宋佳宇， 徐會文， 張 楠， 韓麗麗

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

冰鉆電動機(jī)械鉆具孔內(nèi)升降運(yùn)動特性試驗(yàn)研究

宋佳宇1， 徐會文2， 張 楠2， 韓麗麗3

(1.吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130000； 2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026； 3.中國地質(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)，分析測試了鉆具的質(zhì)量、長度與鉆井液的粘度、密度等因素對鉆具下降速度特性的影響規(guī)律。通過對4種長度、不同質(zhì)量的鉆具在2種酯類鉆井液中下落過程的測試，得出了鉆具的下落速度與鉆具的長度呈反比，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，試驗(yàn)研究鉆具在冰孔內(nèi)升降過程中的運(yùn)動規(guī)律及其影響因素，對進(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)動過程分為變加速運(yùn)動和勻速運(yùn)動兩個(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)動速度

隨著鉆具運(yùn)動速度的增大，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)臺的改進(jìn)與模擬鉆具

2.1 試驗(yàn)平臺的組成與改進(jìn)

整套試驗(yàn)平臺由鋁合金桅桿、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

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。測量行程為4.5 m，輸出信號為模擬電壓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)，對鉆具下落的全程進(jìn)行測量并存儲成數(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)測試

3.1 試驗(yàn)測試方法

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)測試工作。

3.2 試驗(yàn)測試結(jié)果

試驗(yàn)測試了長度分別為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)鉆具長度與質(zhì)量對鉆具下落速度的影響，也對相同長度不同質(zhì)量與質(zhì)量相同不同長度鉆具進(jìn)行了測試，測試結(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)動速度隨鉆具質(zhì)量的增長而變快，兩者呈線性關(guān)系(見圖2)。在試驗(yàn)?zāi)M鉆具長度條件下鉆具質(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 鉆具長度的影響

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

圖3不同長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。鉆具長度的增加，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，鉆具長度對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)動階段，對圖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)動時(shí)間的。以模擬鉆具長度為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)動與勻速運(yùn)動的兩個(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)動階段。加速的時(shí)間與勻速運(yùn)動時(shí)速度的大小主要受到鉆具質(zhì)量、長度及鉆井液的粘度與密度的影響，且以鉆具的長度與質(zhì)量的影響最大。表2列出了長度為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)動時(shí)間都非常短，主要以勻速運(yùn)動為主。這說明了鉆具在鉆孔內(nèi)運(yùn)動時(shí)，環(huán)空中鉆井液是處于層流運(yùn)動狀態(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)動狀態(tài)，且均受到鉆具質(zhì)量、長度、鉆井液粘度與密度的影響，而以鉆具的質(zhì)量與長度影響最大。

(2)鉆具的質(zhì)量與長度對于鉆具勻速運(yùn)動時(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，隨鉆具長度的增加而減小。

(3)鉆井液的粘度與密度對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、長度的增加及溫度的下降而逐漸增大。

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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)測量機(jī)理與技術(shù)優(yōu)化研究”(編號：41406210)；國家海洋局極地科學(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量機(jī)理研究”(編號：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，吉林省長春市南湖大路7135號，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)測試分析研究工作，吉林省長春市西民主大街938號，znan@jlu.edu.cn。

P634

A

1672-7428(2017)10-0066-04