天然氣水合物樣品帶壓轉(zhuǎn)移裝置的抓捕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃柳松，盧春華，趙慧斌，張 濤

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北武漢430074）

0 引言

天然氣水合物是在低溫、高壓條件下由水分子和烴類(lèi)氣體分子（主要是甲烷）形成的似冰狀的籠形晶體［1］，是一種高效的清潔能源，有很高的能源密度，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1 m3的天然氣水合物可分解成164 m3的甲烷氣體和 0.8 m3的水［2-4］。由于天然氣水合物特殊的賦存環(huán)境，我國(guó)的天然氣水合物資源主要分布于南海及鄰近海域和青藏高原及東北凍土帶中［5-7］。

天然氣水合物對(duì)溫度壓力條件的變化很敏感［8］，溫度升高或者壓力降低都會(huì)引起固體水合物的分解［9-10］，因此很難獲得原位狀態(tài)下的天然氣水合物樣品。當(dāng)取得天然氣水合物原位巖心樣品后，保證巖心樣品安全、完整、不受擾動(dòng)地轉(zhuǎn)移到檢測(cè)、儲(chǔ)存系統(tǒng)［11］，要配備與取心鉆具配套的轉(zhuǎn)移裝置［12］，將巖心樣品從巖心管轉(zhuǎn)移到后處理系統(tǒng)中或者儲(chǔ)存起來(lái)［13］。

目前根據(jù)我國(guó)天然氣水合物保壓取心鉆具的研究現(xiàn)狀，相繼研發(fā)成功了可適應(yīng)不同地層條件的多種常規(guī)取心鉆具和保壓取心鉆具，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)原位取樣［14-16］。課題組正在研發(fā)天然氣水合物后處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)取心鉆具與后處理系統(tǒng)的對(duì)接至關(guān)重要，設(shè)計(jì)巖心抓捕機(jī)構(gòu)的目的是保證將保壓取心鉆具里的巖心帶壓轉(zhuǎn)移至后處理系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，且還要對(duì)巖心擾動(dòng)小。本文提出了一種用于天然氣水合物帶壓轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的巖心襯管抓捕裝置，該巖心襯管抓捕裝置用于在天然氣水合物帶壓轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)巖心襯管的抓取、拖動(dòng)、定位和釋放動(dòng)作，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和快速抓取、釋放。

1 天然氣水合物巖心樣品帶壓轉(zhuǎn)移系統(tǒng)

1.1 帶壓轉(zhuǎn)移系統(tǒng)組成

帶壓轉(zhuǎn)移系統(tǒng)技術(shù)裝備如圖1 所示，主要包括抓捕單元、切割單元和測(cè)試單元、儲(chǔ)存單元等，所涉及的技術(shù)包括溫度控制技術(shù)、高壓密封技術(shù)、壓力控制技術(shù)［17］、樣品帶壓切割技術(shù)等。切割單元一端與抓捕單元連接，另一端與保壓取心筒［18-19］、測(cè)試單元或者巖心儲(chǔ)存筒通過(guò)快速接頭連接，可實(shí)現(xiàn)快速更換功能單元的目的。

圖1 巖心樣品帶壓轉(zhuǎn)移系統(tǒng)Fig.1 Pressure transfer system for core samples

1.2 帶壓轉(zhuǎn)移過(guò)程

天然氣水合物巖心樣品帶壓轉(zhuǎn)移過(guò)程可分為對(duì)接、抓捕、切割、測(cè)試和儲(chǔ)存，當(dāng)保壓取心鉆具取回巖心樣品后，與切割單元的快速接頭對(duì)接，待系統(tǒng)內(nèi)部壓力保持平衡后，球閥打開(kāi)，抓捕機(jī)構(gòu)穿過(guò)切割單元鉤住巖心襯管，回拖巖心襯管，關(guān)閉球閥，與取樣器保壓?jiǎn)卧蛛x。巖心襯管在抓捕機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下經(jīng)過(guò)切割單元，根據(jù)需要進(jìn)行巖心切割，將分段巖心分別送入測(cè)試單元進(jìn)行參數(shù)測(cè)試和儲(chǔ)存單元中儲(chǔ)存。整個(gè)帶壓轉(zhuǎn)移過(guò)程如圖2 所示。

