[发明专利]一种超声波冰层钻进能量的测试方法

说明书

一种超声波冰层钻进能量的测试装置及测试方法，涉及地质工程中的寒冷环境冰层钻进领域，该测试装置包括试验箱和数据采集系统，试验箱上部设有三个控制面板，对应控制试验箱内温度与湿度、液压缸的升降和超声波振动装置的工具头输出的幅度与频率；在试验箱之外设有数据采集系统，连接超声波振动装置，实时记录压电陶瓷的工作时间与瞬时输入功率。本发明能够模拟寒冷环境，测试超声波冰层钻进过程中消耗热能与机械能的理论值，并可以进行不同振幅、频率、压力条件下的耦合试验，测试结果能够得到冰层破碎的能量分布情况，对超声波冰层钻进方法的应用价值与前景具有深刻的借鉴意义，有助于探究钻进能量的变化规律，为相关钻具的研制打下理论基础。

技术领域

本发明涉及地质工程中的寒冷环境冰层钻进领域，特别是涉及一种超声波冰层钻进能量的测试方法，主要用于极地资源开采、地质勘探方向。

背景技术

人类对极地进行资源开采或科学研究需要采用高效的冰层钻探技术。目前寒冷地区冰层钻进方法有机械钻进、热水钻进与热熔钻进。机械钻进是极地勘探最早使用的方法，由常规回转钻具逐渐发展到电动机械钻具，易发生孔内卡钻事故，难以进行深部钻进；热水钻进是目前最有效的冰架钻探技术，通过钻头喷嘴喷射热水冲击融化冰雪层进行钻进，能有效解决机械钻进的技术难题，但易发生残留热水结冰膨胀破坏软管及热水严重漏失的问题，造成巨大的经济损失；热熔钻进方法利用热水或电热熔加热钻头直接接触冰层，通过钻头与冰层之间的薄膜水层传热熔化钻进，由于钻头热量易横向传递，在水平方向扩大孔径，导致热熔钻进方法的进尺效率较低。为解决上述三种钻进方法出现的问题，改进现有极地勘探手段的不足，目前国际开始研究超声波冰层钻进技术，但该技术的研究尚停留在概念阶段，对冰层钻进消耗能量的量化研究仍为空白，破碎理论的研究仍有待深入。

根据超声波在覆冰高压输电线路除冰、道路除冰的理论研究与实际应用可知，超声波冰层钻进碎冰机理为机械效应引起的疲劳破坏、热效应的融化作用、空化效应的破坏作用三部分，因此破碎冰层消耗的能量可分为机械能与热能两部分。由于目前理论上难以确定冰层钻进消耗的能量，无法得到破碎冰层时机械能与热能的能量分布情况，也尚未开发出能够进行相关试验的测试装置，影响了该技术的进一步研究和应用，因此，建立超声波冰层钻进能量测试试验台，能够确定超声波冰层钻进消耗能量，并能够探究振动频率、幅度、压力与冰层钻进能量分布的关系，对进一步探究超声波振动冰层钻进机理、确定合理的振动参数，研制相关钻具建立理论基础，且对该技术钻进效果的评价体系建立具有非常大的推动作用。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有超声波振动冰层钻进试验技术中存在的难以量化破碎冰层的机械能量、冰层融化吸收的热量以及无法进行多变量耦合试验的问题，本发明提供了一种超声波冰层钻进能量的测试方法，操作简便、安全可靠，能够量化冰层破碎的能量，填补了相关数据空白。

为解决上述问题，本所发明采用如下的技术方案：