极地冰层回转钻进切削热量测试装置的研制

极地冰盖深部“暖冰”层钻进时,由于冰层的温度较高,接近甚至达到冰的压力熔点,回转钻进时产生的切削热量极易使冰屑融化,导致机械钻速慢、取心率低、卡钻事故频发。钻压、转速、切削具结构等参数均对切削热量有一定的影响,有必要设计一套实验装置对切削热量进行测试,从而为设计切削具结构、优化钻进参数组合提供理论依据。以XY-1型岩心钻机钻进系统为平台,利用无线信号传输原理设计了冰层回转钻进切削热量测试实验台。初步测试结果表明,该实验装置能够准确测量钻压、扭矩、切削温度等参数,可用来进行相关的实验研究。     

冰层取心回转钻进模拟实验台的设计与测试

极地钻探实践表明,冰盖底部冰岩交界附近地质情况异常复杂,不但可能存在暖冰、基底融水,甚至还存在厚度不等的冰岩夹层,取心钻探异常困难,而优选钻头类型、确定合理的钻进参数是保证其安全、快速钻进的重要因素。本文设计了一套能够模拟冰层回转钻进的实验台,其技术参数为：钻压、转速分别可在0～10 kN、0～300 r/min范围内调节,最大扭矩约100 N·m。该实验台能够测量钻头切削具温度、钻孔深度及钻进速度等参数,为深入研究钻头类型及结构参数、钻进参数对扭矩、钻速和切削温度的影响规律提供了手段。采用PDC复合片钻头进行了冰钻实验,结果表明,实验台能够准确调节钻压和转速,可满足实验要求。     

冰层回转钻进钻头切削具温度理论计算分析

极地冰盖底部暖冰层冰的脆性小而粘弹性大,且温度和压力较高,可钻性差。回转钻进时产生的切削热量极易使冰屑处于熔融或半融状态,致使冰屑相互聚结成团,甚至会在钻具局部位置再次冻结,导致孔内事故频发。为了解冰层回转钻进时切削具的温度变化规律,本文对切削具的受力特性和传热规律进行了理论研究,建立了钻井液循环条件下切削具温度计算理论模型,对切削具的温度变化及影响因素进行了深入分析。结果表明,回转速度、切削深度、冰与切削具间的摩擦系数、切削具刃前角及冰的抗剪强度等参数对切削温度均有重要影响,而低温钻井液虽有良好的冷却、降温效果,但仍可使切削具温度升温2～5 ℃,为暖冰层钻进带来不利影响,需深入优化钻进参数组合。     

南极东方站深冰层及冰下湖钻探技术

自1970年至今,前苏联和俄罗斯在南极东方站持续进行了近50年的冰层钻探活动,先后攻克了包含粒雪层、冰层、冰岩夹层和湖水冻结冰的复杂冰层钻进难题,逐渐形成了一套集热融取芯钻探、电动机械取芯钻探和分支孔钻探等为一体的深冰芯钻探技术。创造了冰层最深干孔钻进深度记录（952.4 m）、最深热融取芯钻进记录（2755 m）、最深冰芯钻探记录（3769.3 m）,累计进尺达13000 m,并获取了总长超46 m的含湖水冻结冰样品的冰芯。东方站的钻探活动对极地冰层钻探技术的发展起到了巨大的推动和引领作用,同时积累了宝贵的深冰钻探经验。通过对东方站深冰钻探技术的系统梳理,将为我国正在实施的深冰芯钻探和即将开启的冰下湖科学钻探提供重要的借鉴。     

极地冰钻关键技术研究进展

极地冰钻技术是获取冰芯,研究冰盖-冰架-海洋相互作用,以及获取极地冰下基岩与冰下水环境样品,开展冰下环境探测的重要手段。目前极地冰钻技术的难点与前沿主要包括深冰芯钻探、冰架热水钻、冰下基岩钻和冰下水环境采样与观测技术。本文针对以上4个极地冰钻关键技术,对国内外相关技术的研究进展与项目开展情况进行了总结与梳理。综合来看,虽然我国开展极地钻探技术研究起步较晚,但随着我国极地战略不断推进,我国的极地冰钻关键技术与装备的研究正持续向着赶超极地钻探强国方向迈进,这必将为我国的极地科学研究提供强有力的技术支撑。     

极地深部冰层取心钻探孔壁水压致裂研究

为了维护极地深部冰层取心钻探工作中钻孔的稳定,避免孔内事故的发生,冰层孔壁的水压致裂问题是亟待解决的重要科学问题之一。本文在深入分析国内外冰层钻探资料的基础上,结合冰盖动力学相关理论,计算得出了钻孔所在区域冰层的密度、温度及内部应力随深度的变化规律。在此基础上,结合油气资源勘探水力压裂技术与冰层钻进钻井液等相关理论,建立了合理的孔壁压差计算方法,深入探讨了适用于深部冰层钻探孔壁水压致裂机理。研制了冰层钻孔水压致裂模拟实验装置,可分析研究不同围压条件下冰样的脆性变形机理。结合我国Dome A深冰心钻探工程实际,提出钻孔可能发生水压致裂的深度区域及孔壁所需的起始裂纹长度判定,以期为后续的安全高效冰层钻进提供重要的理论依据。     

