等离子体冰层钻头、等离子体冰层钻孔设备.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010099388.0 (22)申请日 2020.02.18 (71)申请人 吉林大学 地址 130025 吉林省长春市前进大街2699 号 (72)发明人 曹品鲁曹金娥曹宏宇贺文博 戚波王孟克崔国庆陈卓 (74)专利代理机构 北京专赢专利代理有限公司 11797 代理人 李斌 (51)Int.Cl. E21B 7/15(2006.01) (54)发明名称 一种等离子体冰层钻头、 等离子体冰层钻孔 设备 (57)摘要 本发明适用于钻孔设备技术领域， 尤其涉及 一种等离子体冰。

2、层钻头、 等离子体冰层钻孔设 备， 所述等离子体冰层钻头包括： 壳体， 用于安装 钻孔机构和泵水机构； 钻孔机构， 所述钻孔机构 设置在壳体靠近冰面一端， 用于通过钻孔机构产 生的高温高压等离子体击穿和融化接触冰层； 泵 水机构， 所述泵水机构设置在壳体远离钻孔机构 一侧， 用于为钻孔机构输送供其电离的水和抽取 冰层融化形成的水。 本发明实施例提供的一种等 离子体冰层钻头， 通过壳体安装安装钻孔机构和 泵水机构， 泵水机构为钻孔机构供水， 钻孔机构 通过高压脉冲电流将水电离， 形成高温高压等离 子体， 高温高压等离子体将冰层击碎并融化， 以 达到钻孔的目的。 本装置结构简单， 钻孔效率高， 环。

3、保无污染。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 111255375 A 2020.06.09 CN 111255375 A 1.一种等离子体冰层钻头， 其特征在于， 所述等离子体冰层钻头包括： 壳体， 用于安装钻孔机构和泵水机构； 钻孔机构， 所述钻孔机构设置在壳体靠近冰面一端， 用于通过钻孔机构产生的高温高 压等离子体击穿和融化接触冰层； 泵水机构， 所述泵水机构设置在壳体远离钻孔机构一侧， 用于为钻孔机构输送供其电 离的水和抽取冰层融化形成的水。 2.根据权利要求1所述的等离子体冰层钻头， 其特征在于， 所述钻孔机构包括： 电气结构， 所述电气结构与壳体固定连接， 用于将高压脉冲电。

4、流输送至钻头； 钻头， 所述钻头与电气结构电性连接且固定设置在壳体靠近冰面一侧， 用于利用高压 脉冲电流将与钻头接触的冰层进行击穿和融化。 3.根据权利要求2所述的等离子体冰层钻头， 其特征在于， 所述钻头包括高压电极钻头 和接地电极钻头， 高压电极钻头设置在接地电极钻头外围， 高压电极钻头与接地电极钻头 之间形成等离子通道。 4.根据权利要求3所述的等离子体冰层钻头， 其特征在于， 所述高压电极钻头设有喷 头， 泵水机构输送的水通过该喷头喷射至等离子通道。 5.根据权利要求3所述的等离子体冰层钻头， 其特征在于， 接地电极钻头为空心圆柱， 空心圆柱内径设置有冰芯卡断器， 用于卡断空心圆柱内的。

5、冰芯。 6.根据权利要求1所述的等离子体冰层钻头， 其特征在于， 所述泵水机构包括： 供水结构， 所述供水结构与壳体固定连接， 用于将水输送至钻孔机构与冰面接触处； 吸水结构， 所述吸水结构与壳体固定连接， 用于将钻孔机构与冰面接触处的融水导出。 7.根据权利要求6所述的等离子体冰层钻头， 其特征在于， 吸水结构包括液位传感器， 液位传感器设置在壳体靠近冰面一端， 用于监测等离子体冰层钻头浸入水深。 8.根据权利要求6所述的等离子体冰层钻头， 其特征在于， 泵水机构还包括储水舱， 吸 水结构的出水端与供水结构的进水端均与储水舱连通。 9.根据权利要求6所述的等离子体冰层钻头， 其特征在于， 储。

