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极地冰钻升降钻具时孔内水力学特性试验研究

韩俊杰  
【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Dome A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。


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