【摘要】：作為目前世界范圍內(nèi)鉆進(jìn)速度最快的冰層鉆進(jìn)方法之一,熱水鉆被廣泛用于冰架下部?jī)鋈谶^(guò)程的觀測(cè)、冰下沉積物取樣、冰層物理結(jié)構(gòu)研究、溫度測(cè)量、冰層蠕變研究、冰下基底滑移速度測(cè)量、冰下湖連接通道的獲取、宇宙中微子的捕捉以及一些其它的科學(xué)目的。本文的主要目的是進(jìn)行熱水鉆進(jìn)系統(tǒng)的理論研究,建立主要鉆進(jìn)參數(shù)(熱水流量、輸送壓力和溫度)、可控結(jié)果變量(鉆孔直徑、鉆進(jìn)速度、油耗和鉆孔凍結(jié)速度)和獨(dú)立變量(目標(biāo)鉆進(jìn)深度和冰層溫度)之間的關(guān)系。本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)外熱水鉆進(jìn)技術(shù)的研究意義和現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納總結(jié),詳細(xì)介紹了現(xiàn)今在高山冰川和極地冰層鉆探中應(yīng)用最為廣泛的冰層鉆探方法——熱水鉆,并認(rèn)識(shí)到我國(guó)在熱水鉆技術(shù)的應(yīng)用和理論研究上的嚴(yán)重匱乏,嘗試解決熱水鉆融冰過(guò)程理論研究不足的問(wèn)題,對(duì)熱水鉆進(jìn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,并研發(fā)了一套淺層熱水鉆進(jìn)系統(tǒng)。論文研究得到的主要結(jié)論如下:(1)本文通過(guò)建立熱水鉆融冰過(guò)程理論模型,發(fā)現(xiàn):較高的流量和溫度能夠在鉆進(jìn)時(shí)實(shí)現(xiàn)更大的鉆進(jìn)速度和鉆孔直徑。對(duì)于中深層熱水鉆系統(tǒng)來(lái)說(shuō),沿程壓力損失在熱水輸送壓力中占決定性作用,而沿程壓力損失由軟管長(zhǎng)度、軟管內(nèi)徑和流量決定;相對(duì)來(lái)說(shuō),為了實(shí)現(xiàn)熱水對(duì)孔底冰層的充分接觸,局部壓力損失在淺層熱水鉆系統(tǒng)中往往更加重要。鉆孔的凍結(jié)時(shí)間取決于冰層溫度和初始鉆孔直徑。(2)本文使用顯熱容法對(duì)熱水鉆融冰過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),在短時(shí)間的鉆進(jìn)融冰過(guò)程中,流量和溫度對(duì)鉆進(jìn)速度的影響顯著,而對(duì)鉆孔直徑影響較小。鉆孔重新凍結(jié)的模擬結(jié)果與融冰過(guò)程理論計(jì)算結(jié)果相似。對(duì)0.3米的鉆孔來(lái)說(shuō),若冰層溫度為-30℃時(shí),12 h后鉆孔就幾乎完全凍結(jié);而當(dāng)冰層溫度僅為-10℃時(shí),鉆孔在72 h后依然沒(méi)有完全凍結(jié)。(3)設(shè)計(jì)研發(fā)了一套淺層熱水鉆進(jìn)系統(tǒng),在極地冰蓋或高山冰川進(jìn)行淺層觀測(cè)孔快速鉆進(jìn)中具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。淺層熱水鉆系統(tǒng)由四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成:水體加熱系統(tǒng),主體是高壓熱水清洗機(jī),可以產(chǎn)生溫度范圍為80-155℃、流量范圍為4 10 L/min的熱水,并以不超過(guò)14 MPa的最大壓力輸出;水體輸送系統(tǒng),包括卷?yè)P(yáng)、高壓軟管和地面管路及閥門等;鉆具系統(tǒng),包括鉆塔、配重和噴嘴;測(cè)控系統(tǒng),包括測(cè)控箱及編碼器、溫度傳感器、壓力傳感器、水壓表、流量計(jì)、內(nèi)徑百分表等傳感器或儀表。(4)淺層熱水鉆進(jìn)系統(tǒng)整體工作良好。系統(tǒng)在使用1.8 mm、2 mm和2.5 mm單孔噴嘴時(shí),鉆進(jìn)比較順利,而大孔徑噴嘴(3 mm噴嘴)產(chǎn)生了較大直徑的鉆孔但鉆進(jìn)速度非常小。在使用10 L/min流量和60℃熱水噴射溫度時(shí),使用1.8mm和2 mm噴嘴以34-37 m/h的最大鉆進(jìn)速度進(jìn)行鉆進(jìn),能夠產(chǎn)生98-114 mm的鉆孔;而使用2.5 mm噴嘴則在25 m/h的鉆進(jìn)速度下產(chǎn)生146-156 mm的鉆孔。系統(tǒng)的最高熱效率為83%,這是由于該鉆孔的鉆進(jìn)速度達(dá)到29.5 m/h,同時(shí)鉆孔深度僅為3 m。但在大多數(shù)鉆孔中,熱效率一般在67-76%的范圍內(nèi)。熱量損失主要是熱量導(dǎo)入周圍冰層和空氣中,以及加熱器內(nèi)燃料的不充分燃燒。(5)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與熱水鉆融冰理論進(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與參數(shù)理論預(yù)測(cè)的偏移基本都不超過(guò)7%(事實(shí)上,大多數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要稍小于理論曲線),個(gè)別實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與參數(shù)理論預(yù)測(cè)的偏移達(dá)到了21%,誤差的產(chǎn)生是由于實(shí)驗(yàn)中的觀測(cè)誤差和系統(tǒng)故障。但就總體而言,熱水鉆融冰理論模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熱水鉆系統(tǒng)的主要參數(shù)。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P634
【圖文】：

