热水钻融冰过程及钻进系统研究

发布时间：2020-07-11 11:55

【摘要】：作为目前世界范围内钻进速度最快的冰层钻进方法之一,热水钻被广泛用于冰架下部冻融过程的观测、冰下沉积物取样、冰层物理结构研究、温度测量、冰层蠕变研究、冰下基底滑移速度测量、冰下湖连接通道的获取、宇宙中微子的捕捉以及一些其它的科学目的。本文的主要目的是进行热水钻进系统的理论研究,建立主要钻进参数(热水流量、输送压力和温度)、可控结果变量(钻孔直径、钻进速度、油耗和钻孔冻结速度)和独立变量(目标钻进深度和冰层温度)之间的关系。本文对目前国内外热水钻进技术的研究意义和现状进行了归纳总结,详细介绍了现今在高山冰川和极地冰层钻探中应用最为广泛的冰层钻探方法——热水钻,并认识到我国在热水钻技术的应用和理论研究上的严重匮乏,尝试解决热水钻融冰过程理论研究不足的问题,对热水钻进过程进行数值模拟,并研发了一套浅层热水钻进系统。论文研究得到的主要结论如下:(1)本文通过建立热水钻融冰过程理论模型,发现:较高的流量和温度能够在钻进时实现更大的钻进速度和钻孔直径。对于中深层热水钻系统来说,沿程压力损失在热水输送压力中占决定性作用,而沿程压力损失由软管长度、软管内径和流量决定;相对来说,为了实现热水对孔底冰层的充分接触,局部压力损失在浅层热水钻系统中往往更加重要。钻孔的冻结时间取决于冰层温度和初始钻孔直径。(2)本文使用显热容法对热水钻融冰过程进行数值模拟。通过数值模拟发现,在短时间的钻进融冰过程中,流量和温度对钻进速度的影响显著,而对钻孔直径影响较小。钻孔重新冻结的模拟结果与融冰过程理论计算结果相似。对0.3米的钻孔来说,若冰层温度为-30℃时,12 h后钻孔就几乎完全冻结;而当冰层温度仅为-10℃时,钻孔在72 h后依然没有完全冻结。(3)设计研发了一套浅层热水钻进系统,在极地冰盖或高山冰川进行浅层观测孔快速钻进中具有巨大的应用价值。浅层热水钻系统由四个子系统构成:水体加热系统,主体是高压热水清洗机,可以产生温度范围为80-155℃、流量范围为4 10 L/min的热水,并以不超过14 MPa的最大压力输出;水体输送系统,包括卷扬、高压软管和地面管路及阀门等;钻具系统,包括钻塔、配重和喷嘴;测控系统,包括测控箱及编码器、温度传感器、压力传感器、水压表、流量计、内径百分表等传感器或仪表。(4)浅层热水钻进系统整体工作良好。系统在使用1.8 mm、2 mm和2.5 mm单孔喷嘴时,钻进比较顺利,而大孔径喷嘴(3 mm喷嘴)产生了较大直径的钻孔但钻进速度非常小。在使用10 L/min流量和60℃热水喷射温度时,使用1.8mm和2 mm喷嘴以34-37 m/h的最大钻进速度进行钻进,能够产生98-114 mm的钻孔;而使用2.5 mm喷嘴则在25 m/h的钻进速度下产生146-156 mm的钻孔。系统的最高热效率为83%,这是由于该钻孔的钻进速度达到29.5 m/h,同时钻孔深度仅为3 m。但在大多数钻孔中,热效率一般在67-76%的范围内。热量损失主要是热量导入周围冰层和空气中,以及加热器内燃料的不充分燃烧。(5)实验结果与热水钻融冰理论进行了对比分析。实验数据与参数理论预测的偏移基本都不超过7%(事实上,大多数实验数据要稍小于理论曲线),个别实验点与参数理论预测的偏移达到了21%,误差的产生是由于实验中的观测误差和系统故障。但就总体而言,热水钻融冰理论模型能够准确预测热水钻系统的主要参数。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P634
【图文】：

