海底鉆機的高可靠繩索取心鉆具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真分析

王佳亮，彭奮飛，萬步炎，周 云

海底鉆機的高可靠繩索取心鉆具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真分析

王佳亮1,2，彭奮飛1,2，萬步炎1,2，周 云3

(1. 湖南科技大學(xué)海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與安全技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；3. 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071)

以提高繩索取心鉆具在海底鉆機上應(yīng)用的工作可靠性，依據(jù)海底環(huán)境的特殊性，從提高單動機構(gòu)的單動性能和懸掛機構(gòu)的工作可靠性兩方面著手，對鉆具的單動機構(gòu)展開結(jié)構(gòu)優(yōu)化并利用ABAQUS仿真分析手段對懸掛機構(gòu)進行數(shù)值仿真分析。結(jié)果表明：經(jīng)改進后的單動機構(gòu)能夠抑制海水的腐蝕效應(yīng)，改善芯軸的定心效果，提高運轉(zhuǎn)靈活性；經(jīng)改進后的懸掛機構(gòu)能夠降低在頻繁使用過程中其關(guān)鍵零部件發(fā)生塑性變形的風(fēng)險，提高懸掛機構(gòu)的工作可靠性。研究成果可為相關(guān)鉆具設(shè)計提供理論支撐。

海洋勘探；繩索取心；懸掛機構(gòu)；取樣工具；金剛石鉆進；ABAQUS仿真

隨著我國“十三五”期間對深海、深地、深空、深藍四大保障國家安全和戰(zhàn)略利益技術(shù)的重視，圍繞海洋地質(zhì)及環(huán)境科學(xué)研究、海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)及利用所展開的工作成為近期的研究熱點[1-2]。通過鉆探技術(shù)直接從海底深部獲取巖心是評價礦產(chǎn)儲量、評估海底工程地質(zhì)條件的直接方法[3-5]。而海底鉆機是開展海洋地質(zhì)及環(huán)境科學(xué)研究、進行海洋礦產(chǎn)資源勘探和海底工程地質(zhì)勘察所必需的重型技術(shù)裝備。海底鉆機是指裝備于科學(xué)考察船上、并利用鎧裝動力電纜吊放至海底、通過遙測遙控方式在海面進行操作、可從海底巖體中鉆取巖心的一類鉆機[6-7]。相比與鉆探船鉆探作業(yè)的方式，其具有智能化程度高、對母船適應(yīng)性強、鉆進成本低等特點，具有良好的工程應(yīng)用前景[8-10]。而采用繩索取心方案配合海底鉆機進行鉆探作業(yè)，相比于提鉆取心方案其具有輔助作業(yè)時間少、對孔壁的護壁作用好、巖心擾動程度低、巖心采集率高等優(yōu)勢。

在鉆進過程中繩索取心鉆具的工作可靠性是影響海底鉆機取心效率和質(zhì)量的關(guān)鍵。繩索取心技術(shù)以前主要應(yīng)用于陸域地質(zhì)勘探，現(xiàn)有的繩索取心鉆具主要是圍繞陸域巖心鉆機的使用工況和使用條件展開，而針對海底鉆機使用工況及環(huán)境所展開的研究較少。常規(guī)陸域繩索取心鉆具通常采用在心軸上設(shè)置上下兩幅推力球軸承的結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)內(nèi)管總成的單動功能，其上軸承僅設(shè)置防塵蓋而不需考慮海水對單動機構(gòu)的腐蝕因素影響且推力球軸承對芯軸無定心功能，單動性能較差存在提前失效的風(fēng)險。若單動機構(gòu)失效將進一步導(dǎo)致內(nèi)管總成的懸掛環(huán)與外管中的座環(huán)在工作過程中發(fā)生相對運動，導(dǎo)致其過度磨損從而使失去懸掛功能[11-12]。內(nèi)管總成在投放到位以及鉆進結(jié)束后拔斷巖心的過程中，由于沖擊力較大懸掛環(huán)與座環(huán)易發(fā)生卡死現(xiàn)象導(dǎo)致打撈失敗[13-14]。此外，受海底鉆機內(nèi)管總成打撈絞車工作能力的限制，其對懸掛環(huán)與座環(huán)的設(shè)計要求更為苛刻。

