翁 煒，趙爾信

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

液壓剪切式取樣鉆具的研究

翁 煒，趙爾信

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

在海洋和陸地水域等松軟地層鉆探取樣過(guò)程中，使用常規(guī)取樣鉆具取樣易造成樣品質(zhì)量差、取樣率低等現(xiàn)象，為此特別設(shè)計(jì)一種液壓剪切式取樣工具。介紹了該鉆具的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗(yàn)效果。

松軟地層;鉆探;液壓;剪切;取樣鉆具

1 概述

地層樣品的質(zhì)量決定了地層分析研究的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，鉆探取樣技術(shù)作為最有效的獲取地下地質(zhì)情況的研究手段，在世界上得到了廣泛的應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)步，我國(guó)資源勘探和地球科學(xué)研究的需求不斷增長(zhǎng)，在海洋和陸地水域等松軟地層條件下的取樣工作量也日益上升。目前在我國(guó)常規(guī)采用的取樣方式主要為回轉(zhuǎn)式取樣，即鉆探設(shè)備帶動(dòng)鉆桿及取樣鉆具回轉(zhuǎn)，從而切削地層并提取樣品，這種方法主要適用于硬地層，用于松軟地層條件下造成樣品的擾動(dòng)、破損和脫落，甚至出現(xiàn)空管現(xiàn)象。還有采用機(jī)械加壓方式的鉆具，通過(guò)鉆探設(shè)備對(duì)鉆桿施加壓力，鉆桿再向取樣鉆具傳遞壓力使取樣鉆具壓入松軟地層，但是這種方法容易造成鉆桿等設(shè)備受損，同時(shí)其僅能用于較淺地層，應(yīng)用受到很大限制。

因此，針對(duì)海洋和陸地水域等松軟地層特點(diǎn)，研究液壓剪切式取樣技術(shù)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提高樣品質(zhì)量和鉆探效率，對(duì)加快我國(guó)資源調(diào)查和地球科學(xué)研究工作的進(jìn)展有著重要意義。自2008年起，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開展了地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“精細(xì)、原位、保真、多元取樣技術(shù)的研究”，其中重點(diǎn)內(nèi)容之一就是非固結(jié)地層液壓剪切式取樣技術(shù)的研究。經(jīng)過(guò)幾年的研究與開發(fā)，在液壓剪切式取樣技術(shù)的研究方面取得了一定的進(jìn)展和成果。

2 液壓剪切式取樣鉆具的研究

海洋和陸地水域松軟地層的特性是松軟、非固結(jié)，在鉆探取樣的過(guò)程中易受到擾動(dòng)，同時(shí)鉆井液的沖蝕會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大影響。根據(jù)地層特性進(jìn)行不同取樣技術(shù)的原理分析對(duì)比，采用壓入式取樣避免了回轉(zhuǎn)式取樣過(guò)程中鉆具回轉(zhuǎn)與巖心產(chǎn)生摩擦及鉆具振動(dòng)帶來(lái)的不利影響，同時(shí)利用鉆井液的壓力作為工作動(dòng)力，解決了機(jī)械加壓的弊端，不需要專門配備動(dòng)力裝置，當(dāng)在取樣目的地層開展取樣工作時(shí)，依靠液壓力剪斷剪切銷，取樣管在液壓力和自身重力的雙重作用下快速壓入地層，在此過(guò)程中，巖樣與鉆井液處于隔離狀態(tài)，避免樣品擾動(dòng)。

