冰层取芯钻探暖冰破碎机理及冰屑运移规律研究

Obtaining the higher quality ice core is not only the main goal in deep ice core drilling, but also the fundamental guarantee for ice core analyzing. In order to obtain good quality ice core and ensure drilling safety in warm ice drilling, the drilling mechanism and the principle of ice chip transportation are researched in this project. The temperature distribution and its transfer properties near drill head are studied by numerical simulation and lab test. Meanwhile, the influence of cutting heat on ice chips and core are discussed. Thermal stress and its effect on ice core are analyzed based on thermo-mechanical coupled method. Moreover, the adhesion of ice chips and the drill anti-frozen technology are developed to research the transportation characteristic of the ice chips, which is important to keep the drilling process safety. The researches results will be benefit to optimum design the structure of the armor cable suspend electromechanical drill, and to make sure the optimum drilling parameters. Meanwhile, the technical measures to ensure drilling safety in warm ice core drilling will be developed. It will provide theory foundation and scientific data for good quality ice quality in warm ice.

获取高质量冰芯是极地冰芯钻探的直接目的，也是从事深冰芯研究的根本保证。本项目以获取极地冰芯钻探“暖冰”层取芯质量、保障钻进安全为目标，开展暖冰层破碎机理和冰屑运移规律研究。通过数值模拟和实验测试，揭示暖冰层回转切削钻进时热量分布及其传递规律，研究不同钻进参数条件下钻头周围温度场的变化及其对冰芯、冰屑的影响，并通过热-力耦合分析研究冰芯内部的热应力大小及其对冰芯质量的影响程度；通过钻具防冻及冰屑粘附问题研究，分析不同条件下冰屑的运移规律，为暖冰层安全钻进提供依据。本项目通过暖冰层破碎机理和冰屑运移规律方面的研究，旨在为合理设计电动机械钻具、优化钻进参数组合提供理论依据，为冰层取芯钻探暖冰层安全钻进提供技术对策，并为获取高质量暖冰冰芯提供理论基础和科学依据。

针对暖冰层钻进冰屑融化导致机械钻速慢、冰屑无法有效携离孔底及冰屑易在钻具局部位置再次冻结等技术问题，项目组开展了冰层回转钻进切削热、冰屑运移速度及钻具防冻等三个方面的研究。基于切削理论和传热学，通过切削具受力分析，对冰层回转钻进时的钻速、产生的切削热量及切削具温度变化规律进行了研究，建立了钻井液循环条件下的切削热和切削温度理论计算模型；设计加工了微钻实验台，对冰层钻进时钻头切削具的温度进行了实验测试，并利用Flow Simulation软件通过流固耦合分析，对切削温度在切削具上的分布及对周围孔壁、冰芯的影响进行了仿真分析，并对钻压、转速、钻井液性能参数及切削具结构参数对切削热量及切削具温度分布的影响进行了研究，明确了冰层回转钻进切削热传递规律；通过冰屑受力分析，研究了冰屑在钻井液、气体循环介质中的悬浮和上返运动规律，建立了冰屑在不同钻井流体介质中的悬浮及上返运动方程，设计了冰屑颗粒悬浮实验台对理论方程进行了验证；为改善孔底冰屑净化效果，提出了铠装电缆式电动机械双管钻具结构，通过在钻头切削具上方设置射流喷嘴形成的高速射流，对切削具进行冲刷和冷却，可有效降低切削具温度，并防止冰屑在切削具上粘附冻结，利于提高机械钻速；对冰芯在气体中的悬浮与上返速度进行了分析，建立了冰芯运动方程，明确了气体钻进暖冰层的可行性；选择了四种能够用于金属表面且喷涂工艺简单的疏水涂层，设计了冰的粘附冻结力测试实验台，对不同温度下冰在平面涂层和曲面涂层上的法向和切向粘附冻结力进行了测试，并对其耐磨性和使用寿命进行了分析，确定了应用于钻具表面的涂层材料；通过上述钻速和切削热研究、冰屑运动规律及钻具疏水防结冰涂层研究，确定了暖冰层钻进参数组合，提出了解决暖冰层钻进难题的技术措施，为暖冰层安全、快速、高效钻进奠定了理论基础。