彭奮飛 ，王佳亮*，萬步炎 ，黃筱軍 ，唐永輝 ，彭德平

（1.湖南科技大學海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與安全技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，湖南湘潭411201；2.湖南科技大學機電工程學院，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)成為世界各國未來資源戰(zhàn)略的一個新熱點［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，國內外主要采用保壓取樣技術開展天然氣水合物的取樣工作［3］。國內外相繼開展了針對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所展開的保壓取心研究較為系統(tǒng)和豐富［4-5］。目前在進行保壓方案設計時，通常采用增加鉆具壁厚、設置保溫夾層、內部軸向布置壓力補償裝置、安裝大尺寸球閥等措施來獲得鉆具較為寬泛的軸向和徑向空間設計尺寸［6］。國外具有代表性的產(chǎn)品有在國際深海鉆探計劃（DSDP）采用的PCB 保壓取心器、國際大洋鉆探計劃（ODP）采用的PCS 保壓取心器等［7-8］。國內有中石化集團勝利石油管理局鉆井工藝研究所研制的繩索旋轉式保壓鉆具、鉆柱式旋轉保壓鉆具，北京探礦工程研究所研制的TKP-1 型保溫保壓繩索取樣器，中國地質大學（北京）研制的繩索取心保溫保壓取樣器，中國石油大學研制的鉆探取樣保真器等［9-10］。以上類型鉆具的共同特點是能夠采用主動保壓方案，其鉆具上部可以設置不同形式的壓力補償裝置，下部通過球閥或板閥實現(xiàn)密封，并可根據(jù)要求設置內壁保溫夾層從而實現(xiàn)被動保溫。但是，為了使鉆具內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，吉林大學的研究團隊開展了大量針對孔底冷凍繩索取心技術研究工作，并針對冰閥式繩索取心保壓技術展開了深入的研究［11-12］。以上研究的共性特點是鉆具的底部均不設置機械式的球閥。其思路是通過對樣品管進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現(xiàn)對水合物的保真取樣。由于無需設置球閥，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腔往往需要占據(jù)很長的軸向空間以確保能夠攜帶足夠數(shù)量的冷源從而實現(xiàn)快速制冷，因此以上類型鉆具的總長較長。

目前現(xiàn)有的保壓鉆具主要是針對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使用［13］。對于海底鉆機而言，由于每次作業(yè)所需的全部鉆具是隨海底鉆機一同下放至海底，當每回次鉆進結束后從孔底打撈的內管首先存儲于海底鉆機本體上的鉆具庫內，待整個鉆孔全部結束后再隨鉆機一起提升至母船甲板。因此，海底鉆機對所攜帶的總鉆具數(shù)量有著嚴格的質量和空間尺寸要求，現(xiàn)有針對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、鉆具質量重、鉆具結構復雜等問題［14］。因此研制適用于海底鉆機的小口徑薄壁保壓鉆具顯得尤為迫切。本文以國家重點研發(fā)計劃項目“海底大孔深保壓取心鉆機系統(tǒng)研制”等為依托，綜合考慮“海牛號”220 m 保壓海底鉆機的工況要求，設計了針對海底鉆機的小口徑薄壁保壓鉆具并對其保壓性能進行了室內試驗。

1 保壓鉆具總體方案設計

本次設計的小口徑薄壁保壓繩索取心鉆具由外管總成和內管總成2 部分構成。其中外管總成的結構與常規(guī)鉆具基本相同；內管總成主要由彈卡機構、懸掛機構、單動機構、撥叉單向閥啟閉機構、保壓單向閥機構、巖心卡斷機構和下端部保壓帽組成（見圖1）。回次鉆進開始前，機械手抓取內管總成移至鉆機本體上的保壓帽擰卸裝置處，借助擰卸裝置將保壓帽與內管總成分離，利用鉆機上的繩索絞車配合打撈機構將內管總成下放至孔底外管總成中的預定位置，進行鉆進作業(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)、擴孔器以及階梯金剛石鉆頭（?75 mm）等組成。為有效增加關鍵零部件的耐磨損性以及減輕海水對鉆具的腐蝕，外管總成中的彈卡室及彈卡擋頭部分均進行了鍍鉻處理?？紤]到海底復雜的地質條件以及鉆桿連接的尺寸精度，因此外管采用具有較高強度和精密尺寸的XJY850 地質管材［15］。本次設計在常規(guī)座環(huán)結構形式的基礎上對其進行優(yōu)化改進，包括常規(guī)座環(huán)外圈均倒角45°，內圈邊緣處均車臺階再倒角45°。經(jīng)改進后的座環(huán)結構能夠有效避免內管總成投放不到位以及鉆進結束后在拔斷巖心的過程中，由于沖擊力較大而導致懸掛環(huán)與座環(huán)發(fā)生卡死現(xiàn)象導致打撈失敗的風險。穩(wěn)定環(huán)主要用于內管導向，使內外管保持同軸，便于巖心進入卡簧座和內管。擴孔器主要起擴大孔徑、修整孔壁的作用，避免鉆進過程中產(chǎn)生鉆孔縮徑、鉆進沖洗液壓力過高、卡鉆燒鉆等鉆進事故發(fā)生的風險［16］。本次設計選用的是金剛石擴孔器，其主要技術參數(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。

