摘要
为了满足南极科学钻探的需求，获取南极内陆深冰层下的基岩样本，需要从耐温和保温两方面提升南极钻机抵御极寒气候的能力。为了应对运输过程以及工作过程中裸露件面临的低温挑战，需要对钻机传动轴、密封材料、钻井液进行耐低温材料的选择，而钻机主体在工作过程中应处于一定保温载体和保温材料的整体保温加热环境中。本文对南极钻机的耐温材料和保温方式进行了综述和优选，认为应尽快设计建立低温地质钻机的系统保温方案和评价体系，丁腈橡胶是一种适用于南极钻机的低温密封材料，丁酸乙酯和丙酸丙酯等小分子酯是南极内陆钻探潜在的钻井液，以保温集装箱为主体多种加热方式共同作用为保温加热形式。对保证钻机能够在南极内陆的恶劣工况下保持正常稳定的工作具有一定意义。
广袤的南极大陆占地球陆地总面积的近1/10，蕴含着丰富的矿产资源和极高的科研价值。但南极大陆的冰层覆盖率达到95%以上，这使得人们对南极冰下地质环境的探索开展的十分困难。随着我国太空、深海、极地等领域科学研究的深入，对南极地层信息的研究更是被提升到了一个新的高度。开展南极地层信息研究，对于重建南极地区古气候和地层结构，探索南极地区的冰下矿藏等方面都具有重要意
目前，已开展的南极基岩钻探都位于距海岸带不远的地区，而在广袤的南极内陆均没有取到基岩样品，还远远不能满足南极科学研究的需求，必须前往南极内陆地区开展深冰层下的基岩钻探。而南极内陆地区相对海岸带地区气候环境更加恶劣，最低温度可达-50 ℃，烈风等级可达12级，现有的地质钻机不能满足在这种极端工况下的正常的运输和使用。因此，为了进一步开展南极内陆深冰层下的基岩科学钻探，必须开发一款成熟的、符合南极运输条件的轻便式模块化钻机。
为了使开发的轻便式模块化钻机能够满足在南极内陆地区极端恶劣工况下的正常稳定工作，需要在工作过程中对钻机整体采取一定的环境保温措施，但考虑到钻机在运输过程中同样受到低温条件的影响，还需对钻机的相关关键部件进行耐温材料的优选。由于南极钻机轻便化和模块化的需求，在进行钻机的耐温材料和保温方式的选择时，应依照钻机不同部分的保温耐温需求，综合考虑南极运输能力的大小来进行优选。
20世纪中期，以美国、苏联为首的各国开始对南极进行考察研究实验，使用商业回转钻机对南极冰盖进行钻探试验，早期的南极钻机代表有美国 CRREL 实验室设计研发的314型重装回转钻机和前苏联的KAM-500型常规钻
到了20世纪60年代，美国成功研制CRREL铠装电缆式电动机械钻具，这种钻机具有体积小、质量轻、能源消耗少、便于运输和安装等优点。自此之后，钻井液孔底循环式的电缆式电动机械钻具成为一种开展南极钻探的常见工具形式，各国纷纷借鉴并研发了相同类型的钻具，代表性的有俄罗斯的KEMS-112型钻具，丹麦的ISTUK型钻具
为解决这一问题，轻便式模块化钻机拟采用成熟液压动力头式回转钻机的结构形式，以美国ASIG钻具（见
图1 ASIG钻具结构示意
在钻机的设计过程中，首先要保证钻机在南极极低气温下工作的安全性，其次要遵循经济型原则，在满足工况的条件下尽可能节约制造成本。钻机用钢总体上可分为普通的低合金高强度钢材和低温钢材2种，常用的低合金高强度钢材有Q345和Q420等几
在钻机用钢的具体选择上，一般的结构件以及具有保温措施的部件，如底座，结构件等可使用如Q345的低合金高强度材料。具体材料可以通过低温性能试验来筛选，只要其在使用的最低环境温度下，3个试样的低温冲击功平均值>27 J，且单个值≮20 J，即可满足结构在低温下的使用要
南极的低温环境会对钻机的密封性能产生很大的影响，一般钻机中的橡胶密封材料会随着温度降低而逐渐变硬，拉伸、压缩变形后的恢复速度越来越慢，恢复程度也越来越低。从常用的橡胶密封材料中选择出合适的耐低温密封材料，将大大提高南极钻机的密封性能。本文选取了工程中常用的4种橡胶密封材料。
