（机械电子工程专业论文）深海沉积物无扰动保压取样技术的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 海底表层沉积物中含有甲烷、h 2 s 、h 2 等溢出性气体和大量的嗜压型微生 物，如果不能实现保真取样，很容易造成沉积物样品中气相溶解成分的散失以 及嗜压型微生物的死亡，所以沉积物保真取样设备必须要求能够保持长时间的 原位点压力。此外，以前的深海沉积物保真取样设备在采样过程中对沉积物产 生的扰动较大，影响了所采集样品的真实性和可信度，对样品的后期处理和研 究带来偏离和误导。 本文通过对海底沉积物保压取样设备在采样前和采样过程中所可能出现的 扰动进行分析，研究能够在全程视频监视下，采集到无扰动样品的沉积物高保 压取样设备。 全文共分六章。 第一章介绍了海底表层沉积物取样技术的应用和保真取样概念，并分析了 深海保真取样设备在国内、外的发展状况；最后阐述了本课题研究的目的、意 义和主要研究内容。 第二章主要对取样管采样的驱动方式进行研究，在此基础上提出采用压力 适应型液压油源的驱动方式；最后，对压力补偿技术进行了研究和仿真，以达 到降低压力变化的目的，提高液压驱动装置的可靠性，最终实现降低取样过程 中的样品形状扰动。 第三章首先分析了能够降低样品扰动的衬筒结构，要获得接近原始状态的 沉积物样品，必须研究如何实现保压的问题，本章主要研究了保压筒密封保存 样品的技术以及在取样器回到海平面后的压力补偿技术。 第四章主要分析和研究取样器机械结构对样品扰动的影响，保压取样器主 要由多级油缸、保压筒、样品衬筒和双球阀四部分构成，其中保压筒的密封可 靠、耐压稳定是实现保真取样的关键，对保压取样器的各个关键部分进行了结 构设计，特别是多级油缸和双球阀的设计。另外对压力简体进行了应力分析， 验证根据筒体壁厚设计准则设计的高压简体的应力状态。 第五章对无扰动保压采样装置进行了总体结构优化设计，合理布置各项装 置，尽量减少了取样器的横截面积，以避免取样器在着底过程中产生的压力波 效应，扰动表层沉积物，使之更适合深海采样。 第六章对全文进行了总结，重申了本文的创新点，并展望了进一步工作的 方向。 关键词：无扰动；保真取样；取样器；沉积物；深海 浙汀大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es e a f l o o rs e d i m e n tm a ym a i n t a i ng a s e s ( e s p e c i a l l yc h 4 、h 2 s 、h 2 ) a n dh i g h c o n c e n t r a t i o no fh i g hp r e s s u r e - h o b b ym i c r o b e i ti se s s e n t i a lt h a ts e a l i n gt h e s e d i m e n tc o r ea ti n s i t up r e s s u r ei no r d e rt oc o l l e c tt h em i c r o b ea n dg a s e s ，w h i c h w o u l do t h e r w i s ed i eo re s c a p ef r o mt h es e d i m e n td u et od e c r e a s i n gp r e s s u r ew h i l e t h ed e p t hb e c o m e ss m a l la n ds m a l l a l s o ，t h et e m p e r a t u r ec a n n o tb eh e l dd u r i n gt h e p r o c e s s b e s i d e s t h es e d i m e n tw i l lb ed i s t u r b e db a d l yw h i l es a m p l i n gw i t l lf o r m e r t r a d i t i o n a ld e e p - s e as e d i m e n ts a m p l ee q u i p m e n t a l lo ft h e s ew i l ll e a dt ot h er e s u l t t h a tt h et r u t ha n dr e l i a b i l i t yo fs e d i m e n ts a m p l ei sd o u b t f u l i tw i l lf o r maf a l s e j u d g e m e n tf o rt h ef o l l o w i n gp r o c e s sa n dr e s e a r c ho fs e d i m e n t i nt h i sp a p e r , t h r o u g ha n a l y s i so fd i s t u r b a n c e st h a tm a yb eo c c u ri nt h ep r o c e s s