盧春華，張 濤*，徐 俊，喬夢迪，Blinov.P.A，張思敏，Merzliakov.M.U

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074； 2.湖北省城市地質(zhì)工程院，湖北 武漢 430050；3.圣彼得堡國立礦業(yè)大學，俄羅斯 圣彼得堡 199006）

0 引言

天然氣水合物俗稱“可燃冰”、“固體瓦斯”等，其特點是分布范圍廣、儲量豐富、能量密度大和清潔高效，被認為極有可能成為未來最有遠景的新型接替能源，引起世界各國的廣泛關(guān)注［1-2］。目前這種潛在新能源的勘探與開發(fā)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，準確掌握水合物地層孔隙度、地層中水合物飽和度以及物理力學性質(zhì)等參數(shù)十分重要。通過地震或者測井所得數(shù)據(jù)對研究所需各項參數(shù)進行估算往往與實際值存在較大誤差，且在現(xiàn)有技術(shù)條件下又很難進行準確原位地層參數(shù)測試，所以通過鉆井獲取高保真水合物保壓巖心樣品，再對其物理化學及力學性質(zhì)進行測試與分析是最為可靠的方法［3-5］。

天然氣水合物對溫度、壓力的變化很敏感，受擾動易揮發(fā)，取心難度極大。美國、日本、歐盟等國家對天然氣水合物保壓取心鉆具的研究起步較早，已發(fā)展出多種類型的天然氣水合物保壓取心鉆具，比如日本研制的PTCS 和Hybrid PCS，歐盟研制的FPC 和HRC 以及大洋鉆探計劃中的PCS 和PCB［6-8］。我國開展天然氣水合物保壓取心鉆具及施工技術(shù)研究較晚。浙江大學研發(fā)了一種重力取樣式保壓取樣器具，適用于海底較淺層取樣［9］。中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所研制的海域天然氣水合物保溫保壓取樣鉆具進行了相關(guān)海試，取得了一定的研究成果。北京探礦工藝所、廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局等單位也開展了天然氣水合物保壓取心鉆具的相關(guān)研究工作［10-15］?？偟膩碚f，目前國內(nèi)外相關(guān)保壓取心鉆具大多以板閥或球閥等機械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)巖心管保壓腔的下端保壓，由于井底的環(huán)境比較復雜，造成保壓閥（板閥或球閥）無法關(guān)閉或關(guān)閉不嚴，致使保壓取樣鉆具的保壓成功率普遍不高［16-17］。

分析國內(nèi)外天然氣水合物保壓取心鉆具可知，保壓巖心管的下部密封是天然氣水合物保壓取心鉆具工作性能是否可靠的關(guān)鍵技術(shù)之一。保壓巖心管的下部密封機構(gòu)常用的板閥和球閥各有特點。相對來說，球閥密封性能好、工作可靠性高，但球閥占用的徑向尺寸多，會導致獲取的水合物巖心直徑相對??；板閥密封性能不太好，但結(jié)構(gòu)相對簡單、相同條件下可獲取更大直徑的巖心。驅(qū)動球閥或板閥翻轉(zhuǎn)的力通常有地面泵提供的液壓力和繩索打撈的提拉力。采用液壓力來驅(qū)動保壓閥工作的天然氣水合物保壓取心鉆具，其施工工序復雜，會降低保壓取心的成功率［18-20］。采用繩索打撈的提拉力驅(qū)動保壓閥工作的天然氣水合物保壓取心鉆具，其施工工序簡單，會提高保壓取心的成功率。為了解決天然氣水合物保壓取心鉆具的保壓可靠性問題，中國地質(zhì)大學（武漢）項目組開展了一種新型齒輪-齒條關(guān)閉球閥式水合物保壓取心鉆具的研制，采用繩索打撈的提拉力驅(qū)動球閥工作。通過理論研究、試驗及改進優(yōu)化，研制了一種結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、工作性能可靠的天然氣水合物保壓取心鉆具，為海域天然氣水合物鉆探取樣提供了一種有效可行的技術(shù)方案。

1 齒輪-齒條關(guān)閉球閥式水合物保壓取心鉆具的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 水合物保壓取心鉆具的結(jié)構(gòu)