6、水舱外围设置有加热电阻 丝， 用于避免储水舱的水结冰。 10.一种等离子体冰层钻孔设备， 包括发电机、 高压脉冲发生器、 绞车及铠装电缆、 孔口 导向装置， 其特征在于， 所述等离子体冰层钻孔设备还包括如权利要求19任一所述的等离 子体冰层钻头， 发电机与高压脉冲发生器电性连接， 高压脉冲发生器通过铠甲电缆与等离 子体冰层钻头电性连接， 铠甲电缆绕制在绞车上， 且靠近等离子体冰层钻头一端绕过孔口 导向装置与等离子体冰层钻头连接。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111255375 A 2 一种等离子体冰层钻头、 等离子体冰层钻孔设备 技术领域 0001 本发明属于钻孔设备技术领域， 尤其涉及。

7、一种等离子体冰层钻头、 等离子体冰层 钻孔设备。 背景技术 0002 极地冰盖是全球系统重要的组成部分， 约占全球陆地面积的10%， 其主要成分除了 水外还有溶于其中的化学物质、 固体尘埃颗粒以及气体。 获取极地冰心， 对古气候变化研 究、 未来气候变化预测以及环境变迁分析研究意义重大。 在极地进行快速钻孔， 在孔内安装 各种监测仪器， 对研究极地冰盖的运动和变化、 冰盖底部温度压力环境及地磁特性等亦具 有重要意义。 0003 目前使用的蒸汽钻机为火管式蒸汽钻机， 存在装置笨重、 体积大、 加热时间长、 热 效率低、 对冰川环境污染较大、 且存在一定地安全隐患， 限制了其使用的场合和范围， 同。

8、时 极大的限制了高海拔区域的相关科研工作。 发明内容 0004 本发明实施例的目的在于提供一种等离子体冰层钻头， 旨在解决现有冰川钻孔装 置钻孔效率低， 对环境污染大的问题。 0005 本发明实施例是这样实现的， 一种等离子体冰层钻头， 所述等离子体冰层钻头包 括： 壳体， 用于安装钻孔机构和泵水机构； 钻孔机构， 所述钻孔机构设置在壳体靠近冰面一端， 用于通过钻孔机构产生的高温高 压等离子体击穿和融化接触冰层； 泵水机构， 所述泵水机构设置在壳体远离钻孔机构一侧， 用于为钻孔机构输送供其电 离的水和抽取冰层融化形成的水。 0006 优选的， 所述钻孔机构包括： 电气结构， 所述电气结构与壳体。

9、固定连接， 用于将高压脉冲电流输送至钻头； 钻头， 所述钻头与电气结构电性连接且固定设置在壳体靠近冰面一侧， 用于利用高压 脉冲电流将与钻头接触的冰层进行击穿和融化。 0007 优选的， 所述钻头包括高压电极钻头和接地电极钻头， 高压电极钻头设置在接地 电极钻头外围， 高压电极钻头与接地电极钻头之间形成等离子通道。 0008 优选的， 所述高压电极钻头设有喷头， 泵水机构输送的水通过该喷头喷射至等离 子通道。 0009 优选的， 接地电极钻头为空心圆柱， 空心圆柱内径设置有冰芯卡断器， 用于卡断空 心圆柱内的冰芯。 0010 优选的， 所述泵水机构包括： 供水结构， 所述供水结构与壳体固定连接。

10、， 用于将水输送至钻孔机构与冰面接触处； 说明书 1/5 页 3 CN 111255375 A 3 吸水结构， 所述吸水结构与壳体固定连接， 用于将钻孔机构与冰面接触处的融水导出。 0011 优选的， 吸水结构包括液位传感器， 液位传感器设置在壳体靠近冰面一端， 用于监 测等离子体冰层钻头浸入水深。 0012 优选的， 泵水机构还包括储水舱， 吸水结构的出水端与供水结构的进水端均与储 水舱连通。 0013 优选的， 储水舱外围设置有加热电阻丝， 用于避免储水舱的水结冰。 0014 本发明实施例的另一目的在于， 一种等离子体冰层钻孔设备， 包括发电机、 高压脉 冲发生器、 绞车及铠装电缆、 孔口。

