TK－1型壓入活塞式取樣器運動阻力計算及海上取樣試驗

吳秋云，趙爾信

(1.中海油田服務股份有限公司，天津300451;2.北京探礦工程研究所，北京 100083)

TK－1型壓入活塞式取樣器運動阻力計算及海上取樣試驗

吳秋云1，趙爾信2

(1.中海油田服務股份有限公司，天津300451;2.北京探礦工程研究所，北京 100083)

在海上采用壓入活塞取樣器取砂、土樣在國內尚屬首次。經過對取樣器進行科學的模擬計算，獲得了取樣器運動阻力和壓入地層所需的壓力，試驗表明，這些數據符合海上取樣的實際情況。所設計的密封裝置、翻板取樣器及PC取樣管等滿足了海上取樣要求。

壓入活塞式取樣器;海上鉆探取樣;阻力;模擬計算;穿釘

1 概況

中國鉆探工作者盼望已久的深海海洋鉆探已正式啟動，其重要標志是中海油服的“海洋石油708”深水鉆探船，已于2012年元月中旬正式下水，并在海上進行了隨鉆取樣試驗，取得了滿意的效果。

“海洋石油708”深水工程勘察船采用先進的電力推進系統，配備DP－2動力定位系統和AHC主動式升沉補償裝置，具有超大的甲板面積，配備有深水工程鉆機、深海隨鉆取樣器及深水AUV系統等，可實施3000 m水深海域工程鉆探和地質鉆探的取樣作業。

深水隨鉆取樣器有3種類型:(1)壓入活塞式取樣器，適用于軟的砂土層;(2)伸縮式取樣器，適用于軟硬互層;(3)射流抓簧取樣器，適用于破碎硬地層。

本文主要介紹TK－1型壓入活塞式取樣器(圖1)，其結構組成有:管鞋、活塞、扶正器、PDC取心鉆頭、內筒、外筒體、密封圈、六方套、六方桿、穿釘、座環、座環接頭、彈卡室、彈卡擋頭等。

圖1 TK－1型壓入活塞式取樣器

其工作原理是，取樣器中有一個密封圈，封住泥漿在內外管之間的通道，使泵入取樣器內的泥漿壓力不斷升高，達到一定數值時將穿釘壓斷，內筒快速壓入海底軟土層，其壓入速度為2 m/s，可取出不擾動的原狀土樣。

壓入軟土層的深度與軟土層的抗剪強度及摩擦阻力有關，為此，筆者進行了下面相關的計算與模擬，以探討壓入深度與土層抗剪強度和摩擦阻力的關系，為取樣器的設計和使用提供理論依據。

2 取樣器壓入砂層或土層的壓力計算

2.1 壓入活塞式取樣器規格參數

外筒外徑:209.55 mm;內取樣器外徑:89 mm;襯管外徑:71.55 mm;取樣管長度:2 m;內鉆頭外徑:94 mm;抗渦動金剛石復合片鉆頭外徑9 1/2 in;復合片鑲嵌角度:－15°。

鉆具內取樣筒壓入砂層或土層需要很高的壓力和射入速度，依據土層的不排水抗剪強度和砂、土層的摩擦阻力進行計算。

2.2 按砂、土層抗剪強度計算所需的壓力

非常軟的粘性土的抗剪強度＜11.3 kPa，堅硬粘性土抗剪強度＞191.3 kPa，本文以堅硬粘性土為例進行計算。

式中:P1——壓入砂、土層所需的壓力，N;δ——不排水抗剪強度，MPa;S——89 mm取樣筒壓入砂、土層的面積，cm2。

2.3 摩擦阻力的計算

式中:P2——摩擦阻力，kN;U——取樣管(89 mm)的周長，cm;qi——砂或土層的摩擦阻力，kN;li——取樣器壓入砂或土中的長度，設計樣品長度為100 cm。

式中:β——摩擦系數，查資料可知土與鋼為0.5，砂與鋼為0.9;δvi——摩擦阻力，kN。

式中:ρ——外加載荷的重力，kN;γ——有效密度，kN/m3，砂γ=25 kN/cm3，土γ=18 kN/cm3;Z——有效厚度，cm。

總的壓入砂、土層的壓力P=P1+P2。

在堅硬的土中約需壓力為9 kN+0.61 kN= 9.6 kN;在非常密實砂土中約需壓力為14 kN+0.61 kN=14.61 kN。

2.4 穿釘剪切強度計算與應力模擬

上述取樣管壓入砂層或土層的壓力數值，等同于壓入式活塞取樣器所需的向下運動的總壓力P。

依據壓力P和取樣管的截面積S可求出所需的泵壓Pc。

在密實砂土中:P砂=P/S=14.61×10/32=4.6 MPa;

