海底钻机的高可靠绳索取心钻具的结构优化与仿真分析

王佳亮，彭奋飞，万步炎，周 云

海底钻机的高可靠绳索取心钻具的结构优化与仿真分析

王佳亮1,2，彭奋飞1,2，万步炎1,2，周 云3

(1. 湖南科技大学海洋矿产资源探采装备与安全技术国家地方联合工程实验室，湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大学机电工程学院，湖南 湘潭 411201；3. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071)

以提高绳索取心钻具在海底钻机上应用的工作可靠性，依据海底环境的特殊性，从提高单动机构的单动性能和悬挂机构的工作可靠性两方面着手，对钻具的单动机构展开结构优化并利用ABAQUS仿真分析手段对悬挂机构进行数值仿真分析。结果表明：经改进后的单动机构能够抑制海水的腐蚀效应，改善芯轴的定心效果，提高运转灵活性；经改进后的悬挂机构能够降低在频繁使用过程中其关键零部件发生塑性变形的风险，提高悬挂机构的工作可靠性。研究成果可为相关钻具设计提供理论支撑。

海洋勘探；绳索取心；悬挂机构；取样工具；金刚石钻进；ABAQUS仿真

随着我国“十三五”期间对深海、深地、深空、深蓝四大保障国家安全和战略利益技术的重视，围绕海洋地质及环境科学研究、海洋矿产资源开发及利用所展开的工作成为近期的研究热点[1-2]。通过钻探技术直接从海底深部获取岩心是评价矿产储量、评估海底工程地质条件的直接方法[3-5]。而海底钻机是开展海洋地质及环境科学研究、进行海洋矿产资源勘探和海底工程地质勘察所必需的重型技术装备。海底钻机是指装备于科学考察船上、并利用铠装动力电缆吊放至海底、通过遥测遥控方式在海面进行操作、可从海底岩体中钻取岩心的一类钻机[6-7]。相比与钻探船钻探作业的方式，其具有智能化程度高、对母船适应性强、钻进成本低等特点，具有良好的工程应用前景[8-10]。而采用绳索取心方案配合海底钻机进行钻探作业，相比于提钻取心方案其具有辅助作业时间少、对孔壁的护壁作用好、岩心扰动程度低、岩心采集率高等优势。

在钻进过程中绳索取心钻具的工作可靠性是影响海底钻机取心效率和质量的关键。绳索取心技术以前主要应用于陆域地质勘探，现有的绳索取心钻具主要是围绕陆域岩心钻机的使用工况和使用条件展开，而针对海底钻机使用工况及环境所展开的研究较少。常规陆域绳索取心钻具通常采用在心轴上设置上下两幅推力球轴承的结构形式实现内管总成的单动功能，其上轴承仅设置防尘盖而不需考虑海水对单动机构的腐蚀因素影响且推力球轴承对芯轴无定心功能，单动性能较差存在提前失效的风险。若单动机构失效将进一步导致内管总成的悬挂环与外管中的座环在工作过程中发生相对运动，导致其过度磨损从而使失去悬挂功能[11-12]。内管总成在投放到位以及钻进结束后拔断岩心的过程中，由于冲击力较大悬挂环与座环易发生卡死现象导致打捞失败[13-14]。此外，受海底钻机内管总成打捞绞车工作能力的限制，其对悬挂环与座环的设计要求更为苛刻。

本文以提高在海底钻机上的绳索取心钻具的工作可靠性为研究目标，针对单动机构的单动性能以及悬挂机构的结构形式进行优化，并对悬挂机构采用ABAQUS仿真软件进行模拟仿真分析来验证结构形式的合理性，从而设计出一套满足海底钻机使用工况的绳索取心钻具，确保海底钻机钻进高效性的充分发挥。

