科学钻探专题培训市公开课金奖市赛课一等奖课件.pptx

冰层钻进工艺1、热溶法钻进法喷射流熔冰钻头加热法熔冰2、机械破碎钻进法 无杆电动取芯钻具无杆螺旋式电动取芯钻具第1页第1页1、热熔钻进法热熔法始于20世纪初,用于下阿尔卑斯山考古和冰川学研究。有两种办法：1、气体或液态流体喷射流来熔化冰层,气体、液体温度高于冰熔化温度。所需能量大,不适广泛推广。1.1 1.1 电缆热熔取芯钻具基本结构电缆热熔取芯钻具基本结构电缆热熔取芯钻具基本结构电缆热熔取芯钻具基本结构第2页第2页2、钻头加热法钻头为加热器,直接和冰接触,融化冰层。各国热熔取芯钻具大体由下列几种系统构成。1）环状加热器、岩心管;2）提水系统;3）电路系统;4）测量系统;5）电缆接头;第3页第3页各国钻探专家在极地多年实地研究中,开发出了许各种热熔取芯钻具,在使用中各有优劣,但基本上由上述5个部分或系统构成。表1为4个南极开发研究中钻探技术较高国家研制热熔取芯钻具结构一些基本参数。第4页第4页表 1 各国热熔取芯钻具基本参数第5页第5页1.2 1.2 前苏联热熔取芯钻具结构前苏联热熔取芯钻具结构前苏联热熔取芯钻具结构前苏联热熔取芯钻具结构热熔法冰层钻进技术还存在许多缺点，需要不停完善。前苏联极地钻探教授做了大量理论分析和研究,前后试制了五种不同结构方案钻具,基本处理了问题,使电能沿承载电缆输送到钻具,由三个独立动力电路组成。另外还在钻具中为预防事故设置了安全装置,能够在卡钻时快速解开电缆或钻具自由端。第6页第6页钻具工作过程以下:热熔钻头热熔冰层,形成环状孔底，岩芯(冰柱)进入岩芯管；熔化水和护壁液由提水泵作用使其在孔底循环,并沿提水管进入贮水仓。护壁液和水从仓上部流出后,空间增大,液流速度急剧降低,护壁液和水因为密度不同而产生分离,充满贮水仓；岩芯管内充满岩芯后,轻提钻具,三副岩芯切断器切断岩芯并支撑着岩芯柱；提到地表取出岩芯,放出贮水仓内水。第7页第7页2、机械破碎钻进法 .对链式锯冰机单齿切削力与各种影响原因关系作过理论与试验研究拟定当切削具前角为=45o时，冰切削反力最小，切削过程高速照相表明，在切削具前端冰层表面会产生裂纹，其扩展速度为2.46.1ms，在研究冰层螺旋钻机基础上提出，切削角为50o时，切削具后角为20o时钻进效果最好，切刨下来冰渣体积与被破碎原冰体积之比：4.455.80，2.1 冰层机械破碎特点冰层机械破碎特点第8页第8页阐明这时剪切型体积破碎发育良好，对各种结构冰钻而言，扭矩、轴载与冰层温度呈指数函数关系(指数取0.350.5)。研究表明，切削具前端冰层中压应力等值线呈三角形，在刃尖上压应力最大。随切削具前角增大，切削力单调地增大，每当切削力达最大就完毕一次剪切破碎循环，即当切削力增大，冰剪切单元形成，忽然断裂并从母体上分离出来瞬间，伴伴随切削力加剧下降，这就像脆性材料破碎特性。第9页第9页独联体在圣彼得堡南极研究所试验台上模拟了承载电缆取芯钻具冰层钻进过程。试验台用可更换式切削具如图1所表示，它可取不同前角 和后角。试验中用控制台仪表统计回次进尺、冲洗液泵量、反扭矩、孔底压力和功率耗量等参数。钻头切削具第10页第10页由试验数据建立了不同几何参数之切削具机械钻速与冰切削反力矩和孔底压力回归方程，结果表明参数之间存在着显著线性关系如图所表示：机械钻速与反扭矩(左圈)和孔底压力(右图)关系 第11页第11页2.2 2.2 冰层取芯钻头特点冰层取芯钻头特点冰层取芯钻头特点冰层取芯钻头特点冰层钻头上切削具应尽也许少(23个)，方便确保足够大循环液通过，正循环时切削具外径应大于粗径钻具5 6 mm。