摘要
空气反循环钻进技术具有钻速快、能耗低、可不提钻连续取心取样、能有效避免积雪层漏失等优点,在冰层钻探中极具应用潜力。本文针对冰层钻探技术特点,提出了双壁钻杆式、双通道高压胶管式和寄生高压胶管式等3种空气反循环冰层钻探技术,分别介绍了其工作原理及特点。基于气力输送和气体钻井基本理论,对冰屑颗粒气体介质中的悬浮速度进行了分析,建立了单颗粒冰屑悬浮、运移方程和冰屑颗粒群悬浮方程,并设计了冰屑悬浮实验台,对冰屑悬浮所需的风速进行了实验测试。理论计算值与实验实测值吻合较好,最大误差约10.91%,结果表明冰屑粒径、冰屑密度和风量是影响其悬浮和上返速度的关建因素。可用本文建立的冰屑运动方程来计算实际钻进时携带冰屑所需的风量,为后续在极地实施冰层空气反循环钻进技术提供了依据。
极地冰层钻探技术是开展极地科学研究的重要手段之一,对研究全球气候变化、寻找古生物生命形式、分析极地冰川运动及变化过程、研究冰盖形成及演化机制、探知冰下环境及冰下矿产资源等具有重要意
双壁钻杆空气反循环钻进系统主要由钻机及钻塔、空压机、空气冷却装置、空气干燥装置、双通道水龙头、双壁钻杆、空气反循环钻头、排砂管和冰屑、冰心收集分离装置等组成,如
图1 冰层空气反循环钻进示意
Fig.1 Schematic diagram of air reverse
circulation ice drilling
如前所述,该方法的主要技术优势在于:钻机驱动钻杆和钻头切削地层,对地层适应性强,可用于冰层、冰岩夹层和冰下岩层的钻进;由于采用钻机系统,钻进速度快、效率高;采用钢钻杆,即使遇到冰下较大的融水层,发生钻孔事故的几率也比较低;取心或取样不需要提钻,与现有铠装电缆式电动机械取心钻具相比,可节省一定的辅助时间;不会发生循环漏失,且不采用钻井液,对极地环境无污染。
需要指出的是,该方法需要对现有钻机系统进行改造(尤其是液压系统、密封件等)或设计专用钻机系统,以满足极地低温条件(-50 ℃)。此外,该方法的缺点也比较明显:辅助设备较多,除钻机、钻塔、空压机及干燥、冷却设备外,还需配备双通道水龙头、双壁钻杆及拧管机等。设备总质量大,即使采用轻便的铝合金钻杆,其质量仍远超现有铠装电缆式电动机械钻具系统;劳动强度大,钻机辅助时间长,即使采用拧管机等辅助设备,加接双壁钻杆对极地现场操作而言,仍是较大的挑战。
鉴于采用钻机和双壁钻杆进行作业时,设备和能量消耗大,需不断加接钻杆,劳动强度大、辅助时间长等缺点,提出了一种新型的采用双通道高压胶管式空气反循环冰层钻进技术,如
图2 双通道高压胶管式反循环钻进示意
Fig.2 Schematic diagram of double⁃channel high
pressure hose reverse circulation drilling
与双壁钻杆式空气反循环钻进技术相比,该系统的技术优势较为明显:所有设备均安装在雪橇上,方便极地快速移动运输;采用绞车和柔性管代替传统的钻机和双壁钻杆,钻探装备质量、尺寸和功率消耗大幅度降低,减轻了极地后勤保障负担;采用绞车提升和下放钻具,无需经常加接钻杆,大幅降低了劳动强度;利用空压机提供的高压气体直接驱动空气马达工作,带动孔内钻具回转切削冰层,孔内无需额外动力,使得钻具结构极为简单且可靠性大幅增加;更为重要的是,冰屑可连续不断地上返至地表,无需经常提放钻具,可大幅降低钻进辅助时间,极大地提高了钻进效率。
该钻进方法的主要问题在于长圆柱形冰心无法有效通过缠绕在绞车上的高压胶管,因此只能用于全面钻进。此外,由于高压胶管设计为双通道,直径和质量大,缠绕困难。当钻孔较深时,绞车尺寸和质量增大。
为满足冰层连续取心的需要,可采用寄生高压胶管式空气反循环冰层钻进技术,即采用2根胶管为孔底钻具提供循环通道,如
图3 寄生高压胶管式反循环钻进示意
Fig.3 Schematic diagram of parasitic high pressure
hose reverse circulation drilling
无论采用何种钻进方式,无论取心钻进还是全面钻进,都必须保证冰屑能够连续不断地返至地表。由于冰屑密度及尺寸与岩屑不同,需对冰屑的悬浮及上返风速进行分
根据气力输送基本原理,作如下假设:(1)冰屑为规则球形颗粒;(2)冰屑密度均匀。
对单个冰屑受力进行分析可知,冰屑在气体介质中主要受重力、绕流阻力和气体的浮力,如
图4 冰屑受力分析
Fig. 4 Force analysis for ice chips
当冰屑受力平衡时,其在气体中悬浮,即:
(1) |
式中:Fr——冰屑颗粒的绕流阻力,N;W——冰屑的重力,N;Ff——冰屑在气体中所受的浮力,N。
根据气力输送理论,冰屑颗粒的绕流阻力可计算为:
(2) |
式中:C——阻力系数;ρ——气体的密度,kg/
冰屑的重力和浮力可分别按下式计算:
(3) |
(4) |
式中:ρs——冰屑的密度,kg/
将式(
(5) |
由
根据气力输送基本原理,阻力系数C是雷诺数的函数,可按粘性阻力区、过渡区和涡流压差阻力区分别计