1 钻具单动机构结构优化

设计的适用于海底钻机的HQ系列绳索取心钻具包括内管总成和外管总成。图1为该绳索取心钻具总成图。其中钻具的单动机构由心轴、套管端盖、骨架油封、上传力卡套、双向推力球轴承、定位套、不锈钢单向推力球轴承、下传力卡套、下深沟球轴承、垫圈、锁紧螺母组成。相比于常规绳索取心钻具，其单动机构的全部不锈钢轴承组件均设置在密闭的套管端盖腔体内且分别设有注油嘴，能够有效抑制海水腐蚀效应，提高轴承的使用寿命。推力球和深沟球轴承的组合应用弥补了常规钻具仅采用推力球轴承而无法对芯轴进行有效定心的不足，提高单动机构在工作过程中的运转灵活性，减少悬挂机构中的悬挂环与外管总成中的座环之间的非正常磨损，进一步避免由于悬挂环和座环的变形失效所造成的内管总成打捞困难等风险。此外，本次设计的钻具去除了常规钻具的到位报信和岩心遇堵装置，使得钻具总长缩短，有利于降低海底钻机的整体高度，使铠装电缆的承重要求控制在安全范围内。

1—捞矛头；2—弹卡板弹簧；3—弹卡板；4—悬挂环；5—座环；6—轴承上传力卡套；7—双推力球轴承；8—推力球轴承；9—深沟球轴承；10—内管接头；11—14 mm钢球；12—岩心管；13—外管；14—扩孔器；15—卡簧座；16—金刚石钻头；17—蓝簧；18—内管；19—不锈钢球盖；20—锁紧螺母；21—轴承间隔垫圈；22—芯轴；23—套管端盖；24—骨架油封；25—调节螺母；26—深海弹卡架；27—弹性圆柱销；28—上弹卡挡头

2 钻具悬挂机构仿真分析

2.1 尺寸设计

依据绳索取心钻具的标准级配关系要求，所设计的针对海底钻机的HQ系列绳索取心钻具，主要零部件的尺寸如下：钻头直径96 mm/ 62 mm；外管直径89 mm/77 mm；内管直径73 mm/66.7 mm。内外管之间的环状间隙为4 mm，能够减小冲洗液的循环压力损耗。所设计的绳索取心钻具其内管总成总长为3.2 m，质量为27 kg，便于在船上的拆卸与转移。针对常规钻具中的悬挂环和座环在极端工况下容易出现提前失效及损坏进而造成内管总成打捞困难或失败的情况，对悬挂机构中的悬挂环和座环进行了结构优化，经过优化的悬挂环和座环的相关设计参数如图2所示。改进后的悬挂环与常规悬挂环相比，上下两表面外圈均倒角45°，改进后的座环外圈均倒角45°，内圈边缘处均车台阶再倒角45°。

图 2 悬挂机构剖面示意图

2.2 仿真模型建立与定义

本文采用 ABAQUS 有限元模拟软件的显式动力学分析模块对钻具悬挂机构在投放到位时的极端工况下的受力情况进行有限元分析研究。首先，分别对钻具的材料进行定义，定义悬挂环和座环的材料均为45号钢(调质)，弹性模量为209 GPa，泊松比为0.269，密度为 7.89×103kg/m3，屈服强度750 MPa；座环和悬挂环之间的间距为0.2 mm。然后分别对钻具各个部件进行网格划分，并对钻具施加约束，最后，利用有限元分析ABAQUS软件，开展模拟仿真投放分析。

由于分析的重点为悬挂环和座环，因此，采用轴对称实体将钻具模型进行简化，在保证钻具的结构尺寸参数和质量参数与实际相同的前提下，对内管总成中的一些细微结构做了适当简化。已有的文献资料以及实测数据表明在钻杆内充满水的情况下，内管的下降速度t=1.72~1.95 m/s[ 15-16 ]。因此，本次试验设定内管总成在投放的过程中以2 m/s速度冲击座环，分析内管总成在投放到位的瞬间其对座环受力性能的影响。

2.3 投放过程仿真分析

图3是=2 m/s，=0.081×0-3s时常规悬挂机构的应力云图。由图3可知该悬挂机构中悬挂环下部的应力值和座环上部的应力值都处于最大值，且出现轻微塑性变形。悬挂环的右单元C与座环的左单元D变形量最大(后文A—F命名的单元位置与图3相同)，达到材料的最大屈服强度750 MPa。出现轻微塑性变形的原因是由于悬挂环和座环的接触部分的受力面积小，受到内管的冲击力后产生应力集中所引起。

