海底液动冲击取样装置的设计与应用

海底液动冲击取样装置的设计与应用

随着能源问题日益严重，世界各国都把海洋资源作为推进，以开展海洋资源的勘探和开发，为海洋资源的勘探和开发奠定了基础。无论是海洋勘探研究还是海上工程、港口建设和海防，海底样品的采集和应用，对于设备要求低、样品成本低、钻孔操作简单等特点，海底样品的液动化样品装置引起了人们的注意。样品装置与一般拖运船之间仅以钢绳连接，可适应不同水深、波浪和风速等复杂的施工环境。因此，它具有广阔的发展前景。1海底支撑装置工作原理海底液动冲击取样装置主要由液动冲击器、液动冲击取样器、卷扬系统及水下支撑装置组成.其中,水下支撑装置由滑环、支腿及支腿张角调节装置构成.支撑装置的三个支腿之间是彼此相互独立的,可以根据地层情况及水流情况分别单独调节各自的张开角度,从而确保取样装置在取样水域水流冲刷力作用下能平稳支撑,而且通过调节各支腿的张角,保证取样器工作时的垂直度.取样钻进时,钻具经由拖运船只的特定位置吊放至海底,从而自动打开支撑装置的锁定器,使支架依靠重力作用在吊放过程中自然张开.如图1所示.取样时,拖运船只抵达预定取样地点后抛锚定位,然后将取样钻具通过钢绳提拉吊放至海底,依靠钻具的支撑机构平稳支撑于海底.随后,拖运船只上的高压泵开始工作,高压水经过换向阀、输水胶管至海底冲击器,驱动冲击器工作,冲击取样器外管/钻头,使取样器贯入海底地层获得进尺.在取样器进尺的同时,取样器上部的抽吸泵抽吸内管/衬管中的海水,在取样器内管内形成局部低压,试样在取样器内管/衬管内外压力差的作用下可以顺利进入.当钻进至预定深度后,卷扬系统缠绕钢绳,将取样钻具提至拖运船只.提拉钢绳的同时,改变拖运船只上操纵台换向阀的水流方向,促使高压水进入胶管缠绕装置,冲击腔内水涡轮旋转,带动胶管缠绕装置工作,与卷扬系统同步缠绕胶管.在钻具提离孔底时,钻具的海底支撑装置在自重的作用下逐渐收拢,当钻具完全提离海底时,支撑机构完全收拢.2抽吸泵的应用海底液动冲击取样器主要包括抽吸泵、钻头、外管、内管及样品容纳管(聚乙烯材质衬管)等部分.其中,抽吸泵是保护试样的重要元件.抽吸泵抽吸形成取样器容纳管(聚乙烯材质衬管)内外压力差是保证所取柱状样品顺利进入试样容纳管(衬管)的重要措施,也是确保样品质量的有效手段.可见,抽吸泵的性能将直接影响到试样质量和取样效率.因此,对抽吸泵性能进行分析、研究是非常必要的.2.1会计抽吸泵抽吸液内样品,或样品会是内吸液内.抽吸泵位于冲击取样器上端,实质是一单缸柱塞泵,且泵的活塞与液动冲击器的活塞冲锤为一整体.因此,在冲击取样过程中,冲击器正常工作撞击取样器外管获得进尺的同时,抽吸泵抽吸取样器内样品容纳管(衬管)中的海水,在容纳管内形成局部低压区,从而保证所取试样在压力差的辅助作用下顺利装入.冲击器回程过程中,抽吸泵活塞上行,液缸内容积增大,压力迅速降低,致使样品容纳管内与取样器外钻头部位水压形成压力差,辅助试样顺利进入容纳管;冲击器冲程阶段,泵活塞下行,液缸内容积减小,缸内液体压力急剧增加,使液压缸内液体排出.排出液体不经过取样器容纳管,直接经抽吸泵排出孔排出.2.2kepf基因回复突变段k-b—抽吸泵吸入过程中泵活塞表面的压力变化抽吸泵工作过程中活塞的运动速度是变化的,因而流体属不稳定流体即非恒定流——流体在运动过程中,压力和速度不但是位移的函数,而且是时间的函数.分析时,以取样海床表面作为基准面(o—o),并取基准面指向地层方向为位置坐标正方向,钻头下端面(a—a)液面作为吸入端液面,取样器水流排出孔处液面(b—b)为排出端液面,抽吸泵活塞下端面(c—c)为研究面(如图2所示).