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。     

第四届国际冰钻技术研讨会在日本东京举行

继在美国那不拉斯加大学(1974年),加拿大卡鲁加林大学(1982年)和法国格林诺布尔环境冰川学地球物理学研究所(1988年)召开的第一、二、三届国际冰钻技术讨论会后,由日本极地所和日本雪冰学会共同发起组织的第四届国际冰钻技术研讨会于1993年4月20—23日本东京举行。这次会议是在1992年夏季格陵兰冰盖中心完成3029m透底深钻,创造了国际冰芯钻探史的新记录,日本国确     

基于RecurDyn的极地冰下基岩取心钻具反扭装置的运动仿真及运动分析

在极地钻探技术领域中,铠装电缆式电动机械取心钻具应用广泛,优化、设计可靠的反扭装置,提高其反扭力矩,是冰下基岩电动机械取心钻具钻进成功的关键所在。为了分析反扭装置的全部性能,提出了基于数字化虚拟样机RecurDyn的仿真方法。反扭装置的组成机构是平面六杆机构,在RecurDyn中导入由inventor软件建立的反扭装置几何模型进行运动仿真及分析。介绍了利用RecurDyn软件来实现平面六杆机构（反扭装置）运动仿真及分析的方法和步骤。以反扭装置作为研究对象,在RecurDyn/post模块中,用动画来表现反扭装置的运动过程,用图表来反映运动仿真的结果。仿真的结果证明反扭装置设计的科学性、合理性以及实用性,可以实现预定位置变化,满足极地钻探中平衡钻进的要求。     

美国极地钻探科学目标分析与钻探技术进展

极地钻探是获取极地冰层或冰下环境样品和在极地冰层或冰下布放科学观测仪器的最直接方法,是开展极地科学研究的必要技术手段。美国是开展极地钻探较早的国家之一,也是极地钻探强国。相比美国,我国极地钻探技术尚处于起步阶段。本文以《美国冰钻委员会长期科学规划2021-2031》为基础,结合其官方网站和相关文献资料,梳理了美国极地钻探科学目标和极地钻探技术现状,并简要介绍了过去10年美国极地钻探的现场工作情况及其在未来3年的工作计划,以期为我国极地钻探发展提供参考。     

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。     

冰层电缆热熔法取芯钻进

热熔法是一种全新的碎岩方法,在南极中深孔的钻进中起了重要作用。通过对前苏联、美国、法国、日本等国热熔钻具的分析,提出了南极冰钻热熔钻具的合理组成系统及各部分功能。重点阐述了俄罗斯ТБЗС－１５２Ｍ钻具结构特点、使用效果及护壁液的成分和性能。     

南极冰层电缆式机械取芯钻进

介绍了南极冰钻的科学意义以及世界各国如原苏联、美国、法国、丹麦等国家施工冰钻的情况；重点阐述了俄罗斯南极冰钻的先进技术以及所采用的КЗМС－１１２型电缆式机械取芯钻具的结构和施工工艺。     

冰硬度试验台设计与试验

极地冰层硬度特性对铠装电缆电动机械取心钻具反扭装置设计和使用具有重要意义。针对冰层特殊的物理性质,结合材料硬度测试原理,设计了一套可在模拟极地冰层低温条件下测量冰硬度特性的硬度试验台。该试验台由低温冷柜、硬度测试台和数据采集及控制系统3部分组成,其中,数据采集及控制系统隔离在常温环境中,降低了元器件对环境温度的要求。利用该试验台对硬度压头压入冰层的压力和深度进行数据检测,换算得到相应的硬度值。对设计的试验台进行初步实验表明,该试验台工作状态良好,数据准确,可满足对低温材料硬度特性的检测。     

