论文题目：孔底局部循环式冰层热水钻具设计及钻进过程研究
摘要：极地具有独特的气候环境、地缘价值、潜在资源,对人类可持续发展及命运共同体构建具有重大意义。南极冰盖下蕴藏着700多个冰下湖,开展冰下湖研究可以探索冰下环境和地质构造、反演冰盖的演化历史、获取南极古气候信息以及发现新的生命形式。此外,冰下湖探测技术的发展,还可为人类未来探索火星、土卫二、木卫二等地外行星冰下环境提供技术支持。现有冰下湖直接探测手段主要有机械钻探、热水钻探和热融钻探。机械钻探和热水钻探均具有潜在的污染性,热融钻探可实现无污染钻进,但钻进效率低且难以有效穿透含粉细砂冰层。局部循环式冰层热水钻探采用融水孔底加热射流钻进方法,具有无污染、功耗低、钻进效率高等优点,具备穿透含粉细砂冰层的能力。国外研发了4种局部循环式冰层热水钻具,用于高山冰川成孔和外太空探测,验证了钻具的可靠性,但所涉及技术多属于地外行星探测领域范畴,具体设备参数、测试结果、实验数据及相关理论均未公开发表。因此,本文旨在设计一种孔底局部循环式冰层热水钻具,解决可回收型全自动冰下环境探测器RECAS钻遇含粉细砂冰层钻进效率低的问题。本文采用理论分析、数值模拟方法建立了孔底局部循环式热水钻进过程的物理模型,探究了钻具结构参数和钻进参数对钻进过程的影响规律。结合试验研究验证了理论分析和数值模拟结果,确定了钻具关键结构参数和钻进参数。在此基础上,研制了孔底局部循环式冰层热水钻具,通过整体钻具的钻进过程试验研究,验证了钻具具备在含粉细砂冰层的钻进能力。论文的主要研究过程和结论如下:（1）基于流体力学和传热学的理论研究,建立孔底局部循环式冰层热水钻进过程的数学模型和物理模型,确定了喷射流量、喷射水温、冰层温度、钻孔直径均对钻进过程产生影响,为RECAS探测器钻进参数选取提供依据。冰层温度-30℃条件下:射流水温、流量恒定时,降低钻速可实现有效扩孔,钻进速度降低16%～19%,孔径增大10%;以160 mm作为孔径目标、2 m/h作为平均钻速目标,则扩孔系数为1.1时,热流水温应达到40℃、流量应达到2.0 L/min,此时对应的孔底加热功率为5k W。（2）基于ANSYS Fluent软件平台建立钻具孔底热水钻进物理模型,模拟了孔底附近的冰层融化过程,并分别研究了钻头形状、喷嘴直径、热水流量及温度、冰层温度等变量对钻进过程的影响,阐明钻进速度的变化规律,为钻具设计及钻进参数选择提供依据。单变量控制条件下:钻头高度一致,钻头形状对钻孔形状的影响较小,90°圆锥形钻头能够获得更高的钻进速度;不同喷嘴直径条件下,直径为3.0 mm的喷嘴钻进速度最快;射流热水流量、温度越高,钻进速度越快;钻进速度与冰层温度呈现正相关性,南极冰层一般随钻进深度增加而升高,因此钻进速度会随着钻进深度的增加而增加。通过孔底融冰过程进行研究,可以为相关的钻具设计和钻进参数选择提供参考,提高钻进效率。（3）采用单因素轮换法对热水钻头进行选型和测试,研究钻头形状、喷嘴直径、钻压、温度、流量等因素对钻进速度的影响。试验结果表明:不同形状的钻头,高度相同条件下,圆锥形钻头优于抛物线形钻头,其中90°圆锥形钻头钻进速度最大,且钻头越短平,钻压变化越小;不同直径的喷嘴,恒定流量条件下,喷嘴越小流速越快,直径3 mm喷嘴钻进速度最快,且钻孔直径与喷嘴直径并无明显关联性,钻具成孔直径可达165～180 mm;通过调节钻进速度改变钻压参数,钻压过大时喷嘴堵塞、钻进速度降低,钻压过小时换热效率降低、钻速降低,本文所设计钻具优选钻压约为自身重量的30%;喷射水温、流量与钻进速度呈正相关性,试验结果与理论分析和数值模拟结果基本一致。通过对钻头进行选型和相关的测试,可为后续的钻具整体设计和钻进参数选择提供参考。（4）完成RECAS配套孔底局部循环式冰层热水钻具的设计及其试验,证实了钻具喷孔数目、喷孔角度、钻头结构、冰层温度及冰内粉细砂层均对钻进速度产生影响,得出了优选喷嘴及钻头结构,验证了钻具含粉细砂冰层钻进的可行性。