摘要
我国资源勘探逐渐向深层勘探发展，由于我国地域辽阔，遇到的地层具有相当的复杂性和多样性，给深部资源勘查工作带来较大困难。绳索取心因其“四高、三低、两好”的优点成为目前深部资源勘查工作常用的取心方法之一，但依然存在复杂地层岩心采取率低、内管打捞失败等缺点。为了提高绳索取心钻具在复杂地层的岩心采取率，对S75型钻具的割心机构进行了结构性优化，针对基础设计采用ABAQUS进行动态模拟仿真。结果表明，改进后的钻具尺寸合理，结构紧凑，可以实现采用一套钻具完成复杂地层的取心工作，具有全地层自适应能力，不需在钻遇松散软、硬脆碎地层时更换钻具，有效提高内管打捞成功率。
能源安全是我国国家安全的重要组成部分，我国浅表层资源勘探存量越来越少，资源勘探逐渐向深层勘探发展。“十四五”规划中，将“深空深地深海和极地探测”列为科技前沿领域攻关的项目之一，是强化国家战略科技力量的重要组成部分。
绳索取心钻进技术在深孔钻探中具有显著的优势，在国外先进地区早已成为一种常规钻探技术。美国、加拿大以及澳大利亚等国家的绳索取心钻进工作量早在20世纪70年代就占金刚石岩心钻探工作量的90%。我国由于起步较晚，绳索取心钻进技术应用水平还达不到世界先进水平。但随着我国钻探行业的发展，绳索取心钻进技术将在深孔钻探中得到进一步应
由于我国幅员辽阔，在钻探过程中遇到的地层具有相当的复杂性和多样性。仅仅是我国境内青藏高原地区，就面临着活动断裂与工程断错、特殊岩土体与不良工程地质特性、高地应力与高温热害等问
绳索取心钻进被广泛认为拥有“四高、三低、两好”的优点，即工程质量高、时间利用率高、钻进效率高、钻头寿命高；事故率低、劳动强度低、设备材料消耗低；地质效果好、经济效益
目前深孔复杂地层绳索取心钻进技术存在的问题主要包括内管钻具打捞失败、岩心卡断失效、冲洗液循环阻力大、到位报信机构可靠性较差、岩心易冲蚀、卡钻事故频繁
通过调研绳索取心钻具常见的问题，以实现复杂地层顺利取心为研究目标，对已有的绳索取心钻具的割心机构进行结构优化并借助ABAQUS进行动态模拟仿真，提出针对于复杂地层的绳索取心钻具结构优化方案。对于深部复杂地层快速高效岩心采取具有工程意义和实用价值。
选择S75型绳索取心钻具进行优化改进，
图1 绳索取心钻具装配
1—捞矛头；2—捞矛座；3—弹簧销；4—回收管；5—弹卡座；6—张簧；7—弹卡；8、9—弹卡销；10—复位簧；11—弹簧销；12—阀体；13—定位套；14—弹簧；15—垫圈；16—调节螺堵；17—悬挂接头；18—阀堵；19—螺母；20—接头；21—轴；22—弹簧销；23—碟簧；24—滑套；25—调节螺母；26—调节螺栓；27—轴承套；28—轴承；29—轴承座；30—轴承；31—弹簧；32—垫圈；33—螺母；34—弹簧座；35—钢球；36—调节螺母；37—调节接头
绳索取心钻具内管总成分为捞矛、弹卡定位、悬挂、到位报信、岩心堵塞报警、单动、内管保护、调节、扶正、内管、岩心卡取等机
绳索取心钻进遇到坚硬致密地层时，由于卡簧内部磨损严重，未能及时更换，卡簧与岩心之间的摩擦系数降低，岩心管满后不能顺利拉断岩心，导致岩心采取率低，严重时岩心甚至可能全部丢失。另外，目前野外应用的绳索取心钻具卡簧设计宽度较小，卡簧内表面与岩心外表面接触面积小，无法提供足够的摩擦力拉断岩心。而钻进松散破碎地层时，由于地层粘结性弱，岩心较破碎，易从割心工具孔隙内掉落，同时冲洗液冲蚀作用也会导致岩心流失，因此常常遇见松散软地层取不上岩心的情
新型取心机构引用了全封闭岩心爪，以同时满足钻进坚硬致密地层和松散破碎地层的要求。如
图2 新型取心工具拔取完整岩心示意
在遇到松软破碎地层时，新型割心机构的割心方式自动变为自锁式和重力加压式组合。如
图3 新型取心工具遇破碎松软地层工作示意
通过以上设计，新型割心机构既能完成坚硬致密地层的取心目标，也能有效地防止松散破碎地层岩心掉落的风险，克服了传统绳索取心钻具在钻遇复杂地层时岩心采取情况不理想、需要频繁更换配套钻具的缺点，很大程度上提高了钻进效率。