本文以提高在海底鉆機上的繩索取心鉆具的工作可靠性為研究目標，針對單動機構(gòu)的單動性能以及懸掛機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化，并對懸掛機構(gòu)采用ABAQUS仿真軟件進行模擬仿真分析來驗證結(jié)構(gòu)形式的合理性，從而設(shè)計出一套滿足海底鉆機使用工況的繩索取心鉆具，確保海底鉆機鉆進高效性的充分發(fā)揮。

1 鉆具單動機構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

設(shè)計的適用于海底鉆機的HQ系列繩索取心鉆具包括內(nèi)管總成和外管總成。圖1為該繩索取心鉆具總成圖。其中鉆具的單動機構(gòu)由心軸、套管端蓋、骨架油封、上傳力卡套、雙向推力球軸承、定位套、不銹鋼單向推力球軸承、下傳力卡套、下深溝球軸承、墊圈、鎖緊螺母組成。相比于常規(guī)繩索取心鉆具，其單動機構(gòu)的全部不銹鋼軸承組件均設(shè)置在密閉的套管端蓋腔體內(nèi)且分別設(shè)有注油嘴，能夠有效抑制海水腐蝕效應(yīng)，提高軸承的使用壽命。推力球和深溝球軸承的組合應(yīng)用彌補了常規(guī)鉆具僅采用推力球軸承而無法對芯軸進行有效定心的不足，提高單動機構(gòu)在工作過程中的運轉(zhuǎn)靈活性，減少懸掛機構(gòu)中的懸掛環(huán)與外管總成中的座環(huán)之間的非正常磨損，進一步避免由于懸掛環(huán)和座環(huán)的變形失效所造成的內(nèi)管總成打撈困難等風(fēng)險。此外，本次設(shè)計的鉆具去除了常規(guī)鉆具的到位報信和巖心遇堵裝置，使得鉆具總長縮短，有利于降低海底鉆機的整體高度，使鎧裝電纜的承重要求控制在安全范圍內(nèi)。

1—撈矛頭；2—彈卡板彈簧；3—彈卡板；4—懸掛環(huán)；5—座環(huán)；6—軸承上傳力卡套；7—雙推力球軸承；8—推力球軸承；9—深溝球軸承；10—內(nèi)管接頭；11—14 mm鋼球；12—巖心管；13—外管；14—擴孔器；15—卡簧座；16—金剛石鉆頭；17—藍簧；18—內(nèi)管；19—不銹鋼球蓋；20—鎖緊螺母；21—軸承間隔墊圈；22—芯軸；23—套管端蓋；24—骨架油封；25—調(diào)節(jié)螺母；26—深海彈卡架；27—彈性圓柱銷；28—上彈卡擋頭

2 鉆具懸掛機構(gòu)仿真分析

2.1 尺寸設(shè)計

依據(jù)繩索取心鉆具的標準級配關(guān)系要求，所設(shè)計的針對海底鉆機的HQ系列繩索取心鉆具，主要零部件的尺寸如下：鉆頭直徑96 mm/ 62 mm；外管直徑89 mm/77 mm；內(nèi)管直徑73 mm/66.7 mm。內(nèi)外管之間的環(huán)狀間隙為4 mm，能夠減小沖洗液的循環(huán)壓力損耗。所設(shè)計的繩索取心鉆具其內(nèi)管總成總長為3.2 m，質(zhì)量為27 kg，便于在船上的拆卸與轉(zhuǎn)移。針對常規(guī)鉆具中的懸掛環(huán)和座環(huán)在極端工況下容易出現(xiàn)提前失效及損壞進而造成內(nèi)管總成打撈困難或失敗的情況，對懸掛機構(gòu)中的懸掛環(huán)和座環(huán)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化的懸掛環(huán)和座環(huán)的相關(guān)設(shè)計參數(shù)如圖2所示。改進后的懸掛環(huán)與常規(guī)懸掛環(huán)相比，上下兩表面外圈均倒角45°，改進后的座環(huán)外圈均倒角45°，內(nèi)圈邊緣處均車臺階再倒角45°。

