【现货速发】热熔岩与热融冰技术
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天津津南
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作者陈晨
出版社科学出版社
ISBN9787030348982
出版时间2012-06
装帧平装
开本16开
定价60元
货号22816414
上书时间2024-12-18
商品详情
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导语摘要
热熔岩与热融冰技术全面总结了世界各国在特殊的岩土破碎技术——热熔岩与热融冰技术方面的研究进展。全书分上、下两篇，上篇为热熔岩技术，包括热熔法理论、热熔钻具、热熔法设备和热熔工艺等，重点介绍热熔法理论、工具、工艺等方面的研究成果；下篇为热融冰技术，重点介绍冰层的热融冰原理、热融冰钻具结构、试验系统、钻井液及热融冰钻进工艺。
热熔岩与热融冰技术可供石油、冶金、煤炭、地质、市政、建筑、交通、水利、铁道、海洋、农业、国防等部门从事勘探和采掘新技术研究的人员及相关大专院校师生参考。
目录
前言
绪论
0.1 引言
0.2 热熔岩技术发展现状
0.2.1 美国的热熔岩技术
0.2.2 日本的热熔岩技术
0.2.3 俄罗斯的热熔岩技术
0.2.4 热熔岩技术研究的工程意义和价值
0.3 热融冰技术发展现状
0.3.1 背景
0.3.2 美国的热融冰技术
0.3.3 苏联的热融冰技术
0.3.4 法国的热融冰技术
0.3.5 澳大利亚和日本的热融冰技术
0.3.6 热融冰技术评价
上篇 热熔岩技术
第1章 概述
第2章 热熔体流动方程和流动问题解法
2.1 热熔体流动的基本方程
2.1.1 问题的分类及数学表达
2.1.2 适定性问题和求解条件
2.1.3 正交曲线坐标系中的基本量
2.1.4 正交曲线坐标系下的方程
2.2 热熔体流动问题的解法
2.2.1 基本假定和平衡方程
2.2.2 热熔体流动问题的解法
2.3 本章小结
第3章 热能在岩土中的传递问题
3.1 热量传递过程的基本概念
3.1.1 导热
3.1.2 对流
3.1.3 热辐射
3.1.4 温度场
3.1.5 等温面、温度梯度
3.1.6 热流密度、热流、总热量
3.2 热传导过程的分析
3.2.1 热熔器表面温度变化时周围土体中的温度分布
3.2.2 热熔器表面温度稳定时土体中的温度分布
3.2.3 热熔过程中的热平衡
3.2.4 热熔体的平均厚度和流动阻力
3.2.5 全面钻进的热熔速度方程
3.3 热熔器外土体中温度的实测结果及分析
3.3.1 土体中各测点温度随时间的变化
3.3.2 土体中各测点温度径向的变化
3.3.3 各测点温度径向变化的数值模拟
3.4 本章小结
第4章 热熔器的结构研究
4.1 热熔器的设计原则
4.2 热熔器的结构材料
4.2.1 热熔器的壳体材料
4.2.2 加热电阻
4.2.3 隔热材料
4.3 热熔器的外形
4.3.1 热熔器的横截面
4.3.2 热熔器的纵向截面形状
4.3.3 热熔区的高度
4.3.4 热熔器热熔区形状及参数的确定
4.4 热熔器热熔区内部结构的研究
4.5 新式热熔器的结构设计
4.5.1 热熔器外形的主要尺寸
4.5.2 热熔器的内部结构
4.5.3 热熔器内部加热电阻设计
4.6 本章小结
第5章 热熔钻进工艺的研究
5.1 热熔钻进试验台
5.2 热功率对钻进速度的影响
5.3 钻压对钻进速度的影响
5.4 其他因素对钻进速度的影响
5.4.1 热熔器的高度对钻进速度的影响
5.4.2 岩土体的导热性能对钻进速度的影响
5.5 美国的热熔钻进野外试验
5.6 俄罗斯的热熔钻进野外试验
5.7 热熔钻进时的附属工具及配套设备
5.7.1 设备
5.7.2 机具
5.7.3 实际操作注意事项
5.8 本章小结
第6章 热熔岩过程中的孔壁挤密和硬壳的形成
6.1 热熔岩过程中的孔壁挤密
6.2 热熔岩过程中的孔壁硬壳形成机制
6.2.1 渐进阶段
6.2.2 衰退阶段
