發(fā)布時間：2021-10-21 15:30

　　隨著國際社會對冰川科學(xué)的深入研究,熱熔鉆技術(shù)作為一種高效、環(huán)保的鉆進(jìn)方法被廣泛的應(yīng)用于冰蓋、冰架、海冰和山岳冰川的鉆探活動中。由于極地特殊的低溫環(huán)境,冰孔縮徑問題給冰川鉆探技術(shù)的發(fā)展帶來了極大的限制。為保障安全鉆進(jìn)的持續(xù)進(jìn)行,鉆孔閉合速率的預(yù)估是必不可少的,如何有效的防止鉆孔凍結(jié),成為研究熱熔鉆技術(shù)的關(guān)鍵問題之一。本文首先對國內(nèi)外鉆孔及冰層溫度場的研究進(jìn)行了介紹,總結(jié)了極地地區(qū)鉆孔閉合問題的研究方法,針對基于熱熔鉆進(jìn)方法的冰層溫度場及鉆孔閉合速率問題進(jìn)行深入的理論分析和全面的試驗研究,并對鉆孔閉合問題提出了側(cè)壁加熱的解決辦法。論文的主要研究成果如下:1、利用傳熱學(xué)知識對基于熱熔鉆進(jìn)方法的冰層溫度場及鉆孔閉合速率問題進(jìn)行了分析,通過兩種方法計算熱熔鉆進(jìn)結(jié)束后的冰層溫度場:（1）采用笛卡爾系下的一維熱傳導(dǎo)方程,忽略圓柱孔的曲率對換熱的影響進(jìn)行研究。（2）在一維柱坐標(biāo)系下通過MALTAB軟件對非穩(wěn)態(tài)傳熱問題熱擴散方程求數(shù)值解。對不同冰層溫度,初始孔徑下的冰層溫度場進(jìn)行分析,結(jié)果表明:對于無內(nèi)熱源的鉆孔閉合問題,在鉆孔閉合過程中,孔壁外側(cè)冰層首先會出現(xiàn)一個升溫的過程,且越靠近孔壁升溫越快,升溫... 

【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：125 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

南極冰川的構(gòu)成

潞????笙蟶先熱圩杲?厥兆?具。RECAS鉆具的特點是具有上下兩個熱熔鉆頭，同時采用內(nèi)嵌式絞車系統(tǒng)，在鉆具向下鉆進(jìn)過程中，下部熱熔鉆頭開啟，絞車從鉆具內(nèi)部釋放電纜向下移動，讓電纜直接凍結(jié)在冰層中，待鉆進(jìn)至冰下湖完成湖水取樣，開啟上部熱熔鉆頭，絞車收纜向上鉆進(jìn)，如圖1.3所示。整個過程中鉆孔內(nèi)無需注入防凍液，充分體現(xiàn)了其環(huán)境友好的特性。然而RECAS鉆具體積龐大，長度超過8m，而鉆進(jìn)速度僅為1.5~2mh-1，在鉆進(jìn)過程中，很容易因鉆孔凍結(jié)導(dǎo)致鉆具上部/下部被凍結(jié)在冰孔內(nèi)，導(dǎo)致項目的失敗，造成巨大的損失。圖1.3RECAS鉆具鉆進(jìn)過程示意圖所以，防止冰層鉆孔閉合是研究熱熔鉆進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵問題之一。一個充滿融水的鉆孔在形成后會立即開始冷卻然后重新凍結(jié)。在溫冰川鉆探中，鉆孔中從表面到底部的融水溫度在

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文6或冰架上鉆孔內(nèi)水的再凍結(jié)現(xiàn)象。1976年Yen和Tien對一個內(nèi)部放置有加熱電纜的深500m，直徑0.15m的充滿水的冰孔進(jìn)行鉆孔閉合問題的計算，其目的在于在進(jìn)行少量數(shù)值計算的情況下，預(yù)估移除加熱電纜后鉆孔直徑縮小至0.125m所需的時間[35]。該研究將水的融化溫度及冰孔內(nèi)水的內(nèi)能看做與深度無關(guān)的函數(shù)，在計算凍結(jié)速率時，由于熱層的厚度遠(yuǎn)小于冰層介質(zhì)厚度，采用Goodman熱平衡積分法進(jìn)行積分求解，通過區(qū)間縮放法進(jìn)行無量綱化，最后得出無量綱常量鉆孔可用總時間與無量綱常量線熱源功率之間的關(guān)系，圖1.4中，實線表示在無量綱熱熔鉆頭功率Q*=35.45時，無量綱鉆孔直徑a*隨無量綱時間t*的變化規(guī)律，虛線則表示在無量綱時間t1*時鉆進(jìn)結(jié)束，取出熱熔鉆頭后鉆孔直徑的變化。圖1.4無量綱鉆孔直徑隨無量綱時間的變化關(guān)系[35]1972年Harrison描述了溫冰川一個未加熱的鉆孔的閉合問題，其目的是通過測量鉆孔的閉合速率反向推導(dǎo)出冰川的溫度[36]。溫冰川上的鉆孔在深度范圍內(nèi)都隨著時間的推移共同趨于封閉，這種現(xiàn)象與極地冰川的近地表快速閉合現(xiàn)象完全不同，他測得在夏季美國的BLUE冰川上，鉆孔的閉合速率約為每星期1.7mm，這個結(jié)果完全不符合我們對極地冰孔閉合速率的認(rèn)知。1974年Jarvis和Glarke對加拿大的Steele冰川在25~114m的深度內(nèi)通過13個溫度傳感器進(jìn)行了溫度測量，測得冰川最低溫度為-6.5℃，暖冰層位于30~50m之間。為了評估冰川裂隙中滯留水的熱效應(yīng)，探究暖冰層形成的原因，其建立了二維空間及時間的相關(guān)數(shù)值模型[37]。假定冰層溫度T是沿徑向的空間變量x的函數(shù)，y是垂直于冰川表面的深度的函數(shù)，冰川表面溫度是一個保持溫度隨時間呈正弦變化的平面。時間t=0的時刻為裂隙初始形成并填充滿水的時刻，裂隙的初始形狀取為三角楔形?

【參考文獻(xiàn)】：
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博士論文
[1]極地冰下基巖取心鉆具反扭裝置與鉆頭鉆壓平衡關(guān)系研究[D]. 范曉鵬.吉林大學(xué) 2014



本文編號：3449257