圖 2 懸掛機構(gòu)剖面示意圖

2.2 仿真模型建立與定義

本文采用 ABAQUS 有限元模擬軟件的顯式動力學(xué)分析模塊對鉆具懸掛機構(gòu)在投放到位時的極端工況下的受力情況進行有限元分析研究。首先，分別對鉆具的材料進行定義，定義懸掛環(huán)和座環(huán)的材料均為45號鋼(調(diào)質(zhì))，彈性模量為209 GPa，泊松比為0.269，密度為 7.89×103kg/m3，屈服強度750 MPa；座環(huán)和懸掛環(huán)之間的間距為0.2 mm。然后分別對鉆具各個部件進行網(wǎng)格劃分，并對鉆具施加約束，最后，利用有限元分析ABAQUS軟件，開展模擬仿真投放分析。

由于分析的重點為懸掛環(huán)和座環(huán)，因此，采用軸對稱實體將鉆具模型進行簡化，在保證鉆具的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)與實際相同的前提下，對內(nèi)管總成中的一些細微結(jié)構(gòu)做了適當(dāng)簡化。已有的文獻資料以及實測數(shù)據(jù)表明在鉆桿內(nèi)充滿水的情況下，內(nèi)管的下降速度t=1.72~1.95 m/s[ 15-16 ]。因此，本次試驗設(shè)定內(nèi)管總成在投放的過程中以2 m/s速度沖擊座環(huán)，分析內(nèi)管總成在投放到位的瞬間其對座環(huán)受力性能的影響。

2.3 投放過程仿真分析

圖3是=2 m/s，=0.081×0-3s時常規(guī)懸掛機構(gòu)的應(yīng)力云圖。由圖3可知該懸掛機構(gòu)中懸掛環(huán)下部的應(yīng)力值和座環(huán)上部的應(yīng)力值都處于最大值，且出現(xiàn)輕微塑性變形。懸掛環(huán)的右單元C與座環(huán)的左單元D變形量最大(后文A—F命名的單元位置與圖3相同)，達到材料的最大屈服強度750 MPa。出現(xiàn)輕微塑性變形的原因是由于懸掛環(huán)和座環(huán)的接觸部分的受力面積小，受到內(nèi)管的沖擊力后產(chǎn)生應(yīng)力集中所引起。

圖4是經(jīng)過改進后的懸掛機構(gòu)在=2 m/s，=0.2×10-3s時的應(yīng)力云圖，由圖4可以看出該懸掛環(huán)機構(gòu)的應(yīng)力分布更加均勻，其應(yīng)力集中區(qū)域范圍小于如圖3所示的常規(guī)懸掛機構(gòu)，僅出現(xiàn)在懸掛環(huán)和座環(huán)接觸部分的邊角且并未深入懸掛環(huán)和座環(huán)的內(nèi)部，最大應(yīng)力值接近材料的最大屈服強度750 MPa，但是并未發(fā)生明顯的塑性變形。因此，相比于常規(guī)懸掛機構(gòu)，經(jīng)過改進后的懸掛機構(gòu)有利于降低在頻繁使用過程中關(guān)鍵零部件發(fā)生塑性變形的風(fēng)險，從而提高了懸掛機構(gòu)的工作可靠性。

1—深海彈卡架；2—外管；3—座環(huán)；4—懸掛環(huán)；A—懸掛環(huán)接觸左單元；B—懸掛環(huán)接觸中間單元；C—懸掛環(huán)接觸右單元；D—座環(huán)接觸左單元；E—座環(huán)接觸中間單元；F—座環(huán)接觸右單元

