針對暖冰層鉆進冰屑融化導致機械鉆速慢、冰屑無法有效攜離孔底及冰屑易在鉆具局部位置再次凍結(jié)等技術(shù)問題，項目組開展了冰層回轉(zhuǎn)鉆進切削熱、冰屑運移速度及鉆具防凍等三個方面的研究。基于切削理論和傳熱學，通過切削具受力分析，對冰層回轉(zhuǎn)鉆進時的鉆速、產(chǎn)生的切削熱量及切削具溫度變化規(guī)律進行了研究，建立了鉆井液循環(huán)條件下的切削熱和切削溫度理論計算模型；設(shè)計加工了微鉆實驗臺，對冰層鉆進時鉆頭切削具的溫度進行了實驗測試，并利用Flow Simulation軟件通過流固耦合分析，對切削溫度在切削具上的分布及對周圍孔壁、冰芯的影響進行了仿真分析，并對鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆井液性能參數(shù)及切削具結(jié)構(gòu)參數(shù)對切削熱量及切削具溫度分布的影響進行了研究，明確了冰層回轉(zhuǎn)鉆進切削熱傳遞規(guī)律；通過冰屑受力分析，研究了冰屑在鉆井液、氣體循環(huán)介質(zhì)中的懸浮和上返運動規(guī)律，建立了冰屑在不同鉆井流體介質(zhì)中的懸浮及上返運動方程，設(shè)計了冰屑顆粒懸浮實驗臺對理論方程進行了驗證；為改善孔底冰屑凈化效果，提出了鎧裝電纜式電動機械雙管鉆具結(jié)構(gòu)，通過在鉆頭切削具上方設(shè)置射流噴嘴形成的高速射流，對切削具進行沖刷和冷卻，可有效降低切削具溫度，并防止冰屑在切削具上粘附凍結(jié)，利于提高機械鉆速；對冰芯在氣體中的懸浮與上返速度進行了分析，建立了冰芯運動方程，明確了氣體鉆進暖冰層的可行性；選擇了四種能夠用于金屬表面且噴涂工藝簡單的疏水涂層，設(shè)計了冰的粘附凍結(jié)力測試實驗臺，對不同溫度下冰在平面涂層和曲面涂層上的法向和切向粘附凍結(jié)力進行了測試，并對其耐磨性和使用壽命進行了分析，確定了應(yīng)用于鉆具表面的涂層材料；通過上述鉆速和切削熱研究、冰屑運動規(guī)律及鉆具疏水防結(jié)冰涂層研究，確定了暖冰層鉆進參數(shù)組合，提出了解決暖冰層鉆進難題的技術(shù)措施，為暖冰層安全、快速、高效鉆進奠定了理論基礎(chǔ)。 2100433B

獲取高質(zhì)量冰芯是極地冰芯鉆探的直接目的，也是從事深冰芯研究的根本保證。本項目以獲取極地冰芯鉆探“暖冰”層取芯質(zhì)量、保障鉆進安全為目標，開展暖冰層破碎機理和冰屑運移規(guī)律研究。通過數(shù)值模擬和實驗測試，揭示暖冰層回轉(zhuǎn)切削鉆進時熱量分布及其傳遞規(guī)律，研究不同鉆進參數(shù)條件下鉆頭周圍溫度場的變化及其對冰芯、冰屑的影響，并通過熱-力耦合分析研究冰芯內(nèi)部的熱應(yīng)力大小及其對冰芯質(zhì)量的影響程度；通過鉆具防凍及冰屑粘附問題研究，分析不同條件下冰屑的運移規(guī)律，為暖冰層安全鉆進提供依據(jù)。本項目通過暖冰層破碎機理和冰屑運移規(guī)律方面的研究，旨在為合理設(shè)計電動機械鉆具、優(yōu)化鉆進參數(shù)組合提供理論依據(jù)，為冰層取芯鉆探暖冰層安全鉆進提供技術(shù)對策，并為獲取高質(zhì)量暖冰冰芯提供理論基礎(chǔ)和科學依據(jù)。

海水源熱泵系統(tǒng)是開發(fā)利用海洋熱能的有效方式之一。但是在部分沿海地區(qū)的應(yīng)用會受到淤泥型地質(zhì)條件及氣候條件的限制。應(yīng)用滲濾取水技術(shù)可以解決這一難題，卻有可能影響取水量、取水溫度，甚至引起海水入侵問題。本項目根據(jù)多孔介質(zhì)中流體的流動及換熱理論與溶質(zhì)運移理論，對海水運移過程中海水流-熱量-溶質(zhì)耦合運移規(guī)律進行研究。通過現(xiàn)場穩(wěn)定流抽水實驗及實驗室分析，獲取水文地質(zhì)參數(shù)。建立海水流-熱量-溶質(zhì)耦合運移數(shù)學模型，對不同工況下地下水速度場、溫度場、濃度場分布進行數(shù)值模擬。研究在滲濾取水的過程中，地下含水層速度場、溫度場、濃度場分布，分析海岸井位置、取水流速、溫度、滲透系數(shù)、孔隙度、彌散度等參數(shù)對地下含水層內(nèi)流場分布的影響，地下含水層內(nèi)的換熱過程對取水溫度的影響，以及海水運移過程對地下含水層溶質(zhì)濃度分布的影響。為滲濾取水海水源熱泵系統(tǒng)的工程設(shè)計提供理論依據(jù)。

鉆進時可根據(jù)巖層特點、取芯要求，合理選擇取芯鉆具。常用的鉆具有單動雙管鉆具、單動三層管鉆具、單動雙管半合管鉆具、接頭型噴射式反循環(huán)鉆具、繩索取芯鉆具和套鉆法取芯等 。

南極大陸冰下沉積物巖芯是探索地球歷史與氣候的重要樣品，但是世界上尚且沒有任何一個國家成功鉆獲冰下沉積物樣品。而目前的快速鉆探技術(shù)發(fā)展成大致三類：傳統(tǒng)鉆探技術(shù)，熱水鉆探技術(shù)以及非常規(guī)鉆探技術(shù)。其中熱水鉆由于其特殊的介質(zhì)，不污染環(huán)境等特點，體現(xiàn)出了巨大的潛力。但是對于冰下沉積物巖芯的研究進展緩慢。本項目提出采用熱水鉆進系統(tǒng)與機械取芯鉆具配套使用，在冰層利用熱水鉆進技術(shù)快速鉆進，鉆達沉積物層時，僅更換所設(shè)計的機械取芯鉆具即可完成取芯。機械取芯鉆具包含反扭裝置、巖屑管、螺桿馬達、巖芯管以及鉆頭等部分。當熱水流經(jīng)螺桿馬達時，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)動巖芯管及鉆頭一起旋轉(zhuǎn)。熱水流體的流速將所產(chǎn)生的巖屑攜帶并收集到設(shè)置在螺桿馬達上方的巖屑室中。結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬分析流速對孔內(nèi)流場及溫度場的影響，并通過試驗對規(guī)律進行驗證，從而為我國熱水鉆快速鉆進取芯技術(shù)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。