適用于海底鉆機(jī)的保壓繩索取心鉆具設(shè)計(jì)

彭奮飛 ，王佳亮*，萬(wàn)步炎 ，黃筱軍 ，唐永輝 ，彭德平

（1.湖南科技大學(xué)海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與安全技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭411201；2.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南湘潭411201）

0 引言

深海天然氣水合物開發(fā)與利用已經(jīng)成為世界各國(guó)未來(lái)資源戰(zhàn)略的一個(gè)新熱點(diǎn)［1-2］。鉆探取心是獲取天然氣水合物樣品的最直接的方法。由于天然氣水合物形成和存在是在低溫高壓環(huán)境下，國(guó)內(nèi)外主要采用保壓取樣技術(shù)開展天然氣水合物的取樣工作［3］。國(guó)內(nèi)外相繼開展了針對(duì)天然氣水合物保真取樣的研究工作，其中圍繞傳統(tǒng)海洋大型鉆探船和陸域巖心鉆機(jī)所展開的保壓取心研究較為系統(tǒng)和豐富［4-5］。目前在進(jìn)行保壓方案設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用增加鉆具壁厚、設(shè)置保溫夾層、內(nèi)部軸向布置壓力補(bǔ)償裝置、安裝大尺寸球閥等措施來(lái)獲得鉆具較為寬泛的軸向和徑向空間設(shè)計(jì)尺寸［6］。國(guó)外具有代表性的產(chǎn)品有在國(guó)際深海鉆探計(jì)劃（DSDP）采用的PCB 保壓取心器、國(guó)際大洋鉆探計(jì)劃（ODP）采用的PCS 保壓取心器等［7-8］。國(guó)內(nèi)有中石化集團(tuán)勝利石油管理局鉆井工藝研究所研制的繩索旋轉(zhuǎn)式保壓鉆具、鉆柱式旋轉(zhuǎn)保壓鉆具，北京探礦工程研究所研制的TKP-1 型保溫保壓繩索取樣器，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）研制的繩索取心保溫保壓取樣器，中國(guó)石油大學(xué)研制的鉆探取樣保真器等［9-10］。以上類型鉆具的共同特點(diǎn)是能夠采用主動(dòng)保壓方案，其鉆具上部可以設(shè)置不同形式的壓力補(bǔ)償裝置，下部通過球閥或板閥實(shí)現(xiàn)密封，并可根據(jù)要求設(shè)置內(nèi)壁保溫夾層從而實(shí)現(xiàn)被動(dòng)保溫。但是，為了使鉆具內(nèi)有足夠的徑向空間安裝球閥或板閥，以上類型鉆具的尺寸均較大且鉆獲的巖心直徑偏小。在陸域天然氣水合物保真取樣研究方面，吉林大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開展了大量針對(duì)孔底冷凍繩索取心技術(shù)研究工作，并針對(duì)冰閥式繩索取心保壓技術(shù)展開了深入的研究［11-12］。以上研究的共性特點(diǎn)是鉆具的底部均不設(shè)置機(jī)械式的球閥。其思路是通過對(duì)樣品管進(jìn)行整體制冷抑制水合物分解或者下端部局部制冷形成冰堵頭的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)水合物的保真取樣。由于無(wú)需設(shè)置球閥，鉆具的尺寸有所減小，其采用?127 mm 規(guī)格的鉆具能夠獲得直徑50 mm 的巖心。但是鉆具的冷源存儲(chǔ)腔往往需要占據(jù)很長(zhǎng)的軸向空間以確保能夠攜帶足夠數(shù)量的冷源從而實(shí)現(xiàn)快速制冷，因此以上類型鉆具的總長(zhǎng)較長(zhǎng)。

