GEO-PISTON 重力活塞取樣器工作原理與工程應(yīng)用

陳小冬CHEN Xiao-dong；陳哲CHEN Zhe；董茂山DONG Mao-shan

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459）

0 引言

海底沉積物記錄了深海環(huán)境變化過(guò)程中的豐富信息，能夠?yàn)楣藕Ｑ髮W(xué)、地球化學(xué)與環(huán)境科學(xué)、海底礦產(chǎn)資源勘探、海底工程勘察等領(lǐng)域的科學(xué)研究提供寶貴的原始數(shù)據(jù)[1-3]。沉積物取樣器作業(yè)時(shí)對(duì)樣品的擾動(dòng)程較小，能夠較好地保存樣品沿原始深度范圍分布的層位信息[4-5]。根據(jù)工作原理差異，沉積物取樣器主要可以分為：重力式取樣器、振動(dòng)/沖擊式取樣器和鉆探式取樣器[6]。重力取樣器是通過(guò)重力貫入泥線以下獲取沉積物樣品。箱式取樣器、Kasten取樣器、活塞式取樣器均被視為重力取樣器的亞類。振動(dòng)/沖擊取樣器則是通過(guò)馬達(dá)或高壓沖洗液驅(qū)動(dòng)振動(dòng)/沖擊模塊產(chǎn)生振動(dòng)/沖擊力從而實(shí)現(xiàn)取樣作業(yè)。鉆探式取樣器是通過(guò)鉆機(jī)進(jìn)行回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)完成作業(yè)工作。鉆探船/大型鉆井平臺(tái)和海底鉆機(jī)的作業(yè)方式均為鉆探式取樣。通常鉆探式取樣的取樣深度更深，但是其對(duì)作業(yè)母船的性能和噸位要求高、作業(yè)成本大，主要是應(yīng)用于深海/海底大孔深沉積物取樣。相比于振動(dòng)/沖擊式取樣器，重力取樣對(duì)樣品的破壞程度較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)母船適應(yīng)能力強(qiáng)、理論上不受作業(yè)水深的限制，因此廣泛應(yīng)用于海底淺層的地質(zhì)取樣作業(yè)[7]。傳統(tǒng)重力式取樣器面臨的主要問題是最大取樣深度存在上限[8]。由于是依靠重力驅(qū)動(dòng)取樣管貫入地層，其有效取心深度通常與取心直徑和巖粉粒徑大小呈反比。其次，重力取樣器在觸底過(guò)程產(chǎn)生的沖擊波同樣容易擾亂富含水的最上層沉積層。重力活塞式取樣器在取樣管中內(nèi)置活塞，在取樣過(guò)程中取樣管內(nèi)能夠形成真空抽吸效應(yīng)。因此，減少了沉積物進(jìn)入樣品管的摩擦阻力，提高了取心質(zhì)量和理論貫入深度。重力活塞取樣器按照觸發(fā)方式的不同又可分為聲學(xué)式和機(jī)械式兩種[9]。

目前，重力取樣正朝著全海深、超長(zhǎng)度、智能化方向發(fā)展[10]。隨著新一輪深水油氣田開發(fā)、海底地質(zhì)調(diào)查和海洋環(huán)境研究的開展，提高重力取樣器的性能顯得尤為重要。本文系統(tǒng)梳理介紹了荷蘭Geo-Marine 公司的“The Geo-Piston Corer”重力活塞取樣器的系統(tǒng)組成與工作原理，開展了海試工程應(yīng)用，分析了應(yīng)用過(guò)程中問題產(chǎn)生的原因，并提出了進(jìn)一步優(yōu)化建議。研究工作能夠?yàn)橹亓钊悠鞯慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工藝標(biāo)準(zhǔn)化制訂提供參考經(jīng)驗(yàn)和理論支撐，豐富了現(xiàn)有重力取樣技術(shù)理論。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 活塞重力取樣器系統(tǒng)組成

