摘要
针对大洋钻探硬岩取心钻具钻进效率低、取心效率低等问题,本文介绍了中国地质科学院勘探技术研究所研制的Ø185 mm规格中空螺杆马达井底动力绳索取心钻具的基本研制情况及陆地试验情况。研制过程中,通过理论计算和Ansys Workbench有限元仿真模拟,对中空式螺杆马达螺旋线型的结构进行了优化设计及动力学分析,并对万向节进行了受力安全分析,优选了材质,钻具攻克了多头小偏移量短节距中空转子和柔性中空万向节等关键技术,通过在陆地开展花岗岩块取心试验,验证了该取心钻具原理样机工作性能的可行性,为该钻具的工程应用提供了工作参数指导及匹配钻头的优选,也可为我国大洋钻探及深地科学钻探提供硬岩取心技术支持。
一直以来,钻穿地壳至地幔,探索地球组成是地质科学家追求的目标,陆地地壳平均厚度约17 km,而大洋地壳厚度只有几千米,海底地壳更薄,更有可能钻穿,因此,大洋钻探成为探索地球奥秘的重要途径。通过大洋取心钻探从洋底收集沉积物、岩石、流体和生物体的数据和样本,了解有关地球动态历史、过程和结构等基本问题,从而揭示地球板块构造、生命起源、资源能源分布、环境变化等影响因素、发展规律和趋
国际大洋钻探从DSDP、ODP再到IODP(1966—2023年)发展近60
与常规的RCB取心技术相比,孔底动力取心技术的最大优点是破岩过程中钻头的回转动力是依靠钻井液驱动,钻杆无需回转,这种钻进方式对钻孔的稳定性和钻杆受力更加友好,井壁安全和钻具安全性能大大提高,同时可以大幅提高钻进效率和岩心采取
中空螺杆马达井底动力绳索取心钻具是由中空螺杆总成和绳索取心总成两个部分组成。其中,中空螺杆总成包括中空转子马达总成、柔性中空万向节、传动轴总成、取心钻头等4部分组成,如

图1 中空螺杆马达总成
Fig.1 Hollow screw motor assembly
取心钻具规格需求为钻孔直径Ø216 mm,取心直径≥Ø55 mm,单次取心长度9.5 m,螺杆规格为Ø185 mm,马达设计的工作排量为15~40 L/s,最大扭矩≥11500 N·m。
中空螺杆因为要考虑中空结构,轴向各模块需要综合考虑取心钻具尺寸和螺杆结构尺寸,与传统螺杆马达的主要区别是转子和万向节部分。
中空螺杆转子使用了小偏移量短节距中空结构形式,采用多头和小摆动量的螺旋线设计,在增加扭矩的同时最大限度地提高了径向中空尺寸,同时,短节距设计可弥补因采用多线头造成的转速下降的问
中空转子马达总成主要由定子、中空转子组成,国内外常用的定子和转子共轭副主要有3种,分别为普通摆线等距线型、短幅摆线线型及内外摆线法线
设计的中空螺杆马达截面尺寸见

图2 Ø185 mm中空螺杆马达截面尺寸
Fig.2 Dimensions of Ø185mm hollow screw motor section
定子导程和转子导程是中空螺杆马达的重要参数,计算公式见
(1) |
(2) |
式中:——定子导程;——转子导程;——导程系数;——定子线型大径;N——中空转子头数。
中空螺杆马达的过流面积计算公式见
(3) |
式中:——过流面积;E——偏心距;——中空转子头数;——等距半径系数。
中空螺杆马达每转排量计算公式见
(4) |
螺杆马达的理论转速计算公式见
(5) |
式中:——排量。
马达总成压降计算公式见
(6) |
式中:——马达总成压降;——螺杆每级压降;——螺杆级数。
转子输出传递扭矩计算公式见
(7) |
式中:——转子输出扭矩。
转子轴向载荷计算公式见
(8) |
式中:——轴向力系数,一般近似取1。
转子离心力,针对多头中空螺杆马达在行星运动中产生得离心力为,其计算通用公式见
(9) |
式中:——中空转子质量;——中空转子公转角速度;——中空转子自转角速度。
考虑转子中空结构整体质量型对于常规转子质量减轻,在计算时需减去转子中空部分,将相关参数代入通用公式可以得出
(10) |
式中:——中空转子材料密度;——中空转子长度;——转速;——重力加速度;——转子中空部分半径。
经过计算,中空螺杆马达选择普通内摆线等距线型,马达头数选择9∶10,并在此基础上对螺旋线型进行优化,性能参数如
规格 型号 | 转子/定子头数 | 钻孔直径/ mm | 扭矩/ (N·m) | 轴向力/N | 离心力/N | 每转排量/(L· | 压降/ MPa | 钻速/ (r·mi |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
185 | 9∶10 | 216 | 12401 | 159944 | 1230 | 14.43 | 5.4 | 62~166 |
为满足中空螺杆硬岩绳索取心9.5 m取心长度设计需求,根据轴向结构计算,万向节的全长为5200 mm,柔性中空万向节结构见