圖2 巖心帶壓轉(zhuǎn)移過(guò)程示意Fig.2 Core pressure transfer process

在轉(zhuǎn)移過(guò)程中，需要克服的難點(diǎn)就是如何將巖心從一個(gè)密閉保壓容器中轉(zhuǎn)移到另一個(gè)密閉保壓容器。在井下通過(guò)保壓取心鉆具將水合物巖心鉆取入巖心管后，將帶有原位壓力的巖心取到地表，然后轉(zhuǎn)移至水合物后處理裝置進(jìn)行參數(shù)測(cè)試等實(shí)驗(yàn)，全程需要保證巖心的原位狀態(tài)壓力，盡量對(duì)巖心擾動(dòng)小。

目前進(jìn)行巖心轉(zhuǎn)移的方法是通過(guò)拉取巖心襯管，將巖心并帶轉(zhuǎn)移。海洋鉆探取心大多數(shù)采用透明的PVC 管作為巖心襯管，其本身有一定的壁厚，剛性和韌性并存，所以將研究的核心放在了襯管的抓捕轉(zhuǎn)移上。

2 巖心襯管抓捕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 抓捕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于巖心抓取是在巖心管內(nèi)進(jìn)行［20］，同時(shí)巖心樣品和抓捕器都處于高壓液體中，巖心襯管與巖心管之間的間隙非常小，抓捕器只能從巖心襯管的內(nèi)部抓取并進(jìn)行回拉，根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行巖心切割，將各部分巖心送入各功能單元后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫扣。圖3為抓捕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖，該巖心襯管抓捕裝置包括端面密封與驅(qū)動(dòng)部件、抓捕頭部件、絲杠和外管總成，外管總成用于放置巖心襯管和巖心，端面密封與驅(qū)動(dòng)部件位于外管總成的左側(cè)，用于左端面的密封并驅(qū)動(dòng)抓捕頭部件，抓捕頭部件位于外管總成的右側(cè)，用于抓捕巖心襯管。

圖3 抓捕機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Capture mechanism

該機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)絲杠和螺母的配合，可實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)。具體地，第一螺母與C 形管固定在一起，且安裝支撐環(huán)的支撐桿穿過(guò)C 形管的溝槽，C 形管不會(huì)隨著絲杠一起旋轉(zhuǎn)，而是做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)和手搖驅(qū)動(dòng)，在進(jìn)行大幅度的移動(dòng)時(shí)，使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，方便快捷，在進(jìn)行精準(zhǔn)定位和抓取解卡步驟時(shí)，采用手搖驅(qū)動(dòng)，穩(wěn)定準(zhǔn)確。

2.2 抓捕頭設(shè)計(jì)

抓捕頭利用L 形掛鉤與掛盤(pán)配合的方式實(shí)現(xiàn)位置鎖定，采用在巖心襯管上開(kāi)倒鉤的方法，與抓捕頭探針相配合，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓取，再利用與L 形掛鉤配套的彈簧和觸碰桿實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫扣的功能，抓捕頭的具體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 抓捕頭結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the capture head

L 形掛鉤總共為3 個(gè)，沿圓周均勻分布，通過(guò)銷(xiāo)軸安裝在外殼上。第二螺栓的一端通過(guò)螺紋固定在外殼外，另一端穿過(guò)L 形掛鉤后安裝第三螺母，將觸碰桿固定在L 形掛鉤上；第二螺栓上套有第一彈簧，觸碰桿與L 形掛鉤的一邊通過(guò)螺紋固定，在彈簧的張力作用下L 形掛鉤保持收縮的狀態(tài)。

