖2為圖1的仰視圖。

圖3為本實(shí)用新型的的冰心卡斷器示意圖。

圖4為本實(shí)用新型的切削刀頭結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1-鉆頭體；101-弧形面；2-承噴管；201-環(huán)縫間隙；3-冰心卡斷器；301-半圓楔形結(jié)構(gòu)；302-半圓形結(jié)構(gòu)；4-切削刀頭；5-雙壁接頭；501-雙壁接頭內(nèi)管；502-雙壁接頭外管；503-支撐塊；504-環(huán)形空間；505-進(jìn)氣孔；6-導(dǎo)流罩；601-環(huán)形噴嘴；7-墊鞋。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3和圖4所示，本實(shí)施例包括有鉆頭體1、承噴管2、冰心卡斷器3、切削刀頭4、雙壁接頭5、導(dǎo)流罩6及墊鞋7，鉆頭體1與雙壁接頭5的雙壁接頭外管502螺紋連接，鉆頭體1的底唇面上通過(guò)螺栓固定若干個(gè)切削刀頭4，切削刀頭4前角向鉆頭中心通道方向傾斜角度α為5～15°，便于冰屑向中心通道運(yùn)移。切削刀頭4的切削深度由墊鞋7控制，墊鞋7通過(guò)螺栓與切削刀頭4和鉆頭體1連接。鉆頭體1底唇面為成弧形面101。承噴管2與鉆頭體1通過(guò)螺紋連接，冰心卡斷器3固定在鉆頭體1內(nèi)部臺(tái)階上。

冰心卡斷器3由半圓楔形結(jié)構(gòu)301及半圓形結(jié)構(gòu)302構(gòu)成，承噴管2與雙壁接頭內(nèi)管501組成環(huán)縫間隙201。雙壁接頭外管502和雙壁接頭內(nèi)管501組成環(huán)形空間504，

雙壁接頭外管502和雙壁接頭內(nèi)管501之間設(shè)有支撐塊503，導(dǎo)流罩6通過(guò)螺紋與雙壁接頭外管502螺紋連接，導(dǎo)流罩6與鉆頭體1外壁組成環(huán)形噴嘴601，雙壁接頭外管502上開(kāi)設(shè)有若干進(jìn)氣孔505。

本實(shí)施例的工作過(guò)程和原理：

從孔內(nèi)動(dòng)力鉆具或雙壁鉆桿進(jìn)來(lái)的氣體進(jìn)入鉆頭的雙壁接頭5的環(huán)形空間504，一部分通過(guò)雙壁接頭外管502上開(kāi)設(shè)的進(jìn)氣孔505進(jìn)入導(dǎo)流罩6與鉆頭體1之間的環(huán)形噴嘴601向下噴射，在柯恩達(dá)附壁作用下氣體沿著弧形面101向鉆頭中心通道流動(dòng)，對(duì)孔底的冰屑和氣體產(chǎn)生抽吸作用，形成反循環(huán)。另一部分氣體經(jīng)由承噴管2與雙壁接頭內(nèi)管501之間的極窄環(huán)縫間隙201噴出，形成極薄的高速射流，對(duì)孔底氣體及冰屑產(chǎn)生強(qiáng)大的二次抽吸作用。隨著鉆進(jìn)的不斷進(jìn)行，冰心高度逐漸增加，當(dāng)其接觸到冰心卡斷器3的半圓楔形結(jié)構(gòu)301時(shí)，受到冰心卡斷器3的側(cè)向擠壓力而折斷，隨即被氣體攜帶上返至地表，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過(guò)程中不提鉆連續(xù)取心。