当今国际,大气环境与气候的变化时刻影响着人类的生产及生活。极地冰川是一个相关联的全球系统的重要组成部分,对冰川进行科学研究和长期观测不仅可以帮助人类了解古气候、古地质历史信息,而且可以帮助人类有效应对剧烈的气候变化过程及避免冰川灾害对人类生产生活造成的影响。在极地地区,可以通过钻探技术获取冰芯,从而研究观测冰层内部结构,分析古气候变化,或者快速钻孔,在孔内放入测井设备测量冰架结构、温度、压力、冰架基底滑移速度等数据并拍摄影像,从而更好地开展对冰架底部物质循环过程的研究监测。目前,极地地区使用的常规冰层钻进方法有电动机械钻、热熔钻和热水钻。其中热水钻探技术是一种通过加热器及高压泵,产生高温高压热水,利用其高压强,高温度对冰层进行快速破碎及融化。热水钻技术目前为止是最快的冰层获取钻孔的方式,对极地冰盖冰川学的研究具有重要意义。热水钻利用冰川的冰雪融水进行钻进,无需使用钻井液,从而有效的避免了因为使用钻井液而产生的环境污染问题,可以有效保护南极生态环境。热水钻快速获取钻孔的特性,对南极科考来说是至关重要的,也是冰架底部物质交换观测、海洋-冰架相互作用监测、冰架内部温度及结构研究、冰流移动速度测量、冰架下湖(海)连接通道获取等多种科学研究获取大直径钻孔最常用的手段。然而热水钻钻进结束或停止后,需要立刻排出主绞车输水软管内残留的热水,否则,由于南极的极端低温气候,输水软管内残留的热水将会逐渐冷却并冻结,水在冻结过程中由于密度、体积的变化会施加巨大的冻胀力作用在输水软管内,从而导致输水软管破裂。因此,研发高效可靠的输水软管除水系统及方法对于保障热水钻成功实施非常必要的。本论文对目前国内外热水钻进技术的发展及应用进行了简要介绍,并且根据热水钻钻具特点,并借鉴国外热水钻除水经验,设计试验了一套全新的热水钻除水系统,确定了除水系统进行除水作业的具体方法,并进行试验测试。该除水系统包括动力装置、收放装置和防冻装置三部分。根据流体力学,对热水钻绞车软管内水体流动产生的沿程损失进行了理论计算,初步确定了软管长度、内径、弯曲半径、水体流速、沿程损失等相关参数,得出了软管长度越长,水体流速越大,软管直径越小,弯曲半径越小,沿程损失越大的结果。计算出了不同流量的水体流经软管时所产生的沿程损失,确定了除水系统动力装置空气压缩机所需压力的最小值为0.79MPa左右,故而分别选取0.8MPa,1m~3及3MPa,1m~3的两种空气压缩机进行测试。并对比单独使用空压机输送高压空气做动力及与转动绞车水体自身重力做推力相结合的两种不同方法进行室内及室外试验,从而得出以下结论:(1)单独使用空气压缩机输送高压空气时,虽然高压空气可以推动部分水体排出,但仍有大量水残留在软管内,这是由于软管呈螺旋状均匀缠绕在绞车上,当大部分水体排出后,仍有部分剩余水体聚积在软管底部,当高压空气推动该一截软管内聚积的水体向上运动时,随着水体的升高水量增大,其重力也逐渐增大,当其重力大于高压空气产生的推力时,部分水体回落,产生空隙,致使部分高压空气前进至下一段软管中,而原软管内水体逐渐减少,直至水量无法形成充满软管的水柱,最后这一截水柱在高压空气及重力作用下在输水软管内上下往复运用,如此循环,造成除水不够彻底;(2)单独使用绞车转动除水时,其除水效果较差,只能排出少量水体,增大/较小绞车转速对除水作业没有明显的帮助,故而此方法不适用于大型热水钻系统除水作业。(3)通过空气压缩机输送高压空气与转动绞车相结合的方式进行热水钻除水作业效果良好,这是由于水体在高压空气的推力下进行运动,其产生的力大于软管与水体之间的摩擦力及水体回流作用产生的沿程损失,软管转动时,水体不再需要爬升,继而水体自身重力不再阻碍水体前进,从而可以除水完全,通过试验测得初步除水作业仅需1.2小时,总体除水时间为2.7小时。(4)初步除水作业完成后,向绞车软管内泵送防冻液可有效防止残留水滴冻结对钻具造成的意外损伤,保护钻具及软管,并确定水体是否被排出干净。通过对南极冰架热水钻除水系统的试验研究,发现本文所提出的新型除水方法,其在结构上减少了大型设备的笨重,操作上方便快捷,除水速度快且彻底,节约能源,并且更加环保,可以满足南极现场的要求。