目前現(xiàn)有的保壓鉆具主要是針對(duì)海面鉆探船以及陸域天然氣保壓取樣形式，配合位于母船甲板上的鉆機(jī)使用［13］。對(duì)于海底鉆機(jī)而言，由于每次作業(yè)所需的全部鉆具是隨海底鉆機(jī)一同下放至海底，當(dāng)每回次鉆進(jìn)結(jié)束后從孔底打撈的內(nèi)管首先存儲(chǔ)于海底鉆機(jī)本體上的鉆具庫(kù)內(nèi)，待整個(gè)鉆孔全部結(jié)束后再隨鉆機(jī)一起提升至母船甲板。因此，海底鉆機(jī)對(duì)所攜帶的總鉆具數(shù)量有著嚴(yán)格的質(zhì)量和空間尺寸要求，現(xiàn)有針對(duì)鉆探船的保壓取心鉆具均存在鉆具口徑大、巖心樣品直徑小、鉆具質(zhì)量重、鉆具結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題［14］。因此研制適用于海底鉆機(jī)的小口徑薄壁保壓鉆具顯得尤為迫切。本文以國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“海底大孔深保壓取心鉆機(jī)系統(tǒng)研制”等為依托，綜合考慮“海牛號(hào)”220 m 保壓海底鉆機(jī)的工況要求，設(shè)計(jì)了針對(duì)海底鉆機(jī)的小口徑薄壁保壓鉆具并對(duì)其保壓性能進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。

1 保壓鉆具總體方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的小口徑薄壁保壓繩索取心鉆具由外管總成和內(nèi)管總成2 部分構(gòu)成。其中外管總成的結(jié)構(gòu)與常規(guī)鉆具基本相同；內(nèi)管總成主要由彈卡機(jī)構(gòu)、懸掛機(jī)構(gòu)、單動(dòng)機(jī)構(gòu)、撥叉單向閥啟閉機(jī)構(gòu)、保壓?jiǎn)蜗蜷y機(jī)構(gòu)、巖心卡斷機(jī)構(gòu)和下端部保壓帽組成（見圖1）?；卮毋@進(jìn)開始前，機(jī)械手抓取內(nèi)管總成移至鉆機(jī)本體上的保壓帽擰卸裝置處，借助擰卸裝置將保壓帽與內(nèi)管總成分離，利用鉆機(jī)上的繩索絞車配合打撈機(jī)構(gòu)將內(nèi)管總成下放至孔底外管總成中的預(yù)定位置，進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)。

圖1 ?75 mm 保壓繩索取心鉆具總成Fig.1 ?75mm wireline pressure-coring assembly

1.1 外管總成

圖2 所示外管總成由鉆具彈卡擋頭（?75 mm）、彈卡室、外管、座環(huán)、穩(wěn)定環(huán)、擴(kuò)孔器以及階梯金剛石鉆頭（?75 mm）等組成。為有效增加關(guān)鍵零部件的耐磨損性以及減輕海水對(duì)鉆具的腐蝕，外管總成中的彈卡室及彈卡擋頭部分均進(jìn)行了鍍鉻處理?？紤]到海底復(fù)雜的地質(zhì)條件以及鉆桿連接的尺寸精度，因此外管采用具有較高強(qiáng)度和精密尺寸的XJY850 地質(zhì)管材［15］。本次設(shè)計(jì)在常規(guī)座環(huán)結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，包括常規(guī)座環(huán)外圈均倒角45°，內(nèi)圈邊緣處均車臺(tái)階再倒角45°。經(jīng)改進(jìn)后的座環(huán)結(jié)構(gòu)能夠有效避免內(nèi)管總成投放不到位以及鉆進(jìn)結(jié)束后在拔斷巖心的過程中，由于沖擊力較大而導(dǎo)致懸掛環(huán)與座環(huán)發(fā)生卡死現(xiàn)象導(dǎo)致打撈失敗的風(fēng)險(xiǎn)。穩(wěn)定環(huán)主要用于內(nèi)管導(dǎo)向，使內(nèi)外管保持同軸，便于巖心進(jìn)入卡簧座和內(nèi)管。擴(kuò)孔器主要起擴(kuò)大孔徑、修整孔壁的作用，避免鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生鉆孔縮徑、鉆進(jìn)沖洗液壓力過高、卡鉆燒鉆等鉆進(jìn)事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)［16］。本次設(shè)計(jì)選用的是金剛石擴(kuò)孔器，其主要技術(shù)參數(shù)為：金剛石粒度50/60目，外徑75.4 mm。階梯型金剛石鉆頭采用?75/45.5 mm，胎體硬度HRC25，金剛石濃度55%，金剛石粒度30/35 目，切削齒數(shù)6 個(gè)。