The Geo-Piston Core 重力活塞取樣器主要包括：主體及配重、取樣管及PVC 襯管、活塞系統(tǒng)、樣品卡斷機(jī)構(gòu)、釋放機(jī)構(gòu)、小取樣器。如圖1 所示。其主要特征如下：

圖1 活塞重力取樣器總成

①主體部分包括翼片式導(dǎo)向板和配重腔。翼片式導(dǎo)向板與配重腔連接。主體部分的下部與取樣管連接。主體部分的上部設(shè)置有釋放機(jī)構(gòu)。配重腔內(nèi)配備了28 塊總共420kg 的扇形配重塊。實(shí)際作業(yè)時(shí)根據(jù)沉積物地層的穿透特性確定每次作業(yè)所攜帶的配重?cái)?shù)量。（圖2）

圖2 翼片式導(dǎo)向板和配重腔

②取樣管作為重力活塞取樣器的重要部件由于其在貫入海底底質(zhì)地層時(shí)需承受很大的荷載，因此材質(zhì)選用高強(qiáng)鋼（ASTM4130）。取心管與主體部分通過(guò)圓柱銷連接。為了避免在工作過(guò)程中發(fā)生圓柱銷意外脫離事故，裝配完成后主體與取樣管之間套有保護(hù)套，保護(hù)套與圓柱銷之間通過(guò)螺釘固定。為了便于在作業(yè)結(jié)束后快速將巖心樣品從取樣管中抽出進(jìn)行分割處理，取樣管的內(nèi)部設(shè)置有PVC 材質(zhì)的塑料襯管。取樣管的外徑為110mm，內(nèi)徑為106mm，長(zhǎng)度為6000mm；PVC 襯管的外徑為110mm，內(nèi)徑為106mm。（圖3）

圖3 配重腔與取樣管裝配

③活塞系統(tǒng)主要包括提升銷、空心軸、活塞密封組件、負(fù)壓調(diào)節(jié)閥體、負(fù)壓調(diào)節(jié)閥芯、彈簧，如圖4（a）所示。活塞密封組件安裝在空心軸上形成活塞主體。在工作過(guò)程中活塞在固定位置保持不動(dòng)，取樣管向前運(yùn)動(dòng)壓入地層，從而在取樣過(guò)程中使取樣管內(nèi)形成一定程度的真空效應(yīng)。空心軸的通孔下方設(shè)置有負(fù)壓調(diào)節(jié)閥芯，如圖4（b）所示。在使用過(guò)程中旋轉(zhuǎn)與空心軸下端螺紋連接的負(fù)壓調(diào)節(jié)閥體，通過(guò)閥體的軸向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)彈簧壓緊程度的調(diào)節(jié)，完成閥芯開度大小的調(diào)整。此外，閥芯下端的圓桿露出閥體一定距離起到指示桿作用，以標(biāo)記閥芯的實(shí)際位置狀態(tài)，如圖4（c）所示。指示桿高度與實(shí)際負(fù)壓效果對(duì)應(yīng)表，如表1 所示。

表1 指示桿出露高度與負(fù)壓效果參數(shù)表

圖4 活塞系統(tǒng)總成示意圖

④取樣系統(tǒng)的巖心卡斷機(jī)構(gòu)主要包括帶有彈簧片的海撈。海撈內(nèi)置在取樣管切割刀口內(nèi)，切割刀口與取樣管采用螺紋連接形式，如圖5 所示。

圖5 巖心卡斷機(jī)構(gòu)

⑤釋放機(jī)構(gòu)作用是在小取樣器觸底后將富余在翼片式導(dǎo)向板上的活塞繩余量釋放。釋放機(jī)構(gòu)主要包括觸發(fā)桿、觸發(fā)勾、壓板、夾緊螺母。觸發(fā)勾直接與主體上的吊耳連接，當(dāng)觸發(fā)桿失去平衡上抬后帶動(dòng)觸發(fā)勾旋轉(zhuǎn)。主纜繩在觸發(fā)機(jī)構(gòu)和取樣器主體之間留有富余量，以確保釋放機(jī)構(gòu)觸發(fā)釋放后取樣器能夠自由落體穿入地層。（圖6）