第7章 热熔岩技术应用前景与展望
7.1 热熔岩技术施工冻土层勘探孔和天然气水合物勘探孔
7.2 热熔岩技术施工地热井
7.2.1 地热井施工的复杂性
7.2.2 热熔法施工地热井时的优势
7.3 热熔岩技术在资源开采中的应用前景
7.3.1 在水井工程中的应用
7.3.2 开采盐井
7.3.3 石油勘探、开采井中的应用
7.4 热熔岩技术在超深科学钻井中的应用前景
7.5 热熔岩技术在土木工程中的应用
7.5.1 地基改良和降水
7.5.2 滑坡、露天矿和采石场边坡加固
7.5.3 托换工程
7.5.4 钻进桩基孔
7.5.5 在非开挖施工中应用
下篇 热融冰技术
第8章 概述
8.1 冰层钻进地层特点
8.2 冰层取样研究内容及取样技术面临的主要问题
第9章 热融冰原理
9.1 孔底接触热传导过程
9.2 孔底流体热传导过程
第10章 热融冰钻具结构
10.1 概述
10.2 电加热钻具结构
10.3 热水、蒸汽热融钻具
第11章 冰层钻进用钻井液
11.1 冰层和冰雪覆盖层钻进用钻井液配方
11.2 冰层钻进用钻井液相关参数
第12章 热融冰钻进工艺研究
12.1 热融冰钻进工艺的室内研究
12.1.1 试验台及试验方法
12.1.2 试验研究结果
12.2 热融冰钻进工艺的野外试验研究
12.3 钻井液护壁条件下热融钻进工艺的完善方法
参考文献
内容摘要
热熔岩与热融冰技术全面总结了世界各国在特殊的岩土破碎技术——热熔岩与热融冰技术方面的研究进展。全书分上、下两篇，上篇为热熔岩技术，包括热熔法理论、热熔钻具、热熔法设备和热熔工艺等，重点介绍热熔法理论、工具、工艺等方面的研究成果；下篇为热融冰技术，重点介绍冰层的热融冰原理、热融冰钻具结构、试验系统、钻井液及热融冰钻进工艺。
热熔岩与热融冰技术可供石油、冶金、煤炭、地质、市政、建筑、交通、水利、铁道、海洋、农业、国防等部门从事勘探和采掘新技术研究的人员及相关大专院校师生参考。
精彩内容
第1章 概 述
美国、日本、俄罗斯等国对热熔岩技术的研究主要集中于材料和结构两大方面。其中，材料问题是制约热熔岩技术研究进一步发展的“瓶颈”。材料主要包括两部分：既能够耐高温又不会在熔化的岩土中发生化学反应的热熔器壳体材料；在空气中通电既能产生高温又不与空气中的成分产生化学反应的加热电阻材料。对前者，美国、日本采用的是钼合金，俄罗斯采用的是非金属合成材料，该材料能够抗2800℃的高温，且在空气中不氧化，加工一套热熔器需3000美元（1999年）；对后者，各国都采用热解石墨。
各国相继开展的热熔岩技术的研究成果主要涉及以下几个方面：
（1）确定合适的热熔器壳体材料。美国、日本等国研究了耐高温的金属材料；而俄罗斯开始是从金属材料起步，但后集中力量研究非金属材料，并取得了突破性的进展。
（2）虽然对加热电阻的选择比较统一，都采用热解石墨，但美国、日本等均通入惰性气体保护，俄罗斯没有保护措施。
（3）热传递的方式是一致的：直流电通过加热电阻产生高温→主要是热辐射穿过空气或保护性气体传到外壳→受到热辐射的壳体内壁通过热传导将热能传到外壁→外壁的高温将与之接触的岩土熔化。
（4）研究了热熔器、热熔体、岩石间的热传递问题。
（5）提出了合理的热熔器外壳形状为流线型，以4次方抛物线或悬链线。
（6）研究了热熔体冷却后形成硬壳的机理及性质。
（7）研究了工艺参数对热熔过程的影响。
（8）根据相应的研究成果，研制了不同用途的热熔器，直径为30cm～2m，在矿山巷道的围护及地基处理工程中完成了初步试验，取得了宝贵的经验和数据。
我国在热熔岩技术的研究方面起步较晚，始于1992年，长春地质学院的俄罗斯自然科学院外籍院士张祖培教授邀请热熔岩技术研究的专家，俄罗斯自然科学院Kudryashov院士及Solovev教授等多次来华讲学，并进行短期的研究工作。1995年作者被派往俄罗斯专门学习热熔岩技术，回国后首次立项开始独立研究。
热熔岩技术经过近40年的不断研究，虽然掌握了许多的数据和资料，但仍然有些问题需要进一步研究。主要问题如下：
