獲取高質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律研究。通過數值模擬和實驗測試，揭示暖冰層回轉切削鉆進時熱量分布及其傳遞規律，研究不同鉆進參數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部的熱應力大小及其對冰芯質量的影響程度；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律，為暖冰層安全鉆進提供依據。本項目通過暖冰層破碎機理和冰屑運移規律方面的研究，旨在為合理設計電動機械鉆具、優化鉆進參數組合提供理論依據，為冰層取芯鉆探暖冰層安全鉆進提供技術對策，并為獲取高質量暖冰冰芯提供理論基礎和科學依據。

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等技術問題，項目組開展了冰層回轉鉆進切削熱、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，對冰層回轉鉆進時的鉆速、產生的切削熱量及切削具溫度變化規律進行了研究，建立了鉆井液循環條件下的切削熱和切削溫度理論計算模型；設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、轉速、鉆井液性能參數及切削具結構參數對切削熱量及切削具溫度分布的影響進行了研究，明確了冰層回轉鉆進切削熱傳遞規律；通過冰屑受力分析，研究了冰屑在鉆井液、氣體循環介質中的懸浮和上返運動規律，建立了冰屑在不同鉆井流體介質中的懸浮及上返運動方程，設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構，通過在鉆頭切削具上方設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，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，設計了冰的粘附凍結力測試實驗臺，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、冰屑運動規律及鉆具疏水防結冰涂層研究，確定了暖冰層鉆進參數組合，提出了解決暖冰層鉆進難題的技術措施，為暖冰層安全、快速、高效鉆進奠定了理論基礎。 2100433B

海水源熱泵系統是開發利用海洋熱能的有效方式之一。但是在部分沿海地區的應用會受到淤泥型地質條件及氣候條件的限制。應用滲濾取水技術可以解決這一難題，卻有可能影響取水量、取水溫度，甚至引起海水入侵問題。本項目根據多孔介質中流體的流動及換熱理論與溶質運移理論，對海水運移過程中海水流-熱量-溶質耦合運移規律進行研究。通過現場穩定流抽水實驗及實驗室分析，獲取水文地質參數。建立海水流-熱量-溶質耦合運移數學模型，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、孔隙度、彌散度等參數對地下含水層內流場分布的影響，地下含水層內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濃度分布的影響。為滲濾取水海水源熱泵系統的工程設計提供理論依據。

鉆進時可根據巖層特點、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發展成大致三類：傳統鉆探技術，熱水鉆探技術以及非常規鉆探技術。其中熱水鉆由于其特殊的介質，不污染環境等特點，體現出了巨大的潛力。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與機械取芯鉆具配套使用，在冰層利用熱水鉆進技術快速鉆進，鉆達沉積物層時，僅更換所設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。當熱水流經螺桿馬達時，其將熱水流的液體壓力轉化為螺桿旋轉的扭矩，從而驅動巖芯管及鉆頭一起旋轉。熱水流體的流速將所產生的巖屑攜帶并收集到設置在螺桿馬達上方的巖屑室中。結合理論分析與數值模擬分析流速對孔內流場及溫度場的影響，并通過試驗對規律進行驗證，從而為我國熱水鉆快速鉆進取芯技術提供理論基礎和技術支撐。