一种辅助加热钻进式冷冻取心钻具技术领域
本发明涉及一种地下取心装置，特别涉及一种辅助加热钻进冷冻取心钻具。
背景技术
极地冰层钻进始于20世纪中期，为保证钻取冰心的完整度，要求尽量加快钻进速
度，快速获取冰心，防止在钻进过程中因钻机与冰层旋转接触摩擦破坏冰心，影响取心效
果。冰层钻进最早采用常规回转钻机进行尝试，但由于常规钻机钻杆拆卸和连接强度大，起
下钻时间长，运输和能量供应等问题，笨重的商业钻机并不适用与冰层取心。为此需设计专
门针对冰层钻进的钻具，并先后研制了热熔钻、热水钻、铠装电缆电动机械钻具等新型钻进
方法。但是热熔钻等钻机在钻进不同冰层时，由于各冰层热力性质不同，每次钻进所采用的
钻进规程参数，钻具形状和结构都会对热量的传递效率产生影响，存在很大的不可控性。同
时在取心后，为使冰心在岩心筒内保持原有状态，需降低岩心筒内温度防止冰心融化。因
此，一种结构和原理相对简单，可控性与有效性兼顾的钻具是目前极地冰层取心急需解决
的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种结构和原理简
单，可以辅助加热钻进快速钻取冰心，且可低温保持冰心原有状态的一种取心钻具。
本发明工作原理是利用半导体制冷片通电后产生冷、热源，分别加热钻井液辅助
钻进和降低岩心筒内温度实现取样岩心保真。
本发明是由供电模块、辅助加热钻进冷冻取心模块、常规钻具模块组成，供电模块
位于辅助加热钻进冷冻取心模块上端，供电模块与辅助加热钻进冷冻取心模块之间通过活
扣进行连接固定，并通过插接进行供电，供电模块与辅助加热钻进冷冻取心模块均安装在
常规钻具模块内；
所述的供电模块由蓄电池固定卡座、蓄电池、蓄电池保护壳、插针座、凹形插针密
封座、落球底座、单动接触开关、弹簧组成，蓄电池固定卡座固定在常规钻具上，蓄电池安装
在蓄电池固定卡座上，蓄电池外部设有蓄电池保护壳，在蓄电池保护壳下端的蓄电池固定
卡座上环形设置泥浆通道，凹形插针密封座设置在蓄电池固定卡座下端，插针座贯穿蓄电
池固定卡座和泥浆通道，落球底座设置在蓄电池保护壳内测滑道上，弹簧位于落球底座下
部，弹簧起支撑作用，单动接触开关设置在落球底座下端的蓄电池固定卡座上，并能被压缩
进蓄电池固定卡座内。
所述的辅助加热钻进冷冻取心模块由半导体制冷片、半导体制冷片保护壳、插针、
活扣、垫片和凸型插针密封座组成，半导体制冷片环形固定在岩心筒上，外部设有半导体制
冷片保护壳，活扣环形套在半导体制冷片保护壳上，插针贯穿半导体制冷片保护壳，凸型插
针密封座设置在半导体制冷片保护壳上且包裹插针。
半导体制冷片是冷热源，工作原理是利用半导体片构成通路，在通入电流的情况
下半导体片之间会发生能量的转移，使一端的半导体片吸收热量，温度升高从而成为热源，
另一端的半导体片失去能量，温度降低，成为冷源；半导体制冷片的热源设置在泥浆循环通
道方向，加热泥浆，从而辅助钻进，半导体制冷片的冷源设置在岩心筒方向，降低岩心筒内
温度，用于对所取得岩心样品保真。
所述的供电模块位于辅助加热钻进冷冻取心模块上端，供电模块与辅助加热钻进
冷冻取心模块之间通过活扣进行连接固定，供电模块内的插针座和辅助加热钻进冷冻取心
模块中的插针在连接后形成通路，从而达到蓄电池为半导体制冷片进行供电的目的，在插
针座和插针处设有凹型插针密封座和凸型插针密封座，用以防止漏电短路。
本发明的工作过程：
在地表进行各部分装置的连接后，将钻具下放到指定地层深度，此时在地表对钻
杆内落球，落球底座接收落球，落球冲击力由弹簧承受，落球后通入泥浆冲击落球和落球底
座向下触发单动接触开关，压缩单动接触开关进入蓄电池固定卡座内，蓄电池开始供电，同
时单动接触开关复位后固定落球底座防止回弹，蓄电池进行供电后，半导体制冷片进行工
作，发生能量的转移，热源温度升高，冷源温度降低，可以通过改变蓄电池的输出电流，从而
调整半导体制冷片热源、冷源的温度，达到温度需求后热源对在泥浆通道内进行循环的泥
浆进行加热辅助钻进取心，冷端对岩心筒进行降温，使筒内温度可以达到保持提取的岩心
的原始状态，在取心完成后进行提钻，在地表取出岩心筒内的岩心。
本发明的有益效果：
与现有技术相比，本发明使用井下供电模块为辅助加热钻进冷冻取心模块的半导
体片供电，产生热源和冷源，热源用于辅助钻进，冷源用于岩心样品制冷保真。本发明结构
简单，易于生产和维护；可以重复利用，使用成本低；通过不同模块切换，加快保真取心效
率；对钻井液和地层只有加热和制冷过程，对环境无污染，可以最大程度上保持岩心的天然
状态，对于特殊条件取心以及保存岩心有明显作用。
本发明适用于极地冰层取心，以及其他需要进行加热辅助钻进取心的工作。
附图说明
图1为本发明的剖示图。
其中：1-常规钻具，2-蓄电池固定卡座，3-蓄电池，4-蓄电池保护壳，5-插针座，6-