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

1.2 內管總成

圖3 是75 mm 口徑的保壓繩索取心鉆具內管總成示意。該鉆具內管總成由彈卡機構、撥叉單向閥啟閉機構、保壓單向閥機構、巖心卡取機構、底部保壓帽組成。彈卡機構置于收卡筒中且在收卡筒中下部設有撥叉單向閥啟閉機構，彈卡機構的下端與保壓單向閥機構的上端連接；保壓單向閥機構的下端與內管的上端連接；保壓單向閥機構的下部設有回水球閥；巖心襯管設置在內管中同時為了滿足取心直徑≮45 mm 的要求，巖心襯管的外徑為48.5 mm，壁厚為2 mm，材質為PP 透明塑料；內管的下端與卡簧座用螺紋連接，卡簧座內設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，保壓帽內設有Y 形密封圈，目的是實現(xiàn)內管總成下端部的密封。

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

1.2.1 內管總成上端部保壓密封設計

考慮到海底鉆機的整機高度對鉆具總長的嚴格限制，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度范圍內增加有效獲取巖心的長度。因此，本次設計采用被動保壓方案，鉆具的上端部不設置沿軸向布置的壓力補償裝置以提高鉆具的有效取心長度。本次設計采用撥叉式啟閉機構和保壓單向閥方案實現(xiàn)在鉆進結束后對內管總成上端部的密封。其原理是利用內管總成中的彈卡機構在正常鉆進狀態(tài)時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，從而帶動與收卡筒聯(lián)動的撥叉發(fā)生轉動，實現(xiàn)單向閥的正常開啟動作。當回次進尺結束后，內管總成提離孔底，此時彈卡室對彈卡機構的徑向約束結束，在彈簧力的作用下收卡筒沿軸向下移，使得撥叉復位完成上端部的密封動作（如圖4 所示）。

圖4 內管總成上端部保壓密封動作示意Fig.4 Working schematic of the upper end of the inner tube for pressure holding

1.2.2 內管總成下端部保壓密封設計

通常陸域保壓鉆具的下端部密封方案是采用內置式球閥或板閥進行密封操作，其在密封時存在球閥啟閉可靠性差的風險。此外由于球閥占用鉆具徑向的空間過大，導致鉆具的尺寸偏大不滿足海底鉆機對鉆具重力和口徑限制的要求。針對上述問題，本次設計充分發(fā)揮海底鉆機上的機械手能夠對鉆具進行輔助操作的優(yōu)勢，采用內置有Y 形密封圈的保壓帽并在鉆機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構并在機械手和擰卸裝置的配合下完成密封動作的優(yōu)勢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于鉆機本體的旋轉鉆具庫內，并由鉆機直接攜帶至海底，鉆具的接卸均在海底由機械手完成。如圖6 所示，鉆進開始前，機械手抓取內管總成移至鉆機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管總成分離，與內管總成分離后的下端部保壓帽暫存在擰卸裝置內，同時機械手將去除下端部保壓帽的內管總成移至孔口，利用鉆機上的繩索絞車配合打撈機構將內管總成下放至孔底外管總成中的預定位置，進行鉆進作業(yè)。參見圖6（c），當在工作狀態(tài)時，內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），此時收卡筒對撥叉中的撥叉滾輪起限位作用（3），迫使撥叉繞圓柱銷發(fā)生轉動（4），觸發(fā)撥叉動作，將單向閥的閥芯頂開（5），確保在鉆進過程中單向閥始終處于開啟狀態(tài)，形成排水通路。當鉆進結束后，利用打撈機構將內管總成快速提至孔口，彈卡室對彈卡板的徑向約束解除，收卡筒沿軸向下移復位，收卡筒對撥叉滾輪的限位解除，撥叉復位，單向閥關閉，實現(xiàn)內管總成上端部的密封。通過機械手將內管總成移至鉆機本體上的下端部保壓帽擰卸處，擰卸裝置將暫存在其內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，實現(xiàn)對內管總成下端的密封。至此，鉆具內管總成上下端部均處于密封狀態(tài)，其內部存儲的天然氣水合物樣品也處于保壓密封狀態(tài)。借助機械手將存有樣品的內管總成存儲于鉆機上的鉆具庫內并抓取新的內管進行下一回次作業(yè)，待鉆孔作業(yè)結束后再將全部內管隨海底鉆機一同提升至母船。