保壓取心鉆具總成主要由4 大部分組成：外管總成、三彈卡提升定位機構(gòu)、在線檢測機構(gòu)和齒輪-齒條球閥密封機構(gòu)。外管總成下部為外鉆頭，上部接頭與鉆桿連接；提升定位機構(gòu)由3 個彈卡機構(gòu)組成，能實現(xiàn)提升、定位和傳遞扭矩功能；在線檢測機構(gòu)上預留有氣、液取樣及壓力等參數(shù)測試孔，和球閥密封機構(gòu)之間由巖心管連接，可形成一個容納水合物巖心的密封腔體；球閥密封機構(gòu)用于實現(xiàn)巖心管下部的密封。

1.1.1 外管總成

外管總成（如圖1 所示）主要由鉆桿接頭、撥叉段、第一彈卡限位槽、座環(huán)、外管、外管鉆頭接頭和外鉆頭組成。其主要作用是懸掛內(nèi)管總成，防止鉆進過程中內(nèi)管總成上竄及將鉆桿和扭矩通過內(nèi)管總成傳遞至內(nèi)鉆頭。

圖1 外管總成Fig.1 Outer tube assembly

1.1.2 三彈卡提升定位機構(gòu)

三彈卡提升定位機構(gòu)（如圖2 所示）主要包括牽引軸、擋圈、限位接頭、回收管以及3 種彈卡機構(gòu)等零部件組成。第一彈卡為動力彈卡，在彈簧預張力作用下處于彈開狀態(tài)，內(nèi)管總成經(jīng)由外管總成中心孔投放到海底后，限位接頭坐落在座環(huán)上，內(nèi)管總成不再下落，此時外管總成旋轉(zhuǎn)鉆進，張開的第一彈卡會被卡進撥叉段的槽口中，不僅能把外管總成的扭矩傳遞到內(nèi)管總成，且能夠防止出現(xiàn)鉆進時巖心進入巖心管時使內(nèi)管總成向上發(fā)生位移的可能。第二彈卡類似于S 系列繩索取心鉆具中的彈卡，也稱下限位彈卡，與回收管、彈卡架、彈卡室和扭簧等零件共同作用，主要起到限制巖心內(nèi)管在鉆進取心時發(fā)生上竄現(xiàn)象，在取心完成后，打撈起提拉牽引軸可帶動回收管豎直向上移動，迫使第二彈卡完成回縮，解除對內(nèi)管在軸向的限制。第三彈卡即上限位彈卡，由兩個半卡環(huán)組成，與彈卡壓蓋和牽引軸上的卡槽等共同作用，第三彈卡初始在自身彈性變形范圍內(nèi)抱箍在牽引軸上，在牽引軸向上提拉一定位移后，第一、二彈卡分別解卡，且取樣器下部球閥關(guān)閉，此時第三彈卡回彈并卡在牽引軸上預先開設(shè)的卡槽中，限制了內(nèi)管在中層管中的最后位置，防止其回落（如圖3 所示）。

圖2 三彈卡提升定位機構(gòu)Fig.2 Three-bullet card position mechanism upgrade

圖3 第三彈卡動作原理Fig.3 Action schematic diagram of the third bullet card

1.1.3 在線檢測機構(gòu)

在線檢測機構(gòu)（如圖4 所示）主要由閥體密封接頭、過水接頭、快速測試錐閥和O 形密封圈等零件組成。包括氣體快速測試錐閥2 組、排氣孔、單向球閥、內(nèi)巖心管，在線檢測探頭分別為壓力探頭和原樣取樣裝置，安裝在錐閥的下部，與內(nèi)巖心管之間有空心通道連接，另一條空心通道連接至單向排氣閥，在采取巖心的過程中起到排氣的作用；巖心管被打撈到地面后，可實現(xiàn)對其內(nèi)部壓力進行測試和快速采氣測試的操作。

圖4 在線檢測機構(gòu)Fig.4 Online monitoring agency

1.1.4 齒輪-齒條球閥密封機構(gòu)

齒輪-齒條球閥密封機構(gòu)（如圖5 所示）主要由內(nèi)鉆頭接頭、球閥閥體、閥座、工作球體、齒輪和齒條等零件組成。內(nèi)鉆頭接頭上端通過絲扣與內(nèi)巖心管連接在一起，下端通過絲扣與內(nèi)鉆頭連接在一起，閥座安裝在球閥閥體內(nèi)，對稱布置于工作球體的兩端；齒輪外部是直齒，內(nèi)部是閥桿，閥桿鑲嵌在工作球上，內(nèi)鉆頭接頭上設(shè)計有齒條，可與齒輪相配合。鉆進過程中，第一彈卡將外管總成的扭矩傳遞至內(nèi)管總成，內(nèi)鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進，切削巖心、磨削巖心成形，進入內(nèi)巖心管；鉆進結(jié)束，打撈內(nèi)管總成，當內(nèi)巖心管帶動閥體一起向上移動時，而內(nèi)鉆頭接頭是固定不動的，二者可以產(chǎn)生相對位移，在齒輪-齒條的傳動下，閥桿可帶動工作球體旋轉(zhuǎn)。

