冰鉆電動(dòng)機(jī)械鉆具孔內(nèi)升降運(yùn)動(dòng)特性試驗(yàn)研究

宋佳宇， 徐會(huì)文， 張 楠， 韓麗麗

(1.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130000； 2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026； 3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

冰鉆電動(dòng)機(jī)械鉆具孔內(nèi)升降運(yùn)動(dòng)特性試驗(yàn)研究

宋佳宇1， 徐會(huì)文2， 張 楠2， 韓麗麗3

(1.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130000； 2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026； 3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

根據(jù)冰層鉆進(jìn)特點(diǎn)，從鉆孔水力學(xué)角度出發(fā)，分析測(cè)試了鉆具的質(zhì)量、長(zhǎng)度與鉆井液的粘度、密度等因素對(duì)鉆具下降速度特性的影響規(guī)律。通過對(duì)4種長(zhǎng)度、不同質(zhì)量的鉆具在2種酯類鉆井液中下落過程的測(cè)試，得出了鉆具的下落速度與鉆具的長(zhǎng)度呈反比，與鉆具的質(zhì)量呈正比，且鉆具的下落速度隨鉆井液的粘度和密度的增大而減小。鉆具下落的加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間主要與鉆井液的粘度、密度及鉆井液在鉆具表面流動(dòng)時(shí)的剪切速率有關(guān)。

南極冰層鉆進(jìn)；鉆井液；鉆具升降速度；加速時(shí)間

在極地冰層取心鉆進(jìn)工作中，科學(xué)合理地控制鉆具的升降過程對(duì)于保證冰層孔壁穩(wěn)定及提高鉆進(jìn)效率具有重要的實(shí)際意義。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果及極地科學(xué)考察工作的需要，在理論分析基礎(chǔ)上，建立了冰鉆升降鉆具試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)研究鉆具在冰孔內(nèi)升降過程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其影響因素，對(duì)進(jìn)一步提高極地冰層取心鉆進(jìn)的科學(xué)化水平具有重要意義。

1 升降鉆具時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)理論分析

鉆具在冰孔內(nèi)由靜止?fàn)顟B(tài)開始進(jìn)行自由下落時(shí)，其運(yùn)動(dòng)過程分為變加速運(yùn)動(dòng)和勻速運(yùn)動(dòng)兩個(gè)階段。

1.1 鉆具下落變加速度

鉆具從靜止?fàn)顟B(tài)開始下落時(shí)，因鉆具所受到的鉆井液粘滯阻力小于鉆具在鉆井液中的重力，鉆具將加速下落。鉆具下落時(shí)的加速度可用式(1)表示。

(1)

式中：a——鉆具下落加速度，m/s2；g——重力加速度，m/s2；η——鉆井液粘度，Pa·s；dv/dx——鉆井液流動(dòng)時(shí)的剪切速率，s-1；Dp——鉆具直徑，m；ρs——鉆具的當(dāng)量密度，kg/m3；ρf——鉆井液密度，kg/m3。

1.2 鉆具下落勻速運(yùn)動(dòng)速度

隨著鉆具運(yùn)動(dòng)速度的增大，鉆具所受到的粘滯阻力也越來越大，當(dāng)粘滯阻力與鉆具的重力相等時(shí)，鉆具下落的加速度為0，鉆具便進(jìn)入了勻速運(yùn)動(dòng)階段。根據(jù)式(1)可以得出鉆具勻速下落時(shí)的速度，可用式(2)表示。

(2)

式中:Vp——鉆具下落達(dá)到勻速時(shí)的速度，m/s；b——環(huán)空中滯留層厚度，mm。

由式(2)可以看出，鉆具勻速下落時(shí)的速度大小，受到鉆具的直徑、當(dāng)量密度、滯留層厚度、鉆井液的密度和粘度的影響。

2 試驗(yàn)臺(tái)的改進(jìn)與模擬鉆具

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)的組成與改進(jìn)

