张 楠,王瑛雨,Pavel Talalay,范晓鹏,宫 达,王 婷,韩 博,魏贤哲,柏洪亮,王 亮

1.吉林大学建设工程学院,长春 130026

2.吉林大学极地科学与工程研究院,长春 130026

3.吉林省水利水电勘测设计研究院,长春 130021

0 引言

自1892—1893年Erich von Drygalski钻取第一根冰心以来,随着冰层钻探技术的不断发展,人们可以通过对极地冰层的观测和对冰心的研究为冰盖形成及演化、气候变化的研究以及地球系统规律的揭示提供依据[1-2]。各国科学家在极地地区进行了多次钻探,以求钻穿冰盖获取极地冰心、极地冰下湖水及基岩样品。美国20世纪60—70年代设计的CRREL(cold region research and engineering laboratory)钻具成功应用于南极伯德站,其是铠装电缆机械取心钻具原型[3];20世纪80年代由日本国立极地研究所设计的JARE(japanese antarctic research expedition)钻具在冰穹F深冰心钻探项目中钻进深度超过3 000 m,至今仍是国际上比较成功的深冰心钻探案例之一[4-5];丹麦哥本哈根大学在20世纪90年代设计的HANS TAUSEN钻具,参与了包括EPICA(european project for ice coring in antarctica)、NEEM(north Greenland Eemian ice core)在内的多个极地钻探项目,并且钻深均在2 500 m以上[6-7];2012年俄罗斯科学家使用机械钻在南极洲东部的Vostok站率先钻穿冰盖,获取了冰下湖水,这次钻探共钻进3 769.3 m[8-9],是目前极地钻进最深的冰钻钻孔。

除了机械钻,热水钻和热融钻进也是快速钻到极地冰下基岩的方法。对于热水钻,有3个具有代表性的冰下湖勘探项目[10],其中:2012年12月,英国科学家计划使用清洁的热水钻进入Lake Ellsworth冰下湖[11];2013年1月,由美国主导的WISSARD(wisconsin ice sheet study and whillans ice stream subglacial access research dring)考察队通过在钻井过程中使用紫外线辐射,减少微生物污染,获得了位于南极洲西部的Whillans冰下湖的微生物样品[12-13];2018年12月,SALSA(subglacial antarctic lakes scientific access)团队宣布用高压热水钻融化了约1 067 m的冰层后,到达了Mercer冰下湖,并收集了6 m深处的冰下湖水样本和海底沉积物样本[14]。对于热融钻进,国内具有代表性的钻具是由吉林大学研发的可回收型全自动冰下环境探测器(recoverable autonomous sonde,RECAS)[15]。RECAS热融钻具主要基于科技部“南极冰下湖无污染钻进采样与观测系统研发”项目研发,已多次应用于南极钻探工作。

机械钻、热水钻、热融钻等钻进方式经过几十年的发展,在极地钻探领域已经相对成熟。但其设备庞大繁琐,运输组装过程中会占用大量的人力、物力和财力,同时也会占用很多宝贵的采样、研究时间。而激光作为一种非接触无扰动、无污染、高能、方向性强的加工方式,在石油、油气井钻井的岩石切割方面有了较为成熟的发展[16-17]。虽然激光未应用于极地冰雪钻探,但国内外学者也在该领域做了大量研究。Edward等[18]对CO2激光切冰进行了研究,认为红外波长段的激光可以在很短的距离内被冰所吸收,并对应用CO2激光取心钻探光学系统进行了概念化设计。Sakurai等[19]开展了较为系统的以冰层钻探为目的的CO2激光融冰技术研究,设计了一种ULR-25型CO2激光器,其可产生连续10.6 μm波长的激光并应用于融冰试验,测量出几种照射强度、冰雪密度以及单一功率下不同角度光束的钻进速度。王亮[20]采用模拟和实验相结合的方法,利用COMSOL Multiphysics多物理场软件模拟CO2激光定点、旋转切割冰心的过程,并用正交实验加以验证,揭示了不同激光功率、不同转速下,激光切割冰心的规律和机理。