（1）三元乙丙橡胶。具有优异的耐老化性、较好的弹性和低温性能以及优异的压缩永久变形，同时还具有优异的耐水性和耐水蒸汽性。其使用温度范围也很广，一般可以在-40~125 ℃之间长期使用。特殊的配方可以将低温性能降到-55 ℃左右；或者将高温上限提高到150 ℃。三元乙丙橡胶不耐脂肪烃和芳香烃等油类，在有矿物油、汽油、燃油等环境下，会很快溶胀，同时机械强度会大大降低。所以三元乙丙橡胶件无法作为润滑油的密封件。
（2）氟橡胶。具有高度的耐热性，优良的化学惰性（耐化学品、耐腐蚀、耐油），很好的物理机械性能，较为耐磨，并且还具有优异的耐低温性和抗老化性。普通氟橡胶一般可以在-25~200 ℃之间使用，低于-25 ℃就会变得脆硬，密封性能也大大降低。
（3）硅橡胶。其弹性体是由聚二甲基硅氧烷合成的，具有优异的耐水性、耐候性、耐臭氧性等性能，同时还有气味小、易加工成型等优点。普通硅橡胶可以在-55~225 ℃之间使用。缺点是抗拉伸强度不好，抗撕裂性和耐磨性也不好，价格也较高。
（4）丁腈橡胶。是由丁二烯和丙烯腈共聚而成的，是一种耐油性非常好的弹性体，在航空航天、汽车等行业中有着广泛的应用。同时其耐磨性和低温性能也很优异，采用优化配方制得的丁腈橡胶脆性温度超过-60 ℃，是一种较为常见的南极橡胶密封材料。
可用于极地地区的低温密封材料一直是近年来的研究热点。华北电力大学的张文文
各种密封材料的性能对比见
| 材 料 | 脆性温度/℃ | 硬度值/（Shore A） | 抗拉伸强度/MPa | 耐油性 |
|---|---|---|---|---|
| 三元乙丙橡胶 | -40 | 50~90 | 3~18 | 不耐油 |
| 氟橡胶 | -25 | 70~80 | 2~7 | 耐油 |
| 硅橡胶 | -55 | 30~70 | 4~12.5 | 较耐油 |
| 丁腈橡胶 | -60 | 70~90 | 24~28 | 耐油 |
对比各种密封材料的低温特性，从拉伸强度、压缩永久变形、南极钻机具体工况等方面综合评价，认为丁腈橡胶是一种较为理想的南极钻机密封材料。其良好的耐低温性使其能够满足南极钻机在-50 ℃低温下工作的需求，优异的机械性能能够保证其在较长工作区间内工作的稳定
在进行钻探作业时，钻井液具有冷却钻头、带动切屑上返、维护孔壁稳定的重要作用。考虑到南极内陆地区的气候条件，首先要保证钻井液具有抵御外界最低气温的低凝点，要求凝点<-50 ℃。此外，钻井液在低温下要有合适的密度和粘度。根据哥本哈根大学报告中给出的南极地区低温钻井液的性能要求，参考南极地区冰层的密度为910~925 kg/
（1）石油基钻井液。一般由双组分构成，柴油、煤油、脱芳烃溶剂等石油产品作为其主体基液，但由于基液低温下的密度低于冰的密度，因此使用时需要将基液与密度明显大于冰的三氯乙烯、四氯乙烯等增重剂混合，以增大其低温下的密度，增强流动性。石油基钻井液是最早在南极地区使用的钻井液之一，但由于其存在的低温粘度大、毒性和腐蚀性强、易破坏南极脆弱的生态环境等问题，近些年来已经被逐渐取代。
（2）醇基钻井液。主要包括乙醇和乙二醇的水溶液。醇基钻井液也是南极钻探早期常用的钻井液类型之一，但由于其在低温下的粘度很大，在钻探过程中会产生很大的旋转阻力，降低钻探效率；并且醇基钻井液对冰有溶融性，在作业过程中会造成孔壁的腐蚀和堵
（3）硅油基钻井液。主要代表是甲基硅油，这是一种无色、无味、无毒、不溶于水且不挥发的惰性溶剂，甲基硅油在-50 ℃低温下的密度和粘度能够满足南极钻探作业的要求。同时它具有目前已开发钻井液中最好的粘温性，当温度变化时造成的粘度变化很小。但由于甲基硅油的制作成本较高，考虑到经济性原因并未成为绝大多数南极钻探工程钻井液的首选。
