黃柳松，盧春華，趙慧斌，張 濤

（中國地質(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、不受擾動地轉(zhuǎn)移到檢測、儲存系統(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)中或者儲存起來［13］。

目前根據(jù)我國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，且還要對巖心擾動小。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)對巖心襯管的抓取、拖動、定位和釋放動作，其結(jié)構(gòu)簡單、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、切割單元和測試單元、儲存單元等，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］、測試單元或者巖心儲存筒通過快速接頭連接，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)移過程

天然氣水合物巖心樣品帶壓轉(zhuǎn)移過程可分為對接、抓捕、切割、測試和儲存，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接，待系統(tǒng)內(nèi)部壓力保持平衡后，球閥打開，抓捕機(jī)構(gòu)穿過切割單元鉤住巖心襯管，回拖巖心襯管，關(guān)閉球閥，與取樣器保壓單元分離。巖心襯管在抓捕機(jī)構(gòu)的推動下經(jīng)過切割單元，根據(jù)需要進(jìn)行巖心切割，將分段巖心分別送入測試單元進(jìn)行參數(shù)測試和儲存單元中儲存。整個帶壓轉(zhuǎn)移過程如圖2 所示。

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

在轉(zhuǎn)移過程中，需要克服的難點(diǎn)就是如何將巖心從一個密閉保壓容器中轉(zhuǎn)移到另一個密閉保壓容器。在井下通過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，盡量對巖心擾動小。

目前進(jìn)行巖心轉(zhuǎn)移的方法是通過拉取巖心襯管，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)動部件位于外管總成的左側(cè)，用于左端面的密封并驅(qū)動抓捕頭部件，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)動部件的驅(qū)動下，通過絲杠和螺母的配合，可實(shí)現(xiàn)前后移動。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C 形管的溝槽，C 形管不會隨著絲杠一起旋轉(zhuǎn)，而是做直線運(yùn)動。驅(qū)動方式設(shè)計(jì)有電機(jī)驅(qū)動和手搖驅(qū)動，在進(jìn)行大幅度的移動時，使用電機(jī)驅(qū)動，方便快捷，在進(jìn)行精準(zhǔn)定位和抓取解卡步驟時，采用手搖驅(qū)動，穩(wěn)定準(zhǔn)確。

2.2 抓捕頭設(shè)計(jì)

抓捕頭利用L 形掛鉤與掛盤配合的方式實(shí)現(xiàn)位置鎖定，采用在巖心襯管上開倒鉤的方法，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，沿圓周均勻分布，通過銷軸安裝在外殼上。第二螺栓的一端通過螺紋固定在外殼外，另一端穿過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帶45°錐面的解卡套筒，在抓捕頭收回的過程中，觸碰桿接觸到解卡套筒，在錐面的作用下觸碰桿向外張開，帶動L形掛鉤壓縮彈簧，使L 形掛鉤向外旋轉(zhuǎn)，解開與掛盤的鎖定。

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

C 形管通過螺紋與心軸左端連接，在心軸上安裝掛盤，通過第五螺母固定。心軸臺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)成一個臺階，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位置，抓捕頭前端伸進(jìn)去的工作距離很小，在5 mm 以內(nèi)，在充滿巖心的情況下通過手動旋轉(zhuǎn)抓捕頭，可以將巖心錯動一點(diǎn)距離，對抓捕動作的實(shí)現(xiàn)影響不大。在臺階處徑向均布3 個探針。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，心軸沒有伸出，在第二彈簧的作用下，探針全部沉在外殼的徑向臺階孔內(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單元通過快速接頭與水合物巖心轉(zhuǎn)移系統(tǒng)對接，隨后打開球閥，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)移過程，抓捕機(jī)構(gòu)的工作過程可分為前進(jìn)、抓捕、回拖和解卡4 個過程。

（1）前進(jìn)：啟動驅(qū)動部件的電機(jī)，帶動絲桿旋轉(zhuǎn)，第一螺母和C 形管沿著軸向做直線運(yùn)動，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，通過手搖的方式使絲杠緩慢旋轉(zhuǎn)，直到抓捕頭部件前端的臺階面碰到巖心襯管，外殼停止前進(jìn)。此時掛盤還未被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：在絲杠帶動下，C 形管繼續(xù)向前運(yùn)動，并推動心軸壓縮第三彈簧繼續(xù)向前運(yùn)動。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，掛盤接觸L 形掛鉤并推動其繞銷軸向外翻轉(zhuǎn)，當(dāng)掛盤越過掛鉤的鉤底時，在第一彈簧的作用下回彈并鉤住掛盤。此時，探針卡住巖心襯管并通過掛鉤和掛盤鎖緊，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：啟動驅(qū)動部件的電機(jī)反擋，隨著絲桿的旋轉(zhuǎn)，C 形管帶動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，關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)，通過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，反向搖動手輪，帶動抓捕頭部件移動至最左端，觸碰桿與解卡套筒接觸，在2 個斜面的錯動下，觸碰桿和L 形掛鉤向外翻轉(zhuǎn)，壓縮第一彈簧，掛鉤與掛盤脫離，在第三彈簧的作用下，外殼與掛鉤相對心軸向右運(yùn)動，掛鉤與掛盤解卡。同時，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、解卡功能是否順利實(shí)現(xiàn)。

巖心襯管抓捕測試用的是外徑48 mm、壁厚4 mm 的PVC 塑料管作為襯管，總長2 m，放置在后處理模擬取心筒內(nèi)，在抓捕端開設(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，連接一個細(xì)長桿，如圖13 所示，手動拖動抓捕頭在巖心處理裝置內(nèi)來回移動，排除抓捕頭在裝置內(nèi)出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象。當(dāng)手動拖動抓捕頭沒有卡頓時再回裝C 形管上，采用電機(jī)驅(qū)動抓捕頭，檢查抓捕頭在裝置內(nèi)運(yùn)行情況。

圖13 抓捕頭安裝長桿手動拖動實(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)過驅(qū)動電機(jī)來回反復(fù)拖動抓捕頭操作，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。

在抓捕的過程中，由于驅(qū)動電機(jī)在抓捕頭到達(dá)抓捕位置后無法自動停止，有時會將抓捕頭內(nèi)的心軸頂過，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。通過拆卸檢查，找到心軸存在的問題，將心軸前端的斜面距離加長，使探針在收回的時候受到一個斜向的力，輔助心軸回彈。經(jīng)過修改之后，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，在拖動襯管的過程中沒有脫卡現(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脫開，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）針對巖心襯管與巖心管之間間隙非常小的情況，該裝置采用對巖心襯管內(nèi)抓取的方式，節(jié)省了管腔內(nèi)的空間，大幅度減小了對巖心的擾動。

（2）由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)被外管包圍，整個過程屬于非可視化操作，采用電機(jī)驅(qū)動和手搖驅(qū)動相配合的方式，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度。

（3）當(dāng)抓捕頭的探針卡住巖心襯管后，掛盤和掛鉤處于鎖緊狀態(tài)，在二者的配合下，在拖拉的過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)自動脫扣，結(jié)構(gòu)簡單而且性能可靠。

5 結(jié)論與展望

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

（2）該巖心襯管抓捕裝置采用絲杠驅(qū)動的方式，實(shí)現(xiàn)了巖心從保壓取樣筒到切割單元、儲存單元的帶壓轉(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)過程中繼續(xù)對裝置進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。