圖5 為抓捕頭前端實(shí)物。觸碰桿的外端是帶有45°斜面的金屬桿，與之相配套的有一個(gè)帶45°錐面的解卡套筒，在抓捕頭收回的過(guò)程中，觸碰桿接觸到解卡套筒，在錐面的作用下觸碰桿向外張開(kāi)，帶動(dòng)L形掛鉤壓縮彈簧，使L 形掛鉤向外旋轉(zhuǎn)，解開(kāi)與掛盤(pán)的鎖定。

圖5 抓捕頭前端實(shí)物Fig.5 Photo of the capture head

C 形管通過(guò)螺紋與心軸左端連接，在心軸上安裝掛盤(pán)，通過(guò)第五螺母固定。心軸臺(tái)階處和外殼之間裝有第三彈簧，右端端面為球狀。

外殼前端的直徑略小于巖心襯管的內(nèi)徑，構(gòu)成一個(gè)臺(tái)階，既能保證抓捕頭前端伸進(jìn)巖心襯管內(nèi)，又可以卡住襯管與抓捕頭的相對(duì)位置，抓捕頭前端伸進(jìn)去的工作距離很小，在5 mm 以?xún)?nèi)，在充滿(mǎn)巖心的情況下通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)抓捕頭，可以將巖心錯(cuò)動(dòng)一點(diǎn)距離，對(duì)抓捕動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)影響不大。在臺(tái)階處徑向均布3 個(gè)探針。探針的外端為針狀，主要起拖掛巖心襯管的作用，內(nèi)端為球狀，使其與心軸之間為點(diǎn)與點(diǎn)接觸，方便心軸頂起探針，里面裝有墊片和第二彈簧。初始狀態(tài)下，心軸沒(méi)有伸出，在第二彈簧的作用下，探針全部沉在外殼的徑向臺(tái)階孔內(nèi)。

2.3 工作原理

在球閥處于關(guān)閉狀態(tài)下，將內(nèi)有巖心襯管和巖心的取樣器保壓?jiǎn)卧ㄟ^(guò)快速接頭與水合物巖心轉(zhuǎn)移系統(tǒng)對(duì)接，隨后打開(kāi)球閥，并維持系統(tǒng)處于穩(wěn)定高壓鹽水中，根據(jù)巖心帶壓轉(zhuǎn)移過(guò)程，抓捕機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程可分為前進(jìn)、抓捕、回拖和解卡4 個(gè)過(guò)程。

（1）前進(jìn)：?jiǎn)?dòng)驅(qū)動(dòng)部件的電機(jī)，帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，第一螺母和C 形管沿著軸向做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，抓捕頭部件不斷的接近巖心襯管。當(dāng)抓捕頭部件快接近巖心襯管時(shí)，通過(guò)手搖的方式使絲杠緩慢旋轉(zhuǎn)，直到抓捕頭部件前端的臺(tái)階面碰到巖心襯管，外殼停止前進(jìn)。此時(shí)掛盤(pán)還未被L 形掛鉤鎖住，探針還潛埋于外殼內(nèi)，如圖6、圖7 所示。

圖6 抓捕頭初始狀態(tài)原理Fig.6 Principle of the initial state of the capture head

圖7 抓捕頭初始狀態(tài)實(shí)物Fig.7 Photo of the initial state of the capture head

（2）抓捕：在絲杠帶動(dòng)下，C 形管繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，并推動(dòng)心軸壓縮第三彈簧繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。心軸逐漸擠壓探針，迫使探針壓縮第二彈簧并向外伸出卡住巖心襯管，與此同時(shí)，掛盤(pán)接觸L 形掛鉤并推動(dòng)其繞銷(xiāo)軸向外翻轉(zhuǎn)，當(dāng)掛盤(pán)越過(guò)掛鉤的鉤底時(shí)，在第一彈簧的作用下回彈并鉤住掛盤(pán)。此時(shí)，探針卡住巖心襯管并通過(guò)掛鉤和掛盤(pán)鎖緊，如圖8、圖9 所示。