示意图,冰架,冻融过程,示意图

地球陆地约 11%的面积被冰川覆盖，包括位于南极和格陵兰岛的冰盖冰育在中、低纬度的高山冰川[1,2]。冰盖在重力的驱动下缓慢流动形成冰流。盖最高处的冰流基本是垂直向下的，而两侧的冰流方向不断向水平方向过此，冰流将导致冰盖逐渐变薄并且在水平方向上不断延伸，直至在边缘处洋形成冰架，导致诸如冰架涌动、断裂、崩离等大尺度事件突发，最终冰为海冰漂浮于海洋，海冰融化导致海平面上升[3]。2009 年至 2017 年间，南盖以加速的冰川运动响应当代气候变迁，致使冰盖沿周边出现大量质量流四十年以每十年 3.6±0.5 mm 的平均速度主导着海平面上升的趋势[4-7]。冰架物质平衡是冰盖动态变化的主要过程之一，准确地掌握冰架物质平衡，才可能精确定量研究极地冰盖的动态变化及其对全球环境变化的影响[8图 1.1 所示，冰架与大陆架连接的部位为接地区域。由于接地区域冰层的融率高于冰架前缘，影响了冰架的质量平衡过程[12,13]。冰架质量流失的加快于冰架在接地区域的基底融化增快造成的[14,15]。

示意图,冰架,示意图,冰层

结构则控制了海水侵蚀和潮汐变化，影响了海洋到冰架下部的热量传递[17]。科学家通过遥感技术[18,19]、雷达或超声波勘测技术[20,21]来定位和研究接地区结构，但无法对这个区域进行直接观测。为了研究冰架下部的水文环境和接域的物理结构，需要在接地区域冰架进行冰层钻探，通过钻孔来创建观测取道并获取第一手地质资料是唯一行之有效的方法[22]。为了对冰川冰流输入、冰架表面积累与消融、冰架前缘崩塌和冰架下部的过程更好地开展研究监测，科学家们通过各种方式在冰架上快速进行钻孔工冰层进行取样，研究冰层的内部结构，拍摄视频和影像。在施工完的钻孔中一些仪器设备，监测研究冰层的温度分布，冰的变形，基底水压力，冰架基移速度，和捕捉空间粒子等。同时，还可以利用钻孔通道，开展冰架底部海（湖的取样和监测，开展海（湖）底沉积物取样和钻取海（湖）底岩芯，如图示。

照片,热水,钻进系统,南极

图 1.3 热水钻进系统举例(a) BAS（英国南极调查局）轻质地震勘测热水钻，南极松岛冰川，2006-2007 工作季（个人通讯: R. Stilwell, 英国南极调查局) ； (b) 浅层热水钻进系统，冰岛国家能源局水力部，朗格冰川，2005[42]； (c)AWI 中等深度热水钻，南极 Ekstr m 冰架，2018 年 1 月 (照片：范晓鹏老师) ； (d) IceCube 深层热水钻进系统的卷扬和钻塔，2008 年 12 月 (个人通讯：IceCube 项目组的 J. Haugen，2008)热水钻系统主要包括水体加热系统、水体输送系统、钻具系统、供水系统、测控系统和辅助系统共 6 个子系统，如图 1.4 所示，水体加热系统用来产生高压热水，水体输送系统用以将热水输送至钻孔底部钻具系统，并通过钻具系统的喷嘴高速喷射至孔底，实现冰层钻进，供水系统实现设备的供水和水体的循环利用，测控系统实现精确钻进和各子系统的协同控制，辅助系统提供钻探所需的能源动力等后勤保障[49,50]。热水系统主要由高压泵、加热器或锅炉、卷扬、钻塔、软管、水箱、阀门、过滤器、钻具、喷嘴、测控箱等设备构成，中深层热水钻还应包括

【相似文献】