并且认为,海平面压力为大气压力且保持恒定.对a—a,c—c面之间应用伯努利方程并解得p2=[(H+h)+(Z1+Z2)−(v22/2g)−ΔhI−hL]γ(1)p2=[(Η+h)+(Ζ1+Ζ2)-(v22/2g)-ΔhΙ-hL]γ(1)式中:Z1为c—c面水位相对于基准面的高度;Z2为a—a面水位相对基准面的高度;p2为泵活塞表面压力;v2为泵活塞的运动速度;hL为不稳定流的惯性水压;ΔhI为液体流动时所克服的各种阻力;H为取样作业区的水深;h为取样钻进深度.式(1)表明,抽吸泵吸入过程中活塞表面的压力小于吸入端液面上的压力.在这一压力差作用下,液体克服惯性水头、水力损失及使液体流动所必需的速度水压v2/2g,使液体从样品容纳管(衬管)进入液体缸内.2.2.1抽吸泵监狱内管/衬管抽吸量的确定抽吸泵吸入过程中,惯性水压hL可以分为两部分:液压缸内惯性水压hL1,吸入管路中惯性水压hL2.抽吸泵是通过与其相连接的取样管内管/样品容纳管(衬管)抽吸液体的,因而可将内管/衬管看作是抽吸泵的吸入管路;同时由于液体缸的长度与吸入管路相比可以忽略不计,从而有hL=hL2.即hL=hL2=Lg⋅AA1⋅v2(2)hL=hL2=Lg⋅AA1⋅v2(2)式中:L为抽吸泵吸入管路长度;A为抽吸泵活塞面积;A1为抽吸泵吸入管路截面积.2.2.2装置的液体压力ps和阀板面积pv抽吸泵吸入过程中,水力损失同样认为由两部分组成:一部分是吸入管路中的水力损失ΔhI1,一部分是液体通过吸入阀时产生的水力损失ΔhI2.ΔhI1=ξ[(A/A1)/v2]2/2g(3)ΔhI2=(px−ps)/γ=(G+Fs)/Av(4)ΔhΙ1=ξ[(A/A1)/v2]2/2g(3)ΔhΙ2=(px-ps)/γ=(G+Fs)/Av(4)式中:ps为作用于阀板上面的液体压力;px为作用于阀板下面的液体压力;Av为阀板的面积;G为弹簧和阀板在液体中的重量;γ为海水的重度;Fs为阀关闭时弹簧的预压力.由于在冲击器的冲程阶段(抽吸泵的排出阶段),活塞缸内的流体经泵的水流分配盒直接排出,并不经过取样器的内管(衬管).因此,水流排出阶段抽吸泵不产生抽吸力.受篇幅所限,这里省略.2.3初始速度v0液动冲击取样装置的取样器抽吸泵工作过程与其上部冲击器的工作过程是相关的,抽吸泵在冲击器冲击做功的同时完成抽吸过程.可将冲击器冲锤/活塞运动过程划分为冲程过程和回程过程,分别对应于取样器抽吸泵的排出过程和吸入过程.冲击器工作过程中,冲锤/活塞是复杂的变加速/变减速运动过程.并且其运动方程是二阶微分方程(见式(5)),同时冲锤/活塞的受力状态随其位移和时间变化,很难求得解析解.d2xdt2=1m[(S1−S2)(pj−pb)−Ft]−g(5)d2xdt2=1m[(S1-S2)(pj-pb)-Ft]-g(5)由式(5)可积分求得冲锤/活塞的速度微分方程v=v0{[(S1−S2)(pj−pb)−Ft]/m−g}Δt(6)v=v0{[(S1-S2)(pj-pb)-Ft]/m-g}Δt(6)式(5),(6)中:m为冲锤/活塞质量;pj为进水压力;pb为背压;S1为活塞作用面积;S2为活塞杆面积;Ft为冲锤/活塞受到的阻力;v0为任意时间间隔内初始速度;Δt为计算时间间隔(计算步长).