激光应用于极地钻探仍处于探索阶段。作为一种高能量融冰钻进方式,激光在钻进冰的过程中必定有融水的产生,而这些融水对钻进效率的影响仍有待进一步研究。为此,本文在(-10±1) ℃的环境温度下设计不同角度、不同功率对直径100 mm的冰样品进行激光定点穿孔实验,旨在进一步研究融水在钻进过程中的影响,并为后续极地钻探装备的设计研发提供一定的数据参考。

1 CO2激光融冰理论

1.1 冰的光吸收特性

激光是一种电磁波,当它作用于目标时能与目标分子发生共振现象,将电磁波的能量转化为热能。这种能量的转化在激光对冰层的钻进能力中通过冰对激光的吸收特性表现出来。而在冰对光吸收特性中,作为波长函数的复折射率起决定作用。复折射率分为实部和虚部两部分,实部代表了介质对电磁波的色散,虚部代表了介质对电磁波的吸收。其中虚部可以由消光系数k定义,消光系数k与线性吸收系数α有关,其关系式为

α=4πk/λ。

(1)

式中,λ为光的波长。

Stephen等[21]的研究数据表明,冰的吸收系数在近红外到中红外区域显著增加。在(-7.15±20) ℃范围内的环境温度下,波长为10.600 0 μm的CO2激光,冰的吸收系数约为1 476.500 00 cm-1;而在Nd∶YAG(钇铝石榴石晶体)激光波长为1.064 0和0.532 0 μm处,吸收系数明显降低,分别为0.224 40和0.000 35 cm-1;在He-Ne(氦氖激光)对应的0.632 8 μm波长处的吸收系数为0.002 17 cm-1;在KrF(氟化氪同体激光)对应的0.248 3 μm 波长处的吸收系数为0.000 01 cm-1(表1)。

表1 冰在CO2激光与其他4种介质激光特征波长处的吸收系数

在同等环境温度下,冰对于波长10.6 μm的CO2激光,可以在0.01 cm的距离内吸收几乎100%的光强,而其他波长的激光想要达到这个吸收效果,需要厘米、米甚至千米级别的距离才能实现。如图1所示,CO2激光波长处的吸收能力明显强于其他几种激光。这种吸收的能量可以有效地转化为热能,进而融化冰。

ρ冰=917.65 kg/m3;波长据文献[21]计算。

1.2 CO2激光融冰的物理过程

参考Stephen等[21]在10.6 μm波长段汇编数据的试验所设置的温度条件(-7.15±20) ℃,本实验在(-10±1) ℃的环境温度下进行。根据表1和图1,冰在极短的距离内完全吸收CO2激光的能量,这些能量使冰经历如下5个过程。

1)冰从(-10±1) ℃升温至(0±1) ℃,这个升温过程中冰的相并没有发生改变,依旧是固态,但这个过程成为冰继续吸收能量由固态融化为液态的前提。过程1)中的能量消耗记为能量Ⅰ。

2)冰在(0±1) ℃由固态融化为液态,这个相转变过程并不一定是从0 ℃突然开始的,而是在0 ℃前后一定范围内均在发生。过程2)中的能量消耗记为能量Ⅱ。

3)融化后的水继续被激光加热升温,由(0±1) ℃升温至(100±3) ℃沸腾。

4)由于激光的高能量使冰在(0±1) ℃直接升华为水蒸气。过程3)4)中的能量消耗记为能量Ⅲ。

5)是过程3)中被加热至沸腾的水继续吸收能量蒸发为水蒸气。过程5)中的能量消耗记为能量Ⅴ。

由于激光能量很高,过程1)会在极短时间内完成,同时,在接触冰的瞬间会使一部分冰直接升华为气态,且一部分冰融化为水并堆积。融水从(0±1) ℃升温至(100±3) ℃,最终蒸发为水蒸气。因为过程3)4)之间没有很明确的界限,因此将它们均看作是冰达到融点且融化后蒸发。根据Sakurai等[19]和Talalay等[22]的研究,可以得到理论融化速率公式。