11、导向装置， 所述等离子体冰层钻孔设备还包括如上所述的 等离子体冰层钻头， 发电机与高压脉冲发生器电性连接， 高压脉冲发生器通过铠甲电缆与 等离子体冰层钻头电性连接， 铠甲电缆绕制在绞车上， 且靠近等离子体冰层钻头一端绕过 孔口导向装置与等离子体冰层钻头连接。 0015 本发明实施例提供的一种等离子体冰层钻头， 通过壳体安装安装钻孔机构和泵水 机构， 泵水机构为钻孔机构供水， 钻孔机构通过高压脉冲电流将水电离， 形成高温高压等离 子体， 高温高压等离子体将冰层击碎并融化， 以达到钻孔的目的。 本装置结构简单， 钻孔效 率高， 环保无污染。 附图说明 0016 图1为本发明实施例提供的第一种等离子。

12、体冰层钻头的结构示意图； 图2为本发明实施例提供的第二种等离子体冰层钻头的结构示意图； 图3为本发明实施例提供的一种等离子体冰层钻孔设备的结构示意图。 0017 附图中： 1、 雪地车； 2、 发电机； 3、 高压脉冲发生器； 4、 雪橇； 5、 绞车； 6、 孔口导向装 置； 7、 铠装电缆； 8、 等离子体冰层钻头； 9、 壳体； 10、 泵水机构； 11、 电气结构； 12、 冰芯； 13、 高 压电极钻头； 14、 接地电极钻头； 15、 冰心卡断器； 16、 等离子通道； 901、 储水舱； 902、 储水舱 外管； 903、 电缆通道管； 904、 加热电阻丝； 101、 内置循环。

13、泵； 102、 循环泵吸水管； 103、 循环泵 排水管； 104、 内置吸水泵； 105、 吸水泵排水管； 106、 吸水泵进水管； 107、 储水系统中心管； 111、 电缆悬挂装置； 112、 电气舱； 113、 接地电极电缆； 114、 高压电极电缆； 121、 内绝缘管； 122、 外绝缘管； 123、 绝缘取心管； 124、 高压电极导电铜管； 125、 接地电极导电铜管； 126、 液 位传感器。 具体实施方式 0018 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例， 对 本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明。

14、， 并 不用于限定本发明。 0019 以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。 0020 如图1所示， 为本发明一个实施例提供的一种等离子体冰层钻头的结构示意图， 所 述等离子体冰层钻头包括： 壳体， 用于安装钻孔机构和泵水机构； 钻孔机构， 所述钻孔机构设置在壳体靠近冰面一端， 用于通过钻孔机构产生的高温高 压等离子体击穿和融化接触冰层； 说明书 2/5 页 4 CN 111255375 A 4 泵水机构， 所述泵水机构设置在壳体远离钻孔机构一侧， 用于为钻孔机构输送供其电 离的水和抽取冰层融化形成的水。 0021 在本发明实施例中， 壳体9为空心圆柱结构， 且一端设有开口， 另一。

15、端设有开孔， 壳 体9内腔靠近开孔一侧安装泵水机构10， 壳体9内腔远离开孔一侧安装钻孔机构。 在钻孔作 业时， 泵水机构10向钻孔机构与冰面接触点泵水， 钻孔机构通过高压将水电离， 形成高温高 压的等离子体， 高温高压的等离子体通过挤压和高温将冰面击碎和融化， 进而实现钻孔的 目的。 在钻孔过程中， 冰面不断融化， 泵水机构10将过量的融水抽离， 保证钻孔工作的进行。 0022 如图1所示， 作为本发明的一种优选实施例， 所述钻孔机构包括： 电气结构， 所述电气结构与壳体固定连接， 用于将高压脉冲电流输送至钻头； 钻头， 所述钻头与电气结构电性连接且固定设置在壳体靠近冰面一侧， 用于利用高压。

16、 脉冲电流将与钻头接触的冰层进行击穿和融化。 0023 在本发明实施例中， 电气结构11包括电缆悬挂装置111和电气舱112， 电缆悬挂装 置111一端与壳体9固定连接另一端与电气舱112固定连接， 电气舱112通过接地电极电缆 113和接地电极导电铜管125与接地电极钻头14电连接， 通过高压电极电缆114和高压电极 导电铜管124与高压电极钻头13电连接。 接地电极电缆113和接地电极导电铜管125与高压 电极电缆114和高压电极导电铜管124之间通过外绝缘管122隔离； 接地电极电缆113和接地 电极导电铜管125与冰芯12之间通过内绝缘管121隔离； 高压电极电缆114和高压电极导电 。