泥浆通道，7-凹形插针密封座，8-落球底座，9-单动接触开关，10-弹簧，11-岩心筒，12-半导
体制冷片，13-半导体制冷片保护壳，14-插针，15-凸形插针密封座，16-活扣，17-垫片，18-
钻头。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明是由供电模块、辅助加热钻进冷冻取心模块、常规钻具模
块组成，供电模块位于辅助加热钻进冷冻取心模块上端，供电模块与辅助加热钻进冷冻取
心模块之间通过活扣16进行连接固定，并通过插接进行供电，供电模块与辅助加热钻进冷
冻取心模块均安装在常规钻具模块内；
所述的供电模块由蓄电池固定卡座2、蓄电池3、蓄电池保护壳4、插针座5、凹形插
针密封座7、落球底座8、单动接触开关9、弹簧10组成，蓄电池固定卡座2固定在常规钻具1
上，蓄电池3安装在蓄电池固定卡座2上，蓄电池3外部设有蓄电池保护壳4，在蓄电池保护壳
4下端的蓄电池固定卡座2上环形设置泥浆通道6，凹形插针密封座7设置在蓄电池固定卡座
2下端，插针座5贯穿蓄电池固定卡座2和泥浆通道6，落球底座8设置在蓄电池保护壳4内测
滑道上，弹簧10位于落球底座8下部，弹簧10起支撑作用，单动接触开关9设置在落球底座8
下端的蓄电池固定卡座2上，并能被压缩进蓄电池固定卡座2内。
所述的辅助加热钻进冷冻取心模块由半导体制冷片12、半导体制冷片保护壳13、
插针14、活扣16、垫片17和凸型插针密封座15组成，半导体制冷片12环形固定在岩心筒11
上，外部设有半导体制冷片保护壳13，活扣16环形套在半导体制冷片保护壳13上，插针17贯
穿半导体制冷片保护壳13，凸型插针密封座15设置在半导体制冷片保护壳13上且包裹插针
14。
半导体制冷片12是冷热源，工作原理是利用半导体片构成通路，在通入电流的情
况下半导体片之间会发生能量的转移，使一端的半导体片吸收热量，温度升高从而成为热
源，另一端的半导体片失去能量，温度降低，成为冷源；半导体制冷片12的热源设置在泥浆
循环通道6方向，加热泥浆，从而辅助钻进，半导体制冷片12的冷源设置在岩心筒11方向，降
低岩心筒11内温度，用于对所取得岩心样品保真。
所述的供电模块位于辅助加热钻进冷冻取心模块上端，供电模块与辅助加热钻进
冷冻取心模块之间通过活扣16进行连接固定，供电模块内的插针座5和辅助加热钻进冷冻
取心模块中的插针14在连接后形成通路，从而达到蓄电池3为半导体制冷片12进行供电的
目的，在插针座5和插针14处设有凹型插针密封座7和凸型插针密封座15，用以防止漏电短
路。
本发明的工作过程：
在地表进行各部分装置的连接后，将钻具下放到指定地层深度，此时在地表对钻
杆内落球，落球底座8接收落球，落球冲击力由弹簧10承受，落球后通入泥浆冲击落球和落
球底座8向下触发单动接触开关9，压缩单动接触开关9进入蓄电池固定卡座2内，蓄电池3开
始供电，同时单动接触开关9复位后固定落球底座8防止回弹，蓄电池3进行供电后，半导体
制冷片12进行工作，发生能量的转移，热源温度升高，冷源温度降低，可以通过改变蓄电池3
的输出电流，从而调整半导体制冷片12热源、冷源的温度，达到温度需求后热源对在泥浆通
道6内进行循环的泥浆进行加热辅助钻进取心，冷端对岩心筒11进行降温，使筒内温度可以
达到保持提取的岩心的原始状态，在取心完成后进行提钻，在地表取出岩心筒11内的岩心。
本发明用于极地冰层取心的一个案例：
1、某地欲进行极地冰层取心，取心深度在350～370m之间。
2、设备参数选择：
半导体制冷片需在15V电压、7A电流的条件下工作，计划蓄电池需连续工作60h，因
此蓄电池电容量为500Ah，输出电压为15V，输出电流为7A，插针座环形均匀布置8个。
在岩心筒周围均匀布置8个半导体制冷片，且为满足工作要求，半导体制冷片在输
入电压为15V，输入电流为7A的条件下可正常工作，冷源温度达到-5℃，热源温度达到60℃。
常规钻具。
3、利用常规钻具钻进到350m，提钻，在地表进行所发明钻具的连接，特别注意插针
座5和插针14对准连接后，利用活扣16进行固定，连接完成后将其下钻到350m，在地表从钻
杆口向下落球，落球降落到落球底座8上，落球底座8受到冲击，弹簧10沿着蓄电池保护壳4
上的滑道向下滑动，向下滑动过程中触发单动接触开关9，将其压缩进蓄电池固定卡座2，蓄
电池3开始供电，落球底座8继续下滑，达到一定位置后，单动接触开关9恢复原位，同时阻止
落球底座8上滑返回原位，防止二次触发开关，蓄电池3为半导体制冷片12供电，半导体制冷
片12进行工作，发生能量转移，热源温度升高加热循环通道内的泥浆，冷源温度降低，使岩
心筒11温度降低，在10分钟内热源温度达到60℃，冷源达到-5℃。达到温度要求后开始下钻
取心。
4、取心完成后，提钻，在地表将钻具取下，取出岩心筒内的取样岩心，将各部分断
开连接，更换电池仓，继续取样钻进。