冰屑颗粒群悬浮、运动时,存在颗粒与颗粒之间、颗粒与钻杆之间的互相碰撞。同时,冰屑颗粒群的总体积相对于流体体积无法忽略,会对流体的流态造成一定影响,而流体的流态变化又会影响颗粒的悬浮。因此,需对冰屑颗粒群的悬浮速度进行分析。根据气力输送理论,冰屑颗粒体积分数越大,颗粒群的悬浮速度越小,当体积分数相同时,冰屑颗粒直径越小,冰屑颗粒数目越多,冰屑颗粒表面积越大,受到的绕流阻力也就越大,相应悬浮速度就越小。同时,由于颗粒数目增多,颗粒之间的碰撞、摩擦、动量交换及损失发生的就越为频繁,使悬浮速度进一步减小。因此,冰屑群的悬浮速度比单颗粒的自由沉降速度小。
冰屑颗粒群的悬浮速度可由下式计算:
(17) |
式中:vn——颗粒群悬浮速度,m/s;v0——单颗粒悬浮速度,m/s;Φ0——颗粒群体积分数;β——实验指数。
实验指数与颗粒绕流雷诺数的关系如
钻进产生的冰屑单位体积流量与钻进速度、钻头直径等参数有关:
(18) |
冰屑颗粒在井筒内上返体积流量可表示为:
(19) |
式中:QP和Qtr——分别为单位时间内冰屑的产生体积流量和上返体积流量,
根据固体颗粒体积平衡理论,单位时间内冰屑的上返量应等于其产生量,即:
(20) |
将
(21) |
为确保孔底冰屑净化干净,冰屑上返所需的最低风速vi min可表示为:
(22) |
根据该式可计算冰层空气反循环钻进时,携带冰屑上返所需的最小风
冰屑悬浮实验台主要由空压机、支撑钢架、竖直有机玻璃管(模拟钻杆通道)、压力传感器、流量计和数据采集系统组成,其原理如
图5 冰屑悬浮实验台
Fig.5 Ice chips suspension test bench
图6 实验台实物
Fig.6 Actual laboratory bench and test materials
图7 单个冰屑颗粒悬浮结果曲线
Fig.7 Result for single ice particle suspension
在颗粒群悬浮实验中,控制冰屑颗粒群的体积分数为0.04,根据有机玻璃管内径尺寸及冰屑颗粒尺寸,分别算出颗粒群的质量,将其投入有机玻璃管内进行悬浮实验,结果如
图8 冰屑颗粒群悬浮结果曲线
Fig.8 Result for ice particle group suspension
图9 单个冰屑颗粒悬浮结果曲线
Fig.9 Result for single ice particle suspension
图10 冰屑颗粒群悬浮结果曲线
Fig.10 Result for ice particle group suspension
将聚丙烯颗粒染成红色,然后观察颗粒群悬浮现象,如
图11 冰屑颗粒群悬浮实验现象
Fig.11 Observations in ice particle group
suspension experiment
(1)针对极地环境及冰层钻进技术特点,提出了双壁钻杆式、双通道高压胶管式和寄生管高压胶管式等3种空气反循环钻进技术,通过对其工作原理及特点进行分析可知,寄生管式空气反循环钻进技术具有重力轻、整体尺寸小、能耗低、可连续取心取屑、无需加接钻杆等优点,在极地冰层钻探中极具推广应用潜力。
(2)借鉴气力输送基本原理,对单个冰屑及冰屑颗粒群的悬浮风速进行了理论分析,建立了冰屑颗粒悬浮及上返运动方程,确定了冰屑粒径、冰屑密度和风量是影响其悬浮和上返速度的关键因素。
(3)设计了冰屑悬浮实验台,对冰屑悬浮风速进行了实验测试。结果表明,冰屑颗粒悬浮所需的风速随其当量直径的增大而增大;理论计算值与实验实测值吻合较好,最大误差约10.91%,可用本文建立的冰屑运动方程来计算实际钻进时携带冰屑所需的风量。
参考文献(References)
姚檀栋,王宁练.冰芯研究的过去、现在和未来[J].科学通报,1977,42(3):225-230. [百度学术]
YAO Tandong, WANG Ninglian. Past, present and future of ice core research[J]. Chinese Science Bulletin, 1977,42(3):225-230. [百度学术]
王宁练,姚檀栋.冰芯对于过去全球变化研究的贡献[J]. 冰川冻土,2003,25(3):275-287. [百度学术]
WANG Ninglian, YAO Tandong. The contribution of ice cores to the study of past global changes[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2003,25(3):275-287. [百度学术]
张向培.基于冰雷达探测技术的南极冰盖冰层厚度和冰下地形特征研究[D].长春:吉林大学,2007. [百度学术]
ZHANG Xiangpei. The study of ice thickness and bed topography in the Antarctic ice sheet detected by ice penetrating radar[D]. Changchun: Jilin University, 2007. [百度学术]
姚檀栋,王宁练.冰芯:研究过去环境变化的重要手段[J].科学,1996,48(6):45-47,3. [百度学术]
