热水钻快速取芯孔内流场研究

热水钻探技术由于其特殊介质，不污染环境，钻进速度快等特点，在各种极地钻探技术中尤为突出，但其缺点是不能通过该技术直接获取冰芯，岩芯。本项目主要基于极地钻探快速取芯的需要，开展新型钻具的设计、理论，数值模拟以及试验研究，用于配套热水钻探系统使用。该技术省去了额外的配套设备，直接利用螺杆马达 底部钻具替换底部喷嘴就可以通过热水流量直接驱动钻具旋转钻进，且可根据地层的种类，更换钻头的类型，获取冰芯/岩心。本项目通过对热水从地表到孔底的温差，压力损失等进行了计算，完成了螺杆马达的选型；对比了单壁钻杆与双壁钻杆孔内流场分布规律，得出后者能提供更高的压力，对双壁钻杆孔内流场分析得出出水口流量应控制在90L/min以内才不至于影响冰芯的质量，对双壁钻杆孔内温度场分析得出在流量15L/min条件下即可满足孔内温度基本不变的要求，孔内的温度场将基本维持在进水口的温度10℃，只考虑流速的因素即可。对该套钻具进行了实验室的试验，在不同流量，不同温度条件下进行了钻进试验，钻进速度随着温度的升高、流量的增大而增大，最大钻进速度可达7.02m/h，同时所得冰芯长度与钻进速度的比值也在80%以上，冰芯直径与钻头内径的比值也在80%以上，证明了其满足配合热水钻进系统的要求，同时能完成取芯工作，并提出了相应的钻进参数作为参考。 2100433B

南极大陆冰下沉积物岩芯是探索地球历史与气候的重要样品，但是世界上尚且没有任何一个国家成功钻获冰下沉积物样品。而目前的快速钻探技术发展成大致三类：传统钻探技术，热水钻探技术以及非常规钻探技术。其中热水钻由于其特殊的介质，不污染环境等特点，体现出了巨大的潜力。但是对于冰下沉积物岩芯的研究进展缓慢。本项目提出采用热水钻进系统与机械取芯钻具配套使用，在冰层利用热水钻进技术快速钻进，钻达沉积物层时，仅更换所设计的机械取芯钻具即可完成取芯。机械取芯钻具包含反扭装置、岩屑管、螺杆马达、岩芯管以及钻头等部分。当热水流经螺杆马达时，其将热水流的液体压力转化为螺杆旋转的扭矩，从而驱动岩芯管及钻头一起旋转。热水流体的流速将所产生的岩屑携带并收集到设置在螺杆马达上方的岩屑室中。结合理论分析与数值模拟分析流速对孔内流场及温度场的影响，并通过试验对规律进行验证，从而为我国热水钻快速钻进取芯技术提供理论基础和技术支撑。

通过热水钻在南极冰川（架）上快速钻进大直径钻孔，对监测冰架物质平衡，捕捉空间粒子，寻找古生物的生命形式，研究地质时期环境气候特征以及推测冰盖及其冰架的演化历史，具有十分重要的意义。本项目在热水钻理论研究的基础上，针对热水温度、压力、流量、喷嘴结构对钻进速度和钻孔空间结构（钻孔直径、钻孔深度、钻孔倾角）的影响机理，建立相应的数学和物理模型，并在此基础上，通过理论分析和数值模拟，研究热水钻热流场对钻进速度和钻孔空间结构的影响规律。为了进一步验证热水钻理论研究结果，本项目开展了系列热水钻实验研究，通过小型热水钻、大型热水钻及热水取芯钻进的实验研究，分析热水钻过程中的钻进速度、钻孔直径、热水射流温度、流量、压力等钻进参数的相互之间的影响关系，进一步确立了热水钻热流场对钻进速度和钻孔空间结构影响机理。在本项目研究中，根据实验研究需要，我们设计研发了小型及大型热水钻实验系统和实验平台，构建了模拟极地低温条件的多功能冰层钻探实验室。实验室建设了地下深度13米、直径1米的模拟极地低温环境的冰池，并安装了功能齐全的多种传感器，可以实时测量冰层温度、环境温度、钻进速度、钻进压力、钻具转速、钻井液泵量、钻孔直径以及热水钻水温、流量、压力等多项钻进参数，为南极冰层的科学钻探研究提供理论及实验支持，为未来开展极地研究提供了有力的实验条件和保障。本项目研究成果对于进一步完善热水钻技术，具有重要的理论意义和实际应用价值。本项目在项目组成员的共同努力下，已经按照项目计划任务书承诺的指标高水平、高质量完成了预期计划任务和指标，研究成果共计发表学术论文7篇，其中SCI检索论文4篇，授权发明专利3项，实用新型专利3项，开展了广泛的国际合作交流，跟国内外科研机构达成了良好的合作关系。 2100433B

通过热水钻在南极冰川（架）上快速钻进大直径钻孔，对监测冰架物质平衡，捕捉空间粒子，寻找古生物的生命形式，研究地质时期环境气候特征以及推测冰盖及其冰架的演化历史，具有十分重要的意义。本项目在热水钻理论研究的基础上，针对热水温度、压力、流量、喷嘴结构对钻进速度和钻孔空间结构（钻孔直径、钻孔深度、钻孔倾角）的影响机理以及成孔后钻孔重新冻结闭合时间开展研究，建立相应的数学模型，并在此基础上，通过数值模拟，研究热水钻热流场对钻进速度和钻孔空间结构的影响规律，并根据近似极地条件的室外实验结果对数学模型进行修正，确定合理的钻进参数和喷嘴结构。本项目研究成果对于进一步完善热水钻技术，具有重要的理论意义和实际应用价值。

降水钻孔（releasehole），也称漏水孔。它通常作为深井泵或巷道疏千法中的一种辅助措施。是由地面施工，穿过一个或数个含水层。

通过该钻孔使上部含水层的地下水降入下部含水层，从而使上部含水层的水位降到采掘水平以下或疏干巷道以自流方式进入巷道，再排出地表。 2100433B