图4是经过改进后的悬挂机构在=2 m/s，=0.2×10-3s时的应力云图，由图4可以看出该悬挂环机构的应力分布更加均匀，其应力集中区域范围小于如图3所示的常规悬挂机构，仅出现在悬挂环和座环接触部分的边角且并未深入悬挂环和座环的内部，最大应力值接近材料的最大屈服强度750 MPa，但是并未发生明显的塑性变形。因此，相比于常规悬挂机构，经过改进后的悬挂机构有利于降低在频繁使用过程中关键零部件发生塑性变形的风险，从而提高了悬挂机构的工作可靠性。

1—深海弹卡架；2—外管；3—座环；4—悬挂环；A—悬挂环接触左单元；B—悬挂环接触中间单元；C—悬挂环接触右单元；D—座环接触左单元；E—座环接触中间单元；F—座环接触右单元

图5为常规和经过改进的悬挂机构关键单元等效塑性应变图，由图5可以看出在相同的冲击速度下，2种悬挂机构的座环接触左边界单元D的等效塑性应变均明显高于悬挂环接触右边界C的等效塑形应变。因此，在工作的过程中座环易首先发生变形失效。这是因为悬挂环承受冲击力的区域大，而座环承受冲击力的区域小所致。由图5还可以看出改进悬挂机构中座环关键单元D的等效塑性形变仅为0.01%，未发生塑性变形；而常规悬挂机构中座环关键单元D的等效塑性形变为0.1%，暂未发生明显变形。由此，常规悬挂机构中的座环可能会存在当内管重复下放发生频繁冲击时导致座环变形量过大，座环提前失效导致悬挂环卡死在座环内而造成打捞失败的风险，其可靠性较差。经过改进后的座环结构能够有效避免上述风险发生的几率。

图4 改进悬挂机构v=2 m/s，t=0.2×10-3 s时应力云图

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

图5 常规和改进的悬挂机构关键单元等效塑性应变图

图6为常规悬挂环下表面单元的应力–时间图。由图6可以看出3个典型位置单元存在相似的应力变化趋势，在0.05×10-3s时，悬挂环与座环开始发生碰撞(模型设定在初始条件下悬挂环与座环间隔0.2mm)，在0.1×10-3s时悬挂环下表面A、B、C三个单元均达到材料最大屈服应力值750MPa。在0.1×10-3~0.22×10-3s内常规悬挂环存在小幅度的应力值波动，其原因为达到屈服强度后，塑性应变急剧增加，出现屈服现象。各单元应力值的波动于0.32×10-3s后趋于平稳，且平稳时最大应力值出现在悬挂环的A单元，其值达到530 MPa。图7为改进后悬挂环下表面单元应力–时间图。由图7可以看出在0.08×10-3s时悬挂环与座环开始发生碰撞(模型设定在初始条件下悬挂环与座环间隔0.2mm)，在0.16×10-3s时悬挂环下表面仅C单元达到最大应力值734 MPa，但是并未超过材料屈服应力值750 MPa。各单元应力值的波动于0.24×10-3s时趋于平稳，平稳时的最大应力值出现在悬挂环C单元，其应力值仅为380 MPa。对比分析图6和图7可以发现常规悬挂环从开始发生碰撞到应力值趋于平稳所持续的时间周期明显大于改进后的悬挂环，即常规悬挂环在内管总成投放到位的极端工况瞬间受到较长时间的应力集中，易导致其下表面首先产生塑性变形，降低了正常工作时的可靠性。相比于常规悬挂环，改进后的悬挂环从开始发生碰撞到应力值趋于平稳所持续的时间周期短，且趋于平稳后所受的应力较低，有利于提高悬挂环的使用寿命。