圖5為常規(guī)和經(jīng)過改進的懸掛機構(gòu)關(guān)鍵單元等效塑性應(yīng)變圖，由圖5可以看出在相同的沖擊速度下，2種懸掛機構(gòu)的座環(huán)接觸左邊界單元D的等效塑性應(yīng)變均明顯高于懸掛環(huán)接觸右邊界C的等效塑形應(yīng)變。因此，在工作的過程中座環(huán)易首先發(fā)生變形失效。這是因為懸掛環(huán)承受沖擊力的區(qū)域大，而座環(huán)承受沖擊力的區(qū)域小所致。由圖5還可以看出改進懸掛機構(gòu)中座環(huán)關(guān)鍵單元D的等效塑性形變僅為0.01%，未發(fā)生塑性變形；而常規(guī)懸掛機構(gòu)中座環(huán)關(guān)鍵單元D的等效塑性形變?yōu)?.1%，暫未發(fā)生明顯變形。由此，常規(guī)懸掛機構(gòu)中的座環(huán)可能會存在當(dāng)內(nèi)管重復(fù)下放發(fā)生頻繁沖擊時導(dǎo)致座環(huán)變形量過大，座環(huán)提前失效導(dǎo)致懸掛環(huán)卡死在座環(huán)內(nèi)而造成打撈失敗的風(fēng)險，其可靠性較差。經(jīng)過改進后的座環(huán)結(jié)構(gòu)能夠有效避免上述風(fēng)險發(fā)生的幾率。

圖4 改進懸掛機構(gòu)v=2 m/s，t=0.2×10-3 s時應(yīng)力云圖

Fig.4 Stress-time nephogram of the improved suspension mechanismwhenis 2 m/s andis0.2×10-3s

圖5 常規(guī)和改進的懸掛機構(gòu)關(guān)鍵單元等效塑性應(yīng)變圖

圖6為常規(guī)懸掛環(huán)下表面單元的應(yīng)力–時間圖。由圖6可以看出3個典型位置單元存在相似的應(yīng)力變化趨勢，在0.05×10-3s時，懸掛環(huán)與座環(huán)開始發(fā)生碰撞(模型設(shè)定在初始條件下懸掛環(huán)與座環(huán)間隔0.2mm)，在0.1×10-3s時懸掛環(huán)下表面A、B、C三個單元均達到材料最大屈服應(yīng)力值750MPa。在0.1×10-3~0.22×10-3s內(nèi)常規(guī)懸掛環(huán)存在小幅度的應(yīng)力值波動，其原因為達到屈服強度后，塑性應(yīng)變急劇增加，出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。各單元應(yīng)力值的波動于0.32×10-3s后趨于平穩(wěn)，且平穩(wěn)時最大應(yīng)力值出現(xiàn)在懸掛環(huán)的A單元，其值達到530 MPa。圖7為改進后懸掛環(huán)下表面單元應(yīng)力–時間圖。由圖7可以看出在0.08×10-3s時懸掛環(huán)與座環(huán)開始發(fā)生碰撞(模型設(shè)定在初始條件下懸掛環(huán)與座環(huán)間隔0.2mm)，在0.16×10-3s時懸掛環(huán)下表面僅C單元達到最大應(yīng)力值734 MPa，但是并未超過材料屈服應(yīng)力值750 MPa。各單元應(yīng)力值的波動于0.24×10-3s時趨于平穩(wěn)，平穩(wěn)時的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在懸掛環(huán)C單元，其應(yīng)力值僅為380 MPa。對比分析圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)懸掛環(huán)從開始發(fā)生碰撞到應(yīng)力值趨于平穩(wěn)所持續(xù)的時間周期明顯大于改進后的懸掛環(huán)，即常規(guī)懸掛環(huán)在內(nèi)管總成投放到位的極端工況瞬間受到較長時間的應(yīng)力集中，易導(dǎo)致其下表面首先產(chǎn)生塑性變形，降低了正常工作時的可靠性。相比于常規(guī)懸掛環(huán)，改進后的懸掛環(huán)從開始發(fā)生碰撞到應(yīng)力值趨于平穩(wěn)所持續(xù)的時間周期短，且趨于平穩(wěn)后所受的應(yīng)力較低，有利于提高懸掛環(huán)的使用壽命。

