空气反循环冰层取心钻具设计与实验研究

论文摘要

极地地区是一片神秘的大陆,不论是南极还是北极都是科学探索所需的知识宝库。冰芯就像是打开宝库的钥匙,对于冰川学、气候学、生物学等具有很高的研究价值。为了获得冰芯,各国科学家们进行了大量的科学钻探,相继开发了各种冰层取心钻具。本文对冰层取心钻具研究现状进行调研、分析,结合了反循环钻进技术特点,研究了一套效率高、钻速快、操作方便的新型钻具——空气反循环冰层取心钻具。钻具设计钻进200m,该钻具的研发和应用,可以为南极区域地质构造研究,深部冰层取心钻探以及科学勘测孔钻进打下基础。该技术可以在南极冰川钻进,也可以在冰川冻土带进行钻进。本文以提高反循环钻进效率为目的,通过反循环运移计算和有限元数值模拟方法,确定了反循环钻具的设计参数。借鉴已有的冰层取心钻具的设计思想,设计并研究了空气反循环试验台,获得空气反循环运移的工艺参数;验证冰层反循环钻具工作的可靠性。为进一步设计和优化冰层空气反循环钻具结构参数,提高钻进效率,获取更好的冰芯提供重要的参考借鉴。论文研究主要得到的结论如下:(1)提出空气反循环冰层取心钻具的概念设计,对反循环运输系统进行理论计算,确定反循环效率的影响因素。钻具的关键技术在于反循环的构成,气体能否携带冰芯、冰屑。通过流体力学求解法,对气体反循环运输和压力损失等,算出所需最小的流量和速度。(2)对冰芯的卡断进行力学计算,并通过ABAQUS软件对卡断过程进行数值模拟分析,得到冰芯卡断的数据。并结合钻具设计,得到卡断机构的尺寸和中心通道的尺寸。建立冰芯卡断实验台,得到实际冰芯被卡断所需要的位移。(3)通过对冰芯和冰屑进行反循环运移实验,得出实验数据并进行对比,得出中心通管道的内径对于运移速度的影响。结合卡断结构的设计,确定内径69mm的中心通道在大流量空压机工作下的冰芯和冰屑的运移速度。将理论分析得出结果进行对比,发现与实验数据有误差,但也有很大的理论价值和参考意义。(4)使用CFD有限元分析应用程序FLUENT,将反循环钻具的空气流道进行仿真求解分析。研究钻具内部流速和压力的关系分布,对反循环效果进行分析。得出合适的反循环钻具结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 选题依据及研究意义
•   1.2 极地钻探国内外研究现状
•     1.2.1 极地钻探
•     1.2.2 回转钻进
•     1.2.3 热力钻进
•   1.3 反循环钻探国内外研究现状
•     1.3.1 反循环钻进
•     1.3.2 局部反循环钻进
•     1.3.3 全孔反循环钻进
•   1.4 研究内容及技术路线
•     1.4.1 研究内容
•     1.4.2 技术路线
•   1.5 本章小结
• 第二章 空气反循环冰层取心钻具设计与理论计算
•   2.1 空气反循环冰层钻进系统概述
•   2.2 空气反循环冰层取心钻具整体结构设计
•     2.2.1 钻具结构设计
•     2.2.2 钻具刀头设计
•     2.2.3 空气反循环钻具内管设计
•     2.2.4 引射孔设计
•   2.3 冰芯卡断器卡断力学计算
•   2.4 运移冰芯理论计算
•   2.5 本章小结
• 第三章 冰芯卡断数值模拟分析及实验研究
•   3.1 ABAQUS软件介绍
•   3.2 ABAQUS软件分析流程
•   3.3 冰芯卡断数值模拟结果分析
•   3.4 冰芯卡断实验
•   3.5 本章小结
• 第四章 空气反循环冰芯及冰屑运移实验
•   4.1 空气反循环实验台设计
•     4.1.1 实验台系统
•     4.1.2 冰芯收集系统
•     4.1.3 供气系统
•   4.2 实验测试
•     4.2.1 实验准备
•     4.2.2 实验数据采集
•     4.2.3 冰芯反循环实验
•     4.2.4 冰屑反循环实验
•   4.3 本章小结
• 第五章 反循环钻具结构优化及数值模拟
•   5.1 内喷孔结构优化
•     5.1.1 单壁直引射孔结构
•     5.1.2 双壁竖直流引射孔
•   5.2 钻具反循环运移数值模拟分析
•     5.2.1 数值模拟技术简介
•     5.2.2 CFD数值模拟求解过程
•     5.2.3 CFD计算控制方程
•     5.2.4 建立模型
•     5.2.5 划分网格
•     5.2.6 设置边界条件
•     5.2.7 模型求解
•     5.2.8 结果分析
•   5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 作者简介及科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 范大友

导师: 陈宝义

关键词: 冰层钻进,冰芯卡断,反循环,数值模拟计算

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,矿业工程

单位: 吉林大学

分类号: P634.5

总页数: 90

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