圖5 齒輪-齒條球閥密封機構(gòu)Fig.5 Gear-rack ball valve sealing mechanism

1.2 水合物保壓取心鉆具的工作原理

工作開始前，在地面將天然氣水合物保壓取樣鉆具組裝完成，先將外管總成通過鉆機下放到孔底，再用夾板夾住內(nèi)管總成的第三彈卡壓蓋9 后起吊，放至井口后慢慢松開夾板，將內(nèi)管總成通過鉆桿內(nèi)腔投放到孔底外管總成中，完全裝配完成，此時內(nèi)管鉆頭是超前外管鉆頭的。開泵鉆進，鉆機帶動外管旋轉(zhuǎn)，通過第一彈卡14 傳遞扭矩，帶動內(nèi)管總成轉(zhuǎn)動進行取心鉆進。

取樣過程如下：在地表停泵結(jié)束鉆進，通過卷楊機下放打撈器（圖中未畫出），打撈器鉤住牽引軸頸8 上部的撈矛頭，打撈內(nèi)管總成。在提取的過程中，中層管先不動，牽引軸帶動擋圈13 壓縮第一彈卡彈簧12，第一彈卡14 收回到牽引軸8 的凹槽里面；與此同時，牽引軸8 帶動回收管24 移動，壓縮第二彈卡19 使其回收。牽引軸在上提的過程中，第二彈卡先解卡，與此同時內(nèi)巖心管相對閥座39 位移并帶動球閥翻轉(zhuǎn)90°，接著第一彈卡14 解卡，最后第三彈卡將牽引軸鎖緊，防止各零部件再發(fā)生相對運動。打撈器繼續(xù)提升，內(nèi)管總成被提升至地表，完成保壓取樣操作。

在鉆進過程中，沖洗液在鉆具中水路流向為正循環(huán)，沖洗液通過水泵押送，在座環(huán)以上，經(jīng)由內(nèi)外管間隙流入；在座環(huán)處，經(jīng)限位接頭水口，流入內(nèi)管與中層管間隙；在過水接頭處，再經(jīng)軸向水口流進巖心內(nèi)管和中層管間隙，在球閥閥體經(jīng)鍵的縫隙處流出鉆具內(nèi)管，隨后經(jīng)外鉆頭水口返出。之后，再經(jīng)鉆具外管與孔壁環(huán)狀間隙空間上返至孔口，排入海底。

2 齒輪-齒條關(guān)閉球閥式水合物保壓取心鉆具關(guān)鍵部件的設(shè)計計算

2.1 球閥工作密封比壓設(shè)計計算

球閥工作密封比壓直接關(guān)系球閥的密封性、穩(wěn)定性和使用壽命。工作密封比壓大，球閥的密封性好，但會增加轉(zhuǎn)動球閥的扭矩。因此，設(shè)計球閥時要選擇一個合適的工作密封比壓，在保證球閥密封可靠性的同時，盡可能減小球閥翻轉(zhuǎn)時與密封座之間的摩擦力［21-23］。研制的球閥及受力如圖6 所示。

圖6 球閥受力Fig.6 Force diagram of ball valve

可以利用以下公式進行計算：

根據(jù)球閥受力簡圖，結(jié)合幾何知識可得：

整理后得出球閥工作密封比壓為：

式中：q——球閥工作密封比壓，MPa；FN——密封面對球面的法向壓力，N；A——環(huán)形密封面積，mm2；FM——作用在密封面上總的作用力，N；θ——密封面法向與球閥軸線方向的夾角，（°）；P——球閥工作耐壓，MPa；D0——密封面內(nèi)徑，mm；D1——密封面外徑，mm；D2——密封面平均直徑，mm；L1、L2——分別為球體中心到密封面的最小、最大距離，mm。

2.2 打撈內(nèi)管提拉力設(shè)計計算

水合物保壓取心鉆具的打撈內(nèi)管提拉力主要由球閥翻轉(zhuǎn)所需扭矩、巖心保壓倉上端4 組O 形密封圈與過水接頭間的摩擦力F1和彈卡機構(gòu)在機械提拉力后產(chǎn)生回縮時克服彈簧彈力F2決定，分析計算如下。