(2)

式中:v为穿透冰样品的速率,cm/s;P为激光功率,W;Ci为冰的比热容,J/(cm3·K);Li-w为冰的融化潜热, J/cm3;Cw为水的比热容,J/(cm3·K);Q为单位体积沸水蒸发需要的热量,J/cm3;Ast为激光光斑面积, cm2。本实验设定光斑直径为2.5 mm,因此光斑面积为定值,而激光功率设定40、80、120 W 3个变量,经过计算,激光穿透速率为2.92～8.76 mm/s 。过程1)—5)中的能量消耗Ⅰ—Ⅳ计算如下。

能量Ⅰ。激光作用于冰样品,使目标区域冰样品从(-10±1) ℃升温至(0±1) ℃。已知冰的比热容为2.1 J/(g· ℃),能量Ⅰ公式为:

Eb= 21Viρ冰;

(3)

Vi=10Ast;

(4)

Ast=πR2。

(5)

式中:Eb为激光光斑辐照范围内冰从(-10±1) ℃升温至(0±1) ℃所需要的能量,J;Vi为假设情况下被加热升温的冰样品体积,cm3;ρ冰为冰样品密度,g/cm3;R为激光光斑半径,cm。经计算,能量Ⅰ约为实验过程能量消耗的0.67%。

能量Ⅱ。已知冰融化潜热为334 J/g,因此能量Ⅱ公式为

Eh=334Viρ冰。

(6)

式中,Eh为冰融化所需要的能量,J。能量Ⅱ约为实验过程能量消耗的10.98%。

能量Ⅲ。已知水的比热容为4.2 J/(g· ℃),因此能量Ⅲ公式为

Es=420Viρ冰。

(7)

式中,Es为融水升至100 ℃左右所需能量,J。能量Ⅲ约为实验过程能量消耗的13.79%。

能量Ⅳ。已知水汽化潜热为2 268 J/g,因此能量Ⅳ公式为

Ez=2268Viρ冰。

(8)

式中,Ez为沸水蒸发需要的能量,J。能量Ⅳ约为实验过程能量消耗的74.54%。

通过上述假设理论计算的能量Ⅰ—Ⅳ可知,融水达到沸点后汽化需要的能量占比很大,达74.54%。这就意味着当融水不能及时排除时,大部分激光能量将用于加热蒸发融水,这无疑会对钻进效率产生巨大影响。

根据水力坡度和流速的关系,可计算出不同角度下,融水通过重力排除后的激光穿透速度。

(9)

(10)

式中:J为水力坡度;μ为冰的摩阻系数,一般取0.014～0.027,本实验中统一取0.02;r为水力半径,m;Ag为过水截面积,m2;d为湿润周长,m;vr为融水流速,m/s;g为重力加速度,取9.81 m/s2。

如图2所示,取15°～45°的激光入射角度。计算内容包括能量Ⅰ和Ⅱ,以及融水排除的时间,根据消耗时间来计算穿透速度。根据式(3)(6)计算,融水得到及时排除后的穿透速度将是排除前的3.4～7.8倍。

图2 激光入射角度

1.3 数值模拟

为了清晰地体现上述激光融冰各物理过程,采用COMSOL Multiphysics多物理场模拟软件模拟40 W激光功率、-30°的激光入射角度(图2)条件下的温度和相变等情况,见图3。

a模拟最初阶段背景无温度变化,为白色。

由图3可见:冰从(-10±1) ℃升温至(0±1) ℃,这个过程没有发生相变,由于激光能量密度高,表层冰在接触激光后的极短时间内升温至(0±1) ℃(图3a); 激光辐照区域的冰在(0±1) ℃开始由固态融化为液态,并已经产生少量融水,但融水未发生流动和汽化,且尚未达到对钻进产生持续稳定影响的深度,固液相变界面已在图中标出(图3b); 冰融化后在钻孔内积聚,一部分融水因重力作用从钻孔口排除,剩余融水被加热至(100±3) ℃沸腾,在这个过程中,未能排除的融水会继续融化孔壁的冰,使钻孔向下发生一定的倾斜(图3c);孔内融水被加热至沸腾,图3d中深红色区域为蒸发升腾的水蒸气,水蒸气在孔内生成,加之融水继续积聚,使钻孔孔径和倾斜进一步扩大(图3d)。

