CN116464390B - 一种适用于极地冰层热融钻具的机械式纠斜系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于极地冰层热融钻具的机械式纠斜系统，包括密封舱、动力机构和传动机构，动力机构包括水密接插件和减速电机，传动机构包括齿轮传动组件、电磁离合器和螺旋传动组件。水密接插件为减速电机和电磁离合器提供电力，控制减速电机转动及电磁离合器吸合，带动传动机构中与其对应的内螺纹轴转动，螺杆受摩擦力作用，产生运动趋势，限位器限制螺杆的周向转动使得螺杆向外做直线运动，螺杆伸出密封舱作用于孔壁上提供支反力，从而实现纠斜。纠斜完成后，控制模块控制减速电机反转，将螺杆收回。本发明的纠斜系统解决了冰层热融钻具钻进过程中钻孔容易偏斜的技术难题，实现了热融钻具井下自主纠斜，有利于实现冰层热融钻具的垂直钻进。

Description

一种适用于极地冰层热融钻具的机械式纠斜系统

技术领域

本发明涉及一种机械式纠斜机构，特别是涉及一种适用于极地冰层热融钻具的机械式纠斜系统。

背景技术

地球的南北两极广泛发育有巨厚的冰盖，其中蕴藏着诸多的古气候、古环境信息。开展极地冰盖探测，对揭示冰盖形成机制、预测全球气候变化以及探索未知生命形式等均具有重要的科学意义。钻探是极地冰盖探测中最直接、最有效的技术手段之一。热融钻具通常利用电阻元件产生的热能融化冰层实现钻进，是冰层钻探中常用的工具，在极地冰盖探测中发挥着重要作用。

冰层热融钻具在实际的钻进过程中由于底部冰层加热不均、钻具结构稳定性差、钻具放缆速度高于钻进速度等原因常常发生倾斜，从而导致钻孔偏离预定的轨迹，造成钻孔弯曲，无法实现向下的垂直钻进。钻孔一旦偏离预定轨迹，若不及时纠正，则钻孔的偏斜距离会随着钻进深度的增加逐渐增大，导致热融钻具无法钻进至目标靶区，这不仅会浪费极大的人力、物力和财力，而且会消耗极地宝贵的科考时间。在冰层热融钻具的钻进过程中，若能对钻具的倾斜程度实时测量并进行纠正，就能有效控制钻孔轨迹，保证热融钻具垂直钻进。

目前，尚无专门的热融钻具纠斜系统，大部分的热融钻具只能采用添加扶正器、导向杆以及悬吊钻具等方法来降低钻孔的倾斜程度，但其作用效果有限，无法实现热融钻具的快速高效纠斜。因此，研发高效的纠斜系统对极地冰层热融钻具的垂直钻进具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前热融钻具在冰层钻探过程中存在钻孔偏斜问题，而提供一种适用于极地冰层热融钻具的机械式纠斜系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：一种适用于极地冰层热融钻具的机械式纠斜系统，包括密封舱以及设置在密封舱中的动力机构和传动机构；所述动力机构包括水密接插件和减速电机，水密接插件和水密电缆连接；减速电机的电源端与水密接插件连接，减速电机的输出轴通过联轴器与传动机构中的主动锥齿轮连接；所述传动机构包括齿轮传动组件、电磁离合器和螺旋传动组件，齿轮传动组件由一个主动锥齿轮和三个从动锥齿轮构成，三个从动锥齿轮位于同一个平面上，间隔120°分布，从动锥齿轮具有轴部和与轴部相连的齿轮部，从动锥齿轮的齿轮部与主动锥齿轮啮合连接，从动锥齿轮的轴部为圆筒结构，其内部空间用于布置螺旋传动组件中的限位器和螺杆，并且从动锥齿轮的轴部与轴承配合，从动锥齿轮的轴部通过轴承安装在高支架的轴承孔内；从动锥齿轮与电磁离合器的主动端通过键连接，电磁离合器的电源端与水密接插件连接；螺旋传动组件由内螺纹轴、螺杆和限位器构成，内螺纹轴为圆筒结构，内螺纹轴的内表面与螺杆螺纹配合，内螺纹轴通过轴承安装在低支架的轴承孔内；螺杆为三段式阶梯轴，螺杆的中间段具有与内螺纹轴配合的外螺纹，螺杆的两端直径不同，且直径大的一端开设有与限位器配合的槽口，直径小的一端能够从所述密封舱中伸出或者缩回至所述密封舱中，并在在螺杆和密封舱接触处设置有密封圈；内螺纹轴与电磁离合器的从动端通过键连接。