图3 柔性中空万向节
Fig.3 Flexible hollow universal joint
柔性中空万向节是中空螺杆钻具的关键部件,其上端与中空螺杆马达的转子连接,下端与传动轴连接,工作时做回转和偏心的圆周运动,承受载荷比较复杂,不仅有扭矩,还有轴向力和偏心回转的挠性力,根据力的传递性,偏心回转的挠性力等效为中空螺杆马达的离心

图 4 柔性中空万向节受力模型
Fig.4 Force model of flexible hollow universal joint
柔性中空万向节在满足Ø85 mm内径前提下,分别选择45号碳素钢、42CrMo高强度合金钢以及TC4钛合金3种材质,使用Ansys Workbench软件,对其结构进行受力分析校核,并针对万向节通浆孔处造成的应力集中进行了模拟分析,优选柔性中空万向节材料和结构参
材料 | 弹性模量/GPa | 泊松比 | 弯曲许用应力/MPa | 密度/(kg· | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa |
---|---|---|---|---|---|---|
45号钢 | 2.09 | 0.3 | 55 | 4510 | 1080 | 355 |
42CrMo | 2.07 | 0.3 | 95 | 7895 | 600 | 930 |
TC4 | 1.1 | 0.34 | 90 | 7895 | 1100 | 990 |
柔性中空万向节的壁厚会直接影响传扭能力,为保证柔性中空万向节工作状态的稳定,需计算万向节的直径。在设计过程中,可将万向节近似看作传动轴中的空心转轴,因此选用空心转轴的弯扭合成强度轴径计算方法,计算公式见
(11) |
式中:——万向节直径;——弯曲应力;——弯曲许用应力;——扭矩;——离心力;——万向节长度;——校正系数;——内外径比例系数。
校正系数值是由扭应力的变化来决定的:扭应力不变时,=0.3;扭应力按脉动循环变化时,=0.6;扭应力按对称循环变化时,=1。根据中空螺杆马达井底动力绳索取心钻具工作特性,扭应力基本维持恒定,取0.3,是弯曲许用应力,柔性中空万向节工作时是对称循环弯曲应力作用。
将设计的中空马达性能参数带入公式分别算出3种材料的最小轴径分别:45号钢为Ø117.1 mm、42CrMo为Ø105.3 mm、TC4为Ø106.3 mm。
根据柔性中空万向节的工作状态,在其下端施加固定约束,上端施加设计的中空马达性能参数:Y方向的弯矩1230 N、扭矩为12401 N·m以及轴向力159944 N。通过Ansys Workbench对柔性中空万向节仿真分析,仿真分析云图如

图5 柔性中空万向节仿真分析云图
Fig.5 Cloud image of flexible hollow universal‑joint simulation analysis
综合考虑中空螺杆马达井底动力绳索取心钻具的工作环境以及工作特点,柔性中空万向节的许用安全系数n选择2.5,根据许用应力计算公式。可得3种材料的许用应力分别为:45号钢为142 MPa、42CrMo为372 MPa、TC4为352 MPa,其最大应力均小于许用安全应力,万向节的使用强度和刚度满足使用要求。
柔性中空万向节为内孔Ø85 mm的直杆设计,为满足其工作时的通浆需求,同时当外径Ø73 mm的岩心管置入后不能形成压降,按其环状间隙1.3倍的冗余,在其下端设计有4个Ø25 mm×85 mm的椭圆孔作为通浆孔,考虑开孔将会在此处造成应力集中,对其进行数值模拟分析。
通过Ansys Workbench有限元仿真分析通浆孔的应力,分别对3种材料进行分析,其中45号钢轴径依然选择117.5 mm,42CrMo和TC4理论计算轴径相近,为便于对比分析,二者轴径选择106.5 mm。
柔性中空万向节的下端施加固定约束,上端施加Y方向的弯矩1230 N、扭矩12401 N·m以及轴向力159944 N。通过Ansys Workbench对万向节仿真分析,结果如

图6 通浆孔仿真分析云图
Fig.6 Cloud image of mud‑through hole simulation analysis
分析结果如
材料 | 通浆孔最大应力 | 许用应力/MPa | 万向节总变形量/mm | 是否满足 |
---|---|---|---|---|
45号钢 | 359.33 | 142 | 36.342 | 否 |
42CrMo | 358.95 | 372 | 56.605 | 是 |
TC4 | 348.96 | 352 | 106.500 | 是 |
为验证中空螺杆马达井底动力绳索取心钻具的可行性设计,在陆地开展中空螺杆硬岩取心钻具的试验是更为经济有效的方式。在试验场地提前预埋花岗岩岩块,采用SDC-2500型车载钻机,配备RL-F1300型泥浆泵进行取心试验,选用设备见