试验结果表明:喷孔直径1.5 mm、数量9、喷射角度为35°的多喷孔式喷嘴与喷孔直径3.0 mm的单喷孔式喷嘴钻进速度最快,但钻压不稳定且呈现周期性震荡;在单喷孔式喷嘴后方增加6个后喷孔后,钻进速度降低13%,热融效率降低9%,但可改善钻孔底部传热,钻进过程更稳定;壁厚5 mm的中空钻头可有效消除钻头外部热传导冷点,增加孔底换热效率,提升钻进速度;冰层温度由-30℃上升到-10℃时,钻进速度由1.36 m/h上升至1.60 m/h;钻具可实现含粉细砂冰层钻进,粉细砂层厚度为10～20 mm时,钻进速度降低14%。综上,对孔底局部循环式冰层热水钻具结构设计及钻进过程进行研究,为未来的冰层热力钻进技术发展提供参考,也促进了未来极地科学研究发展。
关键词：冰下湖;热水钻进;孔底循环;钻头;钻进速度
学科专业：地质工程
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答辩决议书
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 选题依据
1.1.1 极地冰层热力钻探研究意义
1.1.2 热力钻探在南极冰下湖探测中的应用
1.2 国内外研究现状
1.2.1 孔底局部循环式冰层热水钻研究现状
1.2.2 热水钻融冰过程研究现状
1.3 研究内容和技术路线
1.3.1 主要研究内容
1.3.2 技术路线
第2章 孔底局部循环式热水钻进理论分析
2.1 冰层热水钻进物理模型
2.1.1 冰层热水循环钻具钻进过程
2.1.2 冰层热水循环钻具钻进过程物理模型
2.2 冰层热水循环参数
2.2.1 热水循环温度和流量选择
2.2.2 钻孔直径与钻进速度关系
2.2.3 孔底热水循环加热功率
2.2.4 钻孔冻结速度
2.3 本章小结
第3章 热水钻进孔底融冰过程数值模拟
3.1 融冰过程分析与模拟方法
3.1.1 孔底局部循环热水融冰物理过程
3.1.2 数值模拟目标
3.1.3 数值模拟方法
3.2 融冰过程数值模拟
3.2.1 数学模型的选取
3.2.2 几何模型
3.2.3 模拟的边界和初始条件
3.3 数值模拟结果分析
3.3.1 钻头形状对热水钻进过程的影响
3.3.2 喷嘴直径对热水钻进过程的影响
3.3.3 热水流量及温度对钻进过程的影响
3.4 本章小结
第4章 孔底局部循环式冰层热水钻头选型及测试
4.1 钻头结构设计
4.1.1 钻头形状选型
4.1.2 喷嘴选型
4.2 热水钻进试验台
4.2.1 钻进试验台设计
4.2.2 测试版简化钻具
4.2.3 桅杆系统
4.2.4 电力系统
4.2.5 绞车系统
4.2.6 测控系统
4.3 冰层热水钻头测试
4.3.1 冰样的制备
4.3.2 热水钻头钻进试验
4.4 试验结果与分析
4.4.1 钻头形状对热水钻进过程的影响
4.4.2 喷嘴直径对热水钻进过程的影响
4.4.3 钻压对热水钻进过程的影响
4.4.4 水温和流量对热水钻进过程的影响
4.4.5 试验结果与理论分析及数值模拟结果的比较
4.5 本章小结
第5章 孔底局部循环式冰层热水钻具结构设计及钻进试验
5.1 钻具设计要求
5.2 钻具关键结构参数的选择
5.2.1 加热装置
5.2.2 循环装置
5.2.3 热水喷嘴
5.2.4 钻头内部结构
5.2.5 钻具整体结构设计
5.3 孔底局部循环式冰层热水钻具试验
5.3.1 冰层热水钻具试验平台
5.3.2 冰层热水钻具试验步骤
5.4 孔底局部循环式冰层热水钻进过程试验
5.4.1 含粉细砂冰层的钻进试验
5.4.2 含粉细砂冰层的制备及试验过程
5.4.3 不同温度冰层钻进试验
5.4.4 可视化冰层试验
5.5 试验结果与分析
5.5.1 单孔喷嘴直径对钻进过程的影响
5.5.2 多孔喷嘴结构参数对钻进过程的影响
5.5.3 钻头内部结构对钻进过程的影响
5.5.4 含粉细砂冰层对钻进过程的影响
5.6 本章小结
第6章 结论与展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 展望
参考文献
致谢