【摘要】：南極區(qū)域的冰層蘊含著地球古氣候、古環(huán)境的完整信息,人們可以通過幾百萬甚至幾千萬年前的氣候環(huán)境變化規(guī)律,來推測未來氣候的變化趨勢,積極應對現(xiàn)在面臨的環(huán)境問題。穿過厚厚的冰層,研究與冰下基巖相接觸的冰層的性質(zhì)。更深遠的,研究冰下礦藏的情況和巖石、地層的結(jié)構(gòu)特征。鉆探是獲取冰層及基巖信息的唯一途徑。早在1840年,就有人開始對冰層進行探索,冰川理論的創(chuàng)始人Agassiz在阿爾卑斯山上開始他的第一次鉆探嘗試。隨后各國也紛紛派考察團前往極地區(qū)域,從最初的手動鉆具鉆進冰層淺表層,到現(xiàn)在的鎧裝電纜式電動機械鉆具,成功鉆至深冰層,取得幾百米的冰心樣品。極地鉆進過程中,鉆井液是必不可少的。與陸地地質(zhì)巖心鉆探一樣,鉆井液對于維護孔壁穩(wěn)定,冷卻鉆頭,清潔孔底有重要作用。由于冰層具有可融化及強烈的蠕變性,對鉆井液的類型及性能提出了一些新的要求。極地鉆井液在低溫下,不僅要具合適的密度和粘度,還要具備:(1)低導電性,不損害浸泡其中的電子元件;(2)高導熱性,快速的帶走鉆頭產(chǎn)生的熱量,防止冰屑融化;(3)不具腐蝕性,對鉆具、密封元件及橡膠制品沒有不良影響。為防止冰層及冰心融化,在極地鉆探中使用的鉆井液多為疏水性的介質(zhì),已經(jīng)應用過的鉆井液類型有煤油基鉆井液、乙醇和乙二醇的水溶液、乙酸丁酯等,但是煤油基鉆井液對環(huán)境污染嚴重,乙醇和乙二醇的水溶液對孔壁、冰心有溶蝕性,乙酸丁酯對現(xiàn)場的橡膠制品有溶蝕作用,所以它們并不是極地鉆探最理想的鉆井液。經(jīng)過先期的理論分析與研究,有6種液體介質(zhì)具有極地鉆井液的潛質(zhì),它們分別為:(1)二甲基硅油類,國產(chǎn)硅油和KF96硅油;(2)脂肪酸酯類,丁酸乙酯、丁酸丁酯、丁酸戊酯和丙酸丙酯。6種介質(zhì)密度和粘度的研究與測試工作已經(jīng)完成,其性能滿足極地冰層取心鉆進對鉆井液的要求。但對其導電性、導熱性和對密封元件的溶脹作用還沒有進行過相應的研究,需要進行完整的試驗測試及研究工作。(1)采用DDSJ-308F電導率測試儀分別對純液體介質(zhì)和混有冰屑的液體進行測試。經(jīng)試驗測試,在室溫(20℃)下,純凈的國產(chǎn)硅油、KF96硅油、丁酸丁酯和丁酸戊酯的電導率為0.000μS/cm,屬于不導電液體。丁酸乙酯和丙酸丙酯的電導率分別為0.003μS/cm、0.002μS/cm,具有極弱的導電性。當混入5%和15%的冰屑時,冰屑的含量對溶液電導率的影響不大,溫度在-60~-5℃,6種溶液的電導率都不超過0.02μS/cm,且南極環(huán)境溫度在-60~-50℃,此時介質(zhì)的電導率為0μS/cm,不會影響鉆具的正常工作。溫度在0℃時,由于處于冰的相變溫度,有部分冰屑表面融化,導致電導率急劇增大。相同溫度下,脂肪酸酯類的電導率普遍小于硅油類,丁酸丁酯和丁酸戊酯的電導率最小,而且脂肪酸酯類能防止冰屑粘附在電導電極上,推測其在鉆進過程中,可以在鉆頭表面形成一層防護膜,防止冰屑粘住鉆頭,這對于暖冰層鉆進是十分有利的。(2)采用DRE-Ⅲ瞬態(tài)平面熱源法導熱儀測定介質(zhì)的導熱系數(shù)。