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。     

南极冰层取心钻探酯基钻井液抗低温性能试验

钻井液的选择是顺利进行极地科学钻探工程的关键技术之一。为寻找一种新型安全、环保的耐低温钻井液,笔者深入分析一元脂肪酸酯与二元脂肪酸酯分子结构特点,对三种不同混合酯的耐低温性能进行了试验研究,测试了三种混合酯的黏度与密度随温度的变化。试验发现,当温度下降时,混合酯的黏度都存在一个稠化温度,稠化温度的高低受酯的分子结构、分子量及分子间作用力的影响。混合酯的组成、分子结构及分子间作用力大小不影响密度随温度的变化关系,但对密度的大小与密度增加的速度影响较大。     

南极冰钻钻井液应用性试验研究

钻井液的性质及性能参数对于南极科学钻探有着重要的影响。钻井液除了必须要具备合适的粘度和密度,以满足冷却钻头、平衡孔壁压力、携带冰屑、清洁孔底的要求外,钻井液的性质如导电性、导热性及其腐蚀性对于保证钻具的正常工作、输送孔内信息也有着重要的影响。根据目前已经在南极使用的钻井液类型,分别对6种介质（国产硅油-3cst、KF96硅油-2cst、丁酸乙酯、丁酸丁酯、丁酸戊酯、丙酸丙酯）在不同温度下的电导率、导热系数和对密封件的腐蚀性进行了试验测试,选出了适合南极应用的钻井液类型及在钻具中使用的密封件材质,可供极地钻探选择钻井液类型及钻具设计提供重要的参考。     

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。     

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。     

脂肪酸酯分子结构对酯基钻井液性能的影响

脂肪酸酯的分子结构对酯基钻井液的性能具有重要的影响。在分析脂肪酸酯分子中酯基基团数、饱和度、分子构型、分子量大小以及分子间作用力的基础上,选取了6种饱和脂肪酸酯作为研究介质,测试了在不同温度条件下介质的粘度与密度,分析了影响介质粘度与密度的机理,得出了在低温下介质的粘度大小主要取决于脂肪酸酯中脂肪醇分子链的长度。介质密度的高低主要取决于脂肪酸酯的分子量,与脂肪酸酯中酯基的位置、α氢的活泼性以及分子间作用力大小无关。     

适于深部取心钻探井超高温聚磺钻井液体系研究

东北松辽盆地强水敏泥岩、泥页岩、凝灰岩发育,地温梯度高达4.1℃/100m。深井钻进过程中易出现井壁失稳、钻井液抗温能力不足等复杂情况,研制深部取心钻进配套用超高温钻井液具有迫切的工程需要。通过造浆土、抗温抗盐处理剂、防塌剂等处理剂优选及复配试验,完成了抗高温聚磺钻井液配方设计。钠土与凹凸棒土复配保证了高温钻井液具有合适的粘土胶粒浓度,处理剂优选在满足良好护胶性能的基础上充分考虑了其粘度效应。综合测试结果表明,该聚磺钻井液在230℃条件下连续加热滚动24h后性能稳定,且具备良好的抑制性、润滑性及一定的抗污染能力。在东北松辽盆地某深井连续取心钻进过程中取得了良好的应用效果。     

多个相关随机参数的空间变异性对溶质运移的影响

根据给定渗透系数、孔隙度以及吸附系数的概率分布,采用顺序高斯模拟生成相关的多参数随机场的实现,作为地下水流和溶质运移模型的输入参数,对污染物浓度进行随机分析。研究结果表明,与仅考虑渗透系数空间变异性相比,考虑相关的多参数空间变异性导致污染羽的扩散程度有显著不同。当孔隙度与渗透系数呈正相关关系时,会减少污染羽的扩散程度,反之,当孔隙度与渗透系数为负相关关系时,会加剧污染羽的扩散程度。吸附系数也是如此。在考虑吸附系数的空间变异性之后,污染羽的分布表现出拖尾现象。同时考虑渗透系数、孔隙度以及吸附系数空间变异性时,孔隙度非均质性对溶质运移的影响较吸附系数非均质性的影响更大。     

