楊 陽， 范曉鵬， 達(dá)拉拉伊， 劉 安， 楊 巍

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春，130026； 2.吉林大學(xué)極地研究中心，吉林 長春 130026； 3.中國石油天然氣股份有限公司吉林油田分公司扶余采油廠，吉林 松原 138000)

南極冰下基巖熱水驅(qū)動快速取心鉆具研究

楊 陽1,2， 范曉鵬1,2， 達(dá)拉拉伊1,2， 劉 安1,2， 楊 巍3

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春，130026； 2.吉林大學(xué)極地研究中心，吉林 長春 130026； 3.中國石油天然氣股份有限公司吉林油田分公司扶余采油廠，吉林 松原 138000)

南極大陸冰下基巖巖心對研究南極大陸地質(zhì)構(gòu)造及成因具有重要意義，目前尚沒有任何一個國家在南極內(nèi)陸成功鉆取冰下基巖樣品，研制可快速鉆至冰巖界面并完成基巖采樣的鉆進(jìn)設(shè)備迫在眉睫。針對極地冰下基巖取樣技術(shù)難題，提出了一種可結(jié)合熱水鉆系統(tǒng)使用的采用熱水驅(qū)動的冰下基巖取心鉆具概念設(shè)計。該鉆具系統(tǒng)采用常規(guī)熱水鉆完成南極大陸上覆冰層鉆進(jìn)，然后更換熱水取心鉆具穿過已有鉆孔快速到達(dá)冰巖界面，完成冰下沉積物和基巖取心鉆進(jìn)，大大縮短基巖取心時間，提高鉆進(jìn)效率。結(jié)合中國自主研發(fā)的熱水鉆系統(tǒng)參數(shù)，對螺桿馬達(dá)壓力損失和輸出扭矩進(jìn)行理論計算，提出了螺桿馬達(dá)選擇依據(jù)。該技術(shù)有望在未來極地冰下基巖取心鉆進(jìn)中發(fā)揮重要作用。

冰下基巖；取心鉆進(jìn)；孔底動力；熱水鉆；南極

1 概述

南極大陸是地球上最古老的大陸之一，它不僅保存有多種多樣的古老克拉通陸塊，還是探索地球早期演化的理想場所，其科學(xué)意義非常突出。獲取冰蓋下基巖巖心并對其進(jìn)行深入分析，可以推斷地殼形成和演變過程、大陸互相碰撞和擠壓的歷史過程、板塊構(gòu)造理論等，從而了解南極內(nèi)陸地質(zhì)構(gòu)造歷史，研究南極冰層的凍融、滑移和變形速度，以及冰川動力學(xué)及氣候變化都具有非常重要的意義[1-2]。

目前，尚且沒有任何一個國家在南極內(nèi)陸成功鉆取冰下基巖樣品[3]。由于極地地表及冰川極低的溫度，交通困難，物資貧乏，天氣惡劣，地層環(huán)境復(fù)雜等不利條件，給鉆進(jìn)工作帶來了很大的難度。而南極每個工作季的時間短暫，采用常規(guī)方法鉆進(jìn)想要鉆穿冰蓋到達(dá)基巖界面往往需要幾年甚至幾十年時間，想要獲得多個孔位的巖心更是難上加難。研制可快速鉆至冰巖界面并完成基巖采樣的鉆進(jìn)設(shè)備迫在眉睫。本文針對極地冰下基巖取樣技術(shù)難題，提出了一種可結(jié)合熱水鉆系統(tǒng)使用的采用熱水驅(qū)動的冰下基巖取心鉆具概念設(shè)計，并進(jìn)行了相關(guān)計算，該技術(shù)有望在未來極地冰下環(huán)境研究中發(fā)揮重要作用。

2 南極冰下基巖快速取心系統(tǒng)總體設(shè)計

熱水鉆系統(tǒng)，是20世紀(jì)80年代興起的被看作最高效的快速鉆進(jìn)方法，其工作原理為在地表將水加熱至80～90 ℃，采用高壓泵送系統(tǒng)通過管路將熱水泵送至鉆頭部位，并從鉆頭噴嘴高速噴出，鉆頭下冰層將在高壓高溫?zé)崴饔孟氯诨?，進(jìn)而形成鉆孔，鉆進(jìn)產(chǎn)生的融水和噴嘴噴出的熱水混合后一同上返至副孔位置，并被潛水泵泵送回地表，經(jīng)再次加熱后重新注入孔內(nèi)，從而形成熱水流動回路[4-6]，如圖1所示。熱水鉆鉆進(jìn)速度可達(dá)30～40 m/h，相比傳統(tǒng)機械鉆進(jìn)手段，鉆進(jìn)效率高，且該鉆進(jìn)方式無需鉆井液，有效避免了鉆井液對南極環(huán)境的污染[7-8]，為目前最快速的冰層鉆進(jìn)手段。