圖6 常規(guī)懸掛環(huán)下表面單元的應(yīng)力–時間圖

圖7 改進懸掛環(huán)下表面單元的應(yīng)力–時間圖

圖8為常規(guī)座環(huán)上表面單元應(yīng)力–時間圖，由圖8可以看出在0.05×10-3s時懸掛環(huán)與座環(huán)開始發(fā)生碰撞(模型設(shè)定在初始條件下常規(guī)懸掛環(huán)與常規(guī)座環(huán)間隔0.2mm)，在0.1×10-3s時座環(huán)上表面各單元均達到屈服應(yīng)力值750 MPa。與常規(guī)懸掛環(huán)類似，在0.1×10-3s~0.22×10-3s內(nèi)常規(guī)座環(huán)仍存在小幅度的應(yīng)力值波動現(xiàn)象。在0.3×10-3s后，各單元應(yīng)力值的波動趨于平穩(wěn)，平穩(wěn)階段的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在座環(huán)的E單元，其值為410 MPa。此外，值得一提的是在應(yīng)力值趨于平穩(wěn)階段時，常規(guī)座環(huán)上表面的E單元和F單元上的應(yīng)力值在0.6×10-3s后出現(xiàn)上升現(xiàn)象。該變化趨勢容易導(dǎo)致多次碰撞后在常規(guī)座環(huán)接觸部分出現(xiàn)內(nèi)凹狀塑性變形，進而縮短了常規(guī)座環(huán)的使用壽命。

圖8 常規(guī)座環(huán)上表面單元的應(yīng)力–時間圖

圖 9為改進后的座環(huán)上表面單元應(yīng)力–時間圖，由圖9可以看出在0.08×10-3s時懸掛環(huán)與座環(huán)開始發(fā)生碰撞，(模型設(shè)定在初始條件下改進后懸掛環(huán)與改進后座環(huán)間隔0.2mm)，在0.16×10-3s時座環(huán)的上表面僅D單元應(yīng)力值較大，其值為742 MPa，但是并未達到材料屈服應(yīng)力值750 MPa，各單元的應(yīng)力值波動于0.24×10-3s后趨于平穩(wěn)，且平穩(wěn)時最大應(yīng)力僅發(fā)生在單元D上，其值為420 MPa。由圖8和圖9可以看出常規(guī)座環(huán)在開始發(fā)生碰撞到應(yīng)力值趨于平穩(wěn)所持續(xù)的時間周期也明顯大于改進后的座環(huán)，且常規(guī)座環(huán)各單元上的應(yīng)力值存在明顯波動，而改進后座環(huán)的上表面僅D單元存在較大應(yīng)力值，其余單元處的應(yīng)力值極小，且應(yīng)力值較平穩(wěn)，故在實際工況下，改進后的座環(huán)其使用壽命較長。

圖9 改進座環(huán)上表面單元的應(yīng)力–時間圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用

在中國某海域的礦產(chǎn)資源勘探項目中使用自主研制的“海牛號”海底多用途鉆進系統(tǒng)并配備經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的HQ系列繩索取心鉆具進行鉆探取心。鉆具內(nèi)管總成如圖10所示，所獲巖心如圖11所示。鉆進過程中以海水作為沖洗液，鉆壓8~12 kN，轉(zhuǎn)速280~340 r/min，沖洗液量62 L/min，每回次進尺2.5 m，累計進尺325 m。在硅質(zhì)巖及生物沉積巖地層鉆進時的進尺效率達到3 m/h。在現(xiàn)場鉆進過程中鉆具單動機構(gòu)運轉(zhuǎn)靈活可靠，塑料巖心襯管無破裂情況發(fā)生，所獲樣品擾動程度較小；單動機構(gòu)能夠有效抑制海水腐蝕效應(yīng)，改善芯軸的定心效果，軸承組合運轉(zhuǎn)靈活；懸掛機構(gòu)無異常情況發(fā)生，內(nèi)管總成打撈順暢，未發(fā)生卡阻現(xiàn)象。現(xiàn)場應(yīng)用表明經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的鉆具總成滿足海底鉆機的作業(yè)工況要求，能夠減少鉆探事故發(fā)生的風(fēng)險。