整套試驗(yàn)平臺(tái)由鋁合金桅桿、模擬井筒、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模擬鉆具和鉆具提升裝置等組成(見圖1)。為了滿足不同長(zhǎng)度鉆具的試驗(yàn)要求，在原有桅桿的基礎(chǔ)上，增加了1根1 m長(zhǎng)的短節(jié)，使桅桿的總高度達(dá)到5.54 m，桅桿的整體結(jié)構(gòu)不變。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為了提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精密度與可靠性，試驗(yàn)采用了MPS-L-4500 mm-V型拉繩式位移傳感器。測(cè)量行程為4.5 m，輸出信號(hào)為模擬電壓0～5 V，精度高達(dá)0.25%～0.1%FS。它可以在每秒鐘采集到數(shù)千組數(shù)據(jù)。通過LabVIEW軟件的編程設(shè)計(jì)，對(duì)鉆具下落的全程進(jìn)行測(cè)量并存儲(chǔ)成數(shù)字表格完成數(shù)據(jù)記錄。

2.3 模擬鉆具規(guī)格

試驗(yàn)用模擬鉆具外徑127 mm，長(zhǎng)度分別為0.4、0.6、0.8和1 m。鉆具內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，用以調(diào)整鉆具的質(zhì)量。在其頂部設(shè)置封蓋，蓋子中心處焊接外六角螺絲和吊鉤，以方便拆卸和提升。

3 鉆具的下落試驗(yàn)測(cè)試

3.1 試驗(yàn)測(cè)試方法

將位移傳感器與電腦連接完成后固定在玻璃井筒上方，用尼龍繩將鉆具上的吊鉤和位移傳感器進(jìn)行連接，通過桅桿頂部的定滑輪，提升鉆具至灌有試驗(yàn)用鉆井液模擬井筒頂部的指定位置，并保證鉆具下落過程中位移傳感器探頭與鉆具下落過程同步。打開位移傳感器與電腦，記錄開始的同時(shí)釋放鉆具，直至鉆具到達(dá)底部，停止記錄。如此反復(fù)完成全部試驗(yàn)測(cè)試工作。

3.2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)試了長(zhǎng)度分別為0.4、0.6、0.8和1 m不同質(zhì)量組合條件下的模擬鉆具在丁酸丁酯和丁酸乙酯2種鉆井液中的下放速度。為檢驗(yàn)鉆具長(zhǎng)度與質(zhì)量對(duì)鉆具下落速度的影響，也對(duì)相同長(zhǎng)度不同質(zhì)量與質(zhì)量相同不同長(zhǎng)度鉆具進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 鉆具質(zhì)量的影響

鉆具質(zhì)量是影響鉆具在孔內(nèi)下降速度大小的最重要因素。由表1可以得出，在丁酸丁酯和丁酸乙酯2種鉆井液中，鉆具在僅受質(zhì)量因素影響時(shí)，鉆具的運(yùn)動(dòng)速度隨鉆具質(zhì)量的增長(zhǎng)而變快，兩者呈線性關(guān)系(見圖2)。在試驗(yàn)?zāi)M鉆具長(zhǎng)度條件下鉆具質(zhì)量每增加1 kg，在丁酸丁酯和丁酸乙酯2種鉆井液中，鉆具的下落速度分別增加0.015、0.020 m/s。

4.2 鉆井液性能的影響

在試驗(yàn)溫度-20 ℃時(shí)，丁酸丁酯、丁酸乙酯的粘度和密度分別為2.8 mPa·s、908 kg/m3和1.8 mPa·s、920 kg/m3。從圖2中可以看出，隨著鉆井液的粘度的增加，在鉆具表面上產(chǎn)生的粘滯阻力增大，鉆具的下落速度減小，且隨著鉆具質(zhì)量的增加其影響程度不斷增大。長(zhǎng)度1.0 m模擬鉆具在丁酸乙酯中下落速度是在丁酸丁酯中下落速度的1.27倍，理論計(jì)算得出的是1.33倍，誤差為4%。

