基于热熔钻进方法的冰层温度场及钻孔闭合速率研究
发布时间：2021-10-21 15:30
随着国际社会对冰川科学的深入研究,热熔钻技术作为一种高效、环保的钻进方法被广泛的应用于冰盖、冰架、海冰和山岳冰川的钻探活动中。由于极地特殊的低温环境,冰孔缩径问题给冰川钻探技术的发展带来了极大的限制。为保障安全钻进的持续进行,钻孔闭合速率的预估是必不可少的,如何有效的防止钻孔冻结,成为研究热熔钻技术的关键问题之一。本文首先对国内外钻孔及冰层温度场的研究进行了介绍,总结了极地地区钻孔闭合问题的研究方法,针对基于热熔钻进方法的冰层温度场及钻孔闭合速率问题进行深入的理论分析和全面的试验研究,并对钻孔闭合问题提出了侧壁加热的解决办法。论文的主要研究成果如下:1、利用传热学知识对基于热熔钻进方法的冰层温度场及钻孔闭合速率问题进行了分析,通过两种方法计算热熔钻进结束后的冰层温度场:（1）采用笛卡尔系下的一维热传导方程,忽略圆柱孔的曲率对换热的影响进行研究。（2）在一维柱坐标系下通过MALTAB软件对非稳态传热问题热扩散方程求数值解。对不同冰层温度,初始孔径下的冰层温度场进行分析,结果表明:对于无内热源的钻孔闭合问题,在钻孔闭合过程中,孔壁外侧冰层首先会出现一个升温的过程,且越靠近孔壁升温越快,升温...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
南极冰川的构成
潞????笙蛏先热圩杲?厥兆?具。RECAS钻具的特点是具有上下两个热熔钻头，同时采用内嵌式绞车系统，在钻具向下钻进过程中，下部热熔钻头开启，绞车从钻具内部释放电缆向下移动，让电缆直接冻结在冰层中，待钻进至冰下湖完成湖水取样，开启上部热熔钻头，绞车收缆向上钻进，如图1.3所示。整个过程中钻孔内无需注入防冻液，充分体现了其环境友好的特性。然而RECAS钻具体积庞大，长度超过8m，而钻进速度仅为1.5~2mh-1，在钻进过程中，很容易因钻孔冻结导致钻具上部/下部被冻结在冰孔内，导致项目的失败，造成巨大的损失。图1.3RECAS钻具钻进过程示意图所以，防止冰层钻孔闭合是研究热熔钻进技术的关键问题之一。一个充满融水的钻孔在形成后会立即开始冷却然后重新冻结。在温冰川钻探中，钻孔中从表面到底部的融水温度在
吉林大学博士学位论文6或冰架上钻孔内水的再冻结现象。1976年Yen和Tien对一个内部放置有加热电缆的深500m，直径0.15m的充满水的冰孔进行钻孔闭合问题的计算，其目的在于在进行少量数值计算的情况下，预估移除加热电缆后钻孔直径缩小至0.125m所需的时间[35]。该研究将水的融化温度及冰孔内水的内能看做与深度无关的函数，在计算冻结速率时，由于热层的厚度远小于冰层介质厚度，采用Goodman热平衡积分法进行积分求解，通过区间缩放法进行无量纲化，最后得出无量纲常量钻孔可用总时间与无量纲常量线热源功率之间的关系，图1.4中，实线表示在无量纲热熔钻头功率Q*=35.45时，无量纲钻孔直径a*随无量纲时间t*的变化规律，虚线则表示在无量纲时间t1*时钻进结束，取出热熔钻头后钻孔直径的变化。图1.4无量纲钻孔直径随无量纲时间的变化关系[35]1972年Harrison描述了温冰川一个未加热的钻孔的闭合问题，其目的是通过测量钻孔的闭合速率反向推导出冰川的温度[36]。温冰川上的钻孔在深度范围内都随着时间的推移共同趋于封闭，这种现象与极地冰川的近地表快速闭合现象完全不同，他测得在夏季美国的BLUE冰川上，钻孔的闭合速率约为每星期1.7mm，这个结果完全不符合我们对极地冰孔闭合速率的认知。1974年Jarvis和Glarke对加拿大的Steele冰川在25~114m的深度内通过13个温度传感器进行了温度测量，测得冰川最低温度为-6.5℃，暖冰层位于30~50m之间。为了评估冰川裂隙中滞留水的热效应，探究暖冰层形成的原因，其建立了二维空间及时间的相关数值模型[37]。假定冰层温度T是沿径向的空间变量x的函数，y是垂直于冰川表面的深度的函数，冰川表面温度是一个保持温度随时间呈正弦变化的平面。时间t=0的时刻为裂隙初始形成并填充满水的时刻，裂隙的初始形状取为三角楔形?