o fs a m p l i n ga n db e f o r es a m p l i n g ，at r u t h p r e s e r v i n gs e d i m e n te q u i p m e n ti sp r o v e dt o b ea p p l i c a b l e ，w h i c hi su n d e rc o n t r o lo fm o n i t o ra n dc a na c h i e v et oo b t a i ni n - s i t u s e d i m e n t t h et h e s i si n c l u d e ss i xc h a p t e r s c h a p t e r1 i n t r o d u c e st h e a p p l i c a t i o no ft h es e a f l o o rs e d i m e n ts a m p l i n g t e c h n o l o g ya n dt h ec o n c e p to ft r u t h p r e s e r v i n gs a m p l i n g i na d d i t i o n ，t h e d e v e l o p m e n ta c t u a l i t yo f t h ed e e p - s e as e d i m e n tt r u t h p r e s e r v i n gs a m p l i n gt e c h n i q u e a n de q u i p m e r i ti sm e n t i o n e d f i n a l l y , t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ep u t f o r w a r d i nc h a p t e r2 , f i r s t l yt h i sc h a p t e ra n a l y s i st h ed r i v i n gm e t h o do fc y l i n d e rl i n e r o nt h eb a s i so ft h i s ，an e wh y d r a u l i cd r i v i n gw a yw i t hp r e s s u r e c o m p e n s a t i o ni s p r o p o s e d f i n a l l y , t h em o d e lo ft h e o i lp r e s s u r e - c o m p e n s a t i o ni se s t a b l i s h e da n d a n a l y z e di no r d e rt or e d u c ep r e s s u r ev a r i a t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so fs a m p l i n g c h a p t e r3s t u d yt h es t r u c t u r eo fc y l i n d e rl i n e rw h i c hg e tr i do fp e t a ls t r u c t u r e a n dc a nr e d u c et h ed i s t u r b a n c eo ns e d i m e n tf i r s t l y a n dt h e nm a i n l yr e s e a r c ht h e t e c h n i q u eo fs a m p l et r a n s f e ra n dt r u t h - s e a l i n gd u r i n gt h ep r o c e s so fs a m p l i n g t h r o u g hi l l u m i n a t i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eq u a n t i t i e so fc o m p e n s a t o r y s e a w a t e ra n dt h ep r e s s u r ev a r i a t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so fs a m p l e ri sr a i s e d 叩，a d e s i g n r u l eo ft h e p r e s s u r e c o m p e n s a t o r w a s p u tf o r w a r d t oa c h i e v et h e h a l f - a u t o m a t i cp r e s s u r ec o m p e n s a t i o n i nc h a p t e r4 ，t h ed i s t u r b i n ge f f e c t