在堅硬土中:P土=P/S=9.61×10/32=3 MPa。

考慮到活塞運動時與外筒之間的摩擦阻力、取樣筒在中心軸上運動時摩擦力、取樣筒向下運動時海水的上浮阻力等，砂層中取泥漿泵壓力值為5 MPa，土層中取3.4 MPa，而取樣器密封的面積為53.5 cm2，經計算可得推力:壓入砂層中所需壓力為26 kN，土層中為19 kN。

通過計算機仿真模擬分析直徑6 mm的45鋼材質穿釘在加載25 kN載荷的應力分布(見圖2)。由圖可知在此模擬條件下，穿釘在A、B兩處折斷，計算機模擬結果與上述理論計算結果相符。

圖2 穿釘應力分布

通過實驗室的力學性能試驗和試驗臺的臺架試驗得出，剪切銷釘6 mm可以承受最大壓力為5 MPa(25 kN)，分別壓入砂層0.60～0.65 m，壓入土層0.9～1 m。

計算壓力為5 MPa時，取樣筒壓入深度:砂層為1 m，土層中應為1.5 m。而實際試驗在5 MPa壓力下壓入砂層深度為0.6～0.65 m，土層深度為0.9～1.0 m，其誤差主要是試驗用砂、土層裝在砂樣筒中，相當于砂土樣是在圍壓條件下進行試驗，實際海底取樣不存在上述圍壓條件，故出現誤差。

2.5 內筒強度計算

(1)材料:42CrMo。

(2)化學成分:

C 0.38% ～0.45%;Si 0.17% ～0.37%;Mn 0.50%～0.80%;S允許殘余含量≤0.035%;P允許殘余含量≤0.035%;Cr 0.90%～1.20%;Ni允許殘余含量≤0.030%;Cu允許殘余含量≤0.030%;Mo 0.15%～0.25%。

(3)力學性能:抗拉強度σb≥1080 MPa;屈服強度σs≥930 MPa;伸長率δ5≥12%;斷面收縮率ψ≥45%。

(4)結構參數:內管長度L=2320 mm;內管外徑D=89 mm;內管內徑d=73 mm;截面積A=(π/ 4)(D2－d2)=2035.75 mm2。

(5)強度計算:

抗壓強度Fg=σsA=σs(π/4)(D2－d2)= 1893247.5 N=1893 kN。

內筒取樣時最大壓力為14.6 kN(參見2.3摩擦阻力計算)，抗拉強度Fb=σbA=σb(π/4)(D2－d2)=2198.6 kN。

內筒取樣時最大拉力為:內筒重力0.6 kN+鋼絲繩重力47 kN=47.6 kN，由計算可見內筒抗壓強度和抗拉強度滿足強度要求。

2.6 內筒螺紋應力分析(見圖3)

圖3 內取樣筒及螺紋應力分析

由內取樣筒的強度計算可知，其屈服強度為930 MPa，根據分析可行，在提升取樣管過程中，其材質及螺紋設計的抗拉強度完全滿足使用要求。

3 壓斷穿釘的機構

實現上述壓力需要相應機構來完成，下述為已設計的剪切機構。

3.1 密封結構設計

依據理論計算和實驗室試驗可知，在軟土或松散砂層中，常用剪切壓力為5 MPa，在半固結砂土層中約需10～15 MPa。要求密封裝置至少能承受20 MPa壓力。采用V形組合密封，單組V形密封壓力為6.4 MPa，總共用4組V形密封(圖4)，其密封承受壓力為25.6 MPa，完全能夠滿足壓入活塞式取心器的壓力需要。