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。     

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。     

新型大口径立轴式钻机分动及卷扬装置的研制

为了克服现有深孔大口径钻机体积庞大和价格昂贵等问题,从实用角度出发研制了一种新型的立轴式深孔大口径钻机。此钻机结构紧凑,钻进有效,灵活实用,价格适中,更加适应国内市场的需求。本文重点阐述其分动和卷扬机构的独特设计,在立轴式钻机的基础上,对传动路线和结构部件的设计进行创新,赋予其适应大口径深孔钻进下的低速重载的能力。     

深孔智能化钻井参数无线实时传输系统研究

智能化、自动化、信息化是钻井工程的发展方向。为实时、安全、准确、高效地获取钻井现场实时数据,研究了一套由3种无线传输模式组成的深孔智能化钻井参数无线实时传输系统。基于LabVIEW软件平台采用模块化编程,完成由无线发送接收模块、远程网络传输模块、数据库模块、复杂钻进工况识别模块、事故诊断模块等5大模块组成的无线实时传输系统。通过室内仿真测试与现场应用,说明其满足现场应用要求,可应用于复杂、深孔、智能化钻井现场,满足深部资源探矿工程的需要,支持国家重要能源资源勘探工程。     

DB30型多功能电驱动钻机的研发与应用

以XY-8型钻机为基础,采用模块化设计,研发了既可以进行小口径深孔取心钻探,又可以进行大口径硬质合金钻进及水源钻井的DB30型多功能钻机,该钻机使用变频电机直接驱动,简化传动链,提高了传动效率,配套先进、成熟的电控技术,大大提高了钻机的自动化程度。简要介绍该钻机的技术方案、技术参数、结构设计、技术优势以及实际应用情况。     

超声波冰层钻进方法的可行性研究

人类对极地资源的开采和科学研究需要高效、环保的冰层钻探技术,热熔钻进是常用方法之一。为解决热熔钻进技术能量利用率低的问题,本文提出了一种以超声波频率振动进行冰层钻进的方法,分析了超声波振动钻进冰层的机理,通过超声波振动冰层钻进效率的计算及室内试验,得出了超声波振动冰层钻进速度大、热效率高的结论,可用于极地冰盖、冰架等冰层的钻进。     

南极冰下基岩热水驱动快速取心钻具研究

南极大陆冰下基岩岩心对研究南极大陆地质构造及成因具有重要意义,目前尚没有任何一个国家在南极内陆成功钻取冰下基岩样品,研制可快速钻至冰岩界面并完成基岩采样的钻进设备迫在眉睫。针对极地冰下基岩取样技术难题,提出了一种可结合热水钻系统使用的采用热水驱动的冰下基岩取心钻具概念设计。该钻具系统采用常规热水钻完成南极大陆上覆冰层钻进,然后更换热水取心钻具穿过已有钻孔快速到达冰岩界面,完成冰下沉积物和基岩取心钻进,大大缩短基岩取心时间,提高钻进效率。结合中国自主研发的热水钻系统参数,对螺杆马达压力损失和输出扭矩进行理论计算,提出了螺杆马达选择依据。该技术有望在未来极地冰下基岩取心钻进中发挥重要作用。     

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。     

极地深冰心钻探“暖冰”层钻进技术难点及对策

极地冰心分辨率高、记录时间尺度长、信息包含量大,直接记录着远古时期的大气组成,蕴藏着珍贵的古气候和古环境信息,获得年代久远的深冰心,对于重建地球的历史演化以及预测全球气候、环境的变迁具有重要意义。因此,世界各国都在竞相寻找年代久远的冰心,开展深冰心钻探工程。实践表明,由于极地冰盖深部＂暖冰＂层冰的熔点低而温度高,某些冰层的温度接近甚至达到冰的压力熔点,以至钻进速度慢、取心率低、卡钻事故频发。详细介绍了极地深冰心钻探＂暖冰＂层钻进实践,深入分析了＂暖冰＂层钻进存在的技术问题,对钻具回转切削产生的切削热对钻进的影响进行了探讨,据此提出了＂暖冰＂层钻进技术对策以及今后的研究方向,以期为我国即将开展的深冰心钻探工程和冰下基岩取心钻探工程提供一定借鉴。