（1）寻找更经济耐用的壳体材料。国外的壳体材料虽然能够耐2800℃高温，但由于技术保密，加之成本较高，所以很难直接引进和应用。而且我国与国外使用热熔器的区别在于后者针对岩石，而我国主要考虑用于松散的土层。各类土层的实际熔化温度为1300～1400℃，考虑到钻进效率，实际热熔器壳体表面温度达1500℃就足够了。所以我国选用的壳体材料的力学性能、热学性能、电学性能等与国外的材料相比，某些方面的指标可适当降低。
（2）国外将加热电阻一致选为热解石墨，对这一点也应重新审视。因为热熔器的工作地层是土层，可以适当地降低热熔温度，所以对加热电阻的选择也要重新考虑。
（3）已有的理论研究结果较多，但多集中于热熔器壳体外、热熔体、岩石，对热熔器壳体内的传热研究较少，作者认为加强这方面的研究，对优化热熔器内部的结构设计是非常重要的。
（4）应加强对热熔器钻进的工艺参数及热熔体冷凝生成硬壳的材质、机理及
其各方面性能参数优化的研究。国外试验获得的松散土和岩石的热物理力学指标见表1.1和表1.2。
表1.1 松散土的热物理性质
土壤 容重ρg /（kg /m3） 含水率w /% 比热容c/［J/（kg ·℃）］ 导热系数λ/［W /（m ·℃）］ 导温系数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
续表
土壤 容重ρg /（kg /m3） 含水率w /% 比热容c/［J/（kg ·℃）］ 导热系数λ/［W /（m ·℃）］ 导温系数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：分子为融土值；分母为冰土值。表1.2 岩石的热物理性质
岩石 岩石名称 密度ρ/（kg /m3） 比热容c/［J/（kg ·℃）］ 导热系数λ/［W /（m ·℃）］ 导温系数α/（10-6m2/s）
砾岩 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、页岩 1700～3000 737～988 0.25～3.01 0.60～1.54
积 白云石 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
岩盐 2150～2300 1474～4651 1.67～5.50 1.12～1.77
辉石 2900～3400 879～1214 3.48～5.02 0.94～1.49
蛇纹石 2480～3600 963～1130 2.31～2.87 0.84～0.98
橄榄岩 2880～3290 961～1088 3.78～4.85 1.20～1.41
辉长石 2850～3050 879～1130 1.80～2.83 0.93～1.22
岩浆岩 闪长岩 2670～2920 1118～1168 1.38～2.89 0.33～0.86
花岗岩 2550～2680 741～1548 1.34～3.69 0.33～1.50
花岗闪长岩 2620～2780 741～1256 1.64～2.48 0.30～0.75
正长岩 2570～2650 — 1.74～2.97 0.54～0.79
辉绿岩 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
续表
岩石 岩石名称 密度ρ/（kg /m3） 比热容c/［J/（kg ·℃）］ 导热系数λ/［W /（m ·℃）］ 导温系数α/（10-6m2/s）
片麻岩 2630～3070 754～1176 0.94～4.86 0.63～0.83
变 闪岩 2720～3970 1063～1201 1.75～2.89 0.53～0.81
质 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
本篇内容主要根据作者申请的吉林省科技厅社会发展基金项目“热熔法钻进锚杆孔技术的研究”和科学钻探国家专业实验室开放研究基金项目“接触热熔法钻进松散地层的研究”的研究成果、作者的博士学位论文、博士后出站报告及后续的研究编写而成，重点阐述了以下内容：
（1）热熔体流体动力学特性。
（2）热能在热熔器内部、壳体、均质土层中的传递规律；热熔器、热熔体与土层间的热交换。