（4）酯基钻井液。主要包括乙酸丁酯、丁酸乙酯和丙酸丙酯。乙酸丁酯在低温下具有合适的密度和粘度，在-50 ℃的环境条件下密度接近970 kg/m³，粘度保持在3 mPa·s以下，可以不添加增重剂而直接作为南极钻探作业的钻井
展嘉佳
总的来看，目前可用于南极钻探的钻井液种类很多，但缺少一种能够满足南极钻探各项具体要求的理想型钻井液。综合各类型低温钻井液的优缺点，将丁酸乙酯和丙酸丙酯等小分子酯选作潜在的南极内陆钻探钻井液，它们既在低温下具有合适的密度和粘度，同时还具有优异的低温性能，并且对钻探作业中橡胶制品的腐蚀较小，是一种较为合适的低温钻井液。但目前还未有过使用小分子酯作为低温钻井液的工程实例，且在接触使用小分子酯时需注意严格按照操作规范，避免对工作人员的身体造成伤害。
根据对已开展的南极冰下基岩钻探试验的调研，由于其钻探深度以及作业时间、作业地点的不同，导致其装备所需的保温加热要求不同，装备形式也不尽相同。目前常见的装备形式主要有露天式、帐篷式和集装箱式3种。美国Winkie钻探装备（如
图2 美国Winkie钻探装备
图3 吉林大学IBED钻探装备
不同装备形式的保温能力差异较大，适用于不同的环境工况。其中常见的南极帐篷的胚布采用涂塑PVC帆布，这种材质具有较强的防水及柔韧特性，并且具有较好的耐用性。其结构为双层PVC帆布中间加保温材料缝合在一起而形成，目前常用的防寒帐篷的夹芯保温材料有纺织类、建筑类、新型柔性气凝胶保温材料3类。钱晶晶
综合考虑南极内陆地区极寒、烈风等恶劣环境的要求，为保证作业安全，应采用集装箱式装备形式作为环境保温方式的主体，并对集装箱进行保温设计，加装保温材料，减少箱体内外热量交换。使用保温集装箱作为南极钻探作业时的钻探舱以及工作舱，既能保证在运输钻探装备过程中具有良好的密封效果，又能在钻探作业时具有良好的防风、防水和保温特性。
目前常见的设备保温材料主要包括岩棉、玻璃棉、橡塑海绵、聚氨酯硬质泡沫塑料等几种。
（1）岩棉。是工业中较为广泛使用的保温材料，导热系数为0.04 W/（m·K），它以玄武岩为主要原料，经高温离心后与其它添加剂混合制
（2）玻璃棉。常用于建筑中的保温防火工程，它不燃且阻燃，具有一定的耐高温性。玻璃棉的密度较小，价格便宜，但保温性较其他材料稍差，导热系数为0.034 W/（m·K
（3）聚氨酯硬质泡沫塑料。聚氨酯硬泡在发泡后会在材料内部产生无数的封闭空气泡，依靠封闭空气泡内部的空气来实现保温，导热系数小，一般低于0.024 W/（m·K）。同时闭孔结构除了能够保温，还是一层天然的防水屏障，能很好地阻断水和水蒸气的渗透，使聚氨酯具有较好的防水
（4）橡塑海绵。是由优质丁腈橡胶和聚氯乙烯为主体材料混合后加热挤压成。丁腈橡胶和聚氯乙烯分别赋予了橡塑海绵优异的耐油和耐热型、良好的耐磨性以及阻燃性和稳定的化学性能。同时橡塑海绵具有很好的弹性和拉伸强度，抗老化性
各种保温材料的性能对比见
| 材 料 | 导热系数/ W/（m·K） | 防水性 | 化学 性能 | 密度/（kg· | 制造成本 |
|---|---|---|---|---|---|
| 岩棉 | 0.04 | 差 | 较稳定 | 150 | 低 |
| 玻璃棉 | 0.034 | 差 | 较稳定 | 100 | 低 |
| 聚氨酯硬泡 | 0.024 | 好 | 稳定 | 50 | 较高 |
| 橡塑海绵 | 0.026 | 好 | 稳定 | 45 | 高 |
这4种保温材料在建筑、工程等方面都有广泛的研究和应用实例。王肇嘉