圖8 抓取狀態(tài)原理Fig.8 Grabbing state

圖9 抓取狀態(tài)實(shí)物Fig.9 Photo of the grabbing state

（3）回拖：?jiǎn)?dòng)驅(qū)動(dòng)部件的電機(jī)反擋，隨著絲桿的旋轉(zhuǎn)，C 形管帶動(dòng)抓捕頭部件和巖心襯管及其內(nèi)部的巖心一起回拖。當(dāng)巖心襯管到達(dá)切割器附近時(shí)，關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)手搖的方式使絲杠緩慢旋轉(zhuǎn)，結(jié)合切割器的內(nèi)視系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)巖心襯管的精準(zhǔn)定位，隨后可進(jìn)行切割工作。如圖10、圖11 所示。

圖10 抓捕頭解卡原理Fig.10 Principle of unlocking of the capture head

圖11 抓捕頭解卡狀態(tài)實(shí)物Fig.11 Unlocking photo of the capture head

（4）解卡：當(dāng)切割工作和推送巖心工作全部完成后，反向搖動(dòng)手輪，帶動(dòng)抓捕頭部件移動(dòng)至最左端，觸碰桿與解卡套筒接觸，在2 個(gè)斜面的錯(cuò)動(dòng)下，觸碰桿和L 形掛鉤向外翻轉(zhuǎn)，壓縮第一彈簧，掛鉤與掛盤(pán)脫離，在第三彈簧的作用下，外殼與掛鉤相對(duì)心軸向右運(yùn)動(dòng)，掛鉤與掛盤(pán)解卡。同時(shí)，在第二彈簧的作用下，探針縮回到外殼的徑向孔內(nèi)，抓捕頭部件與巖心襯管脫離。

3 室內(nèi)巖心襯管抓捕實(shí)驗(yàn)

完成抓捕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工后，通過(guò)組裝調(diào)試，進(jìn)行了初步的巖心襯管抓捕實(shí)驗(yàn)，主要是驗(yàn)證抓捕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，抓取、拖動(dòng)、解卡功能是否順利實(shí)現(xiàn)。

巖心襯管抓捕測(cè)試用的是外徑48 mm、壁厚4 mm 的PVC 塑料管作為襯管，總長(zhǎng)2 m，放置在后處理模擬取心筒內(nèi)，在抓捕端開(kāi)設(shè)探針溝槽和倒角，便于抓捕頭進(jìn)入巖心襯管并抓取，圖12 為實(shí)驗(yàn)用的巖心襯管。

圖12 實(shí)驗(yàn)所用的巖心襯管Fig.12 Core liners for experiments

3.1 抓捕頭通過(guò)性實(shí)驗(yàn)

將抓捕頭從C 形管卸下，增大抓捕頭外殼前端的倒角，連接一個(gè)細(xì)長(zhǎng)桿，如圖13 所示，手動(dòng)拖動(dòng)抓捕頭在巖心處理裝置內(nèi)來(lái)回移動(dòng)，排除抓捕頭在裝置內(nèi)出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象。當(dāng)手動(dòng)拖動(dòng)抓捕頭沒(méi)有卡頓時(shí)再回裝C 形管上，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)抓捕頭，檢查抓捕頭在裝置內(nèi)運(yùn)行情況。

圖13 抓捕頭安裝長(zhǎng)桿手動(dòng)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)Fig.13 Manual drag experiment of the capture head with a long rod mounted

在后處理裝置內(nèi)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)回反復(fù)拖動(dòng)抓捕頭操作，抓捕頭可以在裝置內(nèi)順利前進(jìn)和后退，不再出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，為后續(xù)的抓捕和轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)奠定了很好的基礎(chǔ)。

3.2 抓捕實(shí)驗(yàn)

將模擬取心筒與抓捕機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)接，進(jìn)行空管抓捕實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證抓捕頭能否順利在溝槽位置卡住巖心襯管，抓取是否牢固。

