作为目前世界范围内钻进速度最快的冰层钻进方法之一,热水钻被广泛用于冰架下部冻融过程的观测、冰下沉积物取样、冰层物理结构研究、温度测量、冰层蠕变研究、冰下基底滑移速度测量、冰下湖连接通道的获取、宇宙中微子的捕捉以及一些其它的科学目的。本文的主要目的是进行热水钻进系统的理论研究,建立主要钻进参数(热水流量、输送压力和温度)、可控结果变量(钻孔直径、钻进速度、油耗和钻孔冻结速度)和独立变量(目标钻进深度和冰层温度)之间的关系。本文对目前国内外热水钻进技术的研究意义和现状进行了归纳总结,详细介绍了现今在高山冰川和极地冰层钻探中应用最为广泛的冰层钻探方法——热水钻,并认识到我国在热水钻技术的应用和理论研究上的严重匮乏,尝试解决热水钻融冰过程理论研究不足的问题,对热水钻进过程进行数值模拟,并研发了一套浅层热水钻进系统。论文研究得到的主要结论如下:(1)本文通过建立热水钻融冰过程理论模型,发现:较高的流量和温度能够在钻进时实现更大的钻进速度和钻孔直径。对于中深层热水钻系统来说,沿程压力损失在热水输送压力中占决定性作用,而沿程压力损失由软管长度、软管内径和流量决定;相对来说,为了实现热水对孔底冰层的充分接触,局部压力损失在浅层热水钻系统中往往更加重要。钻孔的冻结时间取决于冰层温度和初始钻孔直径。(2)本文使用显热容法对热水钻融冰过程进行数值模拟。通过数值模拟发现,在短时间的钻进融冰过程中,流量和温度对钻进速度的影响显著,而对钻孔直径影响较小。钻孔重新冻结的模拟结果与融冰过程理论计算结果相似。对0.3米的钻孔来说,若冰层温度为-30℃时,12 h后钻孔就几乎完全冻结;而当冰层温度仅为-10℃时,钻孔在72 h后依然没有完全冻结。(3)设计研发了一套浅层热水钻进系统,在极地冰盖或高山冰川进行浅层观测孔快速钻进中具有巨大的应用价值。浅层热水钻系统由四个子系统构成:水体加热系统,主体是高压热水清洗机,可以产生温度范围为80-155℃、流量范围为4–10 L/min的热水,并以不超过14 MPa的最大压力输出;水体输送系统,包括卷扬、高压软管和地面管路及阀门等;钻具系统,包括钻塔、配重和喷嘴;测控系统,包括测控箱及编码器、温度传感器、压力传感器、水压表、流量计、内径百分表等传感器或仪表。(4)浅层热水钻进系统整体工作良好。系统在使用1.8 mm、2 mm和2.5 mm单孔喷嘴时,钻进比较顺利,而大孔径喷嘴(3 mm喷嘴)产生了较大直径的钻孔但钻进速度非常小。在使用10 L/min流量和60℃热水喷射温度时,使用1.8mm和2 mm喷嘴以34-37 m/h的最大钻进速度进行钻进,能够产生98-114 mm的钻孔;而使用2.5 mm喷嘴则在25 m/h的钻进速度下产生146-156 mm的钻孔。系统的最高热效率为83%,这是由于该钻孔的钻进速度达到29.5 m/h,同时钻孔深度仅为3 m。但在大多数钻孔中,热效率一般在67-76%的范围内。热量损失主要是热量导入周围冰层和空气中,以及加热器内燃料的不充分燃烧。(5)实验结果与热水钻融冰理论进行了对比分析。实验数据与参数理论预测的偏移基本都不超过7%(事实上,大多数实验数据要稍小于理论曲线),个别实验点与参数理论预测的偏移达到了21%,误差的产生是由于实验中的观测误差和系统故障。但就总体而言,热水钻融冰理论模型能够准确预测热水钻系统的主要参数。