【参考文献】：
期刊论文
[1]外融冰对流相变传热过程研究方法[J]. 孟凡康,褚琦,王朔,巩云坤,胡仿聪,韩路. 流体机械. 2018(07)
[2]瞬态传热下冰的热力学过程及相变特性[J]. 陈晓东,王安良,Knut H?yland,季顺迎. 水科学进展. 2018(04)
[3]基于双层非稳态导热过程的井筒温度场半解析模型[J]. 赵金洲,彭瑀,李勇明,田植升,符东宇. 天然气工业. 2016(01)
[4]圆柱坐标系下非稳态导热问题改进数值求解方法[J]. 任玉鸿. 当代化工. 2015(07)
[5]强迫与混合对流条件下水流顺掠冰柱传热特性[J]. 孟凡康,于航. 土木建筑与环境工程. 2015(03)
[6]圆柱坐标系扩散问题有限容积紧致格式研究[J]. 王鹏,邵倩倩,李敬法,李旺,宇波. 工程热物理学报. 2013(09)
[7]非稳态导热问题有限体积法[J]. 秦跃平,孟君,贾敬艳,杨小彬,刘伟. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2013(05)
[8]热熔钻进过程中的温度场[J]. 陈晨,温继伟,赵嵩颖. 吉林大学学报(地球科学版). 2012(S3)
[9]边界条件随时间变化Stefan问题的一种热平衡积分解法[J]. 刘永杰,令锋. 内蒙古大学学报(自然科学版). 2010(06)
[10]利用移动网格技术模拟冰融化过程中的传热问题[J]. 秦妍,李维仲. 热科学与技术. 2005(03)
博士论文
[1]极地冰下基岩取心钻具反扭装置与钻头钻压平衡关系研究[D]. 范晓鹏.吉林大学 2014
本文编号：3449257
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
南极冰川的构成
潞????笙蛏先热圩杲?厥兆?具。RECAS钻具的特点是具有上下两个热熔钻头，同时采用内嵌式绞车系统，在钻具向下钻进过程中，下部热熔钻头开启，绞车从钻具内部释放电缆向下移动，让电缆直接冻结在冰层中，待钻进至冰下湖完成湖水取样，开启上部热熔钻头，绞车收缆向上钻进，如图1.3所示。整个过程中钻孔内无需注入防冻液，充分体现了其环境友好的特性。然而RECAS钻具体积庞大，长度超过8m，而钻进速度仅为1.5~2mh-1，在钻进过程中，很容易因钻孔冻结导致钻具上部/下部被冻结在冰孔内，导致项目的失败，造成巨大的损失。图1.3RECAS钻具钻进过程示意图所以，防止冰层钻孔闭合是研究热熔钻进技术的关键问题之一。一个充满融水的钻孔在形成后会立即开始冷却然后重新冻结。在温冰川钻探中，钻孔中从表面到底部的融水温度在
吉林大学博士学位论文6或冰架上钻孔内水的再冻结现象。1976年Yen和Tien对一个内部放置有加热电缆的深500m，直径0.15m的充满水的冰孔进行钻孔闭合问题的计算，其目的在于在进行少量数值计算的情况下，预估移除加热电缆后钻孔直径缩小至0.125m所需的时间[35]。