17、铜管124与壳体9外缘融水之间通过绝缘取心管123隔离。 在进行钻孔的过程中， 电气舱112 将高压脉冲电流通过输送至高压电极钻头13和接地电极钻头14， 高压电极钻头13和接地电 极钻头14将存在于两者之间的水电离， 产生高温高压的等离子体将与钻头接触的冰层进行 击穿和融化， 实现钻孔。 0024 如图1所示， 作为本发明的一种优选实施例， 所述钻头包括高压电极钻头和接地电 极钻头， 高压电极钻头设置在接地电极钻头外围， 高压电极钻头与接地电极钻头之间形成 等离子通道。 0025 在本发明实施例中， 高压电极钻头13为空心环状结构， 高压电极钻头13设置在且 在接地电极钻头14外围， 在高压。

18、脉冲电流的作用下， 两者之间的水形成了等离子通道， 实现 对冰面的环形钻孔。 0026 如图1所示， 作为本发明的一种优选实施例， 所述高压电极钻头设有喷头， 泵水机 构输送的水通过该通孔喷头至等离子通道。 0027 在本发明实施例中， 高压电极钻头13沿周向设有多个喷头， 喷头与泵水机构10连 通， 在钻孔作业时， 泵水机构10输送至喷头的水， 喷射至等离子通道， 对等离子通道内的水 进行补充。 0028 如图1和2所示， 作为本发明的一种优选实施例， 接地电极钻头为空心圆柱， 空心圆 柱内径设置有冰芯卡断器， 用于卡断空心圆柱内的冰芯。 0029 在本发明实施例中， 接地电极钻头14也为空。

19、心圆柱结构， 接地电极钻头14内径设 置有冰芯卡断器15。 在进行钻孔作业时， 钻孔至一定深度时， 为避免冰芯12与其上方的结构 发生碰撞， 采用定时清理冰芯的方法， 通过冰芯卡断器15将冰芯12卡断， 进而将钻头从空中 取出， 清理冰芯12后可再次钻孔作业。 0030 在本发明实施例中， 接地电极钻头14与冰面接触一端还可以设置为平面， 通过等 说明书 3/5 页 5 CN 111255375 A 5 离子体直接将所有接触到的冰块融化， 进而实现打孔的目的。 采用此种接地电极钻头14无 需设置冰芯卡断器15。 0031 如图1和2所示， 作为本发明的一种优选实施例， 所述泵水机构包括： 供水。

20、结构， 所述供水结构与壳体固定连接， 用于将水输送至钻孔机构与冰面接触处； 吸水结构， 所述吸水结构与壳体固定连接， 用于将钻孔机构与冰面接触处的融水导出。 0032 在本发明实施例中， 供水结构包括内置循环泵101、 循环泵吸水管102和循环泵排 水管103， 循环泵吸水管102和循环泵排水管103分别于内置循环泵101进水口和出水口连 通， 循环泵吸水管102远离内置循环泵101一端钻孔机构中的喷头连通； 吸水结构包括内置 吸水泵104、 吸水泵排水管105和吸水泵进水管106， 吸水泵排水管105和吸水泵进水管106分 别与吸水泵104出水口和进水口连通， 吸水泵进水管106远离吸水泵1。

21、04一端与冰面上方水 体连通。 在进行钻孔作业时， 内置循环泵101通过循环泵排水管103将水输送至钻孔机构中 的喷头， 吸水泵104通过吸水泵进水管106将冰面上方多余的水抽离冰面， 以保证钻孔机构 正常工作。 0033 如图1和2所示， 作为本发明的一种优选实施例， 吸水结构包括液位传感器， 液位传 感器设置在壳体靠近冰面一端， 用于监测等离子体冰层钻头浸入水深。 0034 在本发明实施例中， 液位传感器126用于监测钻头浸入水体的深度， 根据次深度控 制吸水泵104抽水， 避免吸水泵104一直处于工作状态， 导致钻孔机构与冰面之间的水供应 不足。 0035 如图1和2所示， 作为本发明的。

