极地冰钻升降钻具时孔内水力学特性试验研究

【摘要】随着国民经济的快速发展和经济全球化速度的加快，对资源的需求量日益增大，同时也带来了资源的紧张、环境污染和气候变化等诸多问题。为了研究和解决人类所面临的可持续发展问题，世界上许多的国家对极地的科学研究越来越重视。南北极冰层不仅是地球上最大的淡水储存地，而且冰层下赋存着丰富的矿产资源。南极洲蕴藏的煤、石油、铁等矿物资源种类就有200多种，且储量都相当可观，仅南极西部石油储量约为目前世界石油年产量的2～3倍。另外，研究极地冰川对全球气候环境变化和其它科学研究也有重要意义。不管是对极地资源、能源的勘探与开发还是对全球气候变化规律的研究，都离不开冰层取心钻探。“十二五”期间，我国计划在南极冰盖最高点DomeA进行3000m以上的深部冰层取心钻进，以获得超过百万年的最古老的南极冰心。此外，还将钻穿南极冰盖，获取甘布尔采夫冰下山脉基岩样品。极地冰钻升降钻具时的孔内水力学研究可以保证极地科学钻探工程安全、高效地完成。为了研究南极大陆的地壳形成和演变过程、大陆互相碰撞和挤压的历史过程、板块构造理论对大陆内部变形的影响，以及了解地球古气候的变化等都需要直接获取冰下基岩岩心。从美国和俄罗斯先后四次尝试钻进冰下基岩的实践来看，铠装电缆式电动机械取芯钻具具有潜在优势，但是如何在保证安全的前提下提高钻具效率，仍亟待研究。铠装电缆式电动机械取芯钻具的升降过程是钻进过程的重要组成部分之一，钻具的升降过程中孔内的运动特性与控制对于提高钻进效率、减少孔事故的发生具有重要的影响。在综合分析国内外已有研究的基础上，以孔内水力学特性作为切入点，对钻具在孔内运动的过程及在钻具表面的滞留层等问题进行了研究，从理论上分析了钻孔结构、钻具结构、钻具质量和钻井液的流变特性等对钻具升降过程的影响。研究表明，钻具下放时加速度的大小与钻具长度无关；滞留层厚度与环空间隙呈二次方程的关系，滞留层厚度所占环空间隙百分比与环空间隙呈线性关系。钻具下放速率和环空间隙钻井液平均流速相对值呈曲线增长，钻具下放速率增长较明显；钻具升降时的激动压力与环空间隙呈线性关系。在理论计算的基础上，研制了用于测试铠装电缆式电动机械取芯钻具升降测试试验台和测试的方法，通过对三个直径与三个质量在钻具下落过程的实际测试，确定了环空间隙和钻具质量对钻具下放速率的影响大小，得出以下结论：在试验条件下，钻具的下落速度受环空间隙的影响比较大。当钻具直径一定时，钻具的下落速度与钻具的重量呈线性关系。在其他影响因素固定，环空间隙分别为3.5、4.5、5.5mm时，钻具下放速率为0.239m/s、0.331m/s、0.457m/s；测得环空间隙为4.5mm时，质量每增加1kg，钻具下放速率增大0.023m/s极地冰层钻探，遇到钻探工期短、冰层蠕变导致孔内事故率高、极地环境恶劣等问题。本研究可以用于指导由绞车控制的钻具升降速率，减小孔内压力波动，保证孔壁稳定，确保钻进过程安全顺利。研究成果对于提高我国南极冰层钻探效率、减少辅助工作时间、指导实际工作具有重要的理论与实际意义。为极地冰层钻进项目的顺利完成奠定了重要理论基础。
【作者】韩俊杰；
【导师】徐会文；孙志峰；
【作者基本信息】吉林大学，地质工程，2014，硕士
【关键词】南极冰钻；铠装电缆式电动机械钻具；升降钻具；运动特性；钻井液流变特性；

【参考文献】
[1]姜维,庞秀丽.提高卫星服务寿命的任务规划方法研究[J].自动化学报,2014,05:909-920.
[2]夏飞.团头鲂源嗜水气单胞菌分离鉴定、检测及绿色荧光蛋白标记菌株的构建[D].南京农业大学,水产养殖,2012,硕士.
[3]杨童奥.BMP4和FGF5两基因对鹅毛囊及羽毛发育作用的研究[D].吉林农业大学,动物遗传育种与繁殖,2012,硕士.
[4]岳广晓.区域家电连锁零售企业的供应链管理优化研究[D].南京大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[5]戴翔,金碚.产品内分工、制度质量与出口技术复杂度[J].经济研究,2014,07:4-17+43.
[6]钱瑞.改善钛胶整体柱比表面积的研究及其在食品添加剂分析中的应用[D].天津商业大学,食品科学,2013,硕士.
[7]朱良军,金光泽,王晓春.典型阔叶红松林干扰历史重建及干扰形成机制[J].植物生态学报,2015,02:125-139.
[8]唐正伟.基于PLC/WinCC的楼宇供电控制系统[D].太原科技大学,控制工程,2013,硕士.
[9]陈丹.基于Internet的中医方剂信息智能处理系统[J].中国医院管理,2003,05:48-49.
[10]潘琪.丘脑腹内侧核高频电刺激改善帕金森病模型大鼠运动障碍表现的研究[D].南方医科大学,神经外科学,2014,博士.
