了得網自然科學_熱熔岩與熱融冰技術

內容簡介

熱熔岩與熱融冰技術全面總結了世界各國在特殊的岩土破碎技術——熱熔岩與熱融冰技術方面的研究進展。全書分上、下兩篇，上篇為熱熔岩技術，包括熱熔法理論、熱熔鑽具、熱熔法設備和熱熔工藝等，重點介紹熱熔法理論、工具、工藝等方面的研究成果；下篇為熱融冰技術，重點介紹冰層的熱融冰原理、熱融冰鑽具結構、試驗繫統、鑽井液及熱融冰鑽進工藝。
熱熔岩與熱融冰技術可供石油、冶金、煤炭、地質、市政、建築、交通、水利、鐵道、海洋、農業、國防等部門從事勘探和采掘新技術研究的人員及相關大專院校師生參考。

前言
緒論
0.1 引言
0.2 熱熔岩技術發展現狀
0.2.1 美國的熱熔岩技術
0.2.2 日本的熱熔岩技術
0.2.3 俄羅斯的熱熔岩技術
0.2.4 熱熔岩技術研究的工程意義和價值
0.3 熱融冰技術發展現狀
0.3.1 背景
0.3.2 美國的熱融冰技術
0.3.3 蘇聯的熱融冰技術
0.3.4 法國的熱融冰技術
0.3.5 澳大利亞和日本的熱融冰技術前言
緒論
0.1 引言
0.2 熱熔岩技術發展現狀
0.2.1 美國的熱熔岩技術
0.2.2 日本的熱熔岩技術
0.2.3 俄羅斯的熱熔岩技術
0.2.4 熱熔岩技術研究的工程意義和價值
0.3 熱融冰技術發展現狀
0.3.1 背景
0.3.2 美國的熱融冰技術
0.3.3 蘇聯的熱融冰技術
0.3.4 法國的熱融冰技術
0.3.5 澳大利亞和日本的熱融冰技術
0.3.6 熱融冰技術評價
上篇熱熔岩技術
第1章概述
第2章熱熔體流動方程和流動問題解法
2.1 熱熔體流動的基本方程
2.1.1 問題的分類及數學表達
2.1.2 適定性問題和求解條件
2.1.3 正交曲線坐標繫中的基本量
2.1.4 正交曲線坐標繫下的方程
2.2 熱熔體流動問題的解法
2.2.1 基本假定和平衡方程
2.2.2 熱熔體流動問題的解法
2.3 本章小結
第3章熱能在岩土中的傳遞問題
3.1 熱量傳遞過程的基本概念
3.1.1 導熱
3.1.2 對流
3.1.3 熱輻射
3.1.4 溫度場
3.1.5 等溫面、溫度梯度
3.1.6 熱流密度、熱流、總熱量
3.2 熱傳導過程的分析
3.2.1 熱熔器表面溫度變化時周圍土體中的溫度分布
3.2.2 熱熔器表面溫度穩定時土體中的溫度分布
3.2.3 熱熔過程中的熱平衡
3.2.4 熱熔體的平均厚度和流動阻力
3.2.5 全面鑽進的熱熔速度方程
3.3 熱熔器外土體中溫度的實測結果及分析
3.3.1 土體中各測點溫度隨時間的變化
3.3.2 土體中各測點溫度徑向的變化
3.3.3 各測點溫度徑向變化的數值模擬
3.4 本章小結
第4章熱熔器的結構研究
4.1 熱熔器的設計原則
4.2 熱熔器的結構材料
4.2.1 熱熔器的殼體材料
4.2.2 加熱電阻
4.2.3 隔熱材料
4.3 熱熔器的外形
4.3.1 熱熔器的橫截面
4.3.2 熱熔器的縱向截面形狀
4.3.3 熱熔區的高度
4.3.4 熱熔器熱熔區形狀及參數的確定
4.4 熱熔器熱熔區內部結構的研究
4.5 新式熱熔器的結構設計
4.5.1 熱熔器外形的主要尺寸
4.5.2 熱熔器的內部結構
4.5.3 熱熔器內部加熱電阻設計
4.6 本章小結
第5章熱熔鑽進工藝的研究
5.1 熱熔鑽進試驗臺
5.2 熱功率對鑽進速度的影響
5.3 鑽壓對鑽進速度的影響
5.4 其他因素對鑽進速度的影響