YAO Tandong, WANG Ninglian. Ice core: An important means of studying past environmental changes[J]. Science, 1996,48(6):45-47,3. [百度学术]
高登义.地球有过四个高温期,全球变暖并非温室效应[J].生态经济,2004(5):40-41. [百度学术]
GAO Dengyi.The earth has had four periods of high temperature,global warming is not a greenhouse effect[J].Ecological Economy,2004(5):40-41. [百度学术]
曹品鲁,陈宝义,刘春朋,等.极地深冰心钻探“暖冰”层钻进技术难点及对策[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2014,41(9):58-62. [百度学术]
CAO Pinlu, CHEN Baoyi, LIU Chunpeng, et al. Analysis of the technology difficulties and countermeasures in warm ice deep core drilling[J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling), 2014,41(9):58-62. [百度学术]
刘春朋.冰层回转钻进切削热分析与实验研究[D].长春:吉林大学,2014. [百度学术]
LIU Chunpeng. Thermal analysis and experimental study on ice core drilling[D]. Changchun: Jilin University, 2014. [百度学术]
曹品鲁,陈卓,曹宏宇,等.冰层回转钻进钻头切削具温度理论计算分析[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2020,47(1):5-12. [百度学术]
CAO Pinlu, CHEN Zhuo, CAO Hongyu, et al. Theoretical calculation and analysis on cutting heat with drilling fluid in ice core drilling[J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling), 2020,47(1):5-12. [百度学术]
杨成.极地冰岩夹层钻进碎岩机理分析及试验研究[D].长春:吉林大学,2016. [百度学术]
YANG Cheng. Theoretical and experimental study on fragmentation mechanism during polar debris⁃rich ice drilling[D]. Changchun: Jilin University, 2016. [百度学术]
陈云望.螺旋流引射式反循环钻头设计与实验研究[D].长春:吉林大学,2018. [百度学术]
CHEN Yunwang. Structure design and experimental research on a reverse circulation drill bit with a spiral slot[D]. Changchun: Jilin University, 2018. [百度学术]
胡正毅.空气孔底局部反循环电动机械冰层取心钻具研究[D].长春:吉林大学,2015. [百度学术]
HU Zhengyi. The study of the armored cable suspended electro⁃mechanical ice coring drill with near⁃bottom air reverse circulation[D]. Changchun: Jilin University, 2015. [百度学术]
赵齐.冰层空气反循环钻进旋流式钻头设计及试验研究[D].长春:吉林大学,2020. [百度学术]
ZHAO Qi. Structure design and experimental research on ice drill bit with air reverse circulation[D]. Changchun: Jilin University, 2020. [百度学术]
CAO Pinlu, ZHAO Qi, CHEN Zhuo, et al. Orthogonal experimental research on the structural parameters of a novel drill bit used for ice core drilling with air reverse circulation[J]. Journal of Glaciology, 2020,65(254):1011-1022. [百度学术]