进一步，所述密封舱包括同轴设置且从上至下顺次连接的上端盖、上舱体和下舱体，上舱体的上下两端分别与上端盖和下舱体通过密封圈密封。

进一步，所述水密接插件安装在上端盖上。

进一步，所述减速电机固定在上舱体的底部。

进一步，所述高支架和低支架分别通过螺钉固定于圆盘底座上，并且高支架通过螺钉与上舱体底部相连；圆盘底座通过螺钉固定于下舱体底部。

所述的适用于极地冰层热融钻具的机械式纠斜系统，还包括电缆导向机构，所述电缆导向机构包括导轮、导轮支架和电缆导管，导轮支架数量为两个，两个导轮支架分别通过螺钉固定于上端盖的顶部和下舱体的底部；导轮安装在导轮支架上；电缆导管贯穿整个密封舱，电缆导管的上端与上端盖接触处设置有密封圈，电缆导管的下端与下舱体接触处设置有密封圈。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提供的机械式纠斜系统解决了冰层热融钻具钻进过程中钻孔容易偏斜的技术难题，实现了热融钻具井下自主纠斜，有利于实现冰层热融钻具的垂直钻进。该纠斜系统与热融钻具位于其他舱段的已有测斜模块和控制模块进行通信，因此，不需要将信号传输至地面，可以实现井下测斜和纠斜的闭环控制。本发明提出的适用于极地冰层热融钻具的机械式纠斜系统，对促进冰层热融钻进技术和极地科学研究的发展具有重要的作用。

附图说明

图1为本发明提出的适用于极地冰层热融钻具的机械式纠斜系统的剖视图。

图2为动力机构剖视图；

图3为传动机构剖视图；

图4为传动机构布局示意图；

附图标记说明：1-导轮；2-导轮支架；3-电缆导管；4-减速电机；5-联轴器；6-主动锥齿轮；7-从动锥齿轮；8-限位器；9-限位器固定螺钉；10-螺杆；11-圆盘底座；12-水密接插件；13-上端盖；14-上舱体；15-电磁离合器；16-内螺纹轴；17-高支架；18-低支架；19-下舱体；20-轴承。

具体实施方式

为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明提出了一种适用于极地冰层热融钻具的机械式纠斜系统，包括密封舱、动力机构和传动机构。

所述密封舱包括同轴设置且从上至下顺次连接的上端盖13、上舱体14和下舱体19，上舱体14的上下两端分别与上端盖13和下舱体19通过密封圈密封，并且上舱体14的上部通过螺钉与上端盖13连接，上舱体14为整个动力机构提供支撑；下舱体19为整个传动机构提供支撑。

所述动力机构包括水密接插件12和减速电机4，水密接插件12安装在上端盖13上，水密接插件12和水密电缆连接，为减速电机4及电磁离合器15提供电力。减速电机4通过螺钉固定于上舱体14底部，减速电机4的电源端与水密电缆连接，减速电机4的输出轴通过联轴器5与传动机构中的主动锥齿轮6连接，为整个纠斜系统提供动力。