圖2 ?75 mm 保壓鉆具外管總成Fig.2 Outer tube of ?75mm pressure coring tool

1.2 內(nèi)管總成

圖3 是75 mm 口徑的保壓繩索取心鉆具內(nèi)管總成示意。該鉆具內(nèi)管總成由彈卡機(jī)構(gòu)、撥叉單向閥啟閉機(jī)構(gòu)、保壓?jiǎn)蜗蜷y機(jī)構(gòu)、巖心卡取機(jī)構(gòu)、底部保壓帽組成。彈卡機(jī)構(gòu)置于收卡筒中且在收卡筒中下部設(shè)有撥叉單向閥啟閉機(jī)構(gòu)，彈卡機(jī)構(gòu)的下端與保壓?jiǎn)蜗蜷y機(jī)構(gòu)的上端連接；保壓?jiǎn)蜗蜷y機(jī)構(gòu)的下端與內(nèi)管的上端連接；保壓?jiǎn)蜗蜷y機(jī)構(gòu)的下部設(shè)有回水球閥；巖心襯管設(shè)置在內(nèi)管中同時(shí)為了滿足取心直徑≮45 mm 的要求，巖心襯管的外徑為48.5 mm，壁厚為2 mm，材質(zhì)為PP 透明塑料；內(nèi)管的下端與卡簧座用螺紋連接，卡簧座內(nèi)設(shè)有帶有銅片的卡簧以滿足既能卡斷巖心又能防止軟泥巖心散失的作用；卡簧座下部與保壓帽采用螺紋連接，保壓帽內(nèi)設(shè)有Y 形密封圈，目的是實(shí)現(xiàn)內(nèi)管總成下端部的密封。

圖3 ?75 mm 保壓繩索取心鉆具內(nèi)管總成Fig.3 Inner tube of ?75mm pressure-coring tool

1.2.1 內(nèi)管總成上端部保壓密封設(shè)計(jì)

考慮到海底鉆機(jī)的整機(jī)高度對(duì)鉆具總長(zhǎng)的嚴(yán)格限制，為了能夠盡可能地節(jié)省鉆具的軸向空間尺寸以期能夠在有限的長(zhǎng)度范圍內(nèi)增加有效獲取巖心的長(zhǎng)度。因此，本次設(shè)計(jì)采用被動(dòng)保壓方案，鉆具的上端部不設(shè)置沿軸向布置的壓力補(bǔ)償裝置以提高鉆具的有效取心長(zhǎng)度。本次設(shè)計(jì)采用撥叉式啟閉機(jī)構(gòu)和保壓?jiǎn)蜗蜷y方案實(shí)現(xiàn)在鉆進(jìn)結(jié)束后對(duì)內(nèi)管總成上端部的密封。其原理是利用內(nèi)管總成中的彈卡機(jī)構(gòu)在正常鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)受外管總成中彈卡室的徑向約束，迫使收卡筒沿軸向上移動(dòng)，從而帶動(dòng)與收卡筒聯(lián)動(dòng)的撥叉發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單向閥的正常開啟動(dòng)作。當(dāng)回次進(jìn)尺結(jié)束后，內(nèi)管總成提離孔底，此時(shí)彈卡室對(duì)彈卡機(jī)構(gòu)的徑向約束結(jié)束，在彈簧力的作用下收卡筒沿軸向下移，使得撥叉復(fù)位完成上端部的密封動(dòng)作（如圖4 所示）。

圖4 內(nèi)管總成上端部保壓密封動(dòng)作示意Fig.4 Working schematic of the upper end of the inner tube for pressure holding

1.2.2 內(nèi)管總成下端部保壓密封設(shè)計(jì)