割心机构的基础设计如
图4 割心机构基础设计
图5 割心状态
图6 转轴受力弯曲示意
在钻进时，岩心通过钻头进入岩心内容纳管，此时岩心爪位于岩心内容纳管和岩心管之间的环空间隙中。由于岩心内容纳管的长度小于岩心管的长度，随着钻进过程的进行，岩心内容纳管将逐渐被岩心顶起，直到岩心内容纳管底面高于岩心爪。通过特殊的设计，岩心爪在未工作时也有绕转轴向内旋转的倾向。如
为了研究割心机构薄壁岩心爪在实际应用中的使用情况，采用ABAQUS数值模拟软件进行模拟仿真。在岩心内容纳管的模型仿真中，根据设计尺寸建立模型。主部件和辅助部件一共10组，岩心爪、转轴、岩心内容纳管和外容纳管均采用常见的钢材料参数设置，密度为7.8 g/c
在岩心内容纳管的仿真过程中，岩心受力主要依靠岩心内容纳管对岩心爪的作用力提供，转轴变形提供给岩心爪的作用力相对于岩心内容纳管提供的作用力可以忽略不计。因此仿真时可以直接在初始分析步骤中将岩心爪、岩心、岩心内容纳管设置为岩心恰好顶起内容纳管、岩心爪还未落下的状态，划分网格后如
图7 岩心内容纳管模型装配与网格划分
模型仿真分析分为2个步骤，步骤1模拟岩心进入岩心内容纳管后，内容纳管在轴压作用下向下运动，然后与岩心爪相撞，使其楔入岩心的过程。步骤2模拟提钻时岩心与割心机构相对运动的过程。
步骤1中，边界条件设置为岩心外容纳管、接头和岩心爪底座完全固定，从而岩心内容纳管和岩心只能沿轴向运动，岩心爪绕转轴运动，荷载设置在岩心内容纳管上，为压应力。
步骤2中，保持步骤1中的荷载不变，在岩心底部另外施加拉应力，模拟岩心拉拔的过程。
由3.1.1可知，理论上来说模型中岩心爪削尖后得到的结果应该更接近理论计算结果，且由于厚岩心爪容易与岩心内容纳管发生碰撞导致岩心爪变形，为了减小岩心爪与岩心内容纳管碰撞的概率，可以将岩心爪顶端和岩心容纳管底部削尖。为了验证薄壁岩心爪在实际应用中的使用情况，采用ABAQUS对薄壁岩心爪的工作情况进行模拟仿真，使用的参数与3.1.1节相同，
图9 薄壁岩心爪模型装配与网格划分
分析步骤和边界条件设置与3.1.1相同。
提交模型计算后得到仿真计算结果，其动态仿真过程如
图10 薄壁岩心爪动态仿真结果
将仿真计算的应力云图上限调至200 MPa，可以看出，在岩心容纳管施加作用力时，薄壁岩心爪也会给岩心施加一定的应力。如
在3.2.2节分析的基础上，将岩心爪刚度提高10倍后进行仿真分析。其余参数和设置保持不变。
随着施加在岩心内容纳管上的压力不断增大，岩心内容纳管上的应力也不断增大，当岩心内容纳管与岩心爪相接触时，岩心爪受到岩心内容纳管上的压力从而楔入岩心。将变形与应力云图上限调至200 MPa，如
图11 岩心与岩心爪应力变形云图
从
（1）以实现全地层自适应绳索取心为研究目标，对已有绳索取心钻具的割心机构进行结构优化，研制出一种单动三管全封闭割心机构。
（2）经改进后的钻具在钻进硬岩地层时，在岩心内容纳管作用下，岩心爪顶部楔入岩心，岩心与钻具相对运动使岩心爪拔断岩心，达到硬岩地层取心的目标；钻进松散软及破碎地层时，岩心爪楔入岩心并继续向内旋转，形成全封闭状态，减少了钻进松散软及破碎地层时岩心掉落的风险。
（3）利用ABAQUS有限元分析软件对割心机构中的岩心内容纳管和薄壁岩心爪在岩心内容纳管有轴压的条件下进行仿真分析，针对基础设计存在的不足对割心机构进行了优化设计。结果表明改进后的割心机构能够避免薄壁岩心爪过度扭曲，满足复杂地层的取心要求。
（4）由于加工精度和设计方面的问题，没有对优化后的割心机构进行现场实验，因此无法客观评价其使用效果，后续将进一步对参数进行优化后重新加工一套钻具进行现场实践，从而验证其实际效果。
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