所述传动机构包括齿轮传动组件、电磁离合器15和螺旋传动组件，齿轮传动组件由一个主动锥齿轮6和三个从动锥齿轮7构成，三个从动锥齿轮7位于同一个平面上，间隔120°分布，从动锥齿轮7具有轴部和与轴部相连的齿轮部，从动锥齿轮7的齿轮部与主动锥齿轮6啮合连接，从动锥齿轮7的轴部为圆筒结构，其内部空间用于布置限位器8和螺杆10，从动锥齿轮7的轴部与轴承20配合，从动锥齿轮7的轴部通过轴承20安装在高支架17的轴承孔内。从动锥齿轮7与电磁离合器15的一端通过键连接，电磁离合器15与从动锥齿轮7连接的一端作为电磁离合器15的主动端，电磁离合器15的主动端跟随从动锥齿轮7保持同步转动，电磁离合器15的电源端与水密接插件12连接；螺旋传动组件由内螺纹轴16、螺杆10和限位器8构成，内螺纹轴16为圆筒结构，内螺纹轴16的内表面与螺杆10螺纹配合，内螺纹轴16通过轴承20安装在低支架18的轴承孔内。螺杆10为三段式阶梯轴，螺杆10的中间段具有与内螺纹轴16配合的外螺纹，螺杆10的两端直径不同，且直径大的一端开设有与限位器8配合的槽口，所述槽口与限位器8配合用于限制螺杆10的周向运动，直径小的一端能够从所述下舱体19中伸出或者缩回至所述下舱体19中，并在在螺杆10和下舱体19接触处设置有密封圈；内螺纹轴16与电磁离合器15的另一端通过键连接，当电磁离合器15通电吸合时，电磁离合器15与内螺纹轴16键连接端作为电磁离合器15的从动端跟随电磁离合器15的主动端转动，电磁离合器15断电分离时，电磁离合器15的从动端保持静止。高支架17和低支架18分别通过螺钉固定于圆盘底座11上，并且高支架17通过螺钉与上舱体14底部相连。圆盘底座11则通过螺钉固定于下舱体19底部。由于下舱体19内部空间较小，不便于装配，故，在装配时先将下舱体19内的零件安装固定在圆盘底座11上，再将装配好的零部件通过圆盘底座11及螺钉固定于下舱体19底部。

电磁离合器15通过高支架17安装的轴承及内螺纹轴16的轴肩，固定于高支架17和低支架18之间，限制其轴向位移，同时电磁离合器15的主动端留有销孔通过插销与高支架17上的销孔相连，防止电磁离合器15壳体出现转动。

电缆导向机构包括导轮1、导轮支架2和电缆导管3。热融钻具中心位置有一根主电缆为整个钻具系统提供电力。电缆导向机构的作用是将电缆引导至整个密封舱的中心位置，且防止电缆在密封舱舱段两端位置弯曲半径过小，发生破坏。电缆导管3贯通上舱体14和下舱体19，为电缆提供通道，电缆导管3下端通过螺钉与下舱体19底部相连，电缆导管3的上下两端与上端盖13及下舱体19结合处均通过密封圈连接。导轮支架2数量为两个，两个导轮支架2分别通过螺钉固定于上端盖13的顶部和下舱体19的底部，导轮1与螺纹轴为过盈配合，导轮支架2上留有轴孔，与导轮1过盈配合的螺纹轴通过螺母固定于导轮支架2上，并通过轴套限制导轮1的轴向位移。

需要说明的是，由于本发明提出的机械式纠斜系统所应用的热融钻具的其它舱段中具有测斜模块和控制模块，测斜模块和控制模块通信连接，本发明不需要再另外设计测斜模块和控制模块，控制模块通过水密电缆及水密接插件12，为减速电机4和电磁离合器15提供电力及控制信号。

本发明的工作原理：

热融钻具钻进过程中，若热融钻具发生倾斜，热融钻具的测斜模块会将信号发送给热融钻具内部的控制模块。控制模块判断热融钻具的倾斜方向后，将减速电机4及相应电磁离合器15的线路接通，通过水密接插件12为减速电机4和相应的电磁离合器15提供电力，控制减速电机4转动及电磁离合器15吸合，带动对应的内螺纹轴16转动，由于内螺纹轴16与螺杆10之间通过螺纹连接，故螺杆10受摩檫力作用，产生运动趋势，由于限位器8限制了螺杆10的周向转动，故螺杆10向外做直线运动，螺杆10伸出密封舱，作用于孔壁上，提供支反力，从而实现纠斜。纠斜完成后，控制模块控制减速电机4反转，将螺杆10收回。

