Dome A 冰盖底部冰-岩夹层取芯钻进破碎机理研究

以探索提高南极Dome A冰盖底部冰-岩夹层钻进效率、保证钻进安全为目标，开展冰-岩夹层破碎机理和切削热传递规律研究。通过理论分析和模拟钻进试验，获得破碎冰-岩夹层所需扭矩、钻压、转速、功率等参数之间的关系，建立数学模型；通过数值模拟和试验研究，分析钻头切削过程中切削热在钻头切削具、冰-岩夹层和冰芯之间的传递规律，考察各钻进参数对切削热分布规律的影响，建立切削热数学模型；在此基础上，通过对比分析，确定冰-岩夹层的最佳破碎方式及优化参数组合。本项目关于冰-岩夹层破碎机理和切削热传递规律的研究，具有重要的理论意义和实际应用价值，将为研制能够大幅度提高南极Dome A冰盖底部冰-岩夹层钻进效率和钻进安全的铠装电缆式电动机械取芯钻具提供重要参考。

针对极地冰-岩夹层钻进技术难题，开展了冰-岩夹层破碎机理研究。通过钻头切削具受力分析，对冰钻钻头、硬质合金钻头和PDC钻头切削机理进行了研究，确定了钻压、转速、切削具结构与钻速、扭矩和功率之间的关系，建立了数学模型，并对三种钻头进行了对比分析；借鉴金属切削理论，对钻进时产生的切削热量和温升进行了分析，建立了切削温升计算模型，确定了钻压、转速、切削具结构参数、地层性质等对切削具温升的影响规律；改造、研制了多功能钻进实验装置，能够实时检测钻压、钻进进尺、钻速、转速、扭矩、功率消耗、切削具温度、钻井液流量等参数；通过冰层、冰-岩夹层和岩层钻进实验，对钻压、转速、冰-岩样品、钻头类型等参数与钻速、扭矩和功率之间的关系以及切削具的温升进行了测试，并与理论计算进行了对比分析，确定了冰-岩夹层取心钻进钻头类型和钻进参数组合，为极地冰-岩夹层钻探施工提供了重要依据。