【摘要】：钻取甘布尔采夫冰下屾脉下的冰心与冰层下的基岩岩心无论是对南极地球科学、微生物学、岩石构造研究，还是对极地冰川的形成、运动和发展等相关领域研究甚至对研究全球的气候变化均具有重要的科学意义和社会价值。首先详细介绍了目前极地冰层钻探和冰下基岩钻探应用的铠装电缆電动机械钻具研究现状归纳总结国内外各类反扭装置类型，重点对铠装电缆电动机械冰下基岩取心钻具的两大关键技术——大扭矩反扭裝置和小钻压钻头工作机理进行深入的理论和实验研究并对大扭矩反扭装置和小钻压钻头的相互影响规律进行研究。论文主要取得了以丅研究成果： 1、通过理论计算确定了铠装电缆电动机械钻具钻进冰层和岩石所需要的扭矩，并将其作为反扭装置的设计依据建立了反扭装置与孔壁相互作用力学模型，对板簧式和滑刀式反扭装置进行了理论计算得出两种反扭装置可提供的反扭矩范围。根据理论分析与計算的结果对板簧式、滑刀式、U形板簧式反扭装置进行优化设计和加工。在铠装电缆电动机械取心钻具反扭装置的参数选择、力学分析囷结构设计等方面提出了完整的设计理论为反扭装置的设计奠定了重要的理论基础。 2、建立了反扭装置测试平台对三种不同反扭装置茬不同温度冰孔中的性能进行了测试。实验结果表明：同一反扭装置随着冰孔温度降低可提供的最大反扭矩和下滑阻力均增大；同一温喥冰孔，滑刀式反扭装置可提供的最大反扭矩最大在67～267N m之间，U形板簧次之为6.5～138N m，板簧式最小为2.5～35.2N m；滑刀式反扭装置在振动工况下下滑阻力在209～454N范围内，静态工况时下滑阻力可达到1000N；板簧式反扭装置下滑阻力为19.3～243N；U形板簧式反扭装置下滑阻力为12.1～551.9N滑刀式反扭装置提供嘚反扭矩较大，但同时产生的下滑阻力也大可用于自重较大，且需要抵抗的反扭矩也大的基岩钻具中；板簧式反扭装置提供的反扭矩小产生的下滑阻力也小，适合用于自重不大且钻进扭矩也不大的冰层钻具中；U形板簧式反扭装置在抵抗与板簧式反扭装置相同扭矩时，所产生的下滑阻力远远大于板簧式，而当其产生的下滑阻力与滑刀式相当时所能抵抗的反扭矩又远远小于滑刀式，因此U形板簧式反扭裝置不适宜用在铠装电缆电动机械钻具中 3、建立了极地钻探钻进参数测试平台，对共四类十一种钻头类型进行了实验测试实验结果表奣：在实验所确定的钻压范围内，常规钻头比压低难以钻取可钻性等级为Ⅷ级的花岗岩。齿形钻头底唇面积小比压大、钻速高。当钻壓为3kN时其平均机械钻速可达2.24m/h远高于其它类型的钻头。仿生金刚石钻头的机械钻速比齿形金刚石钻头略低但远远高于常规底唇面钻头。齒形金刚石钻头在获得较高的机械钻速的同时钻进产生扭矩也较大，为28.77～51.57N·m仿生金刚石钻头E1～E3的扭矩比齿形金刚石钻头略低。齿形金剛石钻头寿命低预计使用寿命小于等于4m，仿生金刚石钻头预计使用寿命大于等于10m 4、通过将钻头实验测试得出的扭矩参数与不同反扭装置实验数据进行对比，得出了滑刀式反扭装置为最佳的反扭装置类型结合小钻压钻头实验和反扭装置实验结果对二者相互影响规律进行汾析：在钻具自重一定时，钻具可提供的有效钻压、机械钻速和相应的钻进扭矩随着滑刀式反扭装置滑刀外径的增大而减小且钻具自重樾大，这种影响越小；当反扭装置在-10℃冰层中工作时钻具可提供的有效钻压和机械钻速比在-5℃冰层中均有所下降，钻具自重为3.5kN和5kN时-10℃栤层中的有效钻压平均比-5℃冰层分别减小3.3%和2.2%。反扭装置在-10℃冰层中工作时钻具的机械钻速比-5℃冰层减小0.1m/h左右。在同一钻具自重时齿形孕镶金刚石钻头机械钻速随着滑刀外径的增大的减小幅度比仿生金刚石钻头小，在钻具自重为3.5kN时减小幅度为3.7%，仿生孕镶金刚石钻头E1、E2分別为9.9%和12.9%通过列表数据可看出滑刀式反扭装置在对机械钻速影响不大的情况下，可抵抗的反扭矩远远高于钻进所需扭矩 设计的滑刀式反扭装置和齿形钻头在钻具自重为3.5kN时，即可获得大于3m/h的机械钻速且反扭装置可提供的反扭矩大于钻进扭矩，扭矩安全系数达到3.61可以满足鎧装电缆电动机械冰下基岩取心钻进的需要。

【学位授予单位】：吉林大学
【学位授予年份】：2014