2.2.1 球閥啟動扭矩M

球閥的開啟扭矩決定了齒輪-齒條的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及球閥相關(guān)零部件的材料的強度的選擇，球閥的開啟扭矩主要有工作球面與密封座之間的摩擦轉(zhuǎn)矩M0、閥桿與O 形密封圈的摩擦轉(zhuǎn)矩M1［24］。

M0由球體密封面在旋轉(zhuǎn)時與密封座產(chǎn)生的摩擦力產(chǎn)生，隨著球體的轉(zhuǎn)動，力矩r由從Rcosθ變化到R，根據(jù)幾何知識，選取平均力矩rm來計算工作球面與密封座之間的摩擦轉(zhuǎn)矩M0。

結(jié)合2.1 節(jié)所推導的公式，整理可得：

式中：μ——球體與密封座的摩擦系數(shù)，本文取0.1。

代入其余數(shù)據(jù)P=15 MPa、R=34.5 mm、θ=45°、D0=45 mm、D1=51 mm，經(jīng)過計算M0=694.52 N·m。

主堆石料、下游堆石料采用庫區(qū)右岸料場安山巖和石英砂巖開挖料，混凝土骨料外購，質(zhì)量均滿足設(shè)計要求。過渡料及墊層料由砂礫料破碎后制備，其中墊層料細顆粒含量偏低。

閥桿與O 形密封圈的摩擦力矩M1分為：安裝時預壓縮階段與配合軸形成的摩擦力矩MY和在孔內(nèi)介質(zhì)壓力作用下繼續(xù)壓縮增加的摩擦力矩MZ［25-26］：

整理可得：

式中：fY——預壓縮與閥桿的摩擦力，N；fZ——壓力下O 形圈與閥桿間增加的摩擦力，N；f——O 形圈與所在孔的摩擦系數(shù)；c——O 形圈預壓縮率；μ——閥桿與O 形圈摩擦系數(shù)；d0——O 形圈直徑，mm；D——O 形圈所在軸外徑，mm；E——O 形圈彈性模量，MPa。

代入?yún)?shù)f=0.3、μ=0.1、c=0.2、d0=2.65 mm、D=24 mm、E=7.84 MPa，經(jīng)計算，M1=212.20 N·m。

故球閥開啟總扭矩M=M0+M1=694.52+212.20=906.72 N·m。

2.2.2 取心鉆具其他拉力FT計算

本文設(shè)計的取心鉆具所產(chǎn)生的摩擦扭矩來源于巖心保壓倉上端4 組O 形密封圈與過水接頭間的摩擦力F1和彈卡機構(gòu)在機械提拉力后產(chǎn)生回縮時克服彈簧彈力F2。需分別進行計算然后疊加求和：

巖心保壓倉上端4 組O 形密封圈與過水接頭間的摩擦力F1可根據(jù)公式（16）與（17）進行計算，代入?yún)?shù)d0=2.65 mm、D=62 mm，得：F1=543.72 N。

彈卡機構(gòu)在機械提拉力后產(chǎn)生回縮時克服彈簧彈力F2可利用彈簧設(shè)計軟件進行計算，取樣器在設(shè)計階段，第一彈卡在壓縮22 mm 時，內(nèi)管總成解卡，即計算第一彈卡最大壓縮量為22 mm 時需提供的拉力F2。經(jīng)計算，彈卡機構(gòu)在機械提拉力后產(chǎn)生回縮時克服彈簧的彈力F2為2305.6 N。

則取心鉆具其他拉力力FT=F1+F2=543.72+2305.6=2849.32 N。

3 齒輪-齒條關(guān)閉球閥式水合物保壓取心鉆具試驗研究

3.1 室內(nèi)試驗

3.1.1 巖心管保壓密封試驗

巖心管保壓密封試驗的目的是驗證巖心管保壓密封性能是否達到設(shè)計要求，包括巖心管上部的柱塞O 形圈密封及巖心管下部的球閥密封。試驗設(shè)備如圖7 所示。試驗步驟如下：依次組裝球閥、巖心管、密封接頭、中層管以及過水接頭，利用充壓設(shè)備向巖心管保壓倉中注水打壓，打壓至設(shè)定的15 MPa，壓力穩(wěn)定后保壓3～4 h，每0.5 h 記錄一次壓力表示數(shù)，并填入數(shù)據(jù)記錄表格（見表1）。

表1 巖心管保壓密封試驗壓力數(shù)據(jù)記錄Table 1 Pressure date record table for core barrel pressure maintenance and sealing test

