无干扰匀速绳索钻探取心工具是一种提取海底渗漏型天然气水合物样品的取心工具,绳索打捞技术的应用使整个过程具有工作效率高、耗时短等优点。由于海底的复杂性,在取心的过程中该工具最先与海底天然气水合物岩层接触的关键部位管鞋,贯入水合物的工作过程可能对其产生扰动,或使其发生相变。这会对提取的渗漏型水合物岩层样品的成分和含量判断造成影响。另外,作为容纳提取样品的薄壁冲击管在取心完成后,存在贯满岩心的衬管不易从薄壁冲击管中抽出,以及在薄壁冲击管工作过程中当载荷较大时会导致临界强度不足而发生屈曲等问题。为了解决上述问题,本文以减小管鞋贯入水合物过程的阻力,防止薄壁冲击管发生屈曲都可减小其对水合物的扰动这一想法为基础,以岩心直径为Φ72mm、单筒可取岩心长度为1m、最大工作外径D不超过90mm的无干扰匀速绳索钻探取心工具为例,应用ANSYS Workbench有限元分析软件和LS-DYNA非线性显示动力学分析软件,分别对取心工具的关键部位管鞋进行结构尺寸优化,和对薄壁冲击管进行补强和优化等分析。对管鞋的结构尺寸优化结果显示,当管鞋的尺寸参数为:l=25mm,α=22°,β=10.35°,l1=11mm、l2=14mm,δ=1.0mm时,满足强度要求,且管鞋的贯入阻力降低了 3.6kN。对薄壁冲击管进行补强,采用加强筋两侧夹角γ=10°,数量为ni=20个时,即补强角度为200°,薄壁冲击管的临界压力由补强前的164.2kN增加到182.3kN,随着补强角度的增加,临界压力成近似线性增加。研究结果对减小管鞋贯入岩层的阻力,增加薄壁冲击管的刚性,进而提高岩层样品的保真率有一定的参考价值,也在一定程度上避免海底沉积层强度降低而导致的海底滑坡等诸多钻井安全问题。