因为冰层机械钻速很高，单位时间产生冰渣量很多。切削具前角能够在很宽范围内(15o90o)取值，对机械钻速没有显著影响但对无循环液螺旋钻头而言，切削具前角大干30o后容易产生糊钻。因为无杆电动钻具重量小，故切削具后角应大于30o，用于反循环钻头切削具应朝内扭个角度，方便给冰渣一个向心分力。第12页第12页 下图是用于绳索取芯冰层钻头，它用于正循环，三个切削具朝外扭镶，水口很大。同时在刃前区钻头体上有底喷孔，以利于排冰渣。钻头上有小刚度冰芯卡环和“捞爪”式爪簧。绳索取芯砖头第13页第13页在不取芯段可用绳索下入全方面钻头，以下图：不取芯钻头第14页第14页万年雪层取芯钻头上切削具普通做成可卸式，其背部有与钻头体配合槽子，这么只用一个螺钉就可定位，以下图所表示：分别为双刃和三刃取芯钻头。切削具前角取30o，以利于冰渣及时排走。钻头体上开窗口，其中装有弹簧片和卡芯刀口，钻头体上还加工了安装冰芯爪簧内台阶。爪簧爪簧带卡簧取芯钻头第15页第15页用于承载电缆取芯钻进钻头以下图所表示：1、螺钉固定可拆卸式切削具 2、钻头体 3、片簧 4、卡芯刀口 5、小轴切削具背上开有环形槽子，与钻头体下端配合定位，用于反循环钻进时切削具刃端朝内扭5o安装。钻头外径和内径可依据所安装切削具宽度来改变，从而调整内、外环隙通道大小。该钻头还把取芯装置和钻头做成一体。钻头体上开了三个成120o均布窗口，在窗口内小轴5上固定了卡芯刀口4，还有固定在钻头体上片簧3,预防刀口4翻出体外。第16页第16页2.3 无杆电动取芯钻具无杆电动取芯钻具在南、北极和其它大陆山地高寒地域打钻，施工和后勤补给困难很大，因此要求钻具重量轻、成孔速度怏、工艺实现半自动化，尽也许少用人力。因此，无杆电动取芯钻具得到广泛应用。第17页第17页1、美国CRREL型取芯电钻它是世界上第一个用于冰层取芯电动钻具，由9部分构成1、电缆接头 2、测斜仪 3、支撑机构4、储液仓5、电动机 6、泵 7、减速器8、岩芯管9、钻头型取芯电钻CRREL第18页第18页CRREL钻具工艺特点是：避免钻进中形成冰渣被乙醇水溶液溶化。为此要在每个回次之前往储液仓内灌浓缩乙醇。钻进中产生冰渣会溶于在孔底循环乙醇水溶液中，这时来自储液仓浓缩乙醇被喷至循环液体中，于是保持乙醇液流浓度均匀，不会在孔底温度下结冰。每个回次结束时，把钻具提至地表从储液仓内抽出被稀释了乙醇溶液。为了预防缩径，还要向孔内注人浓乙醇液。这样每钻进1 m要消耗乙醇1l升。第19页第19页卡冰芯工序是：回次结束时，不再给进，但电机和泵仍在工作，液体继续循环，把因冷却电机而取得热量循环液由内外管之间喷至冰芯根部，使其熔蚀成颈状再提钻拉断冰芯。第20页第20页2、独联体112钻具独联体研制了使用标准系列岩芯管112钻具以下图所表示：10、空心轴11、电机9、泵室8、泵7、扭矩传感器6、支撑机构5冲击器4、冲锤3、电器仓2、电缆接头1、电缆20、卡芯元件19、岩芯管18、过渡接头17、冰渣搜集简外壳16、内管(其全长上钻有孔眼)15、过滤器14、取芯总成与驱动部分相连13、减速器12、轴套第21页第21页钻具工作程序：电机通过空心轴经行星减速器带动取芯总成回转。钻进产生冰渣在冰芯与岩芯管环状间隙中被孔底上返液流带入冰渣搜集筒内，经其上孔眼落入网式过滤器下部并积聚于此。