（3）热熔器壳体设计参数、实用的热熔器内部结构。
（4）热熔法钻进松散地层的工艺参数及影响因素。
第2章 热熔体流动方程和流动问题解法
2.1 热熔体流动的基本方程
热熔体流动遵循的基本规律是物理学三大守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。这三大定律的数学描述就是热熔过程的基本方程组。要使这个方程组封闭，还需加上辅助的物性关系，如密度、热容、黏性系数和热导率随温度和压力的变化关系等。在目前的科学技术发展条件下，一般说来，求不出这个方程的解析解，但其过程是由这个方程组所决定的。
2.1.1 问题的分类及数学表达
孔底岩土的熔化可采用三种方法：热对流、热辐射、接触热熔，其中问题按复杂性可分为如下三类：热传导、结合传热（即同时计算固体和流体中的传热）、带有化学反应的流动和传热。其中的反应可以是动力控制，也可以是扩散控制。
上述情况中，许多理想化的问题已由理论分析和试验方法解决，这些研究结果将指导热熔过程研究的继续进行。然而随着我国新科学技术领域的出现，要求更深入、更准确地分析热熔过程，这就需要应用更好的分析方法，在解决实际问题时限度地减少假定和简化。因而导致研究方法逐渐从相似模拟过渡到数值模拟，从分析解过渡到积分解，后从积分方法过渡到离散方法，如有限差分法、有限元法及有限体积法等。
热熔体流动方程的通用形式：
抄抄t（ρΦ）+div（ρVΦ）＝div （ΓΦgrad Φ）+SΦ（2.1）
瞬态 对流 扩散 源项式中，Φ为通用变量，它可以表示速度分量（u，v，w）、焓（h）或化学成分的浓度（c1，c2c3，.cn）等；ΓΦ为交换系数，层流动量方程中是分子黏度；热传导方程中是热导率，；SΦ为，产生Φ的源（或汇），如动量方程中包括压力梯度、重力及其他体积力项。
如果调整方程（2.1）的各项或系数，也可以用它表示热传导方程。用散度算符内的密度ρ和交换系数ΓΦ代表变量的物理性质。任何物性的空间变化在离散过程中是容易解释的。在热传导问题中，ρ因热熔体、岩石性质的差别而发生变化。此外ρ不能描述成位置的函数，但却能由其他流动变量，如温度、压力和浓度等导出。由于流动方程的非线性和耦合性，因而其解具有迭代属性。
1.变量ρ
ρ与温度和压力有关。
2.变量ΓΦ
对热传导方程，由于材料性质不同（热熔器、热熔体、岩石），ΓΦ随空间的温度和位置的变化而变化，流体黏性和热导率随温度的变化而变化。
3.源项SΦ
首先对不同的变量，源项有不同的意义和不同的表达式。源项中往往包括若干项，如热熔器（热源）、孔底及孔壁（冷壁）等。
2.1.2 适定性问题和求解条件
数学上把方程解的存在、和稳定等问题称为适定性问题。
为使方程的解，就要确定具体流动的定解条件（初始条件和边界条件）。定解条件的数目由微分方程的类型和阶数确定，若给出定解条件太多，则得不到解，或解不存在；定解条件数目不够，则有很多解，不。解的稳定性是指定解条件做微小变化时，解是否连续。如果定解条件的微小变化不引起解突跃，则称为稳定，反之称为不稳定。
（1）初始条件。研究非定常流动问题时，流场各物理量都随时间变化，基本方程中有时间t的偏导数项。为使问题适定，必须给出某时刻流场各物理量的分布，这种分布为流动问题的初始条件。
（2）边界条件。边界条件是指流场边界上的流动及传热条件，要求方程的解满足流场边界上给定的条件。
2.1.3 正交曲线坐标系中的基本量
由于实际问题的复杂性，有些问题用直角坐标系研究很不方便，而采用其他坐标系却很方便。例如，研究轴对称流动可采用圆柱坐标系，研究圆球绕流时用球坐标系方便，边界层研究中常用沿物面的正交曲线坐标系。直角坐标系、圆柱坐标系、球坐标系是正交曲线坐标系的特殊形式。因为矢量形式基本方程组中的梯度、散度和旋度等算符的定义与坐标系的选取无关，故只要通过坐标系之间的关系求出一般正交曲线坐标系中的相应算符表达式，就不难求得在正交曲线坐标系中流体力学分量形式的基本方程组。
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