【摘要】：熱水鉆是目前世界上冰層鉆進(jìn)速度最快的一種鉆進(jìn)方法,對于極地冰下環(huán)境科學(xué)考察有著極為重要的作用。然而,當(dāng)熱水鉆在雪層鉆進(jìn)過程中熱水將透過雪層間隙大量漏失,造成孔壁破壞和能源浪費,因此需要利用其它鉆進(jìn)方法對熱水鉆進(jìn)行雪層開孔作業(yè)。本文對目前國內(nèi)外大直徑鉆具的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和歸納,詳細(xì)介紹了熱水鉆開孔用熱融鉆頭的兩種換能方式,即熱流體式與電熱融式,并結(jié)合其技術(shù)特點,針對世界上大直徑粒雪層熱融鉆進(jìn)種類稀少且缺少相關(guān)針對性理論分析的研究現(xiàn)狀,對熱融鉆頭在雪層鉆進(jìn)時的鉆進(jìn)機理開展理論和實驗研究,填補雪層熱融鉆進(jìn)的理論空白。通過查閱文獻(xiàn),開展了理論分析和數(shù)值模擬,進(jìn)行大直徑熱融鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計,研發(fā)了一套完整的大直徑粒雪層電熱融鉆進(jìn)系統(tǒng)。論文主要取得了以下研究成果:(1)通過建立熱融鉆頭融雪過程的理論模型,得出傳統(tǒng)的熱融鉆冰層鉆進(jìn)機理并不適用于雪層鉆進(jìn)的結(jié)論,雪層熱融鉆進(jìn)必須要考慮融水下滲作用的影響。雪層熱融鉆進(jìn)過程中,融水將攜帶熱量在鉆孔底部進(jìn)行重復(fù)熱交換,這一過程會增加鉆具在雪層和粒雪層中的鉆進(jìn)速度。為了獲取融水對熱融鉆進(jìn)的具體影響程度,采用理論計算與實驗驗證的方法,得到量化后的熱融鉆進(jìn)下滲能量利用率為4%-8%,熱量損失率為2%-4%。通過分析實驗數(shù)據(jù),得出雪層溫度對鉆進(jìn)速度的影響區(qū)間為11%-13%。同時,考慮極地冰蓋雪層密度與深度的關(guān)系,建立了鉆進(jìn)施工周期、鉆孔深度和加熱功率之間的關(guān)系公式,這將為我國未來南極雪層熱融鉆進(jìn)相關(guān)研究領(lǐng)域提供可靠的理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。(2)通過文獻(xiàn)調(diào)研和理論分析,確定了熱融鉆頭的本體形狀;結(jié)合電熱組件的相關(guān)性能參數(shù),利用COMSOLMultiphysics軟件對多種熱源結(jié)構(gòu)形式熱融鉆頭的溫度場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果來指導(dǎo)熱融鉆頭的選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計。模擬結(jié)果表明,在錐形熱融鉆頭三種熱源分布形式中,采用螺旋盤管作為熱融鉆頭表面時,其熱量分布最為均勻,但存在一定冷區(qū)。為了消除熱融鉆頭底部冷區(qū),開展鉆頭底部加熱頭設(shè)計:采用錐形、拋物線形、圓臺、組合曲線以及非標(biāo)準(zhǔn)曲線作為底部銅體鉆頭的五種初始結(jié)構(gòu)形式,開展數(shù)值模擬研究,得出非標(biāo)準(zhǔn)曲線結(jié)構(gòu)最適用于熱融鉆進(jìn)。結(jié)合理論計算及數(shù)值模擬分析結(jié)果,確定大直徑熱融鉆頭優(yōu)選功率分配方式為:上部盤管采用25kW供電,下部銅體加熱頭采用5kW供電。(3)設(shè)計并研發(fā)了一套完整的大直徑粒雪層熱融鉆進(jìn)系統(tǒng),包含了鉆進(jìn)、抽水、供電、檢測控制以及除水五個子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)通過移動控制箱進(jìn)行統(tǒng)一控制,可實現(xiàn)鉆進(jìn)、供電、排水作業(yè)的協(xié)同控制。整體系統(tǒng)設(shè)計安裝于極地雪橇上表面,方便極地現(xiàn)場環(huán)境中的安裝與運輸。熱融鉆進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計最大功率為30kW,干燒安全功率為8kW;熱融鉆頭設(shè)計鉆進(jìn)孔徑為500mm,鉆頭錐度為-15°。系統(tǒng)絞車最大載荷能力為2t,鋼纜具備8t的極限提升力。檢測控制系統(tǒng)可實時監(jiān)測、記錄整個系統(tǒng)的鉆進(jìn)參數(shù)與運行參數(shù),并實時顯示在上位機LabView軟件中。除水系統(tǒng)采用泵體將融水實時輸送至地表的抽水方案,孔內(nèi)設(shè)計最大排水深度為117m;采用空壓機吹水作為管路殘留水除水方案,空壓機流量1m~3/min,保證系統(tǒng)在極地低溫條件下長期儲存與使用。(4)對大直徑粒雪層熱融鉆進(jìn)系統(tǒng)鉆進(jìn)能力進(jìn)行了理論預(yù)測與實驗研究,根據(jù)其不同的鉆進(jìn)條件和地層參數(shù),得到了其在相應(yīng)條件下的鉆進(jìn)規(guī)律。在構(gòu)建的大直徑粒雪層熱融鉆進(jìn)試驗臺并開展了進(jìn)行了25組鉆進(jìn)實驗,最大鉆進(jìn)深度為1.8m,最大鉆進(jìn)速度可達(dá)3.2m/h,最大鉆孔直徑為510mm。同時,采用實驗方法驗證了系統(tǒng)中排水系統(tǒng)的可行性:排水水系統(tǒng)可實現(xiàn)117m的泵送揚程,滿足為熱水鉆提供開孔作業(yè)的需求;所采用除水方案可將管路內(nèi)91.6%的水泵出,驗證了空壓機除水方案的可行性;對除水系統(tǒng)管路開展了防凍液泵送實驗,驗證了系統(tǒng)可滿足極地環(huán)境中的使用及存放需求。(5)將大直徑雪層/粒雪層熱融鉆進(jìn)實驗結(jié)果與理論分析進(jìn)行對比,實驗所得數(shù)據(jù)的分布與理論計算所得的結(jié)果相符合,驗證了了理論分析和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。
【圖文】：