[11]韩佳宁.金刚石薄膜合成反应动力学及金刚石n型掺杂[D].河北大学,光学工程,2002,硕士.
[12]钟剑.基于荧光分子印迹聚合物的痕量双酚A快速检测新方法[D].华中科技大学,公共卫生,2013,硕士.
[13]李儒峰.浅议工程竣工资料的整理与质量管理[J].现代城市轨道交通.2005(04)
[14]静丰羽.等离子熔覆—注射B_4C熔覆层组织及性能的研究[D].郑州大学,材料工程（专业学位）,2013,硕士.
[15]莫婷.台式大气压接口飞行时间质谱仪的改进及表征[D].上海大学,应用化学,2014,硕士.
[16]王猛.JK公司发展战略研究[D].大连理工大学,MBA（专业学位）,2012,硕士.
[17]高件忠.基于博弈论的工业品企业战略决策[D].华东理工大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[18]黄际民,吴拉克,李少华.太钢煤气集中监测系统[J].冶金自动化,1996,02:22-24.
[19]曹国平.现代企业预算管理研究[D].华北电力大学（北京）,2005.
[20]杨国正.肺结核治疗方案中加用复方甘草酸苷临床增效作用研究[D].成都中医药大学,中西医结合呼吸内科,2012,硕士.
[21]吴巧妹,陈燕丹,黄彪,陈学榕.无机纳米相-纳米纤维素杂化纳米材料的研究进展[J].生物质化学工程,2014,01:28-36.
[22]张晓蓉.基于工作流技术的校园迎新管理系统的软件设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[23]徐晶.电测深智能优化反演理论的研究[D].石家庄经济学院,矿产普查与勘探,2012,硕士.
[24]侯书勇.石墨烯基气敏传感器的研究[D].华东理工大学,2015.
[25]刘芝玲.认知风格与广告诉求方式对购买决策的影响[D].湖南师范大学,应用心理（专业学位）,2014,硕士.
[26]张婧文.山东省文物管理体制改革问题研究[D].山东大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[27]佟丹.电网故障下全功率型风电机组暂态穿越研究[D].华中科技大学,电气工程,2013,硕士.
[28]杨兆壬.表面羧基化Fe_3O_4磁性微球固定化CA酶的制备与研究[D].华侨大学,生物化学与分子生物学,2014,硕士.
[29]孙敏.重污染行业企业社会责任、公司治理和企业价值[D].华南理工大学,会计学,2012,硕士.
[30]徐志伟.当代坦克折射出现代军事装备的发展特点[J].现代军事.1995(10)
[31]杨孜.数字轨道地图数据构建方法研究[D].北京交通大学,2014.
[32]蒋秀英.从大规模的数据库中提取多层次的关联规则[J].聊城大学学报(自然科学版),2003,01:77-79.
[33]刘雪梅.Cu~(2+)对苏云金芽胞杆菌X022新菌株毒蛋白产量及杀虫活性的影响[D].湖南师范大学,微生物学,2014,硕士.
[34]乐志,朱道萸.自然是园林的主体——朱有玠大师园林设计思想和实践[J].中国园林.2004(01)
[35]窦春源.《里斯本条约》框架下欧盟FDI政策变化的法律研究[D].中国政法大学,比较法学,2013,硕士.
[36]赵慧.影响我国体育舞蹈运动员艺术表现力的因素及对策研究[D].西安体育学院,体育教育训练学,2013,硕士.
[37]刘娜.德氏乳杆菌保加利亚亚种优良菌株的筛选[D].内蒙古农业大学,农产品加工及贮藏工程,2013,硕士.
[38]冯振宇.基于声传感器阵列的移动目标定位技术研究[D].沈阳理工大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[39]李先之.光在商业空间应用与研究[D].湖南师范大学,设计艺术学,2013,硕士.
[40]苏文.基于ZigBee和ARM9的超市智能导购系统的研究与设计[D].中国地质大学（北京）,电子与通信工程,2014,硕士.
[41]王雪.YC医疗美容医院服务质量管理研究与对策[D].宁夏大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[42]张磊.超大规模高中内部组织结构变革研究[D].宁波大学,教育经济与管理,2013,硕士.
[43]成于思.重庆城市形态演变研究（BC.316-AD.2012）[D].重庆大学,城市规划与设计,2014,硕士.
[44]赖日昌.中药保留灌肠治疗气虚下陷型直肠内脱垂的临床观察[D].福建中医药大学,中医外科学（专业学位）,2014,硕士.
[45]强喆.丹参酮包合物制备及体外抑菌活性研究[D].甘肃农业大学,基础兽医学,2013,硕士.
[46]李筱雨.甲状腺乳头状癌细胞内cAMP浓度测定及其临床意义[D].河北医科大学,外科学（专业学位）,2014,硕士.
[47]李达.静校正方法的对比分析与研究[D].石家庄经济学院,矿产普查与勘探,2013,硕士.
[48]李辉.上市公司现金流量与收益关系的实证研究[D].大连理工大学,会计学,2004,硕士.
[49]张莹莹.互动式教学在高中英语阅读教学中的应用研究[D].宁夏大学,教育（专业学位）,2014,硕士.
[50]茹仙姑·吾守尔.笛卡尔积图的哈密尔顿连通性[D].新疆大学,应用数学,2013,硕士.