Claims (6)

1.一种适用于极地冰层热融钻具的机械式纠斜系统，其特征在于，包括密封舱以及设置在密封舱中的动力机构和传动机构；所述动力机构包括水密接插件(12)和减速电机(4)，水密接插件(12)和水密电缆连接；减速电机(4)的电源端与水密接插件(12)连接，减速电机(4)的输出轴通过联轴器(5)与传动机构中的主动锥齿轮(6)连接；所述传动机构包括齿轮传动组件、电磁离合器(15)和螺旋传动组件，齿轮传动组件由一个主动锥齿轮(6)和三个从动锥齿轮(7)构成，三个从动锥齿轮(7)位于同一个平面上，间隔120°分布，从动锥齿轮(7)具有轴部和与轴部相连的齿轮部，从动锥齿轮(7)的齿轮部与主动锥齿轮(6)啮合连接，从动锥齿轮(7)的轴部为圆筒结构，其内部空间用于布置螺旋传动组件中的限位器(8)和螺杆(10)，并且从动锥齿轮(7)的轴部与轴承(20)配合，从动锥齿轮(7)的轴部通过轴承(20)安装在高支架(17)的轴承孔内；从动锥齿轮(7)与电磁离合器(15)的主动端通过键连接，电磁离合器(15)的电源端与水密接插件(12)连接；螺旋传动组件由内螺纹轴(16)、螺杆(10)和限位器(8)构成，内螺纹轴(16)为圆筒结构，内螺纹轴(16)的内表面与螺杆(10)螺纹配合，内螺纹轴(16)通过轴承(20)安装在低支架(18)的轴承孔内；螺杆(10)为三段式阶梯轴，螺杆(10)的中间段具有与内螺纹轴(16)配合的外螺纹，螺杆(10)的两端直径不同，且直径大的一端开设有与限位器(8)配合的槽口，直径小的一端能够从所述密封舱中伸出或者缩回至所述密封舱中，并在在螺杆(10)和密封舱接触处设置有密封圈；内螺纹轴(16)与电磁离合器(15)的从动端通过键连接。

2.根据权利要求1所述的适用于极地冰层热融钻具的机械式纠斜系统，其特征在于：所述密封舱包括同轴设置且从上至下顺次连接的上端盖(13)、上舱体(14)和下舱体(19)，上舱体(14)的上下两端分别与上端盖(13)和下舱体(19)通过密封圈密封。

3.根据权利要求2所述的适用于极地冰层热融钻具的机械式纠斜系统，其特征在于：所述水密接插件(12)安装在上端盖(13)上。

4.根据权利要求2所述的适用于极地冰层热融钻具的机械式纠斜系统，其特征在于：所述减速电机(4)固定在上舱体(14)的底部。

5.根据权利要求2所述的适用于极地冰层热融钻具的机械式纠斜系统，其特征在于：所述高支架(17)和低支架(18)分别通过螺钉固定于圆盘底座(11)上，并且高支架(17)通过螺钉与上舱体(14)底部相连；圆盘底座(11)通过螺钉固定于下舱体(19)底部。

6.根据权利要求2所述的适用于极地冰层热融钻具的机械式纠斜系统，其特征在于：还包括电缆导向机构，所述电缆导向机构包括导轮(1)、导轮支架(2)和电缆导管(3)，导轮支架(2)数量为两个，两个导轮支架(2)分别通过螺钉固定于上端盖(13)的顶部和下舱体(19)的底部；导轮(1)安装在导轮支架(2)上；电缆导管(3)贯穿整个密封舱，电缆导管(3)的上端与上端盖(13)接触处设置有密封圈，电缆导管(3)的下端与下舱体(19)接触处设置有密封圈。