该研究将水的融化温度及冰孔内水的内能看做与深度无关的函数，在计算冻结速率时，由于热层的厚度远小于冰层介质厚度，采用Goodman热平衡积分法进行积分求解，通过区间缩放法进行无量纲化，最后得出无量纲常量钻孔可用总时间与无量纲常量线热源功率之间的关系，图1.4中，实线表示在无量纲热熔钻头功率Q*=35.45时，无量纲钻孔直径a*随无量纲时间t*的变化规律，虚线则表示在无量纲时间t1*时钻进结束，取出热熔钻头后钻孔直径的变化。图1.4无量纲钻孔直径随无量纲时间的变化关系[35]1972年Harrison描述了温冰川一个未加热的钻孔的闭合问题，其目的是通过测量钻孔的闭合速率反向推导出冰川的温度[36]。温冰川上的钻孔在深度范围内都随着时间的推移共同趋于封闭，这种现象与极地冰川的近地表快速闭合现象完全不同，他测得在夏季美国的BLUE冰川上，钻孔的闭合速率约为每星期1.7mm，这个结果完全不符合我们对极地冰孔闭合速率的认知。1974年Jarvis和Glarke对加拿大的Steele冰川在25~114m的深度内通过13个温度传感器进行了温度测量，测得冰川最低温度为-6.5℃，暖冰层位于30~50m之间。为了评估冰川裂隙中滞留水的热效应，探究暖冰层形成的原因，其建立了二维空间及时间的相关数值模型[37]。假定冰层温度T是沿径向的空间变量x的函数，y是垂直于冰川表面的深度的函数，冰川表面温度是一个保持温度随时间呈正弦变化的平面。时间t=0的时刻为裂隙初始形成并填充满水的时刻，裂隙的初始形状取为三角楔形?
【参考文献】：
期刊论文
[1]外融冰对流相变传热过程研究方法[J]. 孟凡康,褚琦,王朔,巩云坤,胡仿聪,韩路. 流体机械. 2018(07)
[2]瞬态传热下冰的热力学过程及相变特性[J]. 陈晓东,王安良,Knut H?yland,季顺迎. 水科学进展. 2018(04)
[3]基于双层非稳态导热过程的井筒温度场半解析模型[J]. 赵金洲,彭瑀,李勇明,田植升,符东宇. 天然气工业. 2016(01)
[4]圆柱坐标系下非稳态导热问题改进数值求解方法[J]. 任玉鸿. 当代化工. 2015(07)
[5]强迫与混合对流条件下水流顺掠冰柱传热特性[J]. 孟凡康,于航. 土木建筑与环境工程. 2015(03)
[6]圆柱坐标系扩散问题有限容积紧致格式研究[J]. 王鹏,邵倩倩,李敬法,李旺,宇波. 工程热物理学报. 2013(09)
[7]非稳态导热问题有限体积法[J]. 秦跃平,孟君,贾敬艳,杨小彬,刘伟. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2013(05)
[8]热熔钻进过程中的温度场[J]. 陈晨,温继伟,赵嵩颖. 吉林大学学报(地球科学版). 2012(S3)
[9]边界条件随时间变化Stefan问题的一种热平衡积分解法[J]. 刘永杰,令锋. 内蒙古大学学报(自然科学版). 2010(06)
[10]利用移动网格技术模拟冰融化过程中的传热问题[J]. 秦妍,李维仲. 热科学与技术. 2005(03)
博士论文
[1]极地冰下基岩取心钻具反扭装置与钻头钻压平衡关系研究[D]. 范晓鹏.吉林大学 2014
本文编号：3449257
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