2.1 結(jié)構(gòu)原理

液壓剪切式取樣鉆具的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

液壓剪切式取樣鉆具采用繩索打撈式結(jié)構(gòu)，主要由取樣內(nèi)管總成和取樣外管總成組成，取樣外管總成通過(guò)接頭(1)與鉆桿螺紋連接，安裝在外管總成中的座環(huán)(6)與懸掛環(huán)(5)配合，并與扶正環(huán)(14)、外管接頭一起實(shí)現(xiàn)取樣內(nèi)管總成與取樣外管總成的定位與配合。取樣內(nèi)管總成又包括懸掛系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)和壓入取樣管總成。在取樣過(guò)程中，首先將液壓剪切式取樣鉆具投放到孔底，配合到位，形成密封腔，開始取樣工作時(shí)，鉆井液自鉆桿中心流經(jīng)進(jìn)水接頭并進(jìn)入到取樣內(nèi)管總成與取樣外管總成之間的密封腔內(nèi)，對(duì)壓入取樣管總成施加向下的壓力，隨著鉆井液的壓力不斷上升，直至連接懸掛系統(tǒng)和壓入取樣管總成的剪切銷(7)發(fā)生剪斷破壞，此時(shí)壓入取樣管總成沿著導(dǎo)向系統(tǒng)滑動(dòng)以高速壓入地層。壓入取樣后，鉆探設(shè)備帶動(dòng)取樣外管總成及鉆頭鉆進(jìn)至地層底部。在此過(guò)程中取樣內(nèi)管不回轉(zhuǎn)，從而減少樣品擾動(dòng)，提高樣品質(zhì)量。完成取樣工作后，利用繩索絞車在孔口將打撈裝置經(jīng)過(guò)鉆桿內(nèi)部投放到孔底，抓住打撈矛頭(2)，并將內(nèi)管總成及其內(nèi)部的樣品一并提出，獲得所需的樣品。在地表或甲板上取心時(shí)，可將替換鉆具投放到孔底繼續(xù)鉆進(jìn)。在使用時(shí)，鉆具優(yōu)先采用隔水鉆頭結(jié)構(gòu)，減少鉆井液對(duì)巖心的影響。

圖1 液壓剪切式取樣鉆具結(jié)構(gòu)

2.1.1 懸掛/剪切工作方式

本鉆具設(shè)計(jì)過(guò)程中采用剪切銷作為懸掛/剪切工作的關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)中剪切銷的剪斷工作力包括鉆井液的壓力及鉆具壓入取樣管總成系統(tǒng)的重力作用，對(duì)剪切銷的工作段采用單獨(dú)調(diào)整設(shè)計(jì)，并且在加工及組裝的過(guò)程中可對(duì)剪切銷的材料、結(jié)構(gòu)尺寸和數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，以改變剪斷工作壓力，滿足不同地層的工作要求，提高液壓剪切式取樣鉆具工作的適應(yīng)性。筆者采用Solidworks Simulation軟件對(duì)剪切銷進(jìn)行了模擬分析，其應(yīng)力狀態(tài)與變形情況如圖2所示。

圖2 剪切銷應(yīng)力狀態(tài)及變形

2.1.2 導(dǎo)向系統(tǒng)

導(dǎo)向系統(tǒng)由導(dǎo)向活塞桿、導(dǎo)向活塞等部件組成，壓入取樣管總成與導(dǎo)向系統(tǒng)配合精度高，導(dǎo)向活塞桿上的導(dǎo)向槽與壓入取樣管總成中安裝的導(dǎo)向鍵相配合，防止壓入取樣管總成在取樣過(guò)程中發(fā)生軸心偏移或是軸向回轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，以避免對(duì)樣品產(chǎn)生不利影響，從而提高取樣精度。壓入取樣管總成滑動(dòng)到導(dǎo)向活塞桿的最下方時(shí)，導(dǎo)向活塞起到定位和緩沖的作用，避免鉆具受到?jīng)_擊，此時(shí)封閉的鉆井液泄流，防止壓力上升，損壞鉆具。

2.1.3 壓入取樣管總成

作為液壓剪切式取樣鉆具的核心部件之一，壓入取樣管總成包括懸掛剪切接頭、密封接頭、快速拆裝機(jī)構(gòu)、壓入取樣管、卡心機(jī)構(gòu)、取樣管靴等。在剪切取樣工作開始前，壓入取樣管總成上的密封圈與取樣外管總成密封，保證取樣工作前鉆井液與地層巖樣隔離，同時(shí)鉆井液壓力不發(fā)生泄漏，可順利達(dá)到所需的工作壓力。

巖樣在進(jìn)入到壓入取樣管總成后，當(dāng)提取巖心時(shí)要防止巖心脫落，根據(jù)地層松軟程度和具體特性，設(shè)計(jì)有兩種卡心機(jī)構(gòu)，其一為翻板式卡板，在提鉆的過(guò)程依靠翻板的重力自動(dòng)封閉;其二為全封閉卡簧，利用爪式卡簧自身的彈性收縮力向內(nèi)收攏封閉。