在选取南极钻机保温材料时，聚氨酯材料同样具有优越性，能够满足选材的几点原则：（1）尽可能采用热导系数小的高效保温隔热材料，这样既能减少热交换量，提高保温效率，又能尽可能减少保温层的厚度，提高室内使用面积；（2）在保证保温效果的前提下，尽可能的节约材料成本，选择经济性高的保温材料；（3）要求保温材料要轻便，由于南极地区的运输能力极为有限，基本只能依靠直升机吊装和极地雪橇车托运，减少保温材料质量可以大大节约运输资源的消耗。聚氨酯硬泡在几种保温材料中热导系数最低，保温效果好，并且聚氨酯在常见保温材料中密度相对更小，综合考虑选用聚氨酯作为集装箱内部的的保温材料。因此，经过对比，将以聚氨酯作为内保温材料的集装箱式保温作为整套钻探装备的环境保温方式。
针对低温环境下的钻机供暖系统加热，主要包括蒸汽加热、热空气加热、电伴热带加热等3种方式。
（1）蒸汽加热。进行蒸汽加热的蒸汽加热系统一般包括蒸汽发生器、自动补水管路、冷凝水回收管路以及蒸汽输送管路4大部分。蒸汽是一种传热系数很高的介质，它的压力和温度的关系稳定，可以通过施加确定的压强来获得想要的温
（2）热空气加热。主要用于给放置固控系统等关键钻探设备的集装箱内部加热，提高集装箱内的整体环境温度，保证钻机的正常稳定工作并为工作人员提供一个合适的工作温度。热空气加热通过加热器和风管实现，加热器以柴油为燃料将空气加热，由风管将热空气传输到各个集装箱
（3）电伴热带加热。包括有限功率和自限温2种类型，其中自限温伴热带可根据管道温度调节输出功率，保持管道表面恒
针对南极钻机加热方式的选择，可以借鉴海洋石油平台较为成熟的加热系统模式，多种加热方式组合使用，根据具体部件选择与之相应的合适的加热方式。使用蒸汽加热的方式来加热钻井液罐中的钻井液，热空气加热来为各保温集装箱提供整体环境加热，电伴热带加热来为各裸露的管线进行加热，以得到最好的保温加热效果。
（1）目前还没有系统的针对地质钻机的低温保温方法，现有的保温方法大都借鉴于低温石油钻机。应尽快设计建立低温地质钻机的系统保温方案和评价体系，能够根据具体的施工条件来选取保温材料和方法。
（2）丁腈橡胶在-50 ℃低温下依旧能够保持良好的力学性能，是一种较为理想的，能够抵御南极内陆地区恶劣环境，适用于南极钻机的低温密封材料。
（3）现有的适合于南极地区钻探的低温钻井液类型较多，但都存在一定程度的缺点，还需要从研究低温钻井液作用机理出发，研发出在低温性能、环保性等各方面都具有优越性的新型低温钻井液基液及相关添加剂，构建新型低温钻井液体系，并完善相关的施工工艺。丁酸乙酯和丙酸丙酯等小分子酯是南极内陆钻探潜在的钻井液。
（4）针对南极钻机的保温加热形式，可采用保温集装箱作为环境保温主体，多种加热方式共同作用的形式，以实现较好的保温效果，保证钻机控制系统等需保温部件的正常工作。
参考文献（References）
Andrew M. Smith， John Woodward， Neil Ross， et al. Evidence for the long‑term sedimentary environment in an Antarctic subglacial lake［J］. Earth and Planetary Science Letters， 2018，504. [百度学术]
Igor A. Zotikov， Victor S. Zagorodnov，Juriy V. Raikovsky. Core drilling through the ross ice shelf （Antarctica） confirmed basal freezing［J］. Science， 1980，207：4438. [百度学术]
李星辰.深冰下基岩取心钻进模块的设计优化及试验研究［D］.长春：吉林大学，2020. [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]
