冰层回转钻进切削热分析与实验研究

【摘要】通过冰层取心钻探获取高质量的冰心已经成为人类研究过去全球气候与环境变化的重要方法和手段之一。铠装电缆式电动机械取心钻具因其质量轻、耗能小、运输及操作方便等优点，在极地钻探工程中得到了广泛的应用。但采用该类钻具在深冰心钻探钻遇温度较高的冰层时钻进效率降低、回次取心短、卡钻事故频发。究其原因是由于冰层温度较高加之回转钻进产生的切削热量导致冰屑融化或处于熔融状态。熔融状态的冰屑与融化产生的水在钻具局部位置会再次结冰，导致钻井液循环循环不畅、卡钻等孔内复杂事故。本文借鉴金属切削加工理论，建立了冰层回转钻进切削具受力模型，对冰层回转钻进中产生的切削热量进行了理论分析和计算，分析了钻压、转速、冰层抗剪强度、切削深度、钻头结构参数等因素对切削热量的影响规律。计算结果表明这些影响因素对切削热和切削温度均有不同程度的影响。摩擦系数对冰屑的温升影响最大，当摩擦系数增大到0.3时，冰屑的温升可高达10.91℃，当冰的温度较高时足以使冰屑融化，增加卡钻风险，设计钻头切削具时应优选低摩擦系数的材料。另外切削具前角、切削深度以及冰的抗剪强度对冰屑温升也有较大的影响。设计并建立冰层回转钻进切削温度测试实验台，为进一步研究各影响因素对冰层回转钻进切削热量的影响规律奠定了设备基础。该实验台能够就钻压、转速、钻头切削具前角以及低温钻井液等因素对切削温度的影响进行实验测试。实验结果表明钻头回转速度由80rpm增加至140rpm时，对不同冰样进行实验结果均显示切削具平均温升在增加，切削天然冰时由2.57℃增加到4.27℃，切削人工冰样时由3.51℃增大到4.56℃；切削具前角由15°增加到30°时，切削天然冰样时切削具平均温升由4.39℃降到3.36℃；切削天然冰时切削具平均温升由3.95℃降到3.58℃；分别对比转速和切削具前角对切削温度的影响的实验测试值与理论计算值可知两者基本一致。当钻压低于450N左右时，实验值与理论值计算值基本一致；而当钻压增大，切削温度却不断升高，这是由于建立理论模型时忽略了切削具后刀面的摩擦热对切削温度的影响，从而导致实测值与理论值存在偏差。钻井液循环可大幅度降低切削温度，当钻压为737N时，切削人工冰样切削具平均温升仅为0.66℃，而切削天然冰样时，平均温升约为0.72℃。
【作者】刘春朋；
【导师】曹品鲁；刘三意；
【作者基本信息】吉林大学，地质工程，2014，硕士
【关键词】深冰心钻探；切削热；切削温度；电动机械取心钻进；

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