柴达木盆地资源环境科学钻探工程实践与认识

为应对柴达木盆地资源环境科学钻探工程项目施工地区岩层中固结程度松软、碎脆、富水、易变形、怕冲刷及易溶蚀等特点,钻进中不易采取岩矿心,钻进粘土及淤泥时缩径严重,孔壁不稳定及地层内广泛分布着层间高承压卤水和天然气,极易发生涌水或井喷的问题,机械岩心深孔钻进施工中合理解决岩心采取率低,护孔压井防喷。是确保科学钻探工程顺利实施的关键点。本项目采用专为资源环境科学钻探设计的隔水单动三重管取心钻具。常规钻杆取心;适宜的钻进方法;借鉴石油钻井泥浆压喷护壁工艺和压喷设施及措施。保证了环境科学钻探工程的施工要求和实验要求。     

南极冰层取心钻探钻井液对雪层影响的模拟研究

深冰层取心钻探是极地科学考察的重要组成部分。在极地勘探取样过程中做到在获得高质量冰岩心样品的同时,将钻井液对极地环境的污染降低到最低程度,对保护极地原生环境具有重要意义。依据南极科学钻探的地层条件,应用Visual Modflow建立了污染物在雪层中的运移模型,在污染物浓度保持恒定时,对钻孔内污染物进行了数值模拟,预测了10年后污染物在雪中污染羽扩散范围。在此基础上,对比分析了不同弥散系数时,雪对污染物弥散的能力。极地科学钻探使用的钻井液粘度通常是水的10倍,随着污染物粘度的增大,其扩散的距离也将相应减少。研究结果为深入开展极地冰层取心钻探钻井液对极地环境影响评价研究奠定了重要的理论与技术基础。     

新疆冲洪积卵砾石地层岩土工程勘察钻探技术发展回顾

冲洪积卵砾石层是新疆岩土工程勘察的主要地层,通过对近30年来冲洪积卵砾石层工程钻探的技术总结,对孔底局部反循环取心钻进、取心钻具回转钻进、牙轮钻具全面钻进、潜孔锤全面钻进等几种主要的钻探工艺技术要点进行了总结归纳,并评述了各钻进工艺的优缺点,尤其对市场竞争环境下卵砾石层钻进工艺做出了对比分析,提出了钻探技术发展的方向。     

我国大陆科学钻探工程实施概况及其取心钻进技术体系

科学钻探是为包括构造运动、气候变迁、火山喷发、地震机理、陨星撞击等基础地学研究领域,提取地球深部信息、建立地下长期观测网络的科学工程。开展科学钻探,不仅将促进我国地学基础理论研究走向国际前沿,实现从地质大国向地质强国的转变,还具有拉动我国钻探工程整体进步,提高其技术、学术水平和国际地位的工程技术意义。在通过科学钻探获取的地下信息中,岩心是直接反映地球演变历史的实物资料,也是最为地质学家所重视的研究资料。我国自2001年启动大陆科学钻探工程以来,素以全过程连续钻取岩心和对岩心的高质量要求著称于世。本文概略介绍了我国已成功实施的4项大陆科学钻探工程,着重介绍了在工程中形成的,具有我国自主知识产权的科学钻探取心钻进技术体系：井底动力取心钻进系统、大口径长回次钻程取心钻进系统、极复杂地层原状取心钻进系统,以及各类岩心的无损出管方法,介绍了各钻进系统在工程应用中取得的主要成果。     

冰层空气反循环连续取芯钻具：结构设计与冰芯卡断数值模拟

冰心包含大量的古气候资料和古生物学信息,这些信息对于从远古到现代的气候变化和生物进化都很重要。如何高效快速地获取无污染的冰心是极地科学家的一个重要课题。冰层空气反循环钻具采用双壁钻杆形成反循环通道,内管提供了从钻头底部到表面的冰屑和冰心的连续通道。钻具通过卡断机构卡断冰心,通过反循环通道不断运移冰心,从而实现连续钻具连续取心。本文采用ABAQUS软件对冰心卡断过程进行分析,运用XFEM断裂准则以及Explicit显式方法求解,选出适宜的卡断器尺寸和中心通道尺寸,从而得到更好的反循环钻进效果。     

极地冰层取心钻进超低温钻井液理论与试验研究

南极冰层取心钻进的关键之一是钻井液的耐温能力。根据南极冰层钻进的特点及对钻井液的特殊要求,在综合分析国内外冰层钻进钻井液应用经验的基础上,对有机硅、氟代烃、一元脂肪酸酯及二元脂肪酸酯进行了理论上的分析研究,测试了各自在不同温度条件下的粘度和密度,分析了粘度与密度变化的机理。确定出分子间相互作用中无氢键形成的物质的粘温系数最小,脂肪酸酯的粘温系数受到分子间氢键的数量影响最大,指出了介质密度的增加是由于体积收缩所致,与介质的分子结构与形态无关。所得到的结论对于极地冰层取心钻进钻井液的选择与确定具有重要的理论与实际意义。     