so fs a m p l e r sm e c h a n i c a ls t r u c t u r e sa r e m a i n l ya n a l i z e da n dr e s e a r c h e d t h et r u t h - p r e s e r v i n gs a m p l ec y l i n d e rc o n s i s t so f f o u rp a r t s ：t h em u l t i s t a g eh y d r a u l i cc y l i n d e r 、t h et h i c k - w a l lc y l i n d e r 、t h es e d i m e n t c o r ea n dt h ed o u b l e s p h e r i c a lv a l v e t h et i f f c k w a l lc y l i n d e rc o n t a i n st h es e d i m e n t c o r ea n dk e e p si t so r i g i n a lp r e s s u r e 砀er e l i a b i l i t yo fs e a l i n gs t r u c t u r ea n dt h e - - i i - - 浙江大学硕士学位论文 s t a b i l i t yo fw i t h s t a n d i n gv o l t a g ea r em o s ti m p o r t a n t i nt h i sc h a p t e r , t h es t r u c t u r e so f k e yp a r t so ft h et r u t h - p r e s e r v i n gs a m p l ec y l i n d e ra r ed e s i g n e d , e s p e c i a l l yt h e m u l t i s t a g eh y d r a u l i cc y l i n d e ra n d t h ed o u b l e s p h e r i c a lv a l v e sd e s i g n a l s o ，i tc a nb e t h r o u g hs t r e s sa n a l y s i ss i m u l a t i o nt os t u d yt h ep o t e n t i a lp l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h e t h i c k w a l lc y l i n d e ru n d e rh i g hp r e s s u r e ，a n dt h e nt o v e r i f yt h er a t i o n a l i t yo f t h i c k w a l lc y l i n d e r i nc h a p t e r5 ，t h eg l o b a lo p t i m u md e s i g no fo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h e n o - d i s t u r b i n ga n dt r u t h p r e s e r v i n gs e d i m e n ts a m p l i n ge q u i p m e n ti sd i s c u s s e d i n o r d e rt or e d u c et h ee f f e c t so f p r e s s u r e w a v ew h i l et h es i m p l ee q u i p m e n td o w n t ot h e s e a f l o o r , i ti sm u s tt h a tt h ec r o s ss e c t i o no ft h ee q u i p m e n ta n de v e r yp a r td e c r e a s ea s m u c ha si m p o s s i b l e t h i sc h a p t e ra r r a n g e st h ee q u i p m e n t sr e a s o n a b l ya n dc h e c k s t h es t r e n g t ho ft h ef r a m es t r u c t u r e i nl a s tc h a p t e r , t h e r ei sac o n c l u s i o no ft h er e s e a r c hf r u i t so ft h i st h e s i sa n dt h e f u r t h e rs t u d yd i r e c t i o ni sb r o u g h tf o r w a r d a l s ot h ei n n o v a t i o nd u r i n gt h et h e s i si s s t a t e da g a i n k e y w o r d s ：n o - d i s t u r b i n gs a m p l i n g ；t r u t h - p r e s e r v i n gs a m p l i n g ：s a m p l e r ； d e e p - s e a ：s e d i m e n t 。