由于冲锤/活塞的运动方程和相应的伯努利方程的边界条件比较复杂,只有很少特殊条件下可以求得解析解,通常情况下只能求助于数值解:应用有限差分原理,将冲击器冲锤/活塞的运动过程划分为许多微段,联立冲击器冲锤/活塞的运动方程和流体的伯努利方程,在选定的计算时间步长内将冲锤/活塞运动视为准静态过程,即假定冲击器冲锤/活塞在某一时间微段内是在恒定力作用下运动一微段距离,且流体状态参数随冲锤/活塞的位移变化.将上一微段末了的状态参数作为已知数值输给下一微段,依次重复计算.冲击器数值分析结果见图3.由图3可知,抽吸泵的抽吸力(抽吸泵活塞下表面与吸入端液面之间的压力差)与液动冲击器的结构参数紧密相关.冲击器的冲锤/活塞重量、行程及活塞杆直径的变化将导致冲击器的活塞运动速度的变化.因取样器抽吸泵的活塞与冲击器的冲锤/活塞是一整体,冲击器冲锤/活塞的运动规律既是取样器抽吸泵活塞的运动规律.由式(6)可知,某一时刻泵活塞速度的改变,必将使该时刻活塞表面的压力改变,引起取样器容纳管/衬管(分析中将取样器容纳管/衬管看作抽吸泵的吸入管路)内压力变化,从而使抽吸泵抽吸力发生变化(上述变化是在抽吸泵或冲击器的一个工作周期内的变化规律).可见,冲击器结构参数的调整,将直接影响冲锤/活塞的运动状态而导致其性能参数的改变.在取样钻进时,可根据地层情况及取样需要等现场实际条件选用合适的冲击器结构参数,从而以求最大限度地适应复杂的取样作业环境,以期获得最佳取样钻进效率,达到改变抽吸泵性能参数、确保有较好取样效果的目的.3取样管和试样设计取样钻进过程中,地层必然对取样器有环压的作用而导致钻进中的摩阻力增加,钻进效率随之降低.为减小钻进阻力,设计时特别使取样器外径略小于钻头的最大外径,在地层与钻具间形成一有效间隙.同时,为充分利用钻进过程中取样钻具的排出水压,取样器的排出孔设计于取样管的最下端.这样,钻进中排出的水流经排出水孔喷射而出冲刷孔壁,辅助增加孔径,并可使孔壁与钻具的环状间隙充满液体,平衡地层环压,润滑钻具,达到有效降低钻进中地层阻力的目的.为减小取样钻进中冲击振动对试样的扰动,将取样器的取样管设计为三重管结构,外管传递动力,内管保护衬管(聚乙烯材质),衬管容纳试样.并通过结构的细部设计,避免取样过程中内管剧烈振动对试样造成大的扰动,达到保护试样的目的.同时,聚乙烯衬管方便样品的取出.封装和运送.取样器设计为分体式——整个取样管分割为三节,每节3m.内管、外管采用螺纹联结,保证有足够的联结强度;聚聚乙烯衬管采用插接形式,联结于内管中的衬管扶正器内,以方便试样的移出.总之,取样长度是可调节的,根据实际要求获取3m,6m,9m不同长度试样.海底液动冲击取样器结构示意图见图4.4液动冲击取样管.较其他常规的海底取样方法,液动冲击取样器具有显著的优点:(1)普通的无衬管取样器,对于松软的沉积层,一个回次取样完成后,样品的取出、封装等过程比较烦琐,非取样钻进的辅助作业时间较长,直接影响了取样的效率.但是海底液动冲击取样器由于聚聚乙烯衬管的应用,每回次取样完成后,样品可连同衬管同时自取样器内直接取出、封装,有效地减少了非取样钻进的时间消耗.因此,取样器的聚乙烯材质样品容纳管(衬管)可以极大地简化试样的取出过程.(2)常规取样器进行海底取样时,如果在试样达到临界取样长度后仍继续增加钻进深度,便会在管靴部位形成“土塞子”,使得取样管像“桩”一样埋入土层.这种“桩效应”对取样作业具有很大的负面影响.而液动冲击取样器取样管是在冲击力作用下贯入地层,土体内颗粒间内聚力减弱,使取样管内、外表面的摩阻系数显著减小;同时聚乙烯衬管(样品容纳管)的应用,使得衬管与样品的摩阻