圖7 巖心管保壓密封試驗裝置Fig.7 Core tube holding pressure sealing test device diagram

根據(jù)表1 可知，經(jīng)過3 h 后巖心管內(nèi)的壓力由15.2 MPa 變化至15.0 MPa，保壓率為98.7%。在上述相同試驗條件下，課題組連續(xù)做了5 次重復試驗，5 次試驗巖心管的保壓率均大于98%。試驗表明，巖心管上部的柱塞O 形圈密封及下部的球閥密封效果良好。

3.1.2 保壓取心鉆具執(zhí)行機構(gòu)動作及保壓密封試驗

該試驗的目的是驗證齒輪-齒條關(guān)閉球閥式水合物保壓取心鉆具各執(zhí)行機構(gòu)是否能夠按照設(shè)計要求完成相應的動作及完成這些動作的可靠性。試驗步驟如下：依次把齒輪-齒條球閥機構(gòu)、在線檢測機構(gòu)及三彈卡提升定位機構(gòu)進行組裝；隨后利用鉆機提拉牽引軸，使球閥以及保壓巖心倉與中層管發(fā)生相對位移，此過程中球閥翻轉(zhuǎn)90°關(guān)閉，三彈卡機構(gòu)完成解卡與限位功能；最后，對保壓巖心倉進行打壓試驗，驗證完成所有執(zhí)行動作后保壓取心鉆具巖心管的密封保壓性能。試驗保壓數(shù)據(jù)如表2 所示，試驗過程如圖8 所示。

表2 保壓取心鉆具執(zhí)行機構(gòu)動作后巖心管密封壓力數(shù)據(jù)記錄Table 2 Core tube sealing pressure date record table after the action of the holding core drilling tool

圖8 試驗設(shè)備過程Fig.8 Test the equipment proess

根據(jù)表2 可知，保壓取心鉆具執(zhí)行機構(gòu)順利完成各項動作后，經(jīng)過3.5 h，巖心管內(nèi)的壓力由15.5 MPa 變化至15.0 MPa，保壓率為96.8%。在上述相同試驗條件下，課題組連續(xù)做了5 次重復試驗，5 次試驗巖心管的保壓率均大于96%。試驗表明，齒輪-齒條關(guān)閉球閥式水合物保壓取心鉆具各執(zhí)行機構(gòu)能夠順利可靠執(zhí)行，執(zhí)行機構(gòu)動作后巖心管保壓性能良好。

3.2 海上試驗

為了進一步驗證齒輪-齒條關(guān)閉球閥式水合物保壓取心鉆具的各項工作性能，對其進行了海上試驗。本次海試搭乘“海洋地質(zhì)十號”科考船，“海洋地質(zhì)十號”由我國自主設(shè)計、建造，是集海洋地質(zhì)、地球物理、水文環(huán)境等多功能調(diào)查手段為一體的綜合地質(zhì)調(diào)查船。本次海試地點選在南海神狐海域西部。根據(jù)鉆探船此前地質(zhì)資料顯示，此區(qū)域海底主要為淺海沉積物，質(zhì)地較軟，比較符合試驗要求。對齒輪-齒條關(guān)閉球閥式水合物保壓取心鉆具進行了4個回次試驗，試驗結(jié)果見表3，試驗情況見圖9、圖10。

表3 保壓取心鉆具海試情況數(shù)據(jù)記錄Table 3 Pressure holding coring drill tool sea trial date record table

圖9 彈卡機構(gòu)執(zhí)行正常，球閥翻轉(zhuǎn)到位Fig.9 Bullet card implements normally and ball valve flips in position

圖10 第二回次鉆進所取巖心Fig.10 Core obtained in the second run

4 結(jié)論

（1）開發(fā)的齒輪-齒條關(guān)閉球閥式水合物保壓取心鉆具，采用繩索打撈的提拉力驅(qū)動球閥工作，該保壓取心鉆具結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。

（2）室內(nèi)試驗及海試表明，齒輪-齒條關(guān)閉球閥式水合物保壓取心鉆具能夠完成內(nèi)管打撈和球閥翻轉(zhuǎn)系列動作；巖心管上部的柱塞O 形圈密封及下部的球閥密封效果良好。

（3）海試表明，齒輪-齒條關(guān)閉球閥式水合物保壓取心鉆具的傳動彈卡解卡、牽引軸定位等動作工作的可靠性有待提高，下一步將繼續(xù)改進保壓取心鉆具各執(zhí)行機構(gòu)，提高其工作可靠性。