截至目前，美國、英國等國家已成功采用熱水鉆鉆進(jìn)了多個鉆孔[9-12]，2017年4月由中國自主研發(fā)的熱水鉆機在吉林大學(xué)國土資源部重點實驗室完成聯(lián)調(diào)聯(lián)試，標(biāo)志著我國具備了在南極完成1500 m鉆進(jìn)能力的熱水鉆機系統(tǒng)，如圖2所示，該系統(tǒng)將在未來的極地科學(xué)研究中發(fā)揮重要作用[13-15]。本文設(shè)計的南極冰下基巖快速取心系統(tǒng)采用熱水驅(qū)動的冰下基巖取心鉆具與熱水鉆系統(tǒng)相結(jié)合，前期采用常規(guī)熱水鉆系統(tǒng)完成南極大陸上覆冰層鉆進(jìn)，然后更換熱水取心鉆具穿過已有鉆孔快速到達(dá)冰巖界面，完成冰下沉積物和基巖取心鉆進(jìn)，這將大大縮短基巖取心時間，提高鉆進(jìn)效率。且采用該方法進(jìn)行鉆進(jìn)可最大限度地利用現(xiàn)有的熱水鉆鉆進(jìn)系統(tǒng)，僅需將熱水取心鉆具上端管路接頭與現(xiàn)有系統(tǒng)對接，即可實現(xiàn)鉆具切換。

圖1 熱水鉆系統(tǒng)工作原理圖

3 冰下基巖熱水取心鉆具概念設(shè)計

借鑒石油鉆探水平井施工已成功應(yīng)用的孔底動 力鉆具設(shè)計理念，采用熱水作為動力介質(zhì)驅(qū)動孔底鉆具回轉(zhuǎn)進(jìn)而完成基巖取心鉆進(jìn)，孔底動力裝置可為螺桿馬達(dá)，利用熱水鉆系統(tǒng)主管路將熱水輸送至孔底鉆具，當(dāng)熱水流經(jīng)螺桿馬達(dá)時，其將熱水流的液體壓力轉(zhuǎn)化為螺桿旋轉(zhuǎn)的扭矩，從而驅(qū)動巖心管及鉆頭一起旋轉(zhuǎn)，圖3為極地冰下基巖熱水取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖。冰下基巖鉆進(jìn)采用仿生金剛石鉆頭，通過回轉(zhuǎn)磨削向下鉆進(jìn)，同時鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑被熱水帶離孔底。由于鉆進(jìn)采用正循環(huán)鉆進(jìn)，巖屑從環(huán)空間隙隨熱水流體上返，但是由于巖屑的密度遠(yuǎn)大于熱水的密度，因此，在流動過程中必然導(dǎo)致巖屑沉降，為了防止巖屑回流到孔底，在螺桿馬達(dá)上方設(shè)置了巖屑室，用來收集沉降下來的巖屑，該裝置利用流體力學(xué)理論進(jìn)行設(shè)計，巖屑收集裝置上部鉆具直徑變小，當(dāng)攜帶有巖屑的熱水流經(jīng)巖屑收集裝置，熱水流速降低，巖屑依靠重力下落至巖屑收集裝置內(nèi)。

圖2 我國自主研發(fā)的熱水鉆機系統(tǒng)

1—熱水管；2—電纜；3—電纜終端；4—觸底檢測機構(gòu)；5—分水接頭；6—反扭裝置；7—螺釘；8—反扭片；9—熱熔片；10—加熱元件；11—加熱元件電纜；12—電氣艙；13—巖屑管；14—巖屑管固定座；15—螺桿馬達(dá)；16—螺桿馬達(dá)輸出軸；17—螺桿馬達(dá)外管；18—平鍵；19—旋轉(zhuǎn)接頭；20—密封圈；21—軸承；22—軸承擋環(huán)；23—單動接頭；24—鎖緊螺母；25—單向球閥；26—鉆具外管；27—巖心管；28—鉆頭

圖3 極地冰下基巖熱水取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

采用此鉆具進(jìn)行取心鉆進(jìn)，需在鉆具上方設(shè)計反扭裝置，防止上部鉆具在鉆頭鉆進(jìn)時發(fā)生轉(zhuǎn)動，但由于巖心鉆探反扭裝置需克服較大鉆進(jìn)扭矩，因此，需設(shè)計大扭矩反扭裝置。范曉鵬等人對反扭裝置進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并針對冰下基巖鉆進(jìn)提出了滑刀式反扭裝置[16]，但由于采用熱水鉆成孔孔徑較大，且孔壁呈不規(guī)則圓形，常規(guī)反扭裝置很難滿足鉆進(jìn)需求。該鉆具擬采用板型反扭裝置，由前置加熱元件在孔壁熱熔出一定深度長槽，反扭翼板可在彈簧作用下沿徑向進(jìn)入長槽內(nèi)，并為基巖鉆進(jìn)提供足夠的反扭矩。