圖10 鉆具實物圖

圖11 巖心樣品圖

4 結(jié)論

a. 針對現(xiàn)有陸域繩索取心鉆具無法完全滿足海底鉆機使用工況的實際問題，綜合考慮海洋勘探作業(yè)環(huán)境和海底鉆機自身性能特點等因素的影響，研制出針對海底鉆機的高可靠性繩索取心鉆具并分析了其工作原理和結(jié)構(gòu)特點。

b. 經(jīng)改進后鉆具的單動機構(gòu)能夠有效抑制海水腐蝕效應(yīng)，改善芯軸的定心效果，提高軸承組合的運轉(zhuǎn)靈活性，從而減少懸掛機構(gòu)中的懸掛環(huán)與外管總成中座環(huán)之間的非正常磨損，避免由于過度磨損而失去懸掛功能的風(fēng)險。

c. 利用ABAQUS有限元分析軟件對懸掛機構(gòu)中的懸掛環(huán)和座環(huán)在極端工況下的損壞機理展開分析。改進后的懸掛機構(gòu)能夠有效的避免懸掛環(huán)和座環(huán)失效變形相互嵌死的風(fēng)險，從而提高鉆具繩索打撈的可靠性，減小鉆探輔助作業(yè)時間。

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Structural optimization and simulation analysis of high reliability wire-line coring drilling tools for submarine drilling rigs

WANG Jialiang1,2, PENG Fenfei1,2, WAN Buyan1,2, ZHOU Yun3

(1.National Local Joint Engineering Laboratory of Marine Mineral Resources Exploration Equipment and Safety Technology, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2. School of Mechanical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 3. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)

In order to improve the working reliability of wire-line coring drilling tools used in submarine drilling rigs, based on the particularity of submarine environment, from the aspect of improvement of the single action performance of the single action mechanism and the working reliability of the suspension mechanism, the structural optimization of the single action mechanism was carried out, the numerical simulation analysis of the suspension mechanism was conducted by using ABAQUS simulation. The results show that the improved bearing assembly structure can restrain sea water corrosion, improve the centering effect of arbor and enhance the flexibility of bearing assembly. The improved suspension mechanism can reduce the risk of plastic deformation of key parts used frequently, enhance the working reliability of suspension mechanism. This research results can provide theoretical foundation for related drilling tool design.

offshoreexploration; wire-line coring; suspension mechanism; coring drilling tools;diamond drilling；ABAQUS simulation

P634.4

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.031

1001-1986(2019)04-0206-06

2018-11-12

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0307501)；國家自然科學(xué)基金項目(41702390)；湖南省自然科學(xué)基金項目(2018JJ3173)

National Key R&D Program of China(2017YFC0307501)；National Natural Science Foundation of China(41702390)；Natural Science Foundation of Hunan Province，China(2018JJ3173)

王佳亮，1986年生，男，湖南長沙人，博士，副教授，從事金剛石工具等方面的教學(xué)和科研工作. E-mail：Jialiangwang2019@163.com

彭奮飛，1993年生，男，湖南攸縣人，碩士研究生，從事金剛石碎巖機具研究. E-mail：736690463@qq.com

王佳亮，彭奮飛，萬步炎，等. 海底鉆機的高可靠繩索取心鉆具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真分析[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(4)：206–211.

WANG Jialiang，PENG Fenfei，WAN Buyan，et al. Structural optimization and simulation analysis of high reliability wire-line coring drilling tools for submarine drilling rigs[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：206–211.

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)