圖6 釋放觸發(fā)機(jī)構(gòu)

⑥小取樣器（平衡錘）。在下放過(guò)程中小取樣器通過(guò)自身重量使得觸發(fā)機(jī)構(gòu)中的觸發(fā)桿處于低位鎖止位置。下放過(guò)程中小取樣器比取樣管先觸底，導(dǎo)致觸發(fā)桿失去平衡力從而完成釋放機(jī)構(gòu)的觸發(fā)。

1.2 工作原理

重力活塞取樣器的工作過(guò)程可分為甲板布放、海底取樣、甲板回收三個(gè)階段。首先在甲板滑輪的配合下將地質(zhì)絞車的纜繩導(dǎo)引至舷側(cè)吊架并與取樣器連接。然后借助與取樣器配套的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將其移至舷外并處于垂直狀態(tài)。最后完成平衡桿和平衡錘的掛載進(jìn)行水下投放。海底取樣的過(guò)程如圖7 所示。首先重力取樣器在絞車的牽引下入水；當(dāng)接近海底時(shí)小取樣器首先觸底；地質(zhì)絞車?yán)^續(xù)下放重力取樣器，使得平衡桿失去平衡力上抬觸發(fā)釋放機(jī)構(gòu)釋放重力取樣器。取樣器在重力的作用下穿入地層進(jìn)行取樣；取樣結(jié)束后啟動(dòng)地質(zhì)絞車對(duì)重力取樣器進(jìn)行回收。

圖7 取樣器作業(yè)過(guò)程示意

2 海試應(yīng)用與優(yōu)化分析

2.1 海試過(guò)程

本次海試應(yīng)用的取樣器系統(tǒng)主體是荷蘭Geo-Marine公司的“The Geo-Piston Corer”重力活塞取樣器。收放裝置采用的是中海油田服務(wù)股份有限公司工程勘察中心自主研發(fā)的滑道式收放系統(tǒng)。海試過(guò)程共分為四個(gè)步驟：①海洋石油709 工程作業(yè)船在湛江港外50m 水深區(qū)域，首先進(jìn)行收放系統(tǒng)的空載收放性能測(cè)試。主要內(nèi)容包括15m和18m 托架系統(tǒng)收放測(cè)試、觸發(fā)裝置組裝、小取樣器（平衡錘）組裝；②在300m 水深區(qū)域進(jìn)行第一次測(cè)試。取樣器在不加配重（約600kg）條件下進(jìn)行6m 取樣測(cè)試回收后量得的實(shí)際取樣長(zhǎng)度為4.7m；③在600m 水深區(qū)域進(jìn)行第二次測(cè)試。測(cè)試的取樣長(zhǎng)度分別為6m 和12m。試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示；④在700m 水深區(qū)域進(jìn)行第三次測(cè)試。測(cè)試的取樣長(zhǎng)度為12m 和18m。試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表2 600m 水深海試測(cè)試