冰下基巖熱水取心鉆具具體工作原理如下：

向下鉆進(jìn)時，首先利用地表絞車將鉆具放入孔內(nèi)，并連續(xù)下放，下放過程中隨時觀察觸底檢測機構(gòu)反饋的觸底壓力數(shù)值，當(dāng)觸底壓力持續(xù)增大至與鉆具質(zhì)量相當(dāng)，表明鉆具已到達(dá)孔底，此時停止下放，并通過熱水管向鉆具內(nèi)泵送熱水開始鉆進(jìn)。

熱水從分水接頭處進(jìn)入鉆具內(nèi)部，流經(jīng)上反扭裝置、電氣艙、巖屑管固定座到達(dá)螺桿馬達(dá)，并驅(qū)動螺桿馬達(dá)回轉(zhuǎn)，為鉆進(jìn)提供動力。從螺桿馬達(dá)流出的熱水繼續(xù)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部水道進(jìn)入鉆具外管和冰心管之間間隙，并從鉆頭底位噴出。

鉆進(jìn)時，螺桿馬達(dá)輸出軸通過旋轉(zhuǎn)接頭帶動鉆具外管和鉆頭進(jìn)行回轉(zhuǎn)切削完成鉆進(jìn)，鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑由噴出的熱水將其帶離孔底并沿鉆具與孔壁環(huán)狀間隙上返，從而保證孔底清潔，為高效取心鉆進(jìn)提供可能，攜帶有巖屑的熱水流經(jīng)巖屑管時，由于鉆具直徑減小，熱水流速降低，導(dǎo)致熱水對巖屑攜帶力降低，巖屑在重力作用下將沉降至巖心管內(nèi)，實現(xiàn)收集巖屑的目的。鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖心樣品進(jìn)入巖心管內(nèi)，為了防止巖心管內(nèi)存水對巖心產(chǎn)生靜水壓力，降低鉆進(jìn)速度，在旋轉(zhuǎn)接頭中心設(shè)置有單向閥。當(dāng)巖心管內(nèi)存水壓力達(dá)到某一數(shù)值，單向球閥打開，巖心管內(nèi)存水通過旋轉(zhuǎn)接頭中心水道排出鉆具。

4 螺桿馬達(dá)參數(shù)計算

螺桿馬達(dá)作為提供冰下基巖熱水取心鉆具回轉(zhuǎn)動力的關(guān)鍵部件，其參數(shù)需根據(jù)現(xiàn)有熱水鉆系統(tǒng)可提供的熱水流量和壓力進(jìn)行選擇確定。

中國極地研究中心研發(fā)的熱水鉆系統(tǒng)高壓泵可提供的熱水流量最大200 L/min，泵出口壓力最大為9 MPa，熱水主管路內(nèi)徑38 mm，長度為2200 m，熱水纏繞圈數(shù)為440圈。

根據(jù)以上參數(shù)對熱水鉆管路總沿程壓力損失進(jìn)行計算：

ΔP=ΔP1+ΔP2

(1)

式中：ΔP——熱水管路總沿程壓力損失，MPa；ΔP1——熱水流動時的沿程壓力損失，MPa；ΔP2——熱水流動時的局部壓力損失，MPa。

ΔP1=(λl/d)·(ρv2/2)

(2)

式中：λ——沿程阻力系數(shù)，與雷諾數(shù)Re有關(guān)，無量綱；l——主管路長度，2200 m；d——主管路直徑，0.038 m；ρ——水密度，1000 kg/m3；v——水在主管路中的流速，m/s。

其中，水在主管中的流速可用下式計算：

v=Q/A

(3)

式中：Q——熱水流量，200L/min；A——軟管橫截面面積，m2。

由于冰下基巖熱水取心鉆具需采用熱水進(jìn)行鉆進(jìn),水溫約為50 ℃，查表可知，水的動力粘度μ為5.494×10-7m2/s，將此值及以上已知量帶入下式可得雷諾數(shù)：

Re=vd/μ=23400

(4)

因為105

λ=0.0032+(0.221/Re0.237)=1.54×10-2

(5)

將以上數(shù)值帶入公式(1)，可得當(dāng)熱水流量為200 L/min，水溫50 ℃時，管路沿程壓力損失ΔP1為3.85 MPa。

由于熱水主管路長2200 m，盤繞在主絞車卷盤上約440圈，根據(jù)彎管局部壓力損失計算公式可得：

ΔP2=ζv2/(2g)