5.4.1 熱熔器的高度對鑽進速度的影響
5.4.2 岩土體的導熱性能對鑽進速度的影響
5.5 美國的熱熔鑽進野外試驗
5.6 俄羅斯的熱熔鑽進野外試驗
5.7 熱熔鑽進時的附屬工具及配套設備
5.7.1 設備
5.7.2 機具
5.7.3 實際操作注意事項
5.8 本章小結
第6章熱熔岩過程中的孔壁擠密和硬殼的形成
6.1 熱熔岩過程中的孔壁擠密
6.2 熱熔岩過程中的孔壁硬殼形成機制
6.2.1 漸進階段
6.2.2 衰退階段
第7章熱熔岩技術應用前景與展望
7.1 熱熔岩技術施工凍土層勘探孔和天然氣水合物勘探孔
7.2 熱熔岩技術施工地熱井
7.2.1 地熱井施工的復雜性
7.2.2 熱熔法施工地熱井時的優勢
7.3 熱熔岩技術在資源開采中的應用前景
7.3.1 在水井工程中的應用
7.3.2 開采鹽井
7.3.3 石油勘探、開采井中的應用
7.4 熱熔岩技術在超深科學鑽井中的應用前景
7.5 熱熔岩技術在土木工程中的應用
7.5.1 地基改良和降水
7.5.2 滑坡、露天礦和采石場邊坡加固
7.5.3 托換工程
7.5.4 鑽進樁基孔
7.5.5 在非開挖施工中應用
下篇熱融冰技術
第8章概述
8.1 冰層鑽進地層特點
8.2 冰層取樣研究內容及取樣技術面臨的主要問題
第9章熱融冰原理
9.1 孔底接觸熱傳導過程
9.2 孔底流體熱傳導過程
第10章熱融冰鑽具結構
10.1 概述
10.2 電加熱鑽具結構
10.3 熱水、蒸汽熱融鑽具
第11章冰層鑽進用鑽井液
11.1 冰層和冰雪覆蓋層鑽進用鑽井液配方
11.2 冰層鑽進用鑽井液相關參數
第12章熱融冰鑽進工藝研究
12.1 熱融冰鑽進工藝的室內研究
12.1.1 試驗臺及試驗方法
12.1.2 試驗研究結果
12.2 熱融冰鑽進工藝的野外試驗研究
12.3 鑽井液護壁條件下熱融鑽進工藝的完善方法
參考文獻

在線試讀

第1章概述
美國、日本、俄羅斯等國對熱熔岩技術的研究主要集中於材料和結構兩大方面。其中，材料問題是制約熱熔岩技術研究進一步發展的“瓶頸”。材料主要包括兩部分：既能夠耐高溫又不會在熔化的岩土中發生化學反應的熱熔器殼體材料；在空氣中通電既能產生高溫又不與空氣中的成分產生化學反應的加熱電阻材料。對前者，美國、日本采用的是鉬合金，俄羅斯采用的是非金屬合成材料，該材料能夠抗2800℃的高溫，且在空氣中不氧化，加工一套熱熔器需30（1999年）；對後者，各國都采用熱解石墨。
各國相繼開展的熱熔岩技術的研究成果主要涉及以下幾個方面：
（1）確定合適的熱熔器殼體材料。美國、日本等國研究了耐高溫的金屬材料；而俄羅斯開始是從金屬材料起步，但最後集中力量研究非金屬材料，並取得了突破性的進展。
（2）雖然對加熱電阻的選擇比較統一，都采用熱解石墨，但美國、日本等均通入惰性氣體保護，俄羅斯沒有保護措施。
（3）熱傳遞的方式是一致的：直流電通過加熱電阻產生高溫→主要是熱輻射穿過空氣或保護性氣體傳到外殼→受到熱輻射的殼體內壁通過熱傳導將熱能傳到外壁→外壁的高溫將與之接觸的岩土熔化。
（4）研究了熱熔器、熱熔體、岩石間的熱傳遞問題。
（5）提出了合理的熱熔器外殼形狀為流線型，以4次方拋物線或懸鏈線最佳。
（6）研究了熱熔體冷卻後形成硬殼的機理及性質。
（7）研究了工藝參數對熱熔過程的影響。
（8）根據相應的研究成果，研制了不同用途的熱熔器，直徑為30cm～2m，在礦山巷道的圍護及地基處理工程中完成了初步試驗，取得了寶貴的經驗和數據。
