摘要：为了实现钻穿冰盖、直接获取冰下基岩样品的科研目标,本文设计了一种极地钻探用铝合金双壁钻杆,使钻杆可以满足极地上覆积雪层、冰层、冰岩夹层和冰下基岩等不同地层的空气反循环、水力反循环、绳索取心钻进相配合等钻进需求。依据铝合金双壁钻杆在极限拉伸、极限拉扭组合工况下的受力情况,开展了双壁钻杆的有限元分析,并对双壁钻杆外管与钢接头连接试样进行了拉伸试验与扭转试验。双壁钻杆有限元分析结果表明:在极限拉伸和极限拉扭组合工况下铝合金双壁钻杆中产生的最大应力分别为183.8 MPa与161.9 MPa,均小于铝合金材料的屈服强度489.99 MPa。双壁钻杆外管与钢接头连接试样强度试验结果也表明:拉伸试样破坏时的极限可承载拉力为399.5 kN,远大于提升1000 m双壁钻杆所需的拉力(208.11 kN);扭转试样破坏时的极限可承载扭矩为8264.7N·m,同样大于钻杆在正常钻进过程当中所承受的最大扭矩(1990.56 N·m)。上述结果表明,极地钻探用铝合金双壁钻杆设计方案可以满足极地钻探使用要求。

摘要：南极冰层下基岩取心,对于研究南极冰川形成的历程和全球气候变化等方面具有重要的意义。钻遇冰层和岩层的倾斜交界面时,极易发生孔斜,影响基岩取心的质量甚至成败。本文分析了钻头在冰岩界面钻进过程中的受力状态,探究了地层倾角、钻压、转速、机械钻速、单位体积切削功等因素对钻头受力及孔斜规律的影响。最后,基于满眼防斜的原理设计了针对冰岩界面防斜的垂直入岩装置。

摘要：为了满足南极科学钻探的需求,获取南极内陆深冰层下的基岩样本,需要从耐温和保温两方面提升南极钻机抵御极寒气候的能力。为了应对运输过程以及工作过程中裸露件面临的低温挑战,需要对钻机传动轴、密封材料、钻井液进行耐低温材料的选择,而钻机主体在工作过程中应处于一定保温载体和保温材料的整体保温加热环境中。本文对南极钻机的耐温材料和保温方式进行了综述和优选,认为应尽快设计建立低温地质钻机的系统保温方案和评价体系,丁腈橡胶是一种适用于南极钻机的低温密封材料,丁酸乙酯和丙酸丙酯等小分子酯是南极内陆钻探潜在的钻井液,以保温集装箱为主体多种加热方式共同作用为保温加热形式。对保证钻机能够在南极内陆的恶劣工况下保持正常稳定的工作具有一定意义。