一i i i 一 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位做作者躲冷噜签字魄伽矿年舭日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权迸姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字e l 期：训年 导师签名： 签字日期：翮年月乙e 1 日么1 应奈细 浙汀大学硕士学位论文 第1 章绪论 摘要：本章分析了海底表层沉积物取样技术的应用和保真取样概念；介绍了深海保真取样 设备在国内、外的发展状况；最后阐述了本课题研究的目的、意义和主要研究内容。 关键词：深海；沉积物；保真取样；无扰动 1 1 沉积物取样技术的应用 1 1 1 背景m 。咖 各国经济的发展对能源供给的要求越来越高，同时科技水平的进步、加工 制造工艺的发展也对能源探测和开展带来了很多便利；随着我国经济近年来的 高速发展，对石油、天然气、煤等资源的要求日益增大，进口量逐年上升。 海洋占地球表面积的7 1 ，总面积为3 6 1 亿平方公里。其中沿海国家拥有 的1 2 海里领海和2 0 0 海里经济专属区为管辖海域，面积约1 0 9 亿平方公里。 沿海国家管辖以外的海域，称为国际海域，面积为2 5 2 亿平方公里，其海床及 其底土，称为国际海底区域，占地球表面积的4 9 。在国际海底区域蕴藏着极 为丰富的多金属结核、钴结壳、热液硫化物、海洋生物、石油、天然气、天然 气水合物以及粘土矿物等资源。据估计，在海底储存着1 3 5 0 亿吨石油，近1 4 0 万亿立方米的天然气，在所沉积的极为丰富的多金属结核中，铀的储藏量高达 4 0 亿吨，是陆地上的2 0 0 0 倍；这些资源具有重大的经济价值。另外，在6 0 0 0 m 以下的大洋底部仍有生命存在，在这种极端条件下的生命也格外受到生物学家 的重视。而随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增加，人类消耗的自然 资源越来越多，陆地上的资源正在日益减少。人口、资源和环境已经成为了困 扰现代经济和人类继续可持续发展的三大难题。为了生存和发展，人们开始了 向海洋进军。 海底沉积物取样技术主要用于：( 1 ) 海底矿产资源勘探，包括寻找石油和 海底新能源一天然气水合物等；( 2 ) 生物样品的获取；( 3 ) 海洋工程地质勘察， 包括海岸工程勘察，航道勘察，海底隧道地质勘察，海底电缆、光缆、输气管 道、输油管道线路勘察等：( 4 ) 全球气候及环境研究，海底取样也是研究气候 和环境变化的重要手段；( 5 ) 进行海洋地质学研究，包括海底地形地貌、海洋 地质构造等；( 6 ) 进行海洋地质填图，为划定经济专属区和大陆架界限提供依 一1 一 浙江大学硕士学位论文 据。 2 0 世纪8 0 年代以来，世界海洋科学全面发展，出现了许多新技术和各种先进 的仪器设备，如：美国“格挑战者”勘探船在d s d p 第9 0 航次调查中，使用液 压活塞取芯器和延伸式岩筒联合取样，成功采集柱状样5 7 5 m ( 每取得lo o m 长 的未扰动连续岩心就可以恢复1 0 0 0 万年以来的古海洋史) 。今天海洋勘查技术 已经取得了很大改进和提高，现代海洋调查和探测技术正在向海面、水下、空 中和空间发展，出现了立体化的调查趋势。 然而我国在海洋地质调查研究程度与国际上海洋发达国家( 如美、英、日、 法、德、俄、加等) 相比，无论是在学科及地质理论研究，还是在海底地质构 造和矿产资源调查评价方面，总体上落后1 5 - 2 0 年。其主要原因在较大程度上 与技术方法和仪器设备的性能、精度有着直接的关系。目前国内海洋地质主要 探测技术无论是从设备的研制，技术的精度还是从系统的集成而言，相对比较 落后，目前只有少数达到国际水平，大多只是部分达到国际水平，另外还有不 少是处于空白或发展中，如保真取样技术。深海样品包括多金属结核、钴结核、 多金属硫化物、天然气水合物和深海沉积物等多种样品，本论文关心的主要是 深海沉积物。 海底沉积物取样技术可用于海洋的地质填图、海底探矿、工程地质或生态 环境研究等。因此，海底取样器应满足以下要求： 1 ) 尽可能深地钻入海底地层； 2 ) 保证海底取样动作可靠，岩心采取率高，对沉积物样品的扰动程度低； 3 ) 实现海底取样过程的机械化与自动化，减少非生产性时间的消耗； 4 ) 最好能实现对海底沉积物的保真取样，这对于研究海底真实状况( 如生 物、天然气水合物等) 有重要作用。 1 1 2 保真取样技术 近年来深海保真取样技术越来越受到海洋学界的重视，这是因为保真取样 不仅可以为海洋资源环境研究提供最真实的样本，而且还可以通过深海生物研 究发现大自然新的特性。