极地深层热水钻回水软管及注热软管热流特性研究

深层热水钻是开展极地冰下湖洁净钻探取样的重要工具。井下回水系统是深层热水钻的关键组成部分,主要包括回水软管、注热软管、潜水泵和回水腔等。回水软管用于抽取回水腔中的融水至地表以实现循环利用,而注热软管则用于将地表热水注入回水腔以防止其冻结。回水软管和注热软管的热流特性对井下回水系统设计十分重要,但目前还未开展系统研究,其压力损失和温度损失的变化规律尚不清楚。本文首先基于达西-魏斯巴赫公式和苏霍夫温降公式提出了回水软管和注热软管热流特性的理论计算方法;然后,在COMSOL Multiphysics 5.6软件建立了两种软管热流特性的数值模拟方法,并与理论计算结果进行了对比;最后,系统分析了流量、内径、长度、进口水温、导热系数、内壁粗糙度、冰层温度、壁厚等因素对回水软管与注热软管压力损失和温度损失的影响规律。研究结果指出了影响回水软管与注热软管热流特性的主导因素,得到压力损失和温度损失的大小,从而为设计安全高效的井下回水系统提供了理论支撑。

极地深层热水钻回水软管伴热功率数值模拟研究

极地深层热水钻通过高温高压热水融冰钻进,主要用于快速钻穿冰盖后向其中下放科学监测仪器或获取冰下环境样品。回水腔是深层热水钻重要的组成部分。钻进后的融水上返到回水腔后,通过潜水泵抽吸,经回水软管返回地表。由于极地冰层温度很低,加之深层热水钻回水软管较长,这导致回水软管内的融水在上返过程中存在被冻结的风险。因此,在回水软管内铺设具备电加热功能的伴热电缆,对避免回水软管内融水的冻结以及深层热水钻的稳定运行具有重要意义。目前,尚没有对回水软管所需伴热功率的研究。为此,本文首先对回水软管可能面临的正常工况、停钻工况、干烧工况和解冻工况进行了分析,然后基于COMSOL Multiphysics 6.0软件建立了4种工况下伴热功率的数值模拟方法,主要对回水软管伴热功能的运行功率、运行时间和安全功率上限进行了研究。研究结果给出了回水软管伴热功能在4种工况下的运行策略,为回水软管伴热电缆的设计提供了参考。