表3 700m 水深海試測(cè)試

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在600m 水深的12m 取樣測(cè)試時(shí)，取樣長(zhǎng)度僅為4.7m。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析認(rèn)為主要原因是3m 以后地層主要為粉土含砂粒和粘土細(xì)層，增加了取樣阻力。在700 m 水深第1次的12m 取樣的長(zhǎng)度為8m。在第2 次和第3 次試驗(yàn)中雖然調(diào)整了技術(shù)參數(shù)，但是取心長(zhǎng)度提高的并不明顯。回收后發(fā)現(xiàn)取樣器的PVC 內(nèi)管出現(xiàn)破裂，碎片進(jìn)入活塞密封圈和管壁之間損傷了密封圈的現(xiàn)象。此外，切削頭花瓣頭沒有完全閉合。基于JPC 的作業(yè)原理，出現(xiàn)以上現(xiàn)象的主要原因如下：一方面是小取樣器（平衡錘）的觸底時(shí)機(jī)存在偏差；另一方面是主取樣器的自由落體沖擊力不夠。自由落距是影響沖擊力的重要因素。自由落距是由活塞鋼絲繩和觸發(fā)裝置共同設(shè)定，配重大小由主取樣器內(nèi)鉛塊的數(shù)量決定。此外，活塞參數(shù)設(shè)置不當(dāng)同樣容易導(dǎo)致PVC 取樣出現(xiàn)破碎。通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了6m、12m、18m 取樣的工作可靠性（24m 取樣有待進(jìn)一步驗(yàn)證），但整體的機(jī)械化程度偏低。（圖8）

圖8 試驗(yàn)細(xì)節(jié)

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與建議

通過(guò)海試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有JPC 系統(tǒng)可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化：①現(xiàn)在的滑道系統(tǒng)總長(zhǎng)度為25m，而取樣器頭部長(zhǎng)度為2.31m，當(dāng)組裝第4 節(jié)取樣管時(shí)，24m 取樣管尾部已經(jīng)伸出滑道，無(wú)法安裝活塞和切削頭，需要對(duì)滑道系統(tǒng)加以改進(jìn)；②現(xiàn)有的PVC 內(nèi)管的連接方式可改進(jìn)為螺紋連接方式；③現(xiàn)在切割PVC 管（帶樣品）的方式是用手鋸鋸斷，對(duì)土樣存在擾動(dòng)。建議使用圈割工具，先割破PVC管再用琴弦割斷土樣；④作業(yè)過(guò)程中小取樣器（平衡錘）在船尾收放時(shí)在半空懸停時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)人員安全構(gòu)成威脅。建議在船尾適當(dāng)位置增設(shè)固定托架用于小取樣器的存放；⑤海試過(guò)程中由于回收和釋放托架的2 臺(tái)絞車無(wú)法控制速度僅能點(diǎn)動(dòng)，當(dāng)托架出現(xiàn)卡頓情況時(shí)，突然受力將對(duì)絞車鋼絲繩產(chǎn)生較大瞬間拉力，容易發(fā)生斷裂危險(xiǎn)。建議換成可控速度的液壓絞盤將會(huì)對(duì)設(shè)備和人員操作起到保護(hù)作用；⑥取樣過(guò)程中出現(xiàn)因擠壓和內(nèi)部負(fù)壓效果導(dǎo)致PVC 內(nèi)管發(fā)生破裂現(xiàn)象。建議在工程應(yīng)用中采用強(qiáng)度更高的PVC 襯管。此外，在海況較差的情況下對(duì)JPC 進(jìn)行下放和回收的工藝流程需要完善和規(guī)范。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了The Geo-Piston Core 重力活塞取樣器重力活塞取樣器結(jié)構(gòu)與工作原理，開展了現(xiàn)場(chǎng)海試應(yīng)用，分析了工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，并提出了進(jìn)一步優(yōu)化的建議。研究結(jié)果表明觸發(fā)繩長(zhǎng)度、自由落距離、主體配重、活塞負(fù)壓設(shè)定程度直接影響重力取樣器的取心質(zhì)量。隨著重力取樣器向全海深、超長(zhǎng)度、智能化方向的發(fā)展，也對(duì)現(xiàn)有的JPC 取樣技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。加快絞車系統(tǒng)的技術(shù)革新實(shí)現(xiàn)JPC 全海深收放、優(yōu)化收放系統(tǒng)保障下放回收流程高效、細(xì)化重力取樣器組裝過(guò)程提高地層適應(yīng)性和取心率、完善下放回收操作流程降低人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)是下一階段的研究方向。