Research Progress on Electrical Properties and Conductivity Measurement Technology of Ice Core

Ice core is an important object of the global climate change research, and can extract paleoclimate information by physical and chemical methods. As one of the major physical analysis technology, conductivity measurement technology mainly contains two methods and has been applied to many drilling project. The technology reflects the ice core electrical properties influenced by factors such as temperature, pressure, impurities and changes, and the cause of these changes can be explained from the aspects of macroscopic and microscopic. What obtained from measurement can be used to the research of dating, volcanic events, accumulation rate, biomass burning, ion concentration recovery, which systematically help us to understand the quaternary evolution of Antarctic climate since late pleistocene. This paper summarized in detail the main research achievements on electrical properties and dielectric measurement technology of ice core, and also discussed the prospect of the technology in China deep ice core project further.     

近300a来古里雅冰芯记录的气候突变事件

根据古里雅冰芯高分辨率气候环境信息记录,利用小波气候突变的检测方法,对近300a来的气候突变事件进行了检测.结果表明,在百年尺度上,近300a来古里雅冰芯中所记录的δ¹⁸O(温度代用指标)发生了2次突变,分别在1788年和1932年;净积累量(降水量的代用指标)也发生了2次突变,分别在1805年和1939年;降水突变发生的时间迟于温度突变发生的时间.时间尺度越短,发生突变的次数则越多,这也体现了气候变化的层次性.因此,较好地确定隐含在气候资料中冷暖(干湿)期突变的位置,从冷暖(干湿)期的变更上去把握气候变化,将有助于认识气候变化的机理.     

钻井液类型对南极冰层取心钻进工作的影响

钻井液的类型与性能对于提高极地冰层取心钻进的效率与保证钻孔稳定性具有重要的影响。在分析铠装电动机械钻具工作原理与钻井液循环方式的基础上,较为详细地分析了升降钻具的速度与钻井液粘度与密度之间的关系;分析了现有钻井液类型和所存在的问题;以二元脂肪酸二醇酯、低分子量饱和脂肪酸酯与甲基硅油的试验测试数据为基础,确定了可用于极地冰层取心钻进的钻井液类型及其性能要求。     

SinoProbe-05深部探测项目钻探技术问题总结与对策研究

为满足深部找矿和地球科学研究的需要,近几年,深度超2000 m钻孔数量在不断更新,岩心钻探深度记录也在不断打破。深部钻探由于科学目标更高、钻遇地层更多,压力层系复杂、钻进时间更长等客观实际,对钻探装备、工艺技术和管理提出了新的要求。针对不同地域和区块,深部钻探均有不同的典型难点问题和技术挑战性。SinoProbe-05深部探测项目自2009年启动以来完成了西藏罗布莎、甘肃金川、云南腾冲、安徽庐枞、安徽铜陵和于都赣县等钻探任务,通过集成该深部探测项目过程中的技术问题,从装备、工艺、材料到机具等10个方面总结了该深部探测项目的成果,并结合近几年国内其他深部钻探项目一些经验,进行了策略研究和风险规避探索。     

4 000 m DISC深冰芯钻机概述

深冰芯钻探(Deep Ice Sheet Coring, DISC)钻机是美国冰芯钻探服务中心(ICDS)开发研制的一款机电钻机, 设计取芯直径122 mm, 钻取深度4 000 m.该系统由两部分组成,包括机械钻进系统和地面支撑系统. 其中, 机械钻进系统由钻机、 电缆、 钻塔和绞车四部分组成, 钻机是该系统的钻探部分, 由6个不同部件(刀盘、 芯管、 筛管、 电机/水泵、 钻机控制板和顶端)组成; 地面支撑系统包括电源、 控制系统、 冰芯处理系统、 钻井液处理系统、 筛管清洗系统、 辅助设备以及安全设备设施. 2006年夏季ICDS在格陵兰Summit营地对该套钻机系统进行了成功试验, 2011年12月31日在西南极冰原(WAIS Divide)成功获取3 405 m深度的冰芯.实践证明, 该套钻机能够满足目前钻探项目的科学需求. 但是, 在西南极冰原主冰孔不同深度钻取同深度副冰孔冰芯的过程中, 钻刀无法在主冰孔壁上侧向钻取新的冰芯孔, 未能如期获取复制的冰芯样品.     

南极冰层钻进铠装钻具升降运动特性分析与试验

极地冰层取心钻具的升降运动特性对提高钻进效率、减少孔内事故具有重要影响。在总结极地冰钻特点的基础上,分析了钻孔直径、钻具质量和钻井液的流变特性对钻具在升降过程中的影响,钻具在钻孔过程中运动的两阶段特性、滞流层的存在与影响因素,确定了因钻具的运动所引起的流体扰动量与扰动范围。研制了用于测试铠装电缆悬挂式钻具升降测试试验台和测试的方法,通过对3个不同直径与3个不同质量的钻具在其下落过程的实际测试,得出了钻具下落速度与直径呈二次方关系,与钻具的质量成线性关系的结论。