通常陸域保壓鉆具的下端部密封方案是采用內(nèi)置式球閥或板閥進(jìn)行密封操作，其在密封時(shí)存在球閥啟閉可靠性差的風(fēng)險(xiǎn)。此外由于球閥占用鉆具徑向的空間過大，導(dǎo)致鉆具的尺寸偏大不滿足海底鉆機(jī)對(duì)鉆具重力和口徑限制的要求。針對(duì)上述問題，本次設(shè)計(jì)充分發(fā)揮海底鉆機(jī)上的機(jī)械手能夠?qū)︺@具進(jìn)行輔助操作的優(yōu)勢(shì)，采用內(nèi)置有Y 形密封圈的保壓帽并在鉆機(jī)本體上保壓帽擰卸裝置的配合下完成鉆具下端部的密封操作（參見圖5）。采用分體式保壓帽結(jié)構(gòu)并在機(jī)械手和擰卸裝置的配合下完成密封動(dòng)作的優(yōu)勢(shì)在于能夠有效地減小鉆具直徑以便在較小鉆孔口徑的前提下獲取較大直徑的巖心樣品，同時(shí)螺紋接連形式能夠提高保壓密封的可靠性與安全性。

1.3 保壓取心鉆具工作過程

圖5 內(nèi)管總成下端部保壓密封操作示意Fig.5 Operating schematic of the lower end of the inner tube for pressure holding

保壓取心鉆具首先存儲(chǔ)于鉆機(jī)本體的旋轉(zhuǎn)鉆具庫(kù)內(nèi)，并由鉆機(jī)直接攜帶至海底，鉆具的接卸均在海底由機(jī)械手完成。如圖6 所示，鉆進(jìn)開始前，機(jī)械手抓取內(nèi)管總成移至鉆機(jī)本體上的下端部密封蓋擰卸裝置處（圖6b），借助擰卸裝置將下端部保壓帽與內(nèi)管總成分離，與內(nèi)管總成分離后的下端部保壓帽暫存在擰卸裝置內(nèi)，同時(shí)機(jī)械手將去除下端部保壓帽的內(nèi)管總成移至孔口，利用鉆機(jī)上的繩索絞車配合打撈機(jī)構(gòu)將內(nèi)管總成下放至孔底外管總成中的預(yù)定位置，進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)。參見圖6（c），當(dāng)在工作狀態(tài)時(shí)，內(nèi)管總成中的彈卡板受到外管總成中彈卡室的徑向約束（1），使得收卡筒沿軸向上移一段距離（2），此時(shí)收卡筒對(duì)撥叉中的撥叉滾輪起限位作用（3），迫使撥叉繞圓柱銷發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)（4），觸發(fā)撥叉動(dòng)作，將單向閥的閥芯頂開（5），確保在鉆進(jìn)過程中單向閥始終處于開啟狀態(tài)，形成排水通路。當(dāng)鉆進(jìn)結(jié)束后，利用打撈機(jī)構(gòu)將內(nèi)管總成快速提至孔口，彈卡室對(duì)彈卡板的徑向約束解除，收卡筒沿軸向下移復(fù)位，收卡筒對(duì)撥叉滾輪的限位解除，撥叉復(fù)位，單向閥關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)內(nèi)管總成上端部的密封。通過機(jī)械手將內(nèi)管總成移至鉆機(jī)本體上的下端部保壓帽擰卸處，擰卸裝置將暫存在其內(nèi)部的下端部保壓帽與卡簧座連接，配合下端部保壓帽中的密封圈，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)管總成下端的密封。至此，鉆具內(nèi)管總成上下端部均處于密封狀態(tài)，其內(nèi)部存儲(chǔ)的天然氣水合物樣品也處于保壓密封狀態(tài)。借助機(jī)械手將存有樣品的內(nèi)管總成存儲(chǔ)于鉆機(jī)上的鉆具庫(kù)內(nèi)并抓取新的內(nèi)管進(jìn)行下一回次作業(yè)，待鉆孔作業(yè)結(jié)束后再將全部?jī)?nèi)管隨海底鉆機(jī)一同提升至母船。

圖6 保壓取心鉆具工作過程Fig.6 Working process of the pressure-coring tool

當(dāng)海底鉆機(jī)在粉質(zhì)粘土、泥質(zhì)粉砂、粉細(xì)砂等非巖性沉積物層取樣時(shí)可以采用壓入式抽吸取心模式，配合鉆機(jī)本體上的抽吸活塞缸，在取心過程中使內(nèi)管總成中形成活塞式負(fù)壓，提高巖心采取率；在硬質(zhì)巖化的沉積層取樣時(shí)采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)取心模式，沖洗液經(jīng)內(nèi)外管之間的環(huán)狀間隙流經(jīng)鉆頭的水口到達(dá)孔底，對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻并攜帶孔底巖粉沿鉆桿和孔壁間的環(huán)狀間隙上返至孔口。