在抓捕的過(guò)程中，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)在抓捕頭到達(dá)抓捕位置后無(wú)法自動(dòng)停止，有時(shí)會(huì)將抓捕頭內(nèi)的心軸頂過(guò)，心軸不回彈，如圖14 所示，導(dǎo)致在后續(xù)解卡的環(huán)節(jié)中L 形掛鉤不能順利解卡。通過(guò)拆卸檢查，找到心軸存在的問(wèn)題，將心軸前端的斜面距離加長(zhǎng)，使探針在收回的時(shí)候受到一個(gè)斜向的力，輔助心軸回彈。經(jīng)過(guò)修改之后，多次進(jìn)行抓捕操作，抓捕頭工作正常，能牢固地抓取到巖心襯管，在拖動(dòng)襯管的過(guò)程中沒(méi)有脫卡現(xiàn)象，圖15 為實(shí)驗(yàn)結(jié)束后抓捕頭抓取襯管的情況，抓取操作非常成功。

圖14 心軸不回彈狀態(tài)Fig.14 Mandrel without rebounding

圖15 抓捕成功狀態(tài)Fig.15 Proper grabbing

3.3 解卡實(shí)驗(yàn)

在成功抓取巖心襯管之后，將抓捕頭拉回初始位置，在解卡套筒的作用下，L 形掛鉤會(huì)向外翻轉(zhuǎn)，在內(nèi)部彈簧的作用下抓捕頭整體回彈，實(shí)現(xiàn)解卡。

經(jīng)過(guò)多次的抓捕頭拉回操作，解卡套筒工作正常，每次均可以將掛鉤與掛盤(pán)脫開(kāi)，內(nèi)部彈簧也工作正常，解卡實(shí)驗(yàn)非常成功。

4 巖心襯管抓捕機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

該巖心襯管抓捕裝置用于天然氣水合物帶壓轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中，與天然氣水合物后處理裝置配合使用，為天然氣水合物巖心的切割、轉(zhuǎn)移和參數(shù)測(cè)試服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)多次抓取。與其他抓取機(jī)構(gòu)相比巧妙地運(yùn)用了杠桿原理，使結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，工作狀態(tài)更加穩(wěn)定可靠。該裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）針對(duì)巖心襯管與巖心管之間間隙非常小的情況，該裝置采用對(duì)巖心襯管內(nèi)抓取的方式，節(jié)省了管腔內(nèi)的空間，大幅度減小了對(duì)巖心的擾動(dòng)。

（2）由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)被外管包圍，整個(gè)過(guò)程屬于非可視化操作，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)和手搖驅(qū)動(dòng)相配合的方式，在切割器內(nèi)視系統(tǒng)的輔助下，能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，能切割出符合要求的巖心樣品長(zhǎng)度。

（3）當(dāng)抓捕頭的探針卡住巖心襯管后，掛盤(pán)和掛鉤處于鎖緊狀態(tài)，在二者的配合下，在拖拉的過(guò)程中探針和巖心襯管不易滑脫。

（4）該裝置巧妙地利用杠桿原理，在彈簧的配合下能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫扣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且性能可靠。

5 結(jié)論與展望

（1）該巖心樣品帶壓轉(zhuǎn)移系統(tǒng)一端通過(guò)端面密封的方式，一端通過(guò)球閥密封的方式，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)的保壓，能滿(mǎn)足帶壓轉(zhuǎn)移的基本條件。

（2）該巖心襯管抓捕裝置采用絲杠驅(qū)動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)了巖心從保壓取樣筒到切割單元、儲(chǔ)存單元的帶壓轉(zhuǎn)移。

（3）抓捕頭設(shè)計(jì)巧妙，卡取巖心襯管方便快捷，拖拉巖心襯管穩(wěn)定可靠，解卡方式簡(jiǎn)單有效。

（4）該巖心襯管抓捕裝置已經(jīng)加工完成，進(jìn)行了初步的室內(nèi)巖心襯管抓捕實(shí)驗(yàn)，后續(xù)將在實(shí)際的取心鉆具上進(jìn)行襯管的抓捕轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中繼續(xù)對(duì)裝置進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。