图3c、d反映了融水未能及时排除,激光不能有效作用于冰,从而使融冰效率、孔径等受到了巨大影响。

2 研究方法

2.1 CO2激光实验装置

如图4所示为本研究使用的实验装置。包括CO2激光器、冰样品托架装置、导光臂、循环冷却系统和外部保温系统。

1. CO2激光器;2. 冰样品托架装置;3. 导光臂;4. 循环冷却系统;5. 外部保温系统;A、B. 激光管。

CO2激光器由A、B两根激光管组成(图4),最大输出功率为300 W,光斑直径为2.5 mm,发散角度为0.085 95°,尺寸直径为60～80 mm。由于该设备CO2气体发生逸散,加之反射镜的反射,激光功率不可避免地出现了衰减。经过对激光器出光口的光强测量,目前该套设备最大功率在230 W左右,衰减了23.3%。

导光臂是一个六关节CO2激光导光臂(图5a),且导光臂末端的激光头内有一个用于聚焦的凸透镜,整个导光臂可以满足300 W的CO2激光器使用要求。每个关节有一枚反射镜片,每枚反射镜与入射光呈45°角,并将光反射到下一枚镜片,直到经过凸透镜汇聚作用于冰样品。正常情况下,每枚反射镜由于吸收等原因会将入射光削弱3%左右,而激光头内的凸透镜会将入射光削弱1%左右。因此激光实际照射到样品上的最大功率为189.67 W。

a. -30°导光臂与冰样品托架装置的位置关系;b. 冰样品托架装置;c. 导光臂激光头;d. 导光臂与冰样品托架装置连接方式。

循环冷却系统内部液体为乙二醇,用于CO2激光管持续工作中的管体降温,目的是保证在长时间连续工作下,激光器可以正常运作。

外部保温系统用于防止环境温度过低情况下,冷却液冻结体积扩大将激光管撑裂,同时也对内部电路设备起保护作用。

冰样品托架装置整体由铝合金制成,其中两段内径均为102 mm(图5b)的铝合金管用于放置冰样品。两侧架之间有一个横梁,横梁可以绕管轴心做360°旋转,横梁中间有一个凹槽,激光头可以与之连接(图5c、d)。横梁的旋转可以带动激光头绕管轴心旋转,以实现不同角度照射冰样品的实验目的。

2.2 冰样品的制备

为了更好地模拟极地冰心气泡含量极少且均匀的特性,利用上部循环的方法,在-10 ℃的环境下冻制直径100 mm的冰心样品。如图6所示,冻制的样品透明、气泡含量极少,可以满足实验的要求。并且在保证样品直径的前提下,配合冰样品托架装置,可以实现每组实验的穿透目标深度一致。

a. 待实验冰样品;b. 冰样品直径。ρ冰=917.65 kg/m3。

选取低温实验室为冰样品制备环境,将实验室温度区间设定为-11～-9 ℃,等实验室温度稳定在该区间范围内时进行冰样品的冻制。冰样品冻制完成并脱模后立刻将其存放于已提前设定好温度并经过充分预冷的实验用冰箱内备用。在实验阶段,将冰样品从冰箱中取出置于设备上进行实验。需要注意的是,实验设备和实验用冰箱均放置在低温实验室中,杜绝了温差过大的影响;另外在冰样品脱模和人工搬运时需要佩戴橡胶手套和一次性PE手套,防止手部温度使冰样品融化变形。

