深海原位取芯钻机作业机理分析及实验研究.pdf

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1、第34卷第1期2015年2月海洋技术学报JOURNALOF0CEANTECHNOLOGYV01．34．No．1Feb．2015深海原位取芯钻机作业机理分析及实验研究杨磊1，丁忠军1，李德威1，李宝钢1，杨雷1，任玉刚1，刘庆亮1，刘敬喜2(1．国家深海基地管理中心，山东青岛266061；2．济南拓扑液压有限公司，山东济南250100)摘要：针对深海运载器海底岩芯原位取样作业需求，对基于水下运载器的深海原位取芯钻机在深海低温、高压、底层流速多变等特点条件下的作业机理及受力进行分析，并选取硬质合金钻头和pDc钻头进行了取芯钻头的轴向力、切向力和切削功率的数学力学对比计算，确定了单环四齿周向均布的

2、金刚石复合片(PDc)钻头设计方案。在理论分析基础上，针对深海钴结壳设计了台架试验，开展钻进试验研究。通过理论计算和实验研究，探寻了一种基于深海运载器的钴结壳小型钻机设计方法．确定了钻机功率、转速、钻进正向压力和取芯率等基本参数选取范围，对开展海底岩芯原位取样作业具有重要的指导意义。关键词：微型钻机；岩芯取样；深海运载器中图分类号：P716+．7文献标志码：A文章编号：1003—2029(2015)01—0038—05海底岩芯样品是海洋地质学家研究海洋地质形态、地层演变规律和成矿特点等问题的重要手段和途径，而如何实现定点、原位、保真取样尤为关键。其中，通过搭载遥控潜水器(ROV)或载人潜水器

3、(HOV)的小型岩芯取样钻机发挥了巨大的作用，为获取高质量的深海岩芯样品提供了重要的作业工具。国外在深海运载器载体研究方面起步较早，相应的配套作业工具较为先进。深海原位岩芯取样钻机是获取海底岩芯样品的主要作业工具之一，可在海洋大陆架表层进行地质钻探、取样和矿物资源调查，表1所示为国内外基于深海运载器的海底岩芯微型取样钻机统计情况。表1基于深海运载器的海底岩芯取样钻机统计情况笋嚣甚彳家蕞怠器作业水深7000m，液压驱动美国可同时取多块岩石样品搭载MagellanRoV俄罗斯A阴YC号取芯器英国CONSUB号取芯器法国ST_I号日本Shelll(ai6500号载人潜水器蛟龙号潜水器用岩石取芯器其

4、他基虢勰2淼俄罗斯瓣篙主罐意：贸及1000r／mjll，钻进深度200mm，俄罗斯烹。鼍黑11叫队甓瓮二1。掣“从宰占头直径25mm⋯⋯⋯1’⋯”“。。。。⋯、液压驱动，作业水深3000m英国具体参数不详液压驱动，作业水深2000m法国箍彗花岗岩、玄武岩以及苴它作业水深6500m，液压驱动，。+钻进花岗岩、玄武岩以及其它金刚石钻头“”硬岩，取芯长度200mm俄罗斯的APTYC号深海运载器搭载英国CONsUB号运载器搭载法国的ST．I号运载器搭载日本Shenkai6500号运载器笾凿奢需。品?躲鑫游g，转中国取芯直径30·砌，长度150mm搭载蛟龙号载人潜水器例如，美国MBAⅪ遥控潜水器Tmu

5、RON搭载过取芯器，美国seanic公司商业化液压岩心钻机，以及美国“I的POS”号R0v、“ven扭na”号I的V均搭载过水下岩芯取样器。收稿日期：2014一10—20基金项目：山东省科技发展计划资助项目一蛟龙号载人潜水器海底岩芯原位取样装置关键技术研究(2013GHYl1501)作者简介：杨磊(1982一)，男，博士，主要研究方向为深海装备研发、机械设计、水下运载技术。Email：yangsir@ndsc．org．cn第1期杨磊，等：深海原位取芯钻机作业机理分析及实验研究39纵观国内外研究现状，微型原位岩芯钻机均通过搭载水下运载器实现取样作业，其作业环境为深海海底岩层。深海海底环境通常具

6、有高压、低温、底层流多变等不确定因素，与陆上钻机相比，深海钻机的钻进机理有着较大差异，钻进过程中可能存在多种不利地质地况因素，因此深海海底钻机多具有高效性、低功耗、高硬度、保真性等特点。本文通过对深海原位取芯钻机设计特性、工艺性能和作业机理进行分析及实验研究，探索搭载于水下运载器的钻机涉及的关键技术，为深海小型钻机的优化设计、钻进策略优化提供技术支撑。1钻机作业机理与受力分析1．1钻机作业机理分析钻机的作业特征对象为深海海底不同特征的岩石，譬如结壳、基岩及其他。依据岩石抗压强度>剪切强度>抗拉强度的力学性质，考虑采用剪切或切削的作业方式破碎岩石，这将是一种高效的作业方式。通过对比发现，以往的

7、硬质合金镶齿的刮刀钻头虽然被称为剪切或切削型钻头，但由于硬质合金不耐磨，在实际钻进中长时间处于刮削而非切削状态，切削刃很快磨损，不能有效破碎岩石。相比之下，复合片钻头的切削块具有金刚石耐磨层(一般为1．5mm左右)，硬度高、刃口锋利，比一般的硬质合金的耐磨性高约100倍，且其刃尖前、后聚晶层能实现同步磨损或剥落，且硬质合金底层超前磨损后在切削过程中具有刃口自锐(如图1)。钻具锐利的刃口剪切人岩石，在扭矩作用下