22、一种优选实施例， 泵水机构还包括储水舱， 吸水结构 的出水端与供水结构的进水端均与储水舱连通。 0036 在本发明实施例中， 循环泵吸水管102与吸水泵排水管105通过储水舱901连通， 使 装置内的水循环利用， 节约了资源。 0037 如图1和2所示， 作为本发明的一种优选实施例， 储水舱外围设置有加热电阻丝， 用 于避免储水舱的水结冰。 0038 在本发明实施例中， 储水舱901外围设置有加热电阻丝904， 储水舱901由储水舱外 管902与上方扣盖围成， 由于冰川的温度极低， 加热电阻丝904用于对储水舱901内的水进行 加热， 避免因储水舱901内的水结冰导致循环泵吸水管102无法为钻。

23、孔机构供水。 储水舱901 中部设置有用于电缆通过的电缆通道管903， 储水舱901与钻孔机构之间设置有用于电缆通 过的储水系统中心管107。 储水舱外管902外围设置有储水系统外管905。 0039 如图1、 2和3所示， 本发明还提供一种等离子体冰层钻孔设备， 包括发电机、 高压脉 冲发生器、 绞车及铠装电缆、 孔口导向装置， 所述等离子体冰层钻孔设备还包括如上所述的 等离子体冰层钻头， 发电机与高压脉冲发生器电性连接， 高压脉冲发生器通过铠甲电缆与 等离子体冰层钻头电性连接， 铠甲电缆绕制在绞车上， 且靠近等离子体冰层钻头一端绕过 孔口导向装置与等离子体冰层钻头连接。 0040 在本发明。

24、实施例中， 发电机2、 高压脉冲发生器3、 绞车5、 孔口导向装置6均固定在 雪橇4上， 雪橇4可由雪地车1驱动在极地冰盖上移动和运输。 铠装电缆7缠绕在绞车5上， 一 端与高压脉冲发生器3连接， 另一端与孔底等离子体冰层钻头8连接。 0041 在本发明实施例中， 等离子体冰层钻孔设备工作过程为： 钻进作业时， 启动高压脉 冲发生器3产生高压脉冲电流， 经由铠装电缆7输送至等离子体冰层钻头8的电气舱112内。 说明书 4/5 页 6 CN 111255375 A 6 电气舱112分别向高压电极钻头13和接地电极钻头14供电， 两者之间形成等离子通道16。 同 时内置循环泵101将储水舱901内。

25、预存的水通过高压电极钻头13上的喷嘴高速喷射， 流经等 离子通道16时， 被高压电极钻头13与接地电极钻头14之间的高压脉冲电流电离， 形成高温 高压等离子体， 以极快的速度膨胀击穿接触冰层， 对其破碎和融化， 从而完成钻孔动作， 产 生的水在孔底堆积达到一定高度后被液位传感器126监测并启动内置吸水泵104， 将融水抽 吸到储水舱902内储存， 然后在内置循环泵101作用下形成循环。 接地电极钻头14采用空心 圆柱结构时， 当钻进达到回次深度后， 由铠装电缆上提钻具， 冰芯卡断器15卡断冰芯12， 等 离子体冰层钻头提至地表进行处理。 为防止储水舱902内温度过低， 在储水舱902上缠绕加 。

26、热电阻丝904， 根据需要对其进行加热处理。 0042 本发明提供的等离子体冰层钻孔设备， 由雪地车1运输和移动， 整套系统结构简单 紧凑、 重量轻、 尺寸小， 大幅降低了极地后勤保障负担。 本发明利用等离子体的高温高压特 性击穿、 破碎和融化冰层， 无需钻井液循环， 仅利用冰层融水电解形成等离子体， 不但钻进 速度快、 效率高， 而且对极地冰层无污染， 安全可靠， 利于在极地冰层环境取心或全面钻进 作业。 0043 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说明书 5/5 页 7 CN 111255375 A 7 图1 说明书附图 1/3 页 8 CN 111255375 A 8 图2 说明书附图 2/3 页 9 CN 111255375 A 9 图3 说明书附图 3/3 页 10 CN 111255375 A 10 。