(6)

其中，局部壓力損失系數(shù)ζ可按下式進(jìn)行計算[17]：

ζ=θ〔0.131+1.847(r/R)3.5〕/90°

(7)

式中，θ——軟管彎曲角度，為440×90°=39600°；r——軟管半徑，0.019m，R——軟管纏繞半徑，為1～2m，由于r/R?0.131，因此：

ζ≈0.131θ/90°=230.6

(8)

將上述已知量帶入公式(6)可得ΔP2=0.99 MPa。

將ΔP1和ΔP2代入公式(1)可得：熱水鉆管路總沿程壓力損失ΔP為4.84 MPa，由于水泵出口壓力最大為9 MPa，因此，選擇的螺桿馬達(dá)壓力損失≯4.16 MPa，否則螺桿馬達(dá)將不能正常工作。

同時根據(jù)吉林大學(xué)極地研究中心冰下基巖鉆進(jìn)試驗表明，采用不同金剛石鉆頭純鉆進(jìn)扭矩為28.8～51.6 N·m[18]，考慮到機械傳動機構(gòu)及孔內(nèi)摩擦產(chǎn)生的附加扭矩，因此，要求螺桿馬達(dá)輸出扭矩應(yīng)≮80 N·m。

根據(jù)以上計算，最終選擇北京石油機械廠生產(chǎn)的5LZ73×7.0型螺桿鉆具，該鉆具工作壓降3.45 MPa，流量為78～306 L/min，鉆頭轉(zhuǎn)速140～360 r/min，輸出扭矩275 N·m，可滿足冰下基巖熱水取心鉆具需求。

5 結(jié)論

(1)采用熱水驅(qū)動的孔底動力鉆具，結(jié)合熱水鉆系統(tǒng)，可以快速穿透南極冰蓋，并完成對冰下基巖的取心鉆進(jìn)。

(2)設(shè)計的冰下基巖熱水取心鉆具結(jié)構(gòu)簡單，通過更換上部接頭，可適應(yīng)于不同熱水鉆系統(tǒng)，具有一定的通用性。

(3)通過對熱水鉆系統(tǒng)主管路沿程壓力損失進(jìn)行計算，確定用于冰下基巖熱水取心鉆具的螺桿馬達(dá)壓力損失應(yīng)<4.16 MPa，輸出扭矩≮80 N·m。

(4)建議加工鉆具，并建立相應(yīng)的試驗臺對設(shè)計的取心鉆具進(jìn)行試驗研究。

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Research on Rapid Coring Drill by Hot Water Driving for Subglacial Bedrock in Antarctic

YANGYang1,2,FANXiao-peng1,2,PavelTALALAY1,2,LIUAn1,2,YANGWei3

(1.College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun Jilin 130026, China; 2.Polar Research Center, Jilin University, Changchun Jilin 130026, China; 3.Fuyu Oil Production Plant of Jilin Oilfield Company, PetroChina, Songyuan Jilin 138000, China)

Subglacial bedrock core in Antarctic region is of great importance to the research on geologic structure and formation of Antarctic continent, no subglancial bedrock samples has been obtained in current global history, the development of rapid coring technology for subglacial bedrock in Antarctic becomes increasingly urgent. According to technological problems of subglacial bedrock coring, a conceptual design of rapid coring drill by hot water driving for subglacial bedrock in Antarctic is put forward in this paper, the ice cover on the Antarctic continent is drilled using this system with conventional hot water drilling, then replaced by hot water coring drill through the ice hole rapidly to ice rock interface in order to carry out the coring drilling of subglacial sediments and bedrock, the bedrock coring time is greatly shortened with high drilling efficiency. Based on the testing parameters of China independent researched and developed hot water drilling system, the theoretical calculation is made on the pressure loss and output torque of positive displacement motor (PDM) to provide the choice basis for PDM motor. This type of coring drill is hopeful to play an important role in future subglacail bedrock coring drilling in polar region.

subglacial bedrock; coring drilling; downhole driving; hot water drilling; Antarctic

2017-05-21

國家自然科學(xué)基金項目“熱水鉆快速取芯孔內(nèi)流場研究”(編號：41506216)

楊陽，女，回族，1986年生，地質(zhì)工程專業(yè)，博士，從事極地鉆探技術(shù)研究，吉林省長春市西民主大街938號，57364627@qq.com。

范曉鵬，男，漢族，1986年生，講師，地質(zhì)工程專業(yè)，博士，從事極地鉆探技術(shù)研究，吉林省長春市西民主大街938號，fxp@jlu.edu.cn。

P634.4

A

1672-7428(2017)07-0048-04