經(jīng)試驗,測得6種液體的導熱性隨溫度的降低而逐漸減小。相同溫度下,脂肪酸酯類的導熱系數(shù)遠遠大于硅油類的導熱系數(shù),丙酸丙酯的導熱性最好,丁酸乙酯次之。在-50℃時,6種液體的導熱系數(shù)在0.015~0.065 W/(m·K)。依據(jù)實際鉆進參數(shù),經(jīng)過計算,若不使用鉆井液,切削具升溫3.5℃,而使用鉆井液可以使切削具明顯降溫。南極環(huán)境溫度在-60~-50℃,孔底實際產(chǎn)生95KJ熱量,6種介質(zhì)都能及時帶走,滿足極地鉆探的要求。(3)由于極地環(huán)境特殊,對鉆具密封元件的耐寒性、耐化學性、抗變形性和機械性有較高要求,極地常用的密封件材料有硅橡膠、氟橡膠、聚氨酯和聚四氟乙烯四種。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn),隨著浸泡時間的增加,溶脹變形量也逐漸增大,當達到某一值時不再變化,且溫度越低,變形總量越小。硅油類液體對硅橡膠有很強的溶脹作用,這可能是由于硅油分子與硅橡膠分子結(jié)構(gòu)中均含有硅氧原子且在結(jié)構(gòu)上有某種相似性,相似相溶。在-25~25℃之間,國產(chǎn)硅油對硅橡膠的溶脹量為21~33%;KF96硅油對硅橡膠的溶脹量為25~38%,KF96硅油的溶脹能力稍強一些。硅油類對氟橡膠、聚氨酯和聚四氟乙烯則沒有溶脹作用。因為氟橡膠支鏈上連有氟原子,外層受到氟原子的保護;而聚氨酯與硅油的分子差異性較大,且分子中沒有不飽和鍵;聚四氟乙烯C-F鍵的鍵能大,化學性質(zhì)穩(wěn)定且具有惰性,所以耐硅油類的溶脹作用。脂肪酸酯類液體只對聚四氟乙烯沒有溶脹作用,對硅橡膠、氟橡膠和聚氨酯都有不同程度的溶脹作用。(1)4種脂肪酸酯類液體對硅橡膠的溶脹作用相差不大,在-25~25℃之間,硅橡膠變形量在28~38%。(2)對氟橡膠的溶脹性,丙酸丙酯最強,其次是丁酸乙酯、丁酸丁酯,丁酸戊酯的溶脹性遠小于其它3種。在-25~25℃之間,變形量依次為58~68%、54~64%、51~56%和21~54%。丙酸丙酯與丁酸乙酯的分子量相同,但丙酸丙酯的分子鏈短,所以滲透速率快,進入的數(shù)量也多,就分子量和分子鏈長度而言,丁酸戊酯丁酸丁酯丁酸乙酯,所以氟橡膠在其中的變形量則反之。(3)脂肪酸酯類液體對聚氨酯有輕微溶脹作用,其中丙酸丙酯最強,其次是丁酸乙酯,丁酸丁酯、丁酸戊酯較弱,在0~25℃之間,變形量依次為6~15%、2~10%、1.5~3%和0~2%。當溫度低于0℃時,丁酸戊酯對聚氨酯沒有溶脹作用,當溫度低于-25℃時,丁酸乙酯、丁酸丁酯和丁酸戊酯對聚氨酯都沒有溶脹作用。硅油和低分子量飽和脂肪酸酯都是性能優(yōu)良的潛在鉆井液介質(zhì)。對6種介質(zhì)的導電性、導熱性及對密封元件的溶脹作用進行試驗測試,獲得了比較好的定量指標,對于實際工作具有指導意義。從測試結(jié)果來看,6種介質(zhì)都能很好的滿足南極冰層取心鉆進對鉆井液的性能要求,可以用于實際生產(chǎn)。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：P634.6

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