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)

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程中，使用常規取樣鉆具取樣易造成樣品質量差、取樣率低等現象，為此特別設計一種液壓剪切式取樣工具。介紹了該鉆具的設計原理、結構參數和試驗效果。

松軟地層;鉆探;液壓;剪切;取樣鉆具

1 概述

地層樣品的質量決定了地層分析研究的準確性和科學性，鉆探取樣技術作為最有效的獲取地下地質情況的研究手段，在世界上得到了廣泛的應用。隨著經濟社會進步，我國資源勘探和地球科學研究的需求不斷增長，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。目前在我國常規采用的取樣方式主要為回轉式取樣，即鉆探設備帶動鉆桿及取樣鉆具回轉，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、破損和脫落，甚至出現空管現象。還有采用機械加壓方式的鉆具，通過鉆探設備對鉆桿施加壓力，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備受損，同時其僅能用于較淺地層，應用受到很大限制。

因此，針對海洋和陸地水域等松軟地層特點，研究液壓剪切式取樣技術，以解決現有技術中存在的不足，提高樣品質量和鉆探效率，對加快我國資源調查和地球科學研究工作的進展有著重要意義。自2008年起，中國地質調查局開展了地質調查項目“精細、原位、保真、多元取樣技術的研究”，其中重點內容之一就是非固結地層液壓剪切式取樣技術的研究。經過幾年的研究與開發，在液壓剪切式取樣技術的研究方面取得了一定的進展和成果。

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，在鉆探取樣的過程中易受到擾動，同時鉆井液的沖蝕會對其產生較大影響。根據地層特性進行不同取樣技術的原理分析對比，采用壓入式取樣避免了回轉式取樣過程中鉆具回轉與巖心產生摩擦及鉆具振動帶來的不利影響，同時利用鉆井液的壓力作為工作動力，解決了機械加壓的弊端，不需要專門配備動力裝置，當在取樣目的地層開展取樣工作時，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，在此過程中，巖樣與鉆井液處于隔離狀態，避免樣品擾動。

2.1 結構原理

液壓剪切式取樣鉆具的結構原理如圖1所示。

液壓剪切式取樣鉆具采用繩索打撈式結構，主要由取樣內管總成和取樣外管總成組成，取樣外管總成通過接頭(1)與鉆桿螺紋連接，安裝在外管總成中的座環(6)與懸掛環(5)配合，并與扶正環(14)、外管接頭一起實現取樣內管總成與取樣外管總成的定位與配合。取樣內管總成又包括懸掛系統、導向系統和壓入取樣管總成。在取樣過程中，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，鉆井液自鉆桿中心流經進水接頭并進入到取樣內管總成與取樣外管總成之間的密封腔內，對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，直至連接懸掛系統和壓入取樣管總成的剪切銷(7)發生剪斷破壞，此時壓入取樣管總成沿著導向系統滑動以高速壓入地層。壓入取樣后，鉆探設備帶動取樣外管總成及鉆頭鉆進至地層底部。在此過程中取樣內管不回轉，從而減少樣品擾動，提高樣品質量。完成取樣工作后，利用繩索絞車在孔口將打撈裝置經過鉆桿內部投放到孔底，抓住打撈矛頭(2)，并將內管總成及其內部的樣品一并提出，獲得所需的樣品。在地表或甲板上取心時，可將替換鉆具投放到孔底繼續鉆進。在使用時，鉆具優先采用隔水鉆頭結構，減少鉆井液對巖心的影響。

圖1 液壓剪切式取樣鉆具結構

2.1.1 懸掛/剪切工作方式

本鉆具設計過程中采用剪切銷作為懸掛/剪切工作的關鍵部件，設計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的重力作用，對剪切銷的工作段采用單獨調整設計，并且在加工及組裝的過程中可對剪切銷的材料、結構尺寸和數量進行調整，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性。筆者采用Solidworks Simulation軟件對剪切銷進行了模擬分析，其應力狀態與變形情況如圖2所示。

圖2 剪切銷應力狀態及變形

2.1.2 導向系統

導向系統由導向活塞桿、導向活塞等部件組成，壓入取樣管總成與導向系統配合精度高，導向活塞桿上的導向槽與壓入取樣管總成中安裝的導向鍵相配合，防止壓入取樣管總成在取樣過程中發生軸心偏移或是軸向回轉的現象，以避免對樣品產生不利影響，從而提高取樣精度。壓入取樣管總成滑動到導向活塞桿的最下方時，導向活塞起到定位和緩沖的作用，避免鉆具受到沖擊，此時封閉的鉆井液泄流，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、快速拆裝機構、壓入取樣管、卡心機構、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，同時鉆井液壓力不發生泄漏，可順利達到所需的工作壓力。

巖樣在進入到壓入取樣管總成后，當提取巖心時要防止巖心脫落，根據地層松軟程度和具體特性，設計有兩種卡心機構，其一為翻板式卡板，在提鉆的過程依靠翻板的重力自動封閉;其二為全封閉卡簧，利用爪式卡簧自身的彈性收縮力向內收攏封閉。

為提高取樣工作的效率，設計采用定位鎖母和定位鎖鍵等組成的快速拆裝機構，操作者完成取樣工作并提鉆后，可快速拆卸并更換內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行。

2.2 鉆具參數

圖3 液壓剪切式取樣鉆具實物

2.3 試驗研究

研究人員進行了多回次的臺架試驗以驗證剪切銷及壓入取樣工作方式的工作靈活性和可靠性。試驗研究在北京探礦工程研究所良鄉試驗基地完成，試驗采用BX250泥漿泵作為鉆具剪切壓入試驗的動力源，利用清水作為動力介質，配套鉆井液循環系統，在自制鉆具夾持臺架上完成。在試驗研究過程中，采用了自制沙層、土層和淤泥狀巖樣對鉆具性能進行測試。在設計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到90%以上。

3 結論與認識

(1)液壓剪切式取樣技術采用液壓壓入式取樣原理，剪切銷與密封系統組成的懸掛/剪切工作方式，利用活塞式導向系統實現壓入取樣管總成的定位與導向，采用翻板式或全封閉卡心機構避免提鉆過程中樣品脫落，同時結合快速拆裝機構和繩索取心系統提高鉆具的工作效率。該技術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、采取率低及樣品質量差的難題，具備取樣效率高、勞動強度低、輔助時間少等優點，具有良好的推廣應用前景。

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

(3)通過更換取樣內管總成，例如完整地層可采用常規取樣內管總成，需要保真的目標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性。

(4)鉆具在海洋和陸地水域取樣過程中需要鉆探船或鉆探平臺，目前我國正在努力建設相關設備，在使用過程中還需要針對該種技術的特殊使用環境進行進一步的研究與試驗工作。

［1］翁煒，張建元，黃成，等.淺談難取樣地層取心技術［J］.地質裝備，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［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(S1).

［3］左汝強，李常茂，高平，等.國際海洋科學鉆探進展［Z］.北京: 2005.

［4］劉廣志，等.金剛石鉆探手冊［M］.北京:地質出版社，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

中國地質調查局地質調查工作項目“精細、原位、保真、多元取樣技術的研究”(1212010816017)

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