2.3 实验原理及过程

本实验旨在进一步探究CO2激光融冰过程中融水对其效率的影响。经过一系列预实验,最终选取不同角度(-90°、±45°、±30°、±15°、0°,如图2),不同功率(40、80、120 W)作为实验的变量。通过改变激光入射角度得出不同角度入射时的穿透时间、孔径以及融水量的不同,并与理论值加以比对,从而得出相同功率、不同角度下热量消耗情况。而改变激光功率则是为了研究在入射角度不变的情况下,各个参数是否会随着功率改变呈线性变化。

实验中,首先将冰样品从实验用冰箱中取出放置于冰样品托架内。然后将电源、循环冷却系统打开静置1 min,待循环冷却系统正常工作后打开激光器开关。再将激光功率、激光入射角度调整至实验需要状态。最后按下激光发射按钮进行实验,并做好实验记录。其中,一个角度和一个激光功率代表一组实验,做3组平行实验,实验结果取均值以保证数据的稳定和可靠。实验中需要采集激光穿透时间、每组实验前后冰样品的质量损失、每组融水量、每组的孔径4个参数,为实验结果分析提供数据来源。

3 实验结果及分析

3.1 融水对穿透速度的影响

图7为不同角度、不同功率下融水对冰样品穿透速度的影响,从图7可见,穿透速度随着激光入射角度由负向正转变以及激光强度的增加而增加。其中,负入射角度(-90°～-15°)在3个功率下均未能穿透,于是其速度取激光照射20 s所得到的值。

图7 不同角度、不同功率下融水对冰样品穿透速度的影响

在融水对穿透速度的影响中,角度变化比功率变化的影响更为明显。-15°～45°时,穿透速度随角度增大而迅速提升,其中-15°～30°之间,各个功率下的穿透速度增加最为明显,而30°～45°增长放缓,大体呈线性变化。在15°以后,功率变化的影响也显现出来。120 W出现较大波动,推测是因为功率过大,升华以及融水重力排除过程中被加热蒸发的那部分水蒸气不能及时排出,在钻孔内对激光有散射作用,而随着角度变大,融水排除速度变快,激光加热蒸发的融水量减少,波动也呈降低趋势,这一点在图7中也得到了印证。在40 W、30°～45°处的穿透速度没有提升,反而有轻微降低。这是因为穿透前期需要对光斑周围一定范围内的冰积蓄能量,加上角度原因需要加热蒸发的融水增多,40 W不足以在很短时间内实现这部分能量的转化。而对于45°出现的波动是因为到达这个角度时的穿透速度已经足够大,而实验样品直径只有100 mm,每组实验之间的穿透时间误差也相对变得明显。实验表明,-15°～0°时,激光穿透冰样品速度由1.44 mm/s上升至10.27 mm/s。在此过程中,穿透速度由小于理论速度向超越理论计算速度过渡。随着激光入射角度的增大,穿透速度也快速提升,其中,15°～45°时,融水受重力作用排出速度加快,穿透速度由13.19 mm/s增长至36.50 mm/s,是理论速度的2.2～6.5倍。

负入射角度(-90°～-15°)的激光穿透速度有所增加,但是总体提升不大,而且功率也不会对其产生明显影响,都保持在0.67～2.20 mm/s之间。而通过实验观察,穿透速度提升的原因是随着角度越来越接近水平(0°),融水累积方向慢慢由-90°时垂直于激光入射角度向平行于入射光角度偏移,融水深度变浅。激光能量虽依然被融水吸收和折射了大部分,但融水变浅后被加热和蒸发的速度也得到了极大提升,加之融水蒸发过程中相对有效作用于冰样品的激光能量也有所增加,使穿透速度得以提升。但是因为是负入射角度,融水得不到及时排除,加热和蒸发融水以及水对激光的散射,使穿透速度增长缓慢。并且通过观察,负入射角度穿透深度的增加大部分来源于被加热融水的影响。因为融水影响极大,负入射角度时的穿透速度仅为理论速度的21%～40%。