表1 4種長(zhǎng)度的鉆具在丁酸丁酯與丁酸乙酯中的下落速度 m/s

注：(1)A——在丁酸丁酯中的下落速度，B——在丁酸乙酯中的下落速度；(2)試驗(yàn)溫度為-20 ℃。

圖2 鉆具下落速度與質(zhì)量關(guān)系曲線

4.3 鉆具長(zhǎng)度的影響

對(duì)質(zhì)量均為20.40 kg，4種長(zhǎng)度的模擬鉆具在丁酸丁酯中的下落速度數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析(見圖3)。

圖3不同長(zhǎng)度鉆具的下落位移與時(shí)間關(guān)系曲線

從圖3可以看出，4種鉆具的下落的位移與時(shí)間均為線性關(guān)系，證明了鉆具屬于勻速運(yùn)動(dòng)。鉆具長(zhǎng)度的增加，在鉆具表面上所產(chǎn)生的粘滯阻力將逐漸增大，使鉆具的下落速度逐漸減小。并且從圖3可以看出，鉆具長(zhǎng)度對(duì)于鉆具下落速度的影響成反比例線性關(guān)系，見式(3)。

y=-mx+n

(3)

式中：m、n——與鉆井液性能相關(guān)的系數(shù)，在試驗(yàn)用2種脂肪酸酯介質(zhì)中，m=0.16～0.22，n=0.35～0.60。當(dāng)鉆井液粘度增大時(shí)，m取大值，而n取小值。

4.4 鉆具下落加速時(shí)間

為了驗(yàn)證鉆具下落的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)階段，對(duì)圖3進(jìn)行了放大與數(shù)據(jù)處理，證明了鉆具在下落時(shí)確實(shí)是存在著一個(gè)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間的。以模擬鉆具長(zhǎng)度為1.0 m，質(zhì)量為20.4 kg，在丁酸丁酯中的下落試驗(yàn)為例，可以看出其加速運(yùn)動(dòng)與勻速運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)階段(如圖4所示)。

圖4 鉆具下落的位移與時(shí)間關(guān)系曲線

由圖4可以看出，鉆具在下落初始時(shí)，是一個(gè)加速度逐漸減小而速度不斷增大的過程。當(dāng)加速度為0時(shí)，便進(jìn)入了勻速運(yùn)動(dòng)階段。加速的時(shí)間與勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)速度的大小主要受到鉆具質(zhì)量、長(zhǎng)度及鉆井液的粘度與密度的影響，且以鉆具的長(zhǎng)度與質(zhì)量的影響最大。表2列出了長(zhǎng)度為1.0 m不同質(zhì)量條件下在丁酸丁酯下落試驗(yàn)中所得到的加速時(shí)間。

表2 1.0 m鉆具在丁酸丁酯中下落時(shí)加速時(shí)間 s

由表2可知，鉆具下落時(shí)的加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間越短，鉆具的下落速度越快。從所有的鉆具下落試驗(yàn)結(jié)果來看，鉆具加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間都非常短，主要以勻速運(yùn)動(dòng)為主。這說明了鉆具在鉆孔內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，環(huán)空中鉆井液是處于層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，鉆井液在鉆具表面上所產(chǎn)生的粘滯阻力將很快與鉆具在鉆井液中的所受到的重力達(dá)到平衡。

5 結(jié)論

(1)試驗(yàn)驗(yàn)證了鉆具在孔內(nèi)下降過程中存在著加速與勻速2種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且均受到鉆具質(zhì)量、長(zhǎng)度、鉆井液粘度與密度的影響，而以鉆具的質(zhì)量與長(zhǎng)度影響最大。

(2)鉆具的質(zhì)量與長(zhǎng)度對(duì)于鉆具勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)速度的影響均呈線性關(guān)系。隨鉆具質(zhì)量的增加而增大，隨鉆具長(zhǎng)度的增加而減小。

(3)鉆井液的粘度與密度對(duì)鉆具下落速度均有影響，而以粘度的影響更為顯著，且這種影響隨著鉆具質(zhì)量、長(zhǎng)度的增加及溫度的下降而逐漸增大。

[1] P.G.Talalay, N.S.Gundestrup.Hole fluids for deep ice core drilling areview[D]. Copenhagen.1999.