此外，研究海洋污染物对深海生态系统的影响，研究 海洋极端微生物的多样性以及重要基因资源的开发应用都急需保真取样器。在 实验室利用保真反应器【2 4 】- 【2 7 1 ，可以快速分析深海地质、化学环境、培养生物， 一2 一 浙江大学硕士学位论文 以达到加速反应和准确分析。 传统的取样分析方法无法长时间保持样品的温度和压力。采集到的沉积物 或热液由于温度、压力、光照等条件的变化，造成气相溶解组份的散失，变价 离子氧化态改变以及有机组份分解，因此分析数据难以准确反映沉积物的原始 成份与状态，从而也影响了沉积物及微生物样品的真实性。 在国外海洋学研究领域，传统的取样技术正在逐步被保真( 保温、保压) 取样技术所取代。海底沉积物保真取样技术始于上世纪八十年代，科学家们在 美国布莱克海底高原d s d p 5 0 3 站位对保压取样装置i i i 型进行了现场试验，这 标志着保压取样装置i i i 型作为先进的海底探测设备开始进入实际应用阶段。在 此基础上，1 9 9 5 年1 1 月至1 2 月，在布莱克海底高原，o d p 第1 6 4 航次首次 系统全面地进行了使用保真保压取样装置取样的尝试并取得了部分成功。这种 保真保压取样装置是由o d p 技术工作人员研制的，它在海底以下o - 4 0 0 m 深 度范围内所获得的取样效果是令人满意的。但是当超过4 0 0 m 深度或沉积层固 结程度较高时，使用这种类型的保真保压取样装置进行取样的效果并不理想。 有报道说，目前国际上仅有少数几个先进的海洋研究实验室采用了专门研制的 保真采样器。如日本海洋科技中心的s h l n k a l 6 5 0 0 装备有沉积物保压采样器， 在6 2 9 2 m 深度、压力6 5 m p a 、温度2 0 下采集样品，并在6 5 m p a 、i o o c 环境 下增加5 0 0 m l 液体进行d n a 方面的实验。n a s a ( 美国国家宇宙局) 对热液采样 器及其联接装置的进展给予高度关注，并认为高性能的保真保压采样器还有可 能在未来的外星生命探测中发挥重要作用。 1 2 国内外深海保真取样设备的发展2 8 】【3 6 1 根据所取沉积物样品受扰动的程度，取样器大致可分三类：产生较大样品 扰动的取样器、样品低扰动取样器和保真( 低扰动且保温保压) 取样器。 事实上，不管取样管多么薄和取样技术多么熟练，贯入的取样器对原位的 样品总要产生一些扰动，因而原状样品实际上是不存在的。本论文主要研究无 扰动沉积物保压采样器，针对深海海底松软的沉积物，综合分析深海沉积物采 样过程中存在的扰动情况，意在获得最接近原始状态的深海沉积物样品。 目前，国内、外使用的保真取样器主要有国际大洋钻探计划( o d p ) 采用的 活塞取样器a p c 、保压取芯器p c s ( p r e s s u r ec o r es a m p l e r ) ，国际深海钻探计划 一3 一 浙江大学硕上学位论文 ( d s d p ) 采用的保压取样筒p c b ( p r e s s u r ec o r eb a r r e l ) 、h y a c e 的h r c 、及日本 研制的p t c s 。国内、外还有一些用于常规石油天然气取芯的压力密闭取芯器 可用于对含水合物的沉积物进行保压取芯，如e s s o _ p c b 、c h r i s t e n s e n _ p c 召、 美国的p c b b l 、我国大庆的 仃- 2 1 5 等，但保压、保温性能技术指标与o d p 一尸c 孓d s d p - - p c b 、日本研制的p t c s 相比存在差距。各取样器主要技术指 标如表1 1 。 表1 1 保真取样器主要技术指标 保真取样器主要技术指标取芯历史 可为振动式，液压式活塞取j 笛器，重力活塞式取 样器；卿- 彳户伤取芯深度为2 5 0 胁取芯外管 的内径为8 6 a g n , 取j 卷长度最大为9 5 臃取芯最 o d p 必备取样 活塞取样器 高压力为1 4 4 m p a ；工作温度为一2 0 + 1 0 0 ； 器，各航次都有 a p c在取活塞式岩芯的同时，就开始测量温度，除了 取芯必须的时间外，需要时间很少；受到深度限 使用 制，般为1 2 0 , - - - 1 5 0 r e ；主要用于海底沉积土样、 非专门的水合物取样 o d p 自由下落式展开，液压驱动，绳索提取；岩：卷 l e 9 1 2 4 ，1 3 9 ，1 4 室长1 8 m , 直径9 2 2 r a m , 可取到长8 6 c m 直径4 2 r a m 1 ，1 4 61 6 4 ，1 9 6 p p c s 等航次中使用， 的芯样；保持压力7 0 9 p a ；工作温度为 取样长度0 - 1 7 7 8 + 2 6 6 7 c ；可与a 咒铂留b i i a 联合使用 0 8 6 m , 保持压 力o 5 0 肋d a 机械室驱动，绳索提取；可取长6 岔、直径 5 7 8 t a r a 的保压岩芯；工作压力不大于3 5 m p a ；在d s d p d s d p 一￥1 c 8工作水深小于6 1 0 0 m ；不打开岩芯筒可测量岩样 l e 9 4 2 ，6 2 ，7 6 ， 的压力温度；( 鸯p c b 使用频率受球阀的限制( 调整等航次中使用 需2 5 力) 只能与r c bb h a 联合使用 删c e机械旋转式；可取长l m 直径5 0 u z , - a 的保压岩 的h r c 芯；工作压力不大于2 5 e p a ； 一4 一 浙江大学硕士学位论文 保真取样器主要技术指标 取芯历史 在马更些三角 绳索下放、回收式内岩芯管；钻头直径洲、石油公司柏 6 6 7 a z r a ，可取岩芯直径6 6 嬲取芯长度3 职保 崎试验场、“南 日本p t c s压系统为3 0 m p a ，利用氮气蓄能器控制压力；采 海海槽海洋探 用绝热型内管和热电式内管冷却方式；采用井( 采芯率3 7 2 1 9 1 m m 钻铤和1 6 8 3 m m 钻杆 - - 4 7 ) 等中 使用 岩j 卷直径为6 6 t 砌；钻具外径1 5 2 4 r e x , 总长为 e s s o 午c 8 5 8 2 他可适当补偿岩芯管的体积和容积 岩：s 直径6 3 5 撇保持压力7 0 m p a ；取j 签长 c h r i st e n s e n度l o m p c b岩芯直径6 3 5 础保持压力5 3 m p a ；取j 签长 美国删度6 m 大庆k f t 2 1 5岩芯直径7 0 觑让保持压力2 5 m p a ；取芯长 度4 5 m 保真取样包含两层意思：无扰动取样和保压保温取样。 目前国际上通用的保真取样技术主要有：p c s ( p r e s s u r ec o r es a m p l e r ) 、 p c b 和h y a c e ( h y d r a t e a u t o c l a v ec o r i n g e q u i p m e n t ) 系统。 1 2 1 膦保压取芯器 p c s ( 图1 1 ) 是一种自由下落，液压驱动，钢缆回收的保压取芯筒。它可 以单独使用，也可以利用现有的中空钻杆进行深层沉积物取样。p c s 由六部分 组成：可分离的取样管，可保持原位压力的球阀组件，用来固定球阀和把取样 筒拉进取样器的动作筒组件，用来把扭矩传递到p c s 的切削管靴处的锁机构， 维持取样筒中压力的蓄能器和允许液、气分析的管路组件。取样完成后，可以 在实验室中利用如图1 2 所示的p c s 卸压装置分析沉积物中气体含量和成份。 p c s 样品直径4 3 2 m m ，长9 9 0 r a m ；取样器长1 t i n ，外径9 5 2 5 r a m ：可保 持最大压力为6 9 m p a 。其缺点是样品直径较小且不能在取样结束后，无压降地 把样品取出来供后续实验室分析。 p c s 的缺点是：l 、取芯率比较低，没有解决保温问题；2 、不能在取样结 一5 一 束后，无压降地把样品取出束供后续实验室分析 采样前采样后 且 图i 1p c s 结构图 1 2 2 尸卯保压取样筒 c 1 群 图1 3p c s 卸压装置 d s d p p c 8 、e s s o p c 8 、c h r i s t e n s e n p c b 、丧雷p c b b l 、大庆m y 2 1 5 的整体结构和组成基本相司，都采用双管申动式取芯简，日除d s d p - - p c b 外，其它几种取芯筒必须通过提钻提取，而d s d p p c 口、o d p p c s 和u 本 p t c s 则是通过绳索卣接提放内取芯管。另外，这类取芯工县与o d p p ( 善和 u 本p t c s 的、同之处为：由于p c b 一般较长( 45 1 0o m ) ，故需庞大的卸压 采气装置，儿出样需切割内管封装保存，而o d p p c s 的实现则较容易。 p c b 工具一般由钻头卡芯部分、球阀机构、内、外岩芯筒总成、压力补偿 系统、轴承悬挂总成及上部差动机构等6 部分组成。外筒与取芯钻头连接，传 递钻压和扭矩。内简是非旋转的薄壁管，悬挂在用钻井液润滑的轴承一卜，它小 但是容纳岩芯的容器，同时也是作为岩芯切割后的壳体，其长度适台于运输。 工具上部的差动装兄具有伸缩功能，并带有锁闭和释放机构，内、外a 方传递 扭矩。工具下部是球阀总成，这是工具下部密封系统。当钻完进尺后，上提钻 一6 一 # “ i 霉 聊 淄 皑 同 m科舻骶 浙1 1 太学硕学位论文 具割断岩芯，然后投入一个钢球使之坐于滑套球座上，待钻井液返出且泵压 正常时，说明滑套到位。此时在外筒重力作用下，内、外六方脱开，外筒下移， 其重力作用在球阀半滑环上，半滑环使球体产生一定扭矩并旋转9 0 。而关闭球 阀，使岩芯密封在内筒中。压力补偿系统包括高压氮气储气室和一个可调节的 压力调节器、以及相关的供给氮气的阀门组机构，阀门组机构可预先调节到规 定压力，提钻过程中可恒定地向内筒补充压力，直到与地层压力平衡时为止。 工具下井前，在内筒中预先填充一种非侵蚀性的胶体密闭液，在钻进过程中不 断把岩芯包封起来，保护岩芯免遭钻井液污染。割芯时，上提钻其，岩芯爪卡 断岩芯，并把岩芯扶正到球阀内。 保压取样筒p c b 的特点是：保压性能较好：但结构复杂，操作麻烦，不便 于后续设备分析。 