熱水鉆熱流場對鉆速及鉆孔空間結構影響研究

通過熱水鉆在南極冰川（架）上快速鉆進大直徑鉆孔，對監(jiān)測冰架物質(zhì)平衡，捕捉空間粒子，尋找古生物的生命形式，研究地質(zhì)時期環(huán)境氣候特征以及推測冰蓋及其冰架的演化歷史，具有十分重要的意義。本項目在熱水鉆理論研究的基礎上，針對熱水溫度、壓力、流量、噴嘴結構對鉆進速度和鉆孔空間結構（鉆孔直徑、鉆孔深度、鉆孔傾角）的影響機理，建立相應的數(shù)學和物理模型，并在此基礎上，通過理論分析和數(shù)值模擬，研究熱水鉆熱流場對鉆進速度和鉆孔空間結構的影響規(guī)律。為了進一步驗證熱水鉆理論研究結果，本項目開展了系列熱水鉆實驗研究，通過小型熱水鉆、大型熱水鉆及熱水取芯鉆進的實驗研究，分析熱水鉆過程中的鉆進速度、鉆孔直徑、熱水射流溫度、流量、壓力等鉆進參數(shù)的相互之間的影響關系，進一步確立了熱水鉆熱流場對鉆進速度和鉆孔空間結構影響機理。在本項目研究中，根據(jù)實驗研究需要，我們設計研發(fā)了小型及大型熱水鉆實驗系統(tǒng)和實驗平臺，構建了模擬極地低溫條件的多功能冰層鉆探實驗室。實驗室建設了地下深度13米、直徑1米的模擬極地低溫環(huán)境的冰池，并安裝了功能齊全的多種傳感器，可以實時測量冰層溫度、環(huán)境溫度、鉆進速度、鉆進壓力、鉆具轉速、鉆井液泵量、鉆孔直徑以及熱水鉆水溫、流量、壓力等多項鉆進參數(shù)，為南極冰層的科學鉆探研究提供理論及實驗支持，為未來開展極地研究提供了有力的實驗條件和保障。本項目研究成果對于進一步完善熱水鉆技術，具有重要的理論意義和實際應用價值。本項目在項目組成員的共同努力下，已經(jīng)按照項目計劃任務書承諾的指標高水平、高質(zhì)量完成了預期計劃任務和指標，研究成果共計發(fā)表學術論文7篇，其中SCI檢索論文4篇，授權發(fā)明專利3項，實用新型專利3項，開展了廣泛的國際合作交流，跟國內(nèi)外科研機構達成了良好的合作關系。 2100433B

通過熱水鉆在南極冰川（架）上快速鉆進大直徑鉆孔，對監(jiān)測冰架物質(zhì)平衡，捕捉空間粒子，尋找古生物的生命形式，研究地質(zhì)時期環(huán)境氣候特征以及推測冰蓋及其冰架的演化歷史，具有十分重要的意義。本項目在熱水鉆理論研究的基礎上，針對熱水溫度、壓力、流量、噴嘴結構對鉆進速度和鉆孔空間結構（鉆孔直徑、鉆孔深度、鉆孔傾角）的影響機理以及成孔后鉆孔重新凍結閉合時間開展研究，建立相應的數(shù)學模型，并在此基礎上，通過數(shù)值模擬，研究熱水鉆熱流場對鉆進速度和鉆孔空間結構的影響規(guī)律，并根據(jù)近似極地條件的室外實驗結果對數(shù)學模型進行修正，確定合理的鉆進參數(shù)和噴嘴結構。本項目研究成果對于進一步完善熱水鉆技術，具有重要的理論意義和實際應用價值。

南極大陸冰下沉積物巖芯是探索地球歷史與氣候的重要樣品，但是世界上尚且沒有任何一個國家成功鉆獲冰下沉積物樣品。而目前的快速鉆探技術發(fā)展成大致三類：傳統(tǒng)鉆探技術，熱水鉆探技術以及非常規(guī)鉆探技術。其中熱水鉆由于其特殊的介質(zhì)，不污染環(huán)境等特點，體現(xiàn)出了巨大的潛力。但是對于冰下沉積物巖芯的研究進展緩慢。本項目提出采用熱水鉆進系統(tǒng)與機械取芯鉆具配套使用，在冰層利用熱水鉆進技術快速鉆進，鉆達沉積物層時，僅更換所設計的機械取芯鉆具即可完成取芯。機械取芯鉆具包含反扭裝置、巖屑管、螺桿馬達、巖芯管以及鉆頭等部分。當熱水流經(jīng)螺桿馬達時，其將熱水流的液體壓力轉化為螺桿旋轉的扭矩，從而驅(qū)動巖芯管及鉆頭一起旋轉。熱水流體的流速將所產(chǎn)生的巖屑攜帶并收集到設置在螺桿馬達上方的巖屑室中。結合理論分析與數(shù)值模擬分析流速對孔內(nèi)流場及溫度場的影響，并通過試驗對規(guī)律進行驗證，從而為我國熱水鉆快速鉆進取芯技術提供理論基礎和技術支撐。

降水鉆孔（releasehole），也稱漏水孔。它通常作為深井泵或巷道疏千法中的一種輔助措施。是由地面施工，穿過一個或數(shù)個含水層。

通過該鉆孔使上部含水層的地下水降入下部含水層，從而使上部含水層的水位降到采掘水平以下或疏干巷道以自流方式進入巷道，再排出地表。 2100433B

熱水鉆探技術由于其特殊介質(zhì)，不污染環(huán)境，鉆進速度快等特點，在各種極地鉆探技術中尤為突出，但其缺點是不能通過該技術直接獲取冰芯，巖芯。本項目主要基于極地鉆探快速取芯的需要，開展新型鉆具的設計、理論，數(shù)值模擬以及試驗研究，用于配套熱水鉆探系統(tǒng)使用。該技術省去了額外的配套設備，直接利用螺桿馬達 底部鉆具替換底部噴嘴就可以通過熱水流量直接驅(qū)動鉆具旋轉鉆進，且可根據(jù)地層的種類，更換鉆頭的類型，獲取冰芯/巖心。本項目通過對熱水從地表到孔底的溫差，壓力損失等進行了計算，完成了螺桿馬達的選型；對比了單壁鉆桿與雙壁鉆桿孔內(nèi)流場分布規(guī)律，得出后者能提供更高的壓力，對雙壁鉆桿孔內(nèi)流場分析得出出水口流量應控制在90L/min以內(nèi)才不至于影響冰芯的質(zhì)量，對雙壁鉆桿孔內(nèi)溫度場分析得出在流量15L/min條件下即可滿足孔內(nèi)溫度基本不變的要求，孔內(nèi)的溫度場將基本維持在進水口的溫度10℃，只考慮流速的因素即可。對該套鉆具進行了實驗室的試驗，在不同流量，不同溫度條件下進行了鉆進試驗，鉆進速度隨著溫度的升高、流量的增大而增大，最大鉆進速度可達7.02m/h，同時所得冰芯長度與鉆進速度的比值也在80%以上，冰芯直徑與鉆頭內(nèi)徑的比值也在80%以上，證明了其滿足配合熱水鉆進系統(tǒng)的要求，同時能完成取芯工作，并提出了相應的鉆進參數(shù)作為參考。 2100433B