我國在熱熔岩技術的研究方面起步較晚，始於1992年，長春地質學院的俄羅斯自然科學院外籍院士張祖培教授邀請熱熔岩技術研究的專家，俄羅斯自然科學院Kudryashov院士及Solovev教授等多次來華講學，並進行短期的研究工作。1995年作者被派往俄羅斯專門學習熱熔岩技術，回國後首次立項開始獨立研究。
熱熔岩技術經過近40年的不斷研究，雖然掌握了許多的數據和資料，但仍然有些問題需要進一步研究。主要問題如下：第1章概述
美國、日本、俄羅斯等國對熱熔岩技術的研究主要集中於材料和結構兩大方面。其中，材料問題是制約熱熔岩技術研究進一步發展的“瓶頸”。材料主要包括兩部分：既能夠耐高溫又不會在熔化的岩土中發生化學反應的熱熔器殼體材料；在空氣中通電既能產生高溫又不與空氣中的成分產生化學反應的加熱電阻材料。對前者，美國、日本采用的是鉬合金，俄羅斯采用的是非金屬合成材料，該材料能夠抗2800℃的高溫，且在空氣中不氧化，加工一套熱熔器需30（1999年）；對後者，各國都采用熱解石墨。
各國相繼開展的熱熔岩技術的研究成果主要涉及以下幾個方面：
（1）確定合適的熱熔器殼體材料。美國、日本等國研究了耐高溫的金屬材料；而俄羅斯開始是從金屬材料起步，但最後集中力量研究非金屬材料，並取得了突破性的進展。
（2）雖然對加熱電阻的選擇比較統一，都采用熱解石墨，但美國、日本等均通入惰性氣體保護，俄羅斯沒有保護措施。
（3）熱傳遞的方式是一致的：直流電通過加熱電阻產生高溫→主要是熱輻射穿過空氣或保護性氣體傳到外殼→受到熱輻射的殼體內壁通過熱傳導將熱能傳到外壁→外壁的高溫將與之接觸的岩土熔化。
（4）研究了熱熔器、熱熔體、岩石間的熱傳遞問題。
（5）提出了合理的熱熔器外殼形狀為流線型，以4次方拋物線或懸鏈線最佳。
（6）研究了熱熔體冷卻後形成硬殼的機理及性質。
（7）研究了工藝參數對熱熔過程的影響。
（8）根據相應的研究成果，研制了不同用途的熱熔器，直徑為30cm～2m，在礦山巷道的圍護及地基處理工程中完成了初步試驗，取得了寶貴的經驗和數據。
我國在熱熔岩技術的研究方面起步較晚，始於1992年，長春地質學院的俄羅斯自然科學院外籍院士張祖培教授邀請熱熔岩技術研究的專家，俄羅斯自然科學院Kudryashov院士及Solovev教授等多次來華講學，並進行短期的研究工作。1995年作者被派往俄羅斯專門學習熱熔岩技術，回國後首次立項開始獨立研究。
熱熔岩技術經過近40年的不斷研究，雖然掌握了許多的數據和資料，但仍然有些問題需要進一步研究。主要問題如下：
（1）尋找更經濟耐用的殼體材料。國外的殼體材料雖然能夠耐2800℃高溫，但由於技術保密，加之成本較高，所以很難直接引進和應用。而且我國與國外使用熱熔器的最大區別在於後者針對岩石，而我國主要考慮用於松散的土層。各類土層的實際熔化溫度為1300～1400℃，考慮到鑽進效率，實際熱熔器殼體表面溫度達1500℃就足夠了。所以我國選用的殼體材料的力學性能、熱學性能、電學性能等與國外的材料相比，某些方面的指標可適當降低。
（2）國外將加熱電阻一致選為熱解石墨，對這一點也應重新審視。因為熱熔器的工作地層是土層，可以適當地降低熱熔溫度，所以對加熱電阻的選擇也要重新考慮。
（3）已有的理論研究結果較多，但多集中於熱熔器殼體外、熱熔體、岩石，對熱熔器殼體內的傳熱研究較少，作者認為加強這方面的研究，對優化熱熔器內部的結構設計是非常重要的。
（4）應加強對熱熔器鑽進的工藝參數及熱熔體冷凝生成硬殼的材質、機理及
