热水钻热流场对钻速及钻孔空间结构影响研究

2019-10-09

为了对冰川冰流输入、冰架表面积累与消融、冰架前缘崩裂和冰架底部的冻融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实施大直径钻孔工程,在冰层进行取样,研究冰层的内部结构,拍摄视频和影像。在施工完的钻孔中放置一些仪器设备,监测研究冰层的温度分布,冰的变形,基底水压力,冰架基底滑动速度,捕捉空间粒子。同时,还可以利用大直径钻孔通道,开展冰架底部海(湖)水的取样和监测,开展海(湖)底沉积物取样和钻取海(湖)底岩芯,如图1所示。

目前,在选择快速施工大直径冰层钻孔的钻进方法上,各国科学家大都采用热水钻。热水钻就是一种用从喷嘴喷射出来的高速热水射流,冲击和融化冰(雪)层的快速钻进方法。水是冰川的组成物质,同时又作为钻井液,解决了电动机械钻进过程中采用的有机或无机钻井液所带来的极地环境污染问题。

本项目围绕热水钻热流场对钻速及钻孔空间结构的影响,开展理论及实验研究,实验平台原理如图2所示。

1)研究目标

基于热水钻节能及钻进效率的需要,建立热水钻钻进速度、钻孔空间结构与热水温度、压力、流量以及喷嘴直径之间的数学模型,并对成孔后钻孔重新冻结闭合时间展开研究,进而对喷嘴结构的优化设计以及钻进参数的合理选择提供理论支持。 

2)研究内容

①热水钻中不同喷嘴和不同热水温度、压力、流量产生的孔底热流场对钻进速度的影响研究;

②热水钻中不同喷嘴和不同热水温度、压力、流量产生的孔底热流场对钻孔空间结构(钻孔直径、钻孔深度、钻孔倾角)的影响研究;

③热水钻钻进成孔后,钻孔的重新冻结闭合时间研究

(3)拟解决的关键问题

①建立钻进速度、钻孔直径和热水温度、流量、压力等参数之间的关系;

②模拟不同喷嘴结构产生的孔底热流场,对钻进速度及钻孔空间结构的影响


1   冰架下监测取样示意图


2 热水钻实验平台原理图





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