大变形黏土防渗层中的污染物迁移和转化规律研究

国内湖泊疏浚污染底泥堆场一般以较厚的黏土层作为主要防渗层,由于在上覆底泥作用下黏土层会发生较大的固结变形,因此,在研究黏土防渗层中的污染物运移和转化规律时,应该考虑土体变形的影响。基于Gibson一维大变形固结理论和饱和多孔介质中的污染物对流扩散方程,建立了二者耦合的可变形多孔介质中污染物的运移和转化模型,其中首次考虑了土体自重和生物降解作用的影响。利用所建立模型的数值解,研究了在可变形黏土防渗层中的污染物运移和转化规律,同时分析了模型中不同项和主要参数的作用和影响。研究结果表明,土体大变形对黏土防渗层中污染物的运移有着较复杂的影响,一方面土体变形会加速污染物的运移;另一方面土体固结带来的渗透性减小会增加污染物的穿透时间,二者的不同作用取决于众多的影响因素,如土层厚度和吸附作用等。研究结果对于评估天然黏土防渗层对污染物的阻隔作用有重要的指导意义。     

循环载荷对压实雪冰抗压强度的影响研究

世界强国针对南极科技前沿、地缘政治、开发利用权益的争夺日趋激烈。中国建设和运营南极航空基础设施,有利于提升中国在南极的综合影响力、扩大南极科学考察规模、满足人员和物资快速投送需求,因此,南极机场建设的战略发展价值突出,而压实雪层跑道是中国在南极建设大型机场路面的首选形式。采用压实雪的方法制备人工冰样,结合冰雪跑道所承受的飞机载荷特征,在（-10.0±0.3） ℃温度条件下,以1.0 MPa为平均加载应力,以0.03 Hz为加载频率,应力幅值为0.2~1.0 MPa,循环次数100~900为循环条件,开展在1.0×10^-3~1.0×10^-1 s^-1应变速率下循环载荷压实雪冰的抗压强度试验,以及5.0×10^-4~1.0×10^-1 s^-1应变速率下单调载荷压实雪冰的抗压强度试验。结果表明：单调载荷下的压实雪冰抗压强度在韧性区内随着应变速率的增加而增加,在韧性-脆性过渡区达到最大值,然后在脆性区中显著减少;在高应变速率和一定循环次数范围内,循环载荷对压实雪冰的抗压强度具有强化作用;当超过一定循环次数时,循环载荷对压实雪冰的抗压强度会产生弱化作用。以上试验结果可为压实雪层跑道的设计和维护提供理论依据。     

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。     

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。     

冰钻电动机械钻具孔内升降运动特性试验研究

根据冰层钻进特点,从钻孔水力学角度出发,分析测试了钻具的质量、长度与钻井液的粘度、密度等因素对钻具下降速度特性的影响规律。通过对4种长度、不同质量的钻具在2种酯类钻井液中下落过程的测试,得出了钻具的下落速度与钻具的长度呈反比,与钻具的质量呈正比,且钻具的下落速度随钻井液的粘度和密度的增大而减小。钻具下落的加速运动时间主要与钻井液的粘度、密度及钻井液在钻具表面流动时的剪切速率有关。     

冰芯和台站记录的近50 a来东南极冰盖边缘地区气候变化格局

对取自东南极冰盖Lambert冰流东、西两侧共支雪芯,恢复了过去50 a来稳定同位素温度序列和积累率序列.对比发现,位于Lambert冰流东侧,即位于Wilks地和Princess Elizabeth 地的5支雪芯(GC₃0, GD03, GD15, DT001和DT085),过去50 a来积累率总体为上升趋势,δ¹⁸O上升速率介于0.34～2.6 kg·m^-2·a^-1; 稳定同位素显示其气温亦呈整体上升趋势, 上升速率介于0‰～0.02‰·a^-1. 但对位于Lamb ert冰流西侧, 即位于Dronning Maud地、Mizuho高原和Kamp地的5支雪芯(Core E,DML 05,W2 00, LGB16和MGA),过去50 a来积累率总体为下降趋势,下降速率介于-0.01～-2.3 6 kg·m^-2·a^-1; 稳定同位素温度变化则十分复杂:Dronning Maud 地西侧为上升, Mizuho高原和Kamp地为下降或变化不明显. 分布于LGB两侧沿岸气象站记录也印证了上述格局. 这种格局可能是南大洋独特的环流形式-环南极波(ACW)-在特殊地形( 如大的冰盆)影响下, 在南极冰盖边缘的表现形式.     

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。     

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。