其各方面性能參數優化的研究。國外試驗獲得的松散土和岩石的熱物理力學指標見表1.1和表1.2。
表1.1松散土的熱物理性質
土壤容重ρg /（kg /m3）含水率w /% 比熱容c/［J/（kg ·℃）］導熱繫數λ/［W /（m ·℃）］導溫繫數α/（10-6m2/s）
1500 2 800/750 0.73/0.82 0.594/0.731
1500 20 1380/960 1.26/1.80 0.600/1.231
1600 2 800/750 0.84/0.98 0.644/0.803
1600 8 1000/840 1.27/1.64 0.705/1.236
1600 15 1260/920 1.36/1.93 0.667/1.319
砂性土 1600 25 1500/1000 1.49/2.21 0.611/1.356
1700 8 1090/840 1.44/1.88 0.803/1.250
1700 25 1500/1050 1.70/2.56 0.667/1.458
1800 15 1260/920 1.78/2.57 0.786/1.533
1800 25 1500/1000 1.93/2.93 0.719/1.617
2000 25 1470/1000 2.38/3.66 0.806/1.825
2100 15 1470/1000 2.59/4.00 0.839/1.914
1400 27 1630/840 0.94/1.27 0.417/0.797
黏 1500 8 1170/960 0.85/1.02 0.483/0.711
性 1500 27 1630/1130 1.08/1.49 0.442/0.889
土 1500 40 1880/1200 1.17/1.66 0.411/0.903
1600 18 1400/1050 1.14/1.49 0.494/0.889
續表
土壤容重ρg /（kg /m3）含水率w /% 比熱容c/［J/（kg ·℃）］導熱繫數λ/［W /（m ·℃）］導溫繫數α/（10-6m2/s）
1600 27 1630/1090 1.23/1.72 0.483/0.981
1600 40 1880/1200 1.33/1.95 0.439/0.981
1800 18 1400/1050 1.45/1.92 0.569/1.047
黏性土 1800 27 1580/1090 1.56/2.20 0.539/1.094
1800 40 1830/1200 1.66/2.36 0.497/1.083
2000 18 1380/1050 1.85/2.49 0.658/1.189
2000 27 1580/1090 1.93/2.74 0.597/1.236
2100 40 1830/1200 2.15/3.06 0.558/1.217
注：分子為融土值；分母為冰土值。表1.2岩石的熱物理性質
岩石岩石名稱密度ρ/（kg /m3）比熱容c/［J/（kg ·℃）］導熱繫數λ/［W /（m ·℃）］導溫繫數α/（10-6m2/s）
礫岩 2100～3000 754～837 1.07～3.86 0.63～1.15
砂岩 2000～2900 670～3345 0.38～5.17 0.25～2.04
粉砂岩 1800～2800 745～1649 0.41～3.58 0.54～1.54