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

當海底鉆機在粉質粘土、泥質粉砂、粉細砂等非巖性沉積物層取樣時可以采用壓入式抽吸取心模式，配合鉆機本體上的抽吸活塞缸，在取心過程中使內管總成中形成活塞式負壓，提高巖心采取率；在硬質巖化的沉積層取樣時采用回轉鉆進取心模式，沖洗液經(jīng)內外管之間的環(huán)狀間隙流經(jīng)鉆頭的水口到達孔底，對鉆頭進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 保壓取心鉆具室內保壓測試

鉆具樣機試制后，進行了室內保壓測試（見圖7）。綜合考慮海底天然氣水合物賦存水深和海底鉆機最大作業(yè)水深的要求，保壓取心鉆具最大保壓能力應能達到25 MPa。第一步向內管總成中注滿水，并擰上保壓帽從室外借助手搖加壓泵給鉆具內部進行加壓，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。按照設計要求需要將最大壓力加壓到30 MPa，檢查鉆具的穩(wěn)壓性能和裝配質量。

圖7 保壓密封試驗Fig.7 Pressure holding test

第二步將在外部檢查合格的保壓鉆具內管總成放入深水壓力倉中進一步測試鉆具的保壓性能。深水壓力倉測試能夠模擬從海底回收的過程中鉆具內外壓差不斷變化的過程，通過控制深水壓力倉的卸壓速度能夠模擬鉆機回收的速度，其保壓性能的測試結果更加接近于實際工況。為了提高測試結果精度，采用壓力傳感器測量鉆具內的壓力值，首先利用萬用表測量初始電壓值，其初始讀數(shù)為0.080 V，然后對待測壓力值做原始數(shù)值標定，最后將壓力倉均勻加壓至待測壓力值，并保壓15 min。結合海底鉆機的實際回收作業(yè)流程，2000 m 海深的回收過程通常需要40 min，因此，壓力試驗倉的卸壓速度也同樣設定為40 min 卸至0，卸壓完畢后利用萬用表連接壓力傳感器進行壓力測試。測試結果如表1 所示。

表1 室內保壓試驗Table 1 Laboratory pressure-holding test

由上述試驗結果可以看出，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卡簧座和保壓帽的絲扣加工經(jīng)驗不足，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致密封圈在低壓下的預緊力略小所致，后期密封圈槽的結構設計值得到了進一步優(yōu)化。綜上所述，本次設計的小口徑薄壁保壓取心鉆具能夠在海底鉆機的配合操作下實現(xiàn)保壓功能，滿足所設計的相關要求。

3 結語

綜上所述，本次設計的適用于海底鉆機的小口徑薄壁保壓取心鉆具結構設計方案能夠滿足海底鉆機的使用工況與使用要求。本次設計的保壓方案上端部密封設計采用機械聯(lián)動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上的擰卸裝置和機械手的配合優(yōu)勢有效減小了鉆具的直徑。通過室內保壓試驗，證明本次設計的小口徑薄壁保壓取心鉆具能夠實現(xiàn)所設計的保壓功能。該鉆具方案為海底鉆機勘探鉆探取樣提供了一種新的工具，尤其是針對天然氣水合物，能夠有效改善鉆探取心的樣品質量，從而進一步提高海底天然氣水合物儲量評價的準確性。