Development and performance evaluation of an in-situ temperature- and pressure-preserving corer for acquiring true in-situ parameters in deep mines
本文介绍了一种深部矿井原位温压保存取芯器（DM-ITPC）的研发与综合评估，该设备成功集成了液压提升、自触发密封以及主动-被动热控制技术，旨在高压高温条件下获取并保持真实的在位岩芯参数，以用于流体化开采应用。
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在深层地下，大地炽热，岩石承受着巨大的压力，那里隐藏着当前采矿技术无法完全开启的秘密。为了安全且高效地开采两公里或更深处的煤炭，工程师们需要了解岩石和其中捕获的流体的真实性质。问题在于，当岩石样本被带到地面时，它会发生变化。随着上升，压力下降，温度降低，导致岩石膨胀、开裂，或失去其深处所含有的气体和液体。从这些发生改变的样本中获取的测量数据并不能反映深层地球的真实情况。为了构建一种全新的采矿系统，将煤炭在地下直接转化为能源，而不必将固体岩石运送到地面，科学家们首先需要一种能够将样本原封不动地带回地表的方法——即保持其在原始高压、高温环境下的状态。
来自四川大学和金石钻探科技有限公司的研究团队开发了一种专门设计的工具来解决这一问题。他们创造了一种被称为“深井原位温压保持取芯器”的装置。该工具旨在钻入岩石，采集一根圆柱形岩芯，然后将其密封在一个腔体内，使样本从深部地下一直到抵达地面，都保持与原处相同的温度和压力。该装置长3.8米，设计用于容纳直径50毫米、长度800毫米的岩芯样本。它的构造足以承受深井中的极端条件，特别是能维持高达30兆帕的压力和高达50摄氏度的温度。
该工具的操作依赖于由钻井液触发的一系列巧妙过程。一旦工具钻取完其800毫米长的样本，一个钢球会被投入钻杆。这个球会落在工具内部的特定位置，阻断正常的流体流动。这种阻塞迫使钻井液在另一个腔室内积聚压力，该腔室起到了类似液压活塞的作用。上升的压力推动一根中心杆向上移动。随着这根杆的移动，它同时执行两项关键任务：首先，它激活了包裹在岩芯管周围的加热系统，以保持样本温暖，补偿其原本会向较冷的地面空气散失的热量；其次，它驱动岩芯管向上移动，直到撞击到一组密封件。在底部，一个磁性阀门会迅速关闭，将岩芯从下方密封；在顶部，橡胶密封件会受压闭合，从而从上方封闭腔室。这就在岩石样本周围创造了一个密封且加压的环境。
为了确保这个密封腔体不会在深层地球的巨大压力下破裂，研究人员分析了其壁面的强度。该工具采用了由强力钢层和中间夹层的特殊绝缘材料组成的复合结构。他们利用计算机模拟和数学模型，计算了当内部压力加至30兆帕，而外部压力在到达地面时降至零时，应力如何在这些层之间分布。计算结果显示，钢层能够轻松应对压力，其金属表面承受的最高压力远低于其断裂点。而绝缘层虽然强度较低，但也处于极低的应力之下，这意味着该设计既安全又足够坚固，能够胜任这项工作。
随后，团队在实验室中对该工具进行了测试。他们将密封腔体放入一个大型压力容器内，加热至50摄氏度，并将内部压力加至30兆帕。他们在这些条件下保持了四个小时。在整个测试过程中，内部温度和压力始终保持完美稳定，没有出现泄漏或压力损失的迹象。在另一项测试中，他们利用充满水泥状物质的30米深坑模拟了实际钻探过程。该工具成功钻取了样本，触发了密封机制，并将岩芯提升至地面。检查密封件时，该工具保持了压力且没有泄漏。他们还确认，当通电时，加热系统能够按预期启动并正常工作。
结果证实，这种新工具可以成功地从深层地下提取岩石样本，并保持其原始状态。通过维持深层地球真实的温度和压力，该装置带回的样本将使科学家能够测量深层煤炭和岩石的实际属性。这些准确的数据对于开发新的理论和技术至关重要，这些技术旨在安全、高效地开采那些此前被认为过于危险或难以触及的深层煤炭。密封、保压和加热功能的成功测试证明了这一概念的可行性，为未来深层地球资源的开采奠定了关键基础。
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