沉泥岩、頁岩 1700～3000 737～988 0.25～3.01 0.60～1.54
積白雲石 1900～3000 648～1465 1.63～6.50 0.83～1.68
岩石灰石 1800～2900 753～1712 0.92～4.40 0.39～1.69
粉砂岩 — 837～3915 0.82～2.22 0.31～0.62
泥灰岩 1500～2800 837～3085 0.50～3.91 0.31～1.39
岩鹽 2150～2300 1474～4651 1.67～5.50 1.12～1.77
輝石 2900～3400 879～1214 3.48～5.02 0.94～1.49
蛇紋石 2480～3600 963～1130 2.31～2.87 0.84～0.98
橄欖岩 2880～3290 961～1088 3.78～4.85 1.20～1.41
輝長石 2850～3050 879～1130 1.80～2.83 0.93～1.22
岩漿岩閃長岩 2670～2920 1118～1168 1.38～2.89 0.33～0.86
花崗岩 2550～2680 741～1548 1.34～3.69 0.33～1.50
花崗閃長岩 2620～2780 741～1256 1.64～2.48 0.30～0.75
正長岩 2570～2650 — 1.74～2.97 0.54～0.79
輝綠岩 2620～2950 783～929 1.71～2.90 0.90～1.02
玄武岩 2220～2850 762～2135 0.51～2.03 0.43～0.68
斑岩 2550～2810 879～921 0.73～3.13 0.68～1.07
凝灰岩 — 795～1411 1.30～3.95 1.00～1.24
續表
岩石岩石名稱密度ρ/（kg /m3）比熱容c/［J/（kg ·℃）］導熱繫數λ/［W /（m ·℃）］導溫繫數α/（10-6m2/s）
片麻岩 2630～3070 754～1176 0.94～4.86 0.63～0.83
變閃岩 2720～3970 1063～1201 1.75～2.89 0.53～0.81
質大理石 2680～2710 753～879 1.59～4.00 0.78～1.20
岩石英岩 2600～2680 718～1331 2.68～7.60 1.36～2.09
燧石 2550～2820 1478～1482 2.12～6.10 1.45
本篇內容主要根據作者申請的吉林省科技廳社會發展基金項目“熱熔法鑽進錨杆孔技術的研究”和科學鑽探國家專業實驗室開放研究基金項目“接觸熱熔法鑽進松散地層的研究”的研究成果、作者的博士學位論文、博士後出站報告及後續的研究編寫而成，重點闡述了以下內容：
（1）熱熔體流體動力學特性。
（2）熱能在熱熔器內部、殼體、均質土層中的傳遞規律；熱熔器、熱熔體與土層間的熱交換。
（3）熱熔器殼體設計參數、實用的熱熔器內部結構。
（4）熱熔法鑽進松散地層的工藝參數及影響因素。
第2章熱熔體流動方程和流動問題解法
2.1熱熔體流動的基本方程
熱熔體流動遵循的基本規律是物理學三大守恆定律，即質量守恆定律、動量守恆定律和能量守恆定律。這三大定律的數學描述就是熱熔過程的基本方程組。要使這個方程組封閉，還需加上輔助的物性關繫，如密度、熱容、黏性繫數和熱導率隨溫度和壓力的變化關繫等。在目前的科學技術發展條件下，一般說來，求不出這個方程的解析解，但其過程是由這個方程組所決定的。
