空气孔底局部反循环电动机械冰层取心钻具研究

发布时间：2020-11-03 06:13

　　 无论是我们国家还是地球上其他地区都蕴藏着丰富的冰川资源，冰川中所隐藏的信息，不仅对地球化学、微生物学、气候学以及环境学，还对人类社会发展和对自然界的认识具有重要的科学意义和社会价值。冰心数据已成为我们了解冰川的核心数据。在过去的50多年里，科学家和工程师们钻取了许多的冰孔，采获了大量的冰心。但是在积雪和雪冰层钻进时，现有钻具存在着一定的局限性。冰川上层近64m——115m（与当地的积雪累积率和温度有关）的积雪和雪冰层中含有空隙，容易导致冲洗液漏失，一旦冲洗液漏失，冲洗液的消耗量不仅增加，而且还会污染南极自然环境。再加上南极地处偏远、环境恶劣、供给困难，所以要求钻具尽可能的轻便、低能耗、结构简单、方便操作和维护。 本文研究了一种快速、轻便、高效、低能耗、易操作且能获取冰心的环境友好型钻具——空气孔底局部反循环电动机械冰层取心钻具。该钻具设计钻深可以达到500m,它的成功研制与应用，可以为后期的深部冰层钻探以及冰下基岩钻探打下基础，为更深入的研究极地提供可能。而且该技术不但可以在南极和格陵兰岛冰层钻进工作中使用，还可用于高山冰川勘探取样工程、陆地冻土带和海底天然气水合物取样钻探中。 为研发该套钻具，本文分析了极地冰川钻探的特点，研究现有的国内外冰川钻探情况，尤其是浅层冰川取心钻具的研究现状，特别介绍了冰川钻探中的空气钻。然后从理论上研究气体反循环部分，计算气体反循环所需最小气体流速、最小气体流量和极限真空度；建立气体反循环试验台，获得形成气体反循环并携带颗粒所需的参数；再利用流体力学软件Fluent对参数进行验证；进而设计出铠装电缆式气体局部反循环电动机械冰层取心钻具，并对钻具进行仿真模拟试验。不仅确定钻进工艺及一些最优钻进参数，最重要的是证明钻具的可行性。 论文研究得到的主要成果如下： (1)提出气体局部反循环电动机械取心钻具的概念设计，然后计算气体局部反循环所需的最小气体流速、最小流量和极限真空度。 由于现有的浅冰层取心钻探中使用的钻具都或多或少的存在些许问题，所以本文提出了气体局部反循环电动机械取心钻具的概念设计。本钻具能否成功，关键在气体能不能形成局部反循环，反循环的气体能否携带、运移钻进过程中形成的冰屑颗粒至冰屑室中。本文从不同的角度考虑，采用5种方法：工程实践法、最小动能和最小速度标准、力学分析法、流体力学求解法和颗粒启动机理法，对钻具中的气体循环部分进行理论分析，计算所需气体最小流速、气体最小流量和真空度。从安全钻探角度考虑，最终选择气体的最小流速为8.32m/s；最小流量为1.26m3/min；极限真空度为3.82kPa。 (2)采用流体动力学方法，利用Fluent模拟气体流速和极限真空度之间关系。 理论分析方法虽然具有普遍性，但是它计算对象往往简单抽象化。为了弥补了理论分析方法的缺陷，本文使用了CFD方法。利用Fluent模拟分析，证明了理论计算的准确性，为下一步的试验测试提供理论依据。通过Fluent软件实际钻探模拟可知，气体极限真空度越大，产生的抽吸力越大，循环过程中的气体流速越大，越能迅速及时地排屑、洗孔，所以气体的极限真空度至少要大于3kPa。从Fluent模拟分析的结果，得知气体的压力损失主要集中在流道截面积突变的地方。所以，在流道截面积突变的地方，采用平滑过渡的方式，减小气体循环过程中的压力损失。 (3)设计气体局部反循环试验台，测试验证气体循环过程的可行性。 试验结果证明了：气体可以形成局部反循环，抽吸冰屑、清理孔底、冷却钻头，气体的流量满足最小流量要求。气体能够在三四米长、直径为110mm的模拟管中形成气流，携带与冰屑颗粒物理性质相似的、直径为2mm左右的小米。同时还证明了当钻头的水口高度大于60mm时，形成的气流不能快速地携带冰屑；当钻头水口高度在60mm以内，气流可以迅速排渣清孔。 (4)设计钻具。 设计的钻具包括5大部件：电缆终端、滑环部件、反扭系统、驱动部件和取心部件，其中重点是驱动部件的设计。选择出尺寸合适、耐低温大功率电机，确定两种变速器及其变速比，选择高强度且能产生较大极限真空度、大小适当的动叶轮和密封问题的处理。另外还设计了提升和下放钻具的必要工具，传输动力源、信号的采集回收必不可少的铠装电缆。 (5)设计钻具测试试验台，测量实验过程中的一些参数。 设计一套气体局部反循环电动机械取心钻具的测试试验台，在每年的冬天对钻具进行仿真模拟试验。试验的成功说明了该套钻具能正常钻探取心。试验证明了该套钻具可以使用的两种动叶轮，以及每种动叶轮能满足钻探需求的转速范围。试验还推导出动叶轮转速与极限真空度的关系，动叶轮转速和电机的输出功率、电机的转矩以及最大钻进速度之间的相互关系。最后拟合各参数之间的趋势关系线，获得如下结论：一定范围内，电机的输出功率越大，动叶轮转速越大，其极限真空度也会变大，电机的转矩增加，最大钻进速度增加各参数之间呈线性递增关系。通过对拟合线关系式的计算可知，所需的气体流量不小于1.86m3/min，极限真空度应不少于740Pa，电机的最小输出功率为885W。 由于理论分析、数值模拟和实验测试的时候，忽略了一些参数和条件，使得本文的说服力打了一个折扣。所以，未来还需要优选计算参数、优化数值模拟、完善试验过程。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P634.5
【部分图文】：