1 2 3 舯肥系统 h y a c e 是另外种保持原位压力的沉秘物取样器，为丁适应不同的海底地 质条件，h y a c e 又分为两种：冲击式取样器f p c ( f u g r op r e s s u r ec o r e r ) 和旋 转式取样器h r c ( h y a c e r o t a r y c o r e r ) 。 目 * 镕 爪# 自口潸 # n 霹自 2 # 圈 高腔 m 自謇 o 岛淹镕头 图1 3 ，结构图削i a 琥c 结构图 f p c ( 图1 3 ) 利用震动冲击装置驱动钻头前部的取芯筒，可贯入沉积物中 1 浙江大学硕士学位论文 1 朋左右。当取样完成后，钢缆提升取芯筒至压力腔，通过一个特殊的下翻盖密 封保持压力。即c 设计最高保持压力为2 5 m p a 。这种冲击式取样器适用于在非 岩性沉积物( 从软泥、沙到砂砾) 中取样，样品直径5 8m m 。 h r c ( 图1 4 ) 利用反转m o i n e a u 马达驱动钻头前部管靴，可深入沉积物 达l 忉左右。类似即c ，h r c 也是通过一个特殊的下翻盖密封保持压力，最高 压力可达2 5 m p a 。这种旋转式取样器可用于硬质岩化的沉积物取样，样品直径 5 0 m m 。 h y a c e 采集的样品可以无压降的转移到其他压力腔中，实现实验室内的保 真分析，其操作流程如图1 5 所示。 图1 3h y a c e 保真分析操作流程 1 9 9 7 年开始的欧盟海洋科学和技术计划( m a s t ) 研制了新型的天然气水 合物保压取芯器h y a c e 系统。其性能与p c s 相比有较大的提高，样品直径加 大，并且在取样结束后，可以在保压状态进行后续实验室检测，可为地球科学、 环境科学和海洋资源研究的开展提供有效而实用的手段。 由上述论述可知，深海沉积物取样器经历了从非保真取样器( 重力取样器) 到保真取样器( p c s 、p c b 、p t c s 、深海沉积物保真取样器) 的发展过程。非 一8 一 浙江大学硕士学位论文 保真取样器设备简单，操作方便，但不能保温保压取样；保真取样器保真效果 好，取样深度较大，易于实验室分析，但设备复杂，故障率高，造价相对昂贵。 1 2 4 国内沉积物取样技术 目前我国的船载沉积物采样设备中，能获取较高质量沉积物样品的设备是 多管采样器( m u l t i p l ec o r e r ) 和沉积物保真取样器。 多管采样器采用了c r a i b ( 1 9 6 5 ) 单管取样器的水压阻尼原理，控制取样 管缓慢地插入沉积物中，从而可以尽可能地保留近底层海水和絮凝状的表层沉 积物样品，然而从样品采集到调查船的甲板有一个比较长的过程，一般5 千多 米的水深要2 3 个小时，并且在这个过程中压力和温度是在不断变化之中，多 管取样器最大的缺陷是在采样器回收过程中样品不能保真保存，导致样品中气 相溶解组份散失、嗜压型微生物死亡、变价离子氧化态改变以及有机组份分解， 部分指标很难反映沉积物在深海的真实情况，从而不能满足特殊的科学研究需 要。 沉积物保真取样器则没有很好地解决样品扰动的问题。浙江大学( 刀“十 五，期间在8 6 3 计划的支持下开发了深海沉积物保真取样器【3 7 1 ，实现了对4 0 0 0 m 左右的沉积物进行保压采样，保压指标达到了9 5 。可惜的是，该设备没有很 好地解决样品扰动的问题。主要缺陷在于该取样器的机械结构设计使得取样 管取样时快速插入沉积物，容易产生压力波效应，扰动表层沉积物：为了实 现保压，该设备在传统取样机构的上方增加了一套保压舱体，在采样完成后将 沉积物样品拉到保压舱体里保压，其机械结构在拉动沉积物样品在进入保压舱 体和密封时不可避免地产生的强烈冲撞，结果振动了沉积物样品，甚至有时样 品会脱落；为防止样品脱落，又在取样管底部增加了沉积物支撑花瓣，该花 瓣装置也会在采样时造成样品的扰动。 综上所述，两者存在的最大问题是采样时都采用机械释放机构，取样器一 着底就开始采样，视像资料显示，在恶劣的海况下作业很容易造成二次插拔， 扰动了样品，这严重影响所采集样品的真实性和可信度，对样品的后期处理和 研究带来偏离和误导。因此，目前海底科学的研究追切需要能无扰动高保压可 视控地获取深海沉积物样品的取样设备。 一9 一 浙江大学硕士学位论文 1 3 课题研究的目的和意义 可靠的深海沉积物样品的获取是研究海洋生态环境、海洋地质、生物地球 化学循环、全球环境和古环境等科学的先决条件。由不同途径搬运至海洋的物 质绝大部分最终都将以沉积物的形式保存下来。在进入沉积物之前，这些物质 将经历复杂的生物、化学过程，且在沉积过程中也将继续这些反应，因此通过 对沉积物进行一系列的从宏观到微观、从物理到化学、从无机到有机、从定性 到定量等的特征信息的分析研究，可了解地质历史上的沉积环境，沉积物的工 程特性，以及现代医学需要的微生物，更好地理解变化着的海洋环境。随着研 究的不断深入，如何高质量地获取沉积物样品成为当代海底科学研究的一个瓶 颈，特别是针对表层沉积物中深海微小型生物生态、深海基因以及水沉积 物界面、气体组份分析等方面的研究，科学家们更是希望能获得接近原始状态 的深海沉积物样品。但是，由于取样的不确定性，如取样器的不同、沉积物所 处深海环境不同等导致许多样品信息的准确性和标准化。