地球陸地約 11%的面積被冰川覆蓋，包括位于南極和格陵蘭島的冰蓋冰育在中、低緯度的高山冰川[1,2]。冰蓋在重力的驅(qū)動(dòng)下緩慢流動(dòng)形成冰流。蓋最高處的冰流基本是垂直向下的，而兩側(cè)的冰流方向不斷向水平方向過(guò)此，冰流將導(dǎo)致冰蓋逐漸變薄并且在水平方向上不斷延伸，直至在邊緣處洋形成冰架，導(dǎo)致諸如冰架涌動(dòng)、斷裂、崩離等大尺度事件突發(fā)，最終冰為海冰漂浮于海洋，海冰融化導(dǎo)致海平面上升[3]。2009 年至 2017 年間，南蓋以加速的冰川運(yùn)動(dòng)響應(yīng)當(dāng)代氣候變遷，致使冰蓋沿周邊出現(xiàn)大量質(zhì)量流四十年以每十年 3.6±0.5 mm 的平均速度主導(dǎo)著海平面上升的趨勢(shì)[4-7]。冰架物質(zhì)平衡是冰蓋動(dòng)態(tài)變化的主要過(guò)程之一，準(zhǔn)確地掌握冰架物質(zhì)平衡，才可能精確定量研究極地冰蓋的動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)全球環(huán)境變化的影響[8圖 1.1 所示，冰架與大陸架連接的部位為接地區(qū)域。由于接地區(qū)域冰層的融率高于冰架前緣，影響了冰架的質(zhì)量平衡過(guò)程[12,13]。冰架質(zhì)量流失的加快于冰架在接地區(qū)域的基底融化增快造成的[14,15]。

結(jié)構(gòu)則控制了海水侵蝕和潮汐變化，影響了海洋到冰架下部的熱量傳遞[17]�？茖W(xué)家通過(guò)遙感技術(shù)[18,19]、雷達(dá)或超聲波勘測(cè)技術(shù)[20,21]來(lái)定位和研究接地區(qū)結(jié)構(gòu)，但無(wú)法對(duì)這個(gè)區(qū)域進(jìn)行直接觀測(cè)。為了研究冰架下部的水文環(huán)境和接域的物理結(jié)構(gòu)，需要在接地區(qū)域冰架進(jìn)行冰層鉆探，通過(guò)鉆孔來(lái)創(chuàng)建觀測(cè)取道并獲取第一手地質(zhì)資料是唯一行之有效的方法[22]。為了對(duì)冰川冰流輸入、冰架表面積累與消融、冰架前緣崩塌和冰架下部的過(guò)程更好地開(kāi)展研究監(jiān)測(cè)，科學(xué)家們通過(guò)各種方式在冰架上快速進(jìn)行鉆孔工冰層進(jìn)行取樣，研究冰層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，拍攝視頻和影像。在施工完的鉆孔中一些儀器設(shè)備，監(jiān)測(cè)研究冰層的溫度分布，冰的變形，基底水壓力，冰架基移速度，和捕捉空間粒子等。同時(shí)，還可以利用鉆孔通道，開(kāi)展冰架底部海（湖的取樣和監(jiān)測(cè)，開(kāi)展海（湖）底沉積物取樣和鉆取海（湖）底巖芯，如圖 示。

圖 1.3 熱水鉆進(jìn)系統(tǒng)舉例(a) BAS（英國(guó)南極調(diào)查局）輕質(zhì)地震勘測(cè)熱水鉆，南極松島冰川，2006-2007 工作季（個(gè)人通訊: R. Stilwell, 英國(guó)南極調(diào)查局) ； (b) 淺層熱水鉆進(jìn)系統(tǒng)，冰島國(guó)家能源局水力部，朗格冰川，2005[42]； (c)AWI 中等深度熱水鉆，南極 Ekstr m 冰架，2018 年 1 月 (照片：范曉鵬老師) ； (d) IceCube 深層熱水鉆進(jìn)系統(tǒng)的卷?yè)P(yáng)和鉆塔，2008 年 12 月 (個(gè)人通訊：IceCube 項(xiàng)目組的 J. Haugen，2008)熱水鉆系統(tǒng)主要包括水體加熱系統(tǒng)、水體輸送系統(tǒng)、鉆具系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)共 6 個(gè)子系統(tǒng)，如圖 1.4 所示，水體加熱系統(tǒng)用來(lái)產(chǎn)生高壓熱水，水體輸送系統(tǒng)用以將熱水輸送至鉆孔底部鉆具系統(tǒng)，并通過(guò)鉆具系統(tǒng)的噴嘴高速噴射至孔底，實(shí)現(xiàn)冰層鉆進(jìn)，供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的供水和水體的循環(huán)利用，測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確鉆進(jìn)和各子系統(tǒng)的協(xié)同控制，輔助系統(tǒng)提供鉆探所需的能源動(dòng)力等后勤保障[49,50]。熱水系統(tǒng)主要由高壓泵、加熱器或鍋爐、卷?yè)P(yáng)、鉆塔、軟管、水箱、閥門、過(guò)濾器、鉆具、噴嘴、測(cè)控箱等設(shè)備構(gòu)成，中深層熱水鉆還應(yīng)包括

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本文編號(hào)：2750378