Akiyoshi Takahashi， Yoshiyuki Fujii， Hideki Narita， et al. Development of the JARE deep ice coring system III［J］. Antarctic Record， 1996，40（1）. [百度学术]
Bentley Charles R.， Koci Bruce R. Drilling to the beds of the Greenland and Antarctic ice sheets： A review［J］. Annals of Glaciology， 2007，47. [百度学术]
王高社，王平怀，张亚林，等.一种低温铸钢材料的研制［J］.铸造技术，2021，42（2）：105-107. [百度学术]
王刚，麻晓峰，刘林等.低温高强度钻机用LS9#铸钢的制备工艺开发［J］.四川冶金，2022，44（4）：40-43. [百度学术]
赵旭平，张正芳，袁启波.低温材料RW60E钢的线膨胀系数测定及其数学模型［J］.金属热处理，2012，37（11）：116-118. [百度学术]
汪金桃.低温钻机金属材料性能与工艺研究［J］.石油机械，2008，36（9）：117-120. [百度学术]
赵旭平，张良，聂成，等.低温钻机用铸钢件铸造技术分析［J］.石油机械，2009，37（11）：46-47，81. [百度学术]
陈威，高义民，邢建东，等.一种低合金低温铸钢及其组织与性能［J］.西安交通大学学报，2008（7）：875-879. [百度学术]
张文文，王胜辉，律方成.硅橡胶与氟硅橡胶材料的低温物理性能研究［J］.绝缘材料，2021，54（12）：28-31. [百度学术]
陈远鹏，王志远，孙宝江，等.极地钻井关键设备橡胶密封材料的优选［J］.石油钻探技术，2020，48（1）：54-60. [百度学术]
董超峰，李东升，李晓鹏，等.耐低温、耐油丁腈橡胶复合材料的制备［J］.火箭推进，2016，42（4）：84-89. [百度学术]
王天骄，马玉聪，郑顺奇，等.耐低温橡胶的研究进展：分子结构设计与化学改性［J］.合成橡胶工业，2022，45（6）：530-537. [百度学术]
王杰，张跃.高低温环境对丁腈橡胶O形圈密封性能的影响［J］.润滑与密封，2018，43（8）：148-152. [百度学术]
Jinsheng S， Zonglun W， J ingping L， et al.Research progress and development direction of low‑temperature drilling fluid for Antarctic region［J］. Petroleum Exploration and Development， 2022，49（5）：1161-1168. [百度学术]
孙金声，王宗轮，刘敬平，等.南极地区低温钻井液研究进展与发展方向［J］.石油勘探与开发，2022，49（5）：1005-1011. [百度学术]
陈鸵，张楠，杨双春，等.低温钻井液研究和应用进展［J］.应用化工，2021，50（7）：1998-2001，2007. [百度学术]
朱浩文.寒带地区冬季钻井防冻保温技术探讨［J］.西部探矿工程，2014，26（5）：27-28. [百度学术]
展嘉佳，徐会文，冯哲.低温条件下乙二醇基钻井液体系的试验研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2008，35（11）：17-19. [百度学术]