二是在大陸邊緣發(fā)生的流失。研究表明，在冰蓋上最高基本是豎直向下，而周圍的冰流則不斷向外運動。因此，冰川的流蓋逐漸變薄，同時冰川不斷向水平方向進(jìn)行延伸，最終在邊緣處融架。而冰架上發(fā)生的涌動、斷裂、崩塌等事件則會使得冰架崩解成者冰山，其融化將導(dǎo)致海平面上升[3,4]。2009 年至 2017 年間，南極冰川運動響應(yīng)當(dāng)代氣候變遷，致使冰蓋在周邊出現(xiàn)大量質(zhì)量的流十年以每十年 3.6±0.5 mm 的平均速度主導(dǎo)著海平面上升的趨勢[5究表明，Amery 冰架與 Filchner-Ronne 冰架上的冰體有近一半是通發(fā)生流失[9-11]，如圖 1.1 所示。冰架與海洋相接觸的底部存在著消冰架的底部又存在著再凍結(jié)過程，因此造成了對冰架物質(zhì)平衡的研架底部附近的海域水團(tuán)和南極環(huán)流影響著冰體的消融與凍結(jié)過程[進(jìn)行觀測，目前大多數(shù)的研究只能通過鑿洞、鉆孔和自然形成的裂。

圖 1.2 熱水鉆系統(tǒng)概念圖目前冰層鉆進(jìn)常用的機械鉆進(jìn)工藝中，采用的鉆井液對極地環(huán)境會造成較大。殘留的鉆井液經(jīng)過冰川的流動作用終將流入海洋，造成海水污染，且由于環(huán)境的特殊性，自然恢復(fù)所需的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地球上其他地區(qū)。為了保護(hù)南境，，1972 年，聯(lián)合國便制定了南極保護(hù)政策。1991 年簽署的“關(guān)于南極環(huán)護(hù)的南極條約議定書”更證明了南極環(huán)保的重要性[21]。對于熱水鉆而言，由川本體的組成物質(zhì)是固態(tài)的水，同時水也可以作為鉆進(jìn)過程中使用的鉆井因此整個熱水鉆進(jìn)過程十分環(huán)保，滿足了科學(xué)考察中的環(huán)保要求。熱水鉆作為當(dāng)今冰層鉆進(jìn)速度最快的鉆進(jìn)，已成為極地和冰川鉆進(jìn)的一項主要技術(shù)。我國成功開展的“冰架熱水鉆機關(guān)鍵技術(shù)統(tǒng)開發(fā)”項目，旨在研發(fā)一個穩(wěn)定、可靠的
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P634

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本文編號：2616901