Johnsen S.J., Hansen S.B., Sheldon S.G., et al. The Hans Tausen drill: design, performance, further developments and some lessons learned [J]. Ann. of Glaciology, 2007,47:89-98. [百度学术]
Whelsky A.N., Albert M.R. Firn permeability impacts on pressure loss associated with rapid air movement drilling[J]. Cold Regions Science and Technology, 2016,123:149-154. [百度学术]
郭建华,李黔,王锦,等.气体钻井岩屑运移机理研究[J].天然气工业,2006, 26(6):66-67. [百度学术]
GUO Jianhua, LI Qian, WANG Jin, et al. Study on cuttings migration mechanism during gas drilling[J]. Natural Gas Industry, 2006,26(6):66-67. [百度学术]
胡正毅,曹品鲁,薛军,等.气体局部反循环电动机械冰钻技术[J].吉林大学学报(地球科学版),2012,42(3):374-378. [百度学术]
HU Zhengyi, CAO Pinlu, XUE Jun, et al. Investigations of near⁃bottom air reverse circulation in non⁃pipe electromechanical ice drill technology[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2012,42(3):374-378. [百度学术]
CAO Pinlu, CAO Hongyu, CAO Jine, et al. Studies on pneumatic transport of ice cores in reverse circulation air drilling[J]. Powder Technology, 2019,356:50-59. [百度学术]
温翔宇,贾洪雷,张胜伟,等.基于EDEM-Fluent耦合的颗粒肥料悬浮速度测定试验[J].农业机械学报,2020,51(3):69-77. [百度学术]
WEN Xiangyu, JIA Honglei, ZHANG Shengwei, et al. Test of suspension velocity of granular fertilizer based on EDEM-Fluent coupling[J]. Transactions of The Chinese Society of Agricultural Machinery, 2020,51(3):69-77. [百度学术]
范大友.空气反循环冰层取芯钻具设计与试验研究[D].长春:吉林大学,2019. [百度学术]
FAN Dayou. Structure design and research on ice⁃coring drill with air reverse circulation for ice layer[D]. Changchun: Jilin University, 2019. [百度学术]
CAO Pinlu, LIU Miaomiao, CHEN Zhuo, et al. Theory calculation and testing of air injection parameters in ice core drilling with air reverse circulation[J]. Polar Science, 2018,17:23-32. [百度学术]
杨伦,谢一华.气力输送工程[M].北京:机械工业出版社,2006. [百度学术]
YANG Lun, XIE Yihua. Pneumatic conveying engineering[M]. Beijing: Mechanical Industry Press, 2006. [百度学术]
Pneumatic Conveying Design Guide[M]. Elsevier Ltd: 2016. [百度学术]
Talalay P.G. Drill heads of the deep ice electromechanical drills[J]. Cold Regions Science and Technology, 2013,97: 41-56. [百度学术]
胥思平.欠平衡钻井气体体积流量的计算[M].北京:中国石化出版社,2006. [百度学术]
XU Siping. Gas volume requirements for underbalanced drilling[M]. Beijing: China Petrochemical Press, 2006. [百度学术]