通过进一步的实验和观察发现,负入射角度(-90°～-15°)工况下,激光会在辐照到冰样品的瞬间引起冰的升华,随后会快速钻进20～30 mm,这个过程会在不到1 s内完成。需要注意的是,这个短暂的过程中融水的影响可以忽略不计,随后融水堆积到足以使激光难以直接作用于冰样品的厚度。存在这个过程,是因为激光作用于冰样品,冰样品一定范围内温度从(-10±1) ℃升至融点需要一定的时间。在这个短暂的过程中激光能量由刚开始的完全用于冰的升华向一部分用于冰升华、一部分用于使冰升温转变,最终孔壁冰融化,融水堆积。

3.2 融水对孔径的影响

在融水对孔径变化的影响(图8)中,从-45°～45°,孔径呈缩小趋势。其中:-45°～15°孔径变化明显,从约11.0 mm缩小到了约3.0 mm,而15°～45°变化较为平缓,在1.9～3.0 mm之间;-45°～-30°之间孔径尺寸波动较大,这是因为激光照射后形成的融水得不到排除,被继续加热蒸发,水蒸气排出钻孔,使孔径大小存在一定的变化。由图8可以看出,负入射角度特别是-45°、-30°、-15°,孔径会在40 W的基础上随激光功率增加而线性扩大,大约激光功率每增加40 W,孔径扩大1～2 mm。例如在-15°处的3个功率下,孔径与从-45°到-30°再到-15°的线性预期值相比均有所提高,特别是在120 W处孔径扩大更为明显,与从-45°到-30°再到-15°的线性预期值相比多了2 mm左右。这是因为-15°趋近于水平0°,相比于-45°、-30°,水蒸气上升过程中受到孔壁上侧的阻挡影响更大,水蒸气相对较难排出。“滞留”在钻孔内水蒸气因为上升作用使孔径进一步扩大。在0°和15°时,功率变化对孔径变化影响不明显。而0°时的孔径之所以比光斑直径大,是因为水平状态下的融水需要积累一定的势能才能摆脱孔壁对其的黏滞力而流出,这个过程中融水被加热蒸发,孔径也随之被加热扩大。在15°～45°时,随着激光入射角度变大后融水排除速度的提高,40、80 W功率对应的孔径均有所减小,而120 W功率对应的孔径变化不明显。前者是因为激光入射角度变大,融水在钻孔内形成后来不及影响孔径就排除了;后者是因为120 W功率过大,高能量会在极短的时间内蒸发一部分下落过程中的融水,水蒸气在孔内造成了孔径的扩大。由图8所示,在-45°～15°时,孔径变化受融水影响较大。其中,-45°～-15°时,孔径达到了光斑直径的3～5倍,孔径变化出现明显波动;-15°～15°时,孔径进一步缩小,在15°时与光斑直径差别不大。

图8 不同角度、不同功率下融水对孔径变化的影响

此外,在负入射角度情况下,融水堆积且被持续加热。在融水和水蒸气的作用下,形成了“额隆”状的空腔(图9),这与图3中的模拟结果相对应。

图9 -30°实验后冰样品中的“额隆”状空腔

4 结论

1)激光钻探作为一种具有高能性、高度方向性、清洁性、非接触无扰动的钻探方式,相比于传统极地钻探方式,将是极地钻探的一个新方向。而CO2激光波长为10.6 μm,冰在这个波段处的吸收效率比其他常见波段的激光要高很多。

2)采用上部循环的方法制备冰样品,可有效减少样品内气泡含量。

3)负入射角度时,穿透速度仅仅是理论速度的21%～40%。融水并未被激光完全蒸发,反而会越来越多,融水加热周边冰,使孔径达到了光斑直径的3～5倍。0°时的穿透速度比理论速度略高。孔径比光斑直径大是因为水平状态下的融水需要积累一定的势能才能摆脱孔壁对其的黏滞力而流出,这个过程中融水被加热蒸发,孔径也随之被加热扩大。正入射角度时,因为多数融水通过重力排除,穿透速度是理论速度的2.2～6.5倍。