為提高取樣工作的效率，設(shè)計(jì)采用定位鎖母和定位鎖鍵等組成的快速拆裝機(jī)構(gòu)，操作者完成取樣工作并提鉆后，可快速拆卸并更換內(nèi)部封裝著巖心的壓入取樣管等部分，提高取樣效率，保證取樣工作的順利進(jìn)行。

2.2 鉆具參數(shù)

圖3 液壓剪切式取樣鉆具實(shí)物

2.3 試驗(yàn)研究

研究人員進(jìn)行了多回次的臺(tái)架試驗(yàn)以驗(yàn)證剪切銷及壓入取樣工作方式的工作靈活性和可靠性。試驗(yàn)研究在北京探礦工程研究所良鄉(xiāng)試驗(yàn)基地完成，試驗(yàn)采用BX250泥漿泵作為鉆具剪切壓入試驗(yàn)的動(dòng)力源，利用清水作為動(dòng)力介質(zhì)，配套鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，在自制鉆具夾持臺(tái)架上完成。在試驗(yàn)研究過(guò)程中，采用了自制沙層、土層和淤泥狀巖樣對(duì)鉆具性能進(jìn)行測(cè)試。在設(shè)計(jì)剪斷壓力下剪切銷有效剪斷成功率100%，其中在松軟表土層中取樣率可達(dá)到90%以上。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)液壓剪切式取樣技術(shù)采用液壓壓入式取樣原理，剪切銷與密封系統(tǒng)組成的懸掛/剪切工作方式，利用活塞式導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓入取樣管總成的定位與導(dǎo)向，采用翻板式或全封閉卡心機(jī)構(gòu)避免提鉆過(guò)程中樣品脫落，同時(shí)結(jié)合快速拆裝機(jī)構(gòu)和繩索取心系統(tǒng)提高鉆具的工作效率。該技術(shù)可有效解決海洋和陸地水域等地層中松軟樣品的取樣困難、采取率低及樣品質(zhì)量差的難題，具備取樣效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、輔助時(shí)間少等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

(2)除地層條件外，鉆探設(shè)備狀況、鉆具的質(zhì)量、鉆井液性能和操作人員的技術(shù)水平對(duì)液壓剪切式取樣工具的成功應(yīng)用有很大影響。因此，加強(qiáng)施工管理，努力提高人員素質(zhì)及操作技能是技術(shù)成功應(yīng)用的根本保證。

(3)通過(guò)更換取樣內(nèi)管總成，例如完整地層可采用常規(guī)取樣內(nèi)管總成，需要保真的目標(biāo)地層可采用三層管取心工具等，以滿足不同地層的取樣需要，提高了鉆探工藝方法的適應(yīng)性。

(4)鉆具在海洋和陸地水域取樣過(guò)程中需要鉆探船或鉆探平臺(tái)，目前我國(guó)正在努力建設(shè)相關(guān)設(shè)備，在使用過(guò)程中還需要針對(duì)該種技術(shù)的特殊使用環(huán)境進(jìn)行進(jìn)一步的研究與試驗(yàn)工作。

［1］翁煒，張建元，黃成，等.淺談難取樣地層取心技術(shù)［J］.地質(zhì)裝備，2007，(6).

［2］趙爾信，蔡家品，賈美玲，等.海洋深水鉆探船及取樣技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(S1).

［3］左汝強(qiáng)，李常茂，高平，等.國(guó)際海洋科學(xué)鉆探進(jìn)展［Z］.北京: 2005.

［4］劉廣志，等.金剛石鉆探手冊(cè)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1991.

Research and Test of the Hydraulic Pressure Shear Coring Tool

WENG Wei，ZHAO Er-xin(Beijing Institute of Exploration Engineering，Beijing 100083，China)

During the coring of loose and soft formation in the subsea and continental water region，there are many difficulties such as poor quality of core and low core recovery.The hydraulic pressure shear coring tool was designed to solve these problems.The paper introduced its design principles，configuration features and the laboratory test effect.

loose and soft formation;drill;hydraulic pressure;shear;coring tool

P634.4+3

A

1672－7428(2012)04－0008－03

2011－10－08

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項(xiàng)目“精細(xì)、原位、保真、多元取樣技術(shù)的研究”(1212010816017)

翁煒(1977－)，男(漢族)，河北新城人，北京探礦工程研究所高級(jí)工程師，地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，從事地質(zhì)及巖土鉆探器具的研究與推廣工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)，wengw77@163.com。