液流穿过网式过滤器，在泵抽吸作用下沿中心通道经电机空心轴和泵室进入管外空间，支撑机构冰刀式撑杆与孔壁接触，承受反扭矩。钻具中设计了冲锤是为了便于折断冰芯和排除冰渣糊钻事故。该钻具动力系统互相独立，即使在停钻、卡芯或处理糊钻事故时，还能继续冲洗液在孔底循环,第22页第22页有助于预防冰渣孔底汇集，粘附在岩芯管上，也可免去专门净化循环液工序，节约了成孔时间。这种钻具机械钻速高(3040mh)，并且可钻进冰层下列岩石，但会大量消耗用于孔底排渣低温冲洗液。在孔径112mm，冰芯直径87mm情况下，若机械钻速为36mh到孔底最小循环液量达50 Lmin左右。独联体在南、北极试验表明，这套钻具只有与均衡给进机构相配合才干顺利钻进。第23页第23页另外，冰芯与岩芯管之间间隙过大、孔内注入液柱高度不足都将影响采用率和冰芯完整度。以后南极东方站用它在冰层较薄地方，成功地打出了世界第一个用无杆电钻钻至冰层下列岩石母体钻孔，穿过冰层后还在冻结岩石中钻进了4m，全孔没发出过事故，冰(岩)芯采用率100，终孔偏斜仅2o。第24页第24页2.5 无杆螺旋式电动取芯钻具无杆螺旋式电动取芯钻具前述钻具普通仅适合用于冰层，钻进雪层和万年雪层则要用螺旋式电动钻具。因为雪层高渗漏性，不能形成相对封闭循环空间，但用干钻时，钻3040cm就会糊钻。1、西班牙螺旋钻具这是世界上第一个有代表性无杆螺旋钻具以下图所表示：第25页第25页它岩芯管包括11、二个卡芯刀口10、内管9、外管8、电加热器7、2m长传动轴 6、支撑扶正机构5、减速器4、电机3、导向部件(内有 测斜仪)2、电缆接头1、铠装电缆第26页第26页钻进工艺特点：冰渣沿螺旋肋条上升，进入传动轴与不回转外管之间冰渣搜集仓内。回次结束后在地表通过外管上窗口清理冰渣搜集仓，下钻后若有70钻具重量压到孔底时，压力传惑器自动把信号传至地表。这套钻具设计可取3m岩芯岩芯管，但普通钻1 m以内就很难进尺。曾把装有防冻液塑料包装在内管中，钻进时冰芯顶破塑料包，防冻液与冰渣一起在内外管之间运动，可减少糊钻现象，使回次进尺提升至1.4m，采用率90，完整完好。第27页第27页2、美国CRREL螺旋钻具1、内管外表面螺旋肋条2、冰渣刮板3、三个叶形弹簧片支撑机构4、电机 5、减速器6、摩擦联轴节7、内管 8、外管9、钻头10、可卸式切削具该钻具曾用于南极钻探，钻一个100 m孔仅用2.5天，而纯钻进时间为15小时。第28页第28页1、异径接头2、左旋挡渣板3、冰渣搜集窗4、钻出冰渣5、可移动式活塞6、冰渣上返螺旋7、岩心管8、钻头3、独联体无杆电缆 承载螺旋钻具第29页第29页该钻具只有一层岩芯管7，外表面有输送冰渣上返螺旋6，始终延伸到冰渣搜集仓3处，冰渣上返至窗口时，窗上部有一左旋冰渣副板2，帮助它们进入窗口而落入岩芯管内，不会让冰渣继续往上超出窗口，至异径接头1处，从而减少卡钻也许性。冰渣在管内被可移动活塞5阻挡，活塞上部为冰渣搜集仓，下部为冰芯采集仓。第30页第30页钻具在转速为n=208rmin时，时效达40mh，采用率100，回次进尺1m。为了减少螺旋肋条与冰渣摩擦系数，减少冰渣粘附也许性，首先要尽量减少肋条表面粗糙度，另外还可采用表面涂覆聚合物办法。为了适应冰雪层钻进中使冰渣正常上返需要，独联体专家还在螺旋钻进条件下试验用空气作循环介质来清洁孔底，但是由于万年雪层含有高渗入性，不能采用正循环方式，而是反循环或者叫做真空钻进法，取得了较好效果。第31页第31页第32页第32页