《Ocean Engineering》：Multi-purpose drilling hose for polar large-depth hot water drilling: Research on design methods and experimental validation
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冰下湖勘探中，热水平井钻探需解决多功能软管设计难题。本文通过理论计算与数值模拟确定钻探软管关键参数：内径40mm，等效热导率0.145W/(m·K)，并设计多层增强结构。实验验证软管爆破压力53MPa，抗拉强度178kN，满足冰层厚度达3600m的极地作业需求，为深部钻探提供可靠装备。
Bing Li|Zaixing Zhang|Xiaojun Xia|Hao Xu|Xiaopeng Fan|Haibin Yu|Shilin Peng|Kejing Guo|Minli Li|Youhong Sun
中国地质大学（北京）工程技术学院，北京，100083，中国
摘要
在南极洲已经发现了数百个大型冰下湖泊，而深水热钻探技术是探索这些湖泊的关键手段。多功能钻探软管是这项技术的核心组件之一，因为它能够实现高压热水输送、远距离电力和信号传输以及钻具的提升。然而，目前还没有一种软管能够同时集成所有这些功能。本文介绍了一种新型多功能热钻探软管的设计方法。通过理论计算和数值模拟，确定了内径、等效热导率以及加固层结构等关键参数。该软管的内径为40毫米，等效热导率低于0.4瓦特/(米·开尔文)。实验结果表明，该软管的爆破压力约为53兆帕，极限抗拉强度约为178千牛，等效热导率约为0.145瓦特/(米·开尔文)，均满足设计要求。理论预测与实验结果的高度吻合证明了设计方法的可靠性和所开发软管的稳定性。
引言
在南极冰盖下分布着大量的冰下湖泊，目前已发现675个（Bowling等人，2019年；Liu等人，2019年）。其中，一些封闭的冰下湖泊与外界隔绝了数百万年，这些湖泊的水和底部沉积物包含了关于古气候、冰盖和冰下湖泊演变的丰富信息，同时这些湖泊可能孕育着未知的古代生命，这对研究极端环境中的生命演化具有重要意义。因此，对冰下湖泊的钻探和采样对于推进南极冰川学、地质学、古气候学和生物学研究至关重要（Wright和Siegert，2012年）。
热钻探是一种通过热水融化冰层来快速形成孔洞的钻探方法（Gillet，2017年）。最高钻探速度可达120-200米/小时。这种方法可以快速穿透冰下湖泊的覆盖冰层并形成钻孔，然后通过钻孔放置采样器以收集湖泊水和沉积物样本。这是目前探测冰下湖泊的主要方法（Talalay，2023年），美国已经利用这种方法成功钻探了威兰斯湖（Whillans Lake）和穆勒湖（Muller Lake）（Rack，2016年；Rosenheim等人，2023年）。
目前，由于非金属软管具有重量轻、强度高和热导率低等优点，在国际冰钻作业中得到了广泛应用。这些软管负责将高温高压水从地面输送到钻孔底部的钻具，从而实现快速融冰钻探（Miles等人，2019年；Talalay等人，2018年）。由于钻探过程中通常缺乏对孔内环境参数和钻具方向的实时监测，因此通常使用没有内置电缆的非金属软管。但在深水热钻探中，这个问题变得尤为突出，因为回流室位于较深的位置，主孔和回流孔之间的距离通常约为1米。任何钻探轨迹的偏差都可能导致深度上的巨大分离——达到数百米——从而无法连接主孔和回流孔，最终导致无法形成有效的回流室。英国的埃尔斯沃思湖（Ellsworth Lake）钻探项目失败就说明了这一问题（Siegert等人，2017年）。因此，在深水热钻探中，监测钻具方向和孔内环境参数以保持轨迹控制至关重要。这就需要在钻探软管中嵌入电缆以实现电力供应和数据传输。在南极的麒麟湖（Kirin Lake），覆盖冰层厚度达到3600米（Jamieson等人，2016年；Yan等人，2022年），且回流室位于大约330米深处，配备内置电缆的钻探软管对于安全操作至关重要。然而，目前没有现有的多功能软管能够满足该项目的要求，因此需要独立开发。本文介绍了这种钻探软管的设计方法，包括理论分析和数值模拟，随后对原型进行了制造和性能测试，证明了其符合设计规范，并适用于麒麟湖的钻探项目。
部分内容摘录
深水钻探用多功能钻探软管的整体设计方案
根据工作条件分析，钻探软管在钻探过程中必须具备多种功能，包括高压热水输送、远距离电力和信号传输以及钻具的升降。同时，在储存和运输过程中，软管还需承受恶劣的环境条件，如低温、强辐射、盐雾以及运输尺寸的限制。
钻探软管关键参数的设计
根据上述钻探软管的整体设计，内径、等效热导率和加固层结构是关键的设计参数。确定这些参数的过程如下：（1）首先，根据钻探软管的长度、高压泵的出口压力、热水流量以及喷嘴处的压力损失等因素...
钻探软管的主要性能测试
在上述设计方法的指导下，钻探软管的结构设计与制造商共同完成，如图16所示。初步测试结果显示，该软管的内径为39.5毫米，外径为68.3毫米，重量为2.54千克/米，电缆可实现电力供应和通信，满足设计要求。其抗压性、抗拉强度和热...
讨论与结论
热钻探是一种利用高温水融化冰层快速形成孔洞的技术，广泛应用于冰架穿透和冰下湖泊探索。热钻探软管的性能对钻探作业的成功至关重要，因为它负责输送高压热水、远距离传输电力和信号，以及钻具的升降。本文重点关注麒麟湖的探索...
CRediT作者贡献声明
Bing Li：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化处理，软件应用，方法论设计，数据整理，概念构思。Zaixing Zhang：撰写 – 审稿与编辑，软件应用，概念构思。Xiaojun Xia：概念构思。Hao Xu：概念构思。Xiaopeng Fan：概念构思。Haibin Yu：概念构思。Shilin Peng：概念构思。Kejing Guo：概念构思。Minli Li：概念构思。Youhong Sun：撰写 – 审稿与编辑，监督工作。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