总面积约 57069 平方公里[6,10,11]，其中西藏的冰川数量多达 22468 条，面积达 28645 平方公里，如图1.1 所示。图 1.1 中国冰川分布图[12]亚洲许多的大河(如黄河、长江、恒河、印度河)是由我国西部的冰川融化发源而来[13]，这些冰川融化水资源不仅能作为中国西北部干旱地区农牧业用水，还能为人类的生活用水提供保障[14]，所以人们称现代冰川为天然的“固体水库”。1.1.2 钻取冰心的重要性冰川学家们一直用冰川沉积、冰川雪线和冰川末端变化等来揭示气候环境演化，因为冰川的生长发育和气候条件的变化是分不开的。但是这些变化只能说明一些大概的事件特征,并不能详细的表明具有一定分辨率的事件过程。因为冰川

吉林大学博士学位论文高强度钻探过程中，应尽可能地减少科考人员的劳动强度，避免不必劳动，钻探设备设计尽量简单、方便组装和操作[29]。综上所述，要想钻探工作顺利进行，钻探任务及时完成，极地冰川用须满足快捷轻便、高效环保、能耗低、耐低温、方便操作等特点[29]。冰川钻探的研究现状冰层取心具有悠久的历史。150 多年以前，1841 年，冰川理论创始人之siz 为了测量冰层的厚度[49]，首次进行了冰层钻进(LowerAar 冰川，)（图 1.2）。

美国、丹麦、俄罗斯、法国、日本和德国等国家已经在南极冰盖钻进了大量的深孔，如图1.3 所示。图 1.3 国际上使用的几种冰钻钻具[50-52]2012 年 2 月 5 日，俄罗斯在南极的东方站（Vostok），采用 KEMS-132 钻具成功的钻进至 3769.3m，并顺利穿透冰盖，获取冰下湖水样[53-54]。这也是目前冰川钻探中最深井。图 1.4 为东方站钻井示意图。图 1.4 为东方站钻井示意图 图 1.5 美国 DISC 钻具系统2006 年美国采用威斯康辛-麦迪逊大学设计的 DISC 电动机械钻具(如图 1.5所示)在南极西部冰盖分水岭（WAISDivide）完成 3331m 钻孔。该钻机系统采用
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本文编号：2868203