宋佳宇，徐会文，韩丽丽，等.钻井液类型对南极冰层取心钻进工作的影响［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2015，42（9）：13-17. [百度学术]
王莉莉，赵大军，徐会文，等.南极冰层取心钻探酯基钻井液抗低温性能试验［J］.世界地质，2013，32（4）：862-866. [百度学术]
钱晶晶，冯军宗，姜勇刚，等.帐篷夹芯隔热材料的研究进展［J］.材料导报，2014，28（3）：84-87. [百度学术]
糜娜，陈颜杰，周翔，等.适用于寒冷气候的充气帐篷保温性能及优化研究［J］.建筑热能通风空调，2021，40（9）：6-9，67. [百度学术]
李晓光，刘谨谨，裴秀卫，等.岩棉复合型保温模板的设计及其性能分析［J］.硅酸盐通报，2019，38（5）：1597-1603. [百度学术]
周茗如，詹先鹏，王晨辉，等.岩棉保温板透湿性能影响因素分析［J］.建筑科学，2016，32（2）：106-110. [百度学术]
胡验君，苏振国，杨金龙.建筑外墙外保温材料的研究与应用［J］.材料导报，2012，26（S2）：290-294. [百度学术]
倪文静，周长武.海洋石油平台常用保温材料浅析［J］.中国造船，2009，50（A11）：450-454. [百度学术]
张坤，雷少华，齐贞光.常见外墙保温材料优缺点分析［J］.冶金丛刊，2016（7）：116-117. [百度学术]
Jae-Young SHIN， Bong-Ki RYU. Structural， thermal， and chemical properties of boron oxide‑doped molybdate glass for use as a lead‑free low‑temperature sealing material［J］. Journal of the Ceramic Society of Japan， 2017，125（12）. [百度学术]
刘河敬，席时春.新型保温材料——橡塑海绵在海洋石油平台及FPSO上的应用［J］.中国造船，2007，48（B11）：151-154. [百度学术]
王芳.保温材料导热系数影响因素试验研究［J］.上海纺织科技，2019，47（6）：36-38. [百度学术]
王肇嘉，路国忠，何光明，等.气凝胶岩棉复合保温材料的制备与性能研究［J］.新型建筑材料，2022，49（1）：124-126，137. [百度学术]
王晓晖，张辉.不同环境下四种保温材料的耐久性性能试验研究［J］.低温工程，2021（2）：83-88. [百度学术]
刘琳，汪绍礼.硅类表面活性剂对聚氨酯硬泡性能的影响［J］.工程塑料应用，2020，48（10）：147-150. [百度学术]
柴占文，牟长清，侯召坡，等.4000m低温车载钻机固控系统的研制［J］.石油机械，2011，39（10）：57-60，63. [百度学术]
刘占鹏. 4000m低温钻机系统方案设计［D］.青岛：中国石油大学（华东），2015. [百度学术]
田磊，彭勇，黎善猛，等.低温轮轨钻机加热保温系统设计分析［J］.液压气动与密封，2018，38（10）：54-58. [百度学术]
罗诗伟.钻机在高原高寒地带难启动的原因及对策［J］.工业技术，2014（29）：75-76. [百度学术]
张东涛，秦晓峰，廖昌健，等.ZJ50／3150DB型低温石油钻机设计［J］.石油矿场机械，2009，38（9）：84-87. [百度学术]
郑凯波.极地钻井关键设备保温方法研究［D］.青岛：中国石油大学（华东），2019. [百度学术]
董迎恺.极地半潜式平台舱室及管路的防寒优化研究［D］.青岛：中国石油大学（华东），2020. [百度学术]