3.2 剪切穿釘結構

放穿釘的剪切機構，要能夠在一定液壓條件下將穿釘壓斷，而自身不能發生任何變形。研制了圖5、圖6所示的剪切機構，通過試驗完全滿足取樣需要。

圖4 密封結構

4 海上取樣試驗及效果

4.1 海上取樣用設備

海上取樣工作依托于海上鉆探船、深海鉆機、鉆塔、高壓泥漿泵及相應的動力定位和升沉補償裝置。

鉆探船——海洋石油708號，船型參數105 m ×23.4 m×9.6 m，排水量11986 t。

深水工程鉆機——鉆探能力3600 m(5 in鋼鉆桿)。

鉆桿自動移動裝置——包括鉆桿的排布機和鉆桿到位的鷹爪機。

深水隨鉆取樣器——取樣直徑60 mm，取樣長度2 m。

圖5 剪切機構外套

圖6 剪切機構中心軸

深水電動液壓取樣絞車——ME—HSMW—40T。

額定負載:450 kN(26 m/min);150 kN(75m/ min)。

4.2 取樣條件

海底上部是淤泥，下部是松散砂層、土層。

鉆探船上下浮動1 m左右，由主動補償器補償，船空間位置定位儀用DP－22型。

4.3 取樣試驗效果

2012年1月15日下午1點，“海洋石油708號”深水工程勘探船起航，經過20 h左右的航行，到達了預定的海上試驗地點。

4.3.1 試驗內容

試驗內容包括穿釘剪斷的壓力;密封的能力;翻板取樣器的開關靈敏度;PC管取樣效果等。

4.3.2 試驗效果

一切準備工作完成后，將TK－1型取樣器放入海中(見圖7)，開啟泥漿泵，待泵壓升至5 MPa時，穿釘剪斷，內筒快速壓入地層，僅1～2 s時間，壓入深度達2 m，取上砂、土層樣品2 m(見圖8)，實現了滿管取樣，比任務書中的要求(取樣長度1.1 m)的指標超出0.9 m。取樣翻板非常吻合地關住樣品，這也是取樣的關鍵技術和創新技術。試驗獲得如下成果。

(1)穿釘剪斷壓力:表上指示壓力5 MPa與原來設計的壓力數值相吻合。

(2)密封能力:試驗中曾試壓至10 MPa，仍未泄漏，說明密封耐壓性能滿足要求。

(3)翻板的靈敏度:試驗中翻板開關靈活，能很好的封住進入PC管中的砂、土層樣品，甚至連海水也能較好地被密封。說明其密封性能良好。

(4)PC管取樣效果:進入PC管的砂、土層樣品，被原狀保護，其透明度好，可見管內樣品的結構，有利于地質人員觀測，也便于保存運輸。

圖7 TK－1型取樣器放入海中

圖8 TK－1型取樣器取出的樣品

這次海上取樣的初試成功，為下一步大規模取樣提供了堅實的技術基礎。

5 結語

(1)取樣器壓入砂、土層的壓力主要的是用于克服砂、土層的抗剪力和取樣器進入砂、土層之間的摩擦力。

(2)通過海上壓入取樣試驗，說明計算的取樣壓力與取樣深度之間的關系是正確的。

(3)設計的TK－1型壓入式取樣器滿足海上鉆探取樣的條件，所取出的樣品滿足工程地質的需要。

(4)TK－1型取樣器是國內首次研制成功，填補了我國深海工程取樣空白。

［1］左汝強.國際海洋科學鉆探進展［Z］.北京，2005.

［2］趙爾信.海洋深水工程鉆探技術［A］.探礦工程(巖土鉆掘工程技術學術交流年會論文集)［C］.北京:地質出版社，2011.

［3］劉志廣.金剛石鉆探手冊［M］.北京:地質出版社，1991.

［4］郭友釗.走向海洋［M］.北京:民族出版社，2002.

［5］蔣國盛.天然氣水合物的勘探與開發［M］.北京:地質出版社，2002.

Calculation of Resistance to Motion of TK－1 Press Piston Sampler and Marine Sampling Test

WU Qiu-yun1， ZHAO Er-xin2(1.China Oilfield Services Limited，Tianjin 300451，China;2.Beijing Institute of Exploration Engineering，Beijing 100083，China)

The press piston sampler was firstly used for marine sampling sand and soil.By the scientific simulation calculation of sampler，the resistance to motion and the pressure to force into formation were obtained.The test shows that the data accorded with actual marine sampling situation;and the designed sealing device，turnover sampler and PC sampling tube can satisfy the requirements of marine sampling.

press piston sampler;marine drilling sampling;resistance;simulation calculation;locking nail

P634.4+3

A

1672－7428(2012)06－0016－04

2012－03－29

吳秋云(1961－)，男(漢族)，河北淶水人，中海油田服務股份有限公司物探事業部副總經理兼物探研究院副院長、高級工程師，工程地質專業，從事海上工程施工工作，天津市塘沽區吉林路1155號，wuqy@cosl.com.cn。