極地冰巖夾層鉆進(jìn)碎巖機(jī)理分析及試驗(yàn)研究

1、極地冰巖夾層鉆進(jìn)碎巖機(jī)理分析及試驗(yàn)研究極地冰蓋和冰下地質(zhì)環(huán)境一直是人類尚未完全開發(fā)的知識(shí)庫,目前很多國家正在研發(fā)能夠鉆進(jìn)深冰下基巖取心鉆探裝備,鉆穿冰蓋以及冰-巖交界面,直接獲取冰下基巖樣品,對(duì)掌握該地區(qū)地貌形成和演變,了解冰層-基巖界面的環(huán)境、研究冰蓋形成機(jī)制、冰川動(dòng)力學(xué)及氣候變化具有重要意義。在鉆取冰下基巖層之前,會(huì)遇到冰-巖交界面地層,在冰巖交界處存在厚度可達(dá)數(shù)十米的含有巖石顆粒的基底冰、基底融水和冰磧物。鉆進(jìn)冰巖夾層時(shí),由于地層的硬度和研磨性遠(yuǎn)高于冰層,常規(guī)鋼齒鉆頭不再適用。需采用硬質(zhì)合金鉆進(jìn)或金剛石鉆進(jìn)。但這就對(duì)鉆探機(jī)具及鉆壓和轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵鉆進(jìn)參數(shù)有了更高的要求,無論采用哪一種方式,破

2、碎冰巖夾層所需的扭矩和能量都遠(yuǎn)大于冰層鉆進(jìn)所需的扭矩和能量,因此對(duì)孔底馬達(dá)和反扭系統(tǒng)也相應(yīng)提出了更高的要求。另一方面,普通孕鑲金剛石鉆頭在鉆進(jìn)冰層時(shí),所需鉆壓太高,且冰層相對(duì)較軟無法磨損胎體,金剛石顆粒無法出露,表鑲金剛石鉆頭在鉆進(jìn)冰層時(shí)也會(huì)出現(xiàn)干磨不鉆的現(xiàn)象,不適用于冰巖夾層鉆進(jìn)。本文研究了冰巖夾層鉆進(jìn)過程中鉆進(jìn)扭矩、鉆進(jìn)速度與鉆壓、回轉(zhuǎn)速度、切削具的性能參數(shù)、巖石與冰的物理力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)之間的關(guān)系,并建立了數(shù)學(xué)模型,明確了冰巖夾層鉆進(jìn)以跳躍式脆性剪切為主。從數(shù)學(xué)模型中可知,鉆進(jìn)速度、扭矩以及功率消耗與冰的物理力學(xué)參數(shù)（內(nèi)摩擦角、抗壓極限強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等參數(shù)）、巖石的物理力學(xué)參數(shù)（內(nèi)摩擦角、

3、抗壓極限強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等參數(shù)）、切削具的參數(shù)（前角、后角等）、切削具與樣品的摩擦系數(shù)等參數(shù)有關(guān),為極地冰巖夾層鉆進(jìn)研究提供理論支持。本文對(duì)現(xiàn)有鎧裝電纜電動(dòng)機(jī)械取心鉆進(jìn)技術(shù)在鉆進(jìn)極地冰巖夾層過程中,所需要的鉆井液流量進(jìn)行了理論分析,并得出結(jié)論:極地冰巖夾層鉆進(jìn)中,若鉆具的鉆頭外徑為136mm內(nèi)徑為104mm心管內(nèi)徑為117mm泵量應(yīng)不低于45L/min。此外,本文還對(duì)舊ED鉆具孔底反循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果顯示，IBED能實(shí)現(xiàn)鉆井液孔底局部反循環(huán),冰屑與巖屑均能進(jìn)入冰屑室。本文涉及的研究過程中,設(shè)計(jì)了多功能鉆頭測(cè)試試驗(yàn)臺(tái),能實(shí)現(xiàn)冰層鉆進(jìn)、冰巖夾層鉆進(jìn)、基巖鉆進(jìn)的鉆頭測(cè)試,在此試驗(yàn)平臺(tái)上,制作

4、了巖石含量分別為10%、30%勺冰巖夾層樣品（巖石成分為花崗巖），選取外彳全約為60mm勺硬質(zhì)合金鉆頭、圓形PDC鉆頭、方形PDCf占頭對(duì)冰巖夾層樣品進(jìn)行了鉆進(jìn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：硬質(zhì)合金鉆頭和PDCII鉆頭均能有效鉆進(jìn)冰巖夾層,硬質(zhì)合金鉆頭在鉆進(jìn)冰巖夾層時(shí)，瞬時(shí)鉆進(jìn)速度會(huì)出現(xiàn)波浪式跳動(dòng)，PDC鉆頭的鉆進(jìn)效率比硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)效率高很多。當(dāng)鉆壓為1000N,轉(zhuǎn)速為100rpm時(shí)，鉆進(jìn)巖石含量為30%羊品，圓形PDC1占頭的鉆進(jìn)速度約為5mm/s,即18m/h,消耗功率為0.25kW;硬質(zhì)合金鉆頭的鉆進(jìn)速度約為2mm/s,即7.2m/h,功率消耗為0.18kW。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與理論模型，分析結(jié)果表

5、明,無論是鉆壓還是鉆頭回轉(zhuǎn)速度對(duì)鉆進(jìn)速度以及功率消耗的影響,理論分析的曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的曲線都有相同的變化趨勢(shì)。對(duì)PDCM頭的鉆進(jìn)速度以及硬質(zhì)合金鉆頭的功率消耗計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)非常接近。以PDCM頭為例，當(dāng)轉(zhuǎn)速從50rpm增大到200rpm時(shí)，計(jì)算鉆進(jìn)速度從2.8mm/s增大到11.3mm/s,實(shí)測(cè)值從4.12mm/s增大至U8.82mm/s;當(dāng)鉆壓從500N增大到1250N時(shí)，計(jì)算鉆進(jìn)速度從2.8mm/s增大到7.1mm/s,實(shí)測(cè)值從1.6mm/s增大到8.82mm/s。自2011年以來,我國在南極開啟了屬于自己的深冰心鉆探項(xiàng)目,目前吉林大學(xué)也在研發(fā)用于南極冰下基巖鉆探的無鉆桿式鎧裝電纜電動(dòng)機(jī)械取心鉆具,并命名為IBED(IceandBedrockElectromechanicalDrill)。本文結(jié)合初步試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了用于舊ED鉆具的冰巖夾層PDCB頭并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。初步得出結(jié)論為:采用該鉆頭,IBED鉆具能有效鉆進(jìn)冰巖夾層,使用卡刀式取心裝置,配合提鉆前的回轉(zhuǎn)鉆具動(dòng)作可以作為冰巖夾層鉆進(jìn)的有效取心方式,為極地冰巖夾層及冰下基巖取心鉆具的設(shè)計(jì)提供了重要參