[2] 王莉莉，趙大軍，徐會(huì)文，等.南極冰層取心鉆探酯基鉆井液抗低溫性能試驗(yàn)[J].世界地質(zhì)，2013，32(4):862-866.

[3] 宋佳宇，徐會(huì)文，韓麗麗，等.南極冰層鉆進(jìn)鎧裝鉆具升降運(yùn)動(dòng)特性分析與試驗(yàn)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(7):12-15.

[4] 韓俊杰，韓麗麗，徐會(huì)文，等.極地冰層取心鉆進(jìn)超低溫鉆井液理論與試驗(yàn)研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(6):23-26.

[5] 劉寧，徐會(huì)文，韓麗麗，等.脂肪酸酯分子結(jié)構(gòu)對(duì)酯基鉆井液性能的影響[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(9):63-66.

[6] 韓俊杰.極地冰鉆升降鉆具時(shí)孔內(nèi)水力學(xué)特性試驗(yàn)研究[D].吉林長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

[7] 徐會(huì)文，韓麗麗，韓俊杰，等.南極冰層取心鉆探酯基鉆井液的理論與試驗(yàn)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(S1)：279-282.

[8] 鄢泰寧，楊凱華,譯.冰層機(jī)械鉆探技術(shù)[M].湖北武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1998.

[9] P.G.Talalay,N.S.Gundestrup.Hole fluids for deep ice core drilling[J]. NationalInstitute of Polar Research,2002,56.148-170.

[10] 張凌，蔣國(guó)盛，蔡記華，等.低溫地層鉆進(jìn)特點(diǎn)及其鉆井液技術(shù)現(xiàn)狀綜述[J].鉆井液與完井液，2006，23(4):69-73.

ExperimentalResearchonLiftingandLoweringMotionCharacteristicsofElectricMechanicalDrillforIceDrillingintheHole

SONGJia-yu1,XUHui-wen2,ZHANGNan2,HANLi-li3

(1.Jilin Water Conservancy and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Changchun Jilin 130000, China; 2.College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun Jilin 130026, China; 3.The Institute of Exploration Techniques, CAGS, Langfang Hebei 065000, China)

According to the characteristics of ice layer drilling, from the point of view of drilling hydraulics, the effect of quality and length of drilling tool, the viscosity and density of drilling fluid and some other factors on the characteristics of drilling tool lowering speed are analyzed and tested. Through the tests on the lowering process of drilling tools, with 4 different lengths and different qualities, in 2 kinds of esters drilling fluid, it is concluded that the lowering speed of the drilling tools is inversely proportional to the length of the drilling tool, and is proportional to the quality of the drilling tool, and the lowering speed of the drilling tool decreased with the increase of the viscosity and density of the drilling fluid. The acceleration time of the drilling tool lowering is mainly related to the viscosity and density of the drilling fluid, as well as the shear rate of drilling fluid while flowing on the surface of the drilling tool.

Antarctic ice drilling; drilling fluid; lifting and lowering speed of drilling tool; acceleration time

2017-06-27；

2017-08-30

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目“基于介電剖面法的極地冰芯電學(xué)性質(zhì)測(cè)量機(jī)理與技術(shù)優(yōu)化研究”(編號(hào)：41406210)；國(guó)家海洋局極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金項(xiàng)目“極地冰芯介電特性測(cè)量機(jī)理研究”(編號(hào)：KP201404)

宋佳宇，男，漢族，1991年生，地質(zhì)工程專業(yè)，碩士，從事巖土工程方面的科研工作，吉林省長(zhǎng)春市南湖大路7135號(hào)，278287314@qq.com。

張楠，男，漢族，1981年生，副教授，地質(zhì)工程專業(yè)，博士，從事極地冰層取芯鉆進(jìn)技術(shù)及冰芯物理性質(zhì)測(cè)試分析研究工作，吉林省長(zhǎng)春市西民主大街938號(hào)，znan@jlu.edu.cn。

P634

A

1672-7428(2017)10-0066-04