因此，如果我们能做 到对样品的保真取样( 原位取样时形状低扰动和整个取样过程中的无压力突变) 的话，上述问题就不复存在了，这对于整个海洋科学考察都将是一大进步。 目前我国在无扰动保真取样方面仍处于空白状态，获得最接近原始状态的 海底表层样品的保真取样技术具有重要的科学意义和研究必要性。所以本论文 针对深海海底松软的沉积物，综合分析了深海沉积物采样过程中存在的扰动情 况，提出一种自带动力、可控进行采样和样品高保压处理的沉积物取样方案。 对其中的关键技术进行理论分析和研制，分别解决采样前压力波效应冲散表 层沉积物，取样时取样管多次插拔样品受挤压，以及取样后保真处理过程 中的样品受振动脱落等扰动问题。希望通过深入研究无扰动关键技术，研制一 套深海沉积物无扰动直视高保压取样设备，为深海保真取样提供无扰动理论基 础，为各类工作在深海的保真取样设备研制扫清主要技术障碍。 1 4 课题的主要研究内容 本课题将围绕无扰动取样和样品保压保存两大主要内容及相关的动力、结 构等技术进行研究，并在此基础上，提出深海沉积物无扰动高保压直视取样设 备的整体设计方案。具体内容如下： 一10 浙江大学硕士学位论文 1 ) 无扰动接触取样的技术研究 对于深海沉积物，保真取样有两层意思：取样过程样品形状不受扰动和压 力、温度在允许范围内变化。事实上，这二者可能是同一过程的不同表现而己， 样品形状上的扰动可能也就意味着其压力己经发生变化。以前的沉积物取样装 置都是采用机械释放机构，直接采样，对沉积物产生的扰动比较大，而且容易 引起二次插拔( 如前所述) ；取样器进行沉积物无扰动采样必须进行可控操作， 这就要求设备具有水下动力。本内容主要研究如何无振动地为缓慢均速采样及 保真处理过程提供水下动力，以及在采样过程中容易引起样品扰动的那些因素； 通过解决这些扰动因素，最终实现采集到尽可能接近原始状态的深海沉积物样 品。 本文将对取样筒取样的驱动方式进行研究，并采用样品衬筒直接插入沉积 物中进行取样的方式，确定理想的样品衬筒结构和尺寸，另外还主要研究取样 器机械机构影响样品扰动的因素，通过机械结构优化设计达到降低取样过程中 样品扰动的目的。 2 ) 样品无扰动现场保压的技术研究 样品保压保存是无扰动采样的一个关键。在沉积物保真取样方面，本论文 研究在原来沉积物保真采样的基础上加以改进，开发无扰动现场高保压技术， 即重点研究样品保压处理过程中实现防振动、防脱落、防粘连、导流等相关功 能的结构。 3 ) 无扰动取样系统的总体结构研究。 对取样设备的总体结构进行研究，合理布局各项装置，特别是对高压仓、 保压装置、油缸等体积较大装置的结构和位置要进行重点分析和特殊设计，尽 量减少取样器的横截面积，以避免取样器在着底过程中产生的压力波效应，扰 动表层沉积物。 4 ) 深海沉积物无扰动高保压直视取样设备设计方案 本课题是国家8 6 3 资助项目，研制一套自带动力、无扰动地采集到接近原 位状态深海沉积物的采样设备。主要的技术指标如下： ( 1 ) 工作水深：1 0 0 0 - 6 0 0 0 m ( 按最大水深6 0 0 0 m 设计) ( 2 ) 取样深度：不小于3 0 c m 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 样品直径：口7 3 r a m ( 4 ) 样品质量：沉积物无扰动，上覆水不交换 ( 5 ) 样品保压指标：上船后压力不低于采样点原位压力的5 ( 6 ) 样品保温指标：上船后温度变动量不超过2 在满足合同要求的基础上，本设计方案中采用两个采样筒同时采样，其中 每个采样筒都按上述技术指标进行设计。 一1 2 浙江大学硕士学位论文 第2 章驱动方式降低样品扰动的技术研究 摘要：本章主要对取样管进行采样的驱动方式进行研究，在此基础上提出采用压力适应型液 压油源的驱动方式：最后，对压力补偿技术进行了研究和仿真，以达到降低压力变化的目的， 提高液压驱动装置的可靠性，最终实现降低取样过程中样品形状扰动。 关键词：驱动方式；压力补偿；深海液压；无扰动 2 1 取样管驱动方式研究 要想获得最接近原始状态的深海沉积物样品，对驱动取样管进行采样的方 式进行研究是必要的。通过比较分析几种驱动方式，探讨了能在深水提供动力 的方案，最终确定用多级液压油缸与取样简直接连接，由压力适应型油源驱动 油缸杆，带动取样筒取样；通过液压驱动的方式可控制多级油缸的速度，从而 实现可控地进行沉积物采样。 2 1 1 机械释放机构驱动( 利用重力取样) 机械释放机构驱动取样管进行采样的方式，就是利用设备的机械结构设计 让取样筒在重力作用下直接插入沉积物进行采样，即属于被动取样。 目前我国的船载沉积物采样设备中，能获取较高质量沉积物样品的设备是 多管采样器( m u l t i p l ec o r e r ) 和沉积物保真取样器。因为多管采样器不能保真， 所以沉积物保真取样器可作借鉴。两者共同点是采样时都采用机械释放机构， 取样器一着底就开始采样，视像资料显示，在恶劣的海况下作业很容易造成二 次插拔，扰动了样品，这严重影响所采集样品的真实性和可信度，对样品的后 期处理和研究带来偏离和误导。 总之，采用机械释放结构虽然操作简单，易于控