图6 常规悬挂环下表面单元的应力–时间图

图7 改进悬挂环下表面单元的应力–时间图

图8为常规座环上表面单元应力–时间图，由图8可以看出在0.05×10-3s时悬挂环与座环开始发生碰撞(模型设定在初始条件下常规悬挂环与常规座环间隔0.2mm)，在0.1×10-3s时座环上表面各单元均达到屈服应力值750 MPa。与常规悬挂环类似，在0.1×10-3s~0.22×10-3s内常规座环仍存在小幅度的应力值波动现象。在0.3×10-3s后，各单元应力值的波动趋于平稳，平稳阶段的最大应力值出现在座环的E单元，其值为410 MPa。此外，值得一提的是在应力值趋于平稳阶段时，常规座环上表面的E单元和F单元上的应力值在0.6×10-3s后出现上升现象。该变化趋势容易导致多次碰撞后在常规座环接触部分出现内凹状塑性变形，进而缩短了常规座环的使用寿命。

图8 常规座环上表面单元的应力–时间图

图 9为改进后的座环上表面单元应力–时间图，由图9可以看出在0.08×10-3s时悬挂环与座环开始发生碰撞，(模型设定在初始条件下改进后悬挂环与改进后座环间隔0.2mm)，在0.16×10-3s时座环的上表面仅D单元应力值较大，其值为742 MPa，但是并未达到材料屈服应力值750 MPa，各单元的应力值波动于0.24×10-3s后趋于平稳，且平稳时最大应力仅发生在单元D上，其值为420 MPa。由图8和图9可以看出常规座环在开始发生碰撞到应力值趋于平稳所持续的时间周期也明显大于改进后的座环，且常规座环各单元上的应力值存在明显波动，而改进后座环的上表面仅D单元存在较大应力值，其余单元处的应力值极小，且应力值较平稳，故在实际工况下，改进后的座环其使用寿命较长。

图9 改进座环上表面单元的应力–时间图

3 现场应用

在中国某海域的矿产资源勘探项目中使用自主研制的“海牛号”海底多用途钻进系统并配备经过结构优化的HQ系列绳索取心钻具进行钻探取心。钻具内管总成如图10所示，所获岩心如图11所示。钻进过程中以海水作为冲洗液，钻压8~12 kN，转速280~340 r/min，冲洗液量62 L/min，每回次进尺2.5 m，累计进尺325 m。在硅质岩及生物沉积岩地层钻进时的进尺效率达到3 m/h。在现场钻进过程中钻具单动机构运转灵活可靠，塑料岩心衬管无破裂情况发生，所获样品扰动程度较小；单动机构能够有效抑制海水腐蚀效应，改善芯轴的定心效果，轴承组合运转灵活；悬挂机构无异常情况发生，内管总成打捞顺畅，未发生卡阻现象。现场应用表明经过结构优化的钻具总成满足海底钻机的作业工况要求，能够减少钻探事故发生的风险。

图10 钻具实物图

图11 岩心样品图

4 结论

a. 针对现有陆域绳索取心钻具无法完全满足海底钻机使用工况的实际问题，综合考虑海洋勘探作业环境和海底钻机自身性能特点等因素的影响，研制出针对海底钻机的高可靠性绳索取心钻具并分析了其工作原理和结构特点。

b. 经改进后钻具的单动机构能够有效抑制海水腐蚀效应，改善芯轴的定心效果，提高轴承组合的运转灵活性，从而减少悬挂机构中的悬挂环与外管总成中座环之间的非正常磨损，避免由于过度磨损而失去悬挂功能的风险。

c. 利用ABAQUS有限元分析软件对悬挂机构中的悬挂环和座环在极端工况下的损坏机理展开分析。改进后的悬挂机构能够有效的避免悬挂环和座环失效变形相互嵌死的风险，从而提高钻具绳索打捞的可靠性，减小钻探辅助作业时间。

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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

国家重点研发计划项目(2017YFC0307501)；国家自然科学基金项目(41702390)；湖南省自然科学基金项目(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，湖南长沙人，博士，副教授，从事金刚石工具等方面的教学和科研工作. E-mail：Jialiangwang2019@163.com

彭奋飞，1993年生，男，湖南攸县人，硕士研究生，从事金刚石碎岩机具研究. E-mail：736690463@qq.com

王佳亮，彭奋飞，万步炎，等. 海底钻机的高可靠绳索取心钻具的结构优化与仿真分析[J]. 煤田地质与勘探，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.

(责任编辑 聂爱兰)