2.1.1問題的分類及數學表達
孔底岩土的熔化可采用三種方法：熱對流、熱輻射、接觸熱熔，其中問題按復雜性可分為如下三類：熱傳導、結合傳熱（即同時計算固體和流體中的傳熱）、帶有化學反應的流動和傳熱。其中的反應可以是動力控制，也可以是擴散控制。
上述情況中，許多理想化的問題已由理論分析和試驗方法解決，這些研究結果將指導熱熔過程研究的繼續進行。然而隨著我國新科學技術領域的出現，要求更深入、更準確地分析熱熔過程，這就需要應用更好的分析方法，在解決實際問題時最大限度地減少假定和簡化。因而導致研究方法逐漸從相似模擬過渡到數值模擬，從分析解過渡到積分解，最後從積分方法過渡到離散方法，如有限差分法法及有限體積法等。
熱熔體流動方程的通用形式：
抄抄t（ρΦ）+div（ρVΦ）＝div （ΓΦgrad Φ）+SΦ（2.1）
瞬態對流擴散源項式中，Φ為通用變量，它可以表示速度分量（u，v，w）、焓（h）或化學成分的濃度（c1，c2c3，.cn）等；ΓΦ為交換繫數，層流動量方程中是分子黏度；熱傳導方程中是熱導率，；SΦ為，產生Φ的源（或彙），如動量方程中包括壓力梯度、重力及其他體積力項。
如果調整方程（2.1）的各項或繫數，也可以用它表示熱傳導方程。用散度算符內的密度ρ和交換繫數ΓΦ代表變量的物理性質。任何物性的空間變化在離散過程中是容易解釋的。在熱傳導問題中，ρ因熱熔體、岩石性質的差別而發生變化。此外ρ不能描述成位置的函數，但卻能由其他流動變量，如溫度、壓力和濃度等導出。由於流動方程的非線性和耦合性，因而其解具有迭代屬性。
1.變量ρ
ρ與溫度和壓力有關。
2.變量ΓΦ
對熱傳導方程，由於材料性質不同（熱熔器、熱熔體、岩石），ΓΦ隨空間的溫度和位置的變化而變化，流體黏性和熱導率隨溫度的變化而變化。
3.源項SΦ
首先對不同的變量，源項有不同的意義和不同的表達式。源項中往往包括若干項，如熱熔器（熱源）、孔底及孔壁（冷壁）等。
2.1.2適定性問題和求解條件
數學上把方程解的存在、唯一和穩定等問題稱為適定性問題。
為使方程的解唯一，就要確定具體流動的定解條件（初始條件和邊界條件）。定解條件的數目由微分方程的類型和階數確定，若給出定解條件太多，則得不到解，或解不存在；定解條件數目不夠，則有很多解，不唯一。解的穩定性是指定解條件做微小變化時，解是否連續。如果定解條件的微小變化不引起解突躍，則稱為穩定，反之稱為不穩定。
（1）初始條件。研究非定常流動問題時，流場各物理量都隨時間變化，基本方程中有時間t的偏導數項。為使問題適定，必須給出某時刻流場各物理量的分布，這種分布為流動問題的初始條件。
（2）邊界條件。邊界條件是指流場邊界上的流動及傳熱條件，要求方程的解滿足流場邊界上給定的條件。
2.1.3正交曲線坐標繫中的基本量
由於實際問題的復雜性，有些問題用直角坐標繫研究很不方便，而采用其他坐標繫卻很方便。例如，研究軸對稱流動可采用圓柱坐標繫，研究圓球繞流時用球坐標繫方便，邊界層研究中常用沿物面的正交曲線坐標繫。直角坐標繫、圓柱坐標繫、球坐標繫是正交曲線坐標繫的特殊形式。因為矢量形式基本方程組中的梯度、散度和旋度等算符的定義與坐標繫的選取無關，故隻要通過坐標繫之間的關繫求出一般正交曲線坐標繫中的相應算符表達式，就不難求得在正交曲線坐標繫中流體力學分量形式的基本方程組。

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