图7 试验设备
Fig.7 Equipment for tests
为充分验证中空螺杆马达井底动力绳索取心钻具的工作性能,分别配套了牙轮取心钻头、金刚石取心钻头、PDC六刀翼取心钻头及PDC八刀翼取心钻头进行试验,如

图8 硬岩取心钻头
Fig.8 Hard rock coring bit
在浅表预埋1.2 m厚花岗岩块,见

图9 预埋花岗岩岩块
Fig.9 Pre‑buried granite blocks
孔位 | 钻 头 | 泵排量/(L· | 泵压/MPa | 钻压/kN | 用时/min | 进尺/m | 获取岩心/m | 取心率/% | 钻效/(m· |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 牙轮 | 38 | 6 | 97.55 | 13 | 1.2 | 0.7 | 58.3 | 5.54 |
2 | 牙轮 | 38 | 6 | 85~90 | 18 | 1.2 | 0.8 | 66.7 | 4.00 |
3 | 牙轮 | 38 | 5 | 70 | 39 | 1.2 | 0.55 | 45.8 | 1.85 |
4 | 牙轮 | 28 | 3.5 | 70 | 27 | 1.2 | 0.50 | 41.7 | 2.67 |
5 | 金刚石 | 38 | 5 | 85 | 82 | 1.2 | 1.2 | 100 | 0.88 |
6 | PDC(六刀翼) | 28 | 3.5 | 60 | 5 | 1.2 | 1.20 | 100 | 14.40 |
7 | PDC(六刀翼) | 28 | 3.5 | 60~80 | 7 | 1.2 | 1.20 | 100 | 10.29 |
8 | PDC(六刀翼) | 38 | 5.5 | 60 | 4.5 | 1.2 | 1.20 | 100 | 16.00 |
9 | PDC(八刀翼) | 28 | 3 | 60 | 7.5 | 1.2 | 1.00 | 83.3 | 9.60 |
10 | PDC(八刀翼) | 38 | 4 | 70 | 4 | 1.2 | 1.2 | 100 | 18.00 |
取心情况如

图10 不同取心钻头取心效果对比
Fig.10 Comparison of the coring results with different core bits
根据地表短距离取心效果,将外形尺寸为4块2.1 m×0.63 m×0.63 m的花岗岩块纵向叠放至9 m长的Ø920 mm钢管中,底部焊接封口后置入预设的Ø1000 mm孔内,花岗岩岩块与卷管之间灌入混凝土固定,制备了约8.4 m的硬岩地层。分别采用六刀翼和八刀翼的PDC取心钻头进行了4轮次的长回次取心试验,试验结果见
孔位 | 钻 头 | 泵排量/(L· | 泵压/MPa | 钻压/kN | 用时/min | 进尺/m | 获取岩/m | 取心率/% | 钻效/(m· |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | PDC(六刀翼) | 28~32 | 4~5 | 70 | 23 | 6.8 | 6.8 | 100 | 17.74 |
2 | PDC(六刀翼) | 32 | 4.5 | 60 | 27 | 7.4 | 7.4 | 100 | 16.44 |
3 | PDC(八刀翼) | 40 | 5 | 70 | 40 | 7.7 | 7.7 | 100 | 11.55 |
4 | PDC(八刀翼) | 32 | 4.5 | 60 | 31 | 4.2 | 4.2 | 100 | 8.13 |

图11 六刀翼和八刀翼PDC取心钻头岩心质量及长度
Fig.11 Core quality and length of six‑blade and eight‑blade PDC core bits
经分析,对比PDC六刀翼和八刀翼取心钻头发现,钻压变化对PDC钻头取心效率影响较大,钻压越高,钻效越高;在取心质量和取心率方面的表现基本相同,取心率全部为100%。在取心效率方面,六刀翼PDC取心钻头是八刀翼的1.53~2.1倍。
(1)研制的中空螺杆马达井底动力绳索取心钻具原理上具有较强的可行性,但由于中空螺杆结构的特殊性,其综合使用性能及寿命还需要工程施工案例进行验证。
(2)设计的多头小偏移量短节距中空转子和柔性中空万向节结构原理及使用功能是可行的,可有效降低中空螺杆钻具转子偏移量,满足岩心高质量获取的目的。
(3)一体式柔性万向节,将传统螺杆的万向节部件集成至螺杆转子上,不仅解决了螺杆转子下悬挂难的问题,同时,为钻具提供了更长的岩心管储放空间。
(4)使用中空螺杆马达井底动力钻具时,PDC取心钻头在取心效率和取心质量上都优于牙轮钻头,在取心质量方面金刚石取心钻头最佳,但效率最差,综合陆地实验对比分析,采用六刀翼PDC钻头更适合在花刚岩地层快速取心。
(5)研究中,该钻具仅在地表浅层进行了取心试验,同较深的硬岩取心钻探条件下钻具的工作环境有一定的差距,相关工作参数还需进行深孔、多轮次试验,进一步验证其工作性能。
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