2 保壓取心鉆具室內(nèi)保壓測(cè)試

鉆具樣機(jī)試制后，進(jìn)行了室內(nèi)保壓測(cè)試（見圖7）。綜合考慮海底天然氣水合物賦存水深和海底鉆機(jī)最大作業(yè)水深的要求，保壓取心鉆具最大保壓能力應(yīng)能達(dá)到25 MPa。第一步向內(nèi)管總成中注滿水，并擰上保壓帽從室外借助手搖加壓泵給鉆具內(nèi)部進(jìn)行加壓，以5 MPa 為間隔并觀察壓力表的數(shù)值變化，檢查鉆具的密封連接處和保壓帽處是否存在漏水現(xiàn)象。按照設(shè)計(jì)要求需要將最大壓力加壓到30 MPa，檢查鉆具的穩(wěn)壓性能和裝配質(zhì)量。

圖7 保壓密封試驗(yàn)Fig.7 Pressure holding test

第二步將在外部檢查合格的保壓鉆具內(nèi)管總成放入深水壓力倉(cāng)中進(jìn)一步測(cè)試鉆具的保壓性能。深水壓力倉(cāng)測(cè)試能夠模擬從海底回收的過程中鉆具內(nèi)外壓差不斷變化的過程，通過控制深水壓力倉(cāng)的卸壓速度能夠模擬鉆機(jī)回收的速度，其保壓性能的測(cè)試結(jié)果更加接近于實(shí)際工況。為了提高測(cè)試結(jié)果精度，采用壓力傳感器測(cè)量鉆具內(nèi)的壓力值，首先利用萬(wàn)用表測(cè)量初始電壓值，其初始讀數(shù)為0.080 V，然后對(duì)待測(cè)壓力值做原始數(shù)值標(biāo)定，最后將壓力倉(cāng)均勻加壓至待測(cè)壓力值，并保壓15 min。結(jié)合海底鉆機(jī)的實(shí)際回收作業(yè)流程，2000 m 海深的回收過程通常需要40 min，因此，壓力試驗(yàn)倉(cāng)的卸壓速度也同樣設(shè)定為40 min 卸至0，卸壓完畢后利用萬(wàn)用表連接壓力傳感器進(jìn)行壓力測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 室內(nèi)保壓試驗(yàn)Table 1 Laboratory pressure-holding test

由上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，鉆具在低壓（5～8 MPa）狀態(tài)6 h 后的壓力損失值為15%左右，在高壓狀態(tài)（10～30 MPa）的壓力損失率為10%。低壓下壓力損失率大的主要原因是對(duì)卡簧座和保壓帽的絲扣加工經(jīng)驗(yàn)不足，間隙較大，保壓帽中密封圈與卡簧座密封面的配合間隙不合適導(dǎo)致密封圈在低壓下的預(yù)緊力略小所致，后期密封圈槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值得到了進(jìn)一步優(yōu)化。綜上所述，本次設(shè)計(jì)的小口徑薄壁保壓取心鉆具能夠在海底鉆機(jī)的配合操作下實(shí)現(xiàn)保壓功能，滿足所設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本次設(shè)計(jì)的適用于海底鉆機(jī)的小口徑薄壁保壓取心鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能夠滿足海底鉆機(jī)的使用工況與使用要求。本次設(shè)計(jì)的保壓方案上端部密封設(shè)計(jì)采用機(jī)械聯(lián)動(dòng)方式提高了密封的可靠性，下端部密封充分利用了海底鉆機(jī)上的擰卸裝置和機(jī)械手的配合優(yōu)勢(shì)有效減小了鉆具的直徑。通過室內(nèi)保壓試驗(yàn)，證明本次設(shè)計(jì)的小口徑薄壁保壓取心鉆具能夠?qū)崿F(xiàn)所設(shè)計(jì)的保壓功能。該鉆具方案為海底鉆機(jī)勘探鉆探取樣提供了一種新的工具，尤其是針對(duì)天然氣水合物，能夠有效改善鉆探取心的樣品質(zhì)量，從而進(jìn)一步提高海底天然氣水合物儲(chǔ)量評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。