王安義， 張志偉， 趙 鵬， 崔玉峰， 李長(zhǎng)江

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞 721002； 2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心， 陜西 寶雞 721002)

0 前 言

國(guó)外對(duì)海洋固體礦產(chǎn)資源(包括多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物)的開發(fā)已從地質(zhì)資源調(diào)查階段進(jìn)入勘探取樣階段，即將進(jìn)入商業(yè)化開采階段，而我國(guó)目前仍處在地質(zhì)資源調(diào)查階段。開發(fā)利用海洋固體礦產(chǎn)資源，特別是多金屬硫化物資源，首要任務(wù)就是發(fā)展勘探裝備，因此，加快具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大洋勘探船開發(fā)迫在眉睫。鉆探系統(tǒng)是大洋勘探船的核心組成部分，研究適合目標(biāo)大洋勘探船的鉆探系統(tǒng)總體技術(shù)方案可為大洋勘探船的工程建造提供技術(shù)支撐[1]。

1 鉆探系統(tǒng)功能定位

目標(biāo)鉆探系統(tǒng)主要瞄準(zhǔn)西南印度洋多金屬硫化物等深海礦區(qū)勘探和我國(guó)大洋鉆探科學(xué)考察作業(yè)需求。為了降低鉆探系統(tǒng)總體質(zhì)量、增強(qiáng)勘探船的單次作業(yè)能力，采用單井架鉆探作業(yè)系統(tǒng)。為了在滿足大洋鉆探取芯作業(yè)需要的同時(shí)降低勘探船設(shè)計(jì)制造成本、提高效率，采用無隔水管開式鉆探作業(yè)模式(水深+鉆深=6 000 m)以及國(guó)際上通用的高效繩索取芯作業(yè)工藝。

2 鉆探系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

(1) 鉆探深度：礦產(chǎn)勘探1 500 m(泥線下)；科學(xué)鉆探6 000 m(含水深)。

(2) 井架型式與高度：塔形井架，52 m。

(3) 大鉤載荷：6 750 kN。

(4) 絞車額定輸入功率：2 200 kW。

(5) 立根盒：鉆桿排放6 000 m。

3 總體方案設(shè)計(jì)

鉆探系統(tǒng)主要包括提升系統(tǒng)、深孔鉆進(jìn)補(bǔ)償系統(tǒng)、管柱自動(dòng)化系統(tǒng)、鉆探取芯和巖芯輸送等關(guān)鍵系統(tǒng)。

3.1 總體布置原則

目標(biāo)勘探船采用單井架鉆探系統(tǒng)。總體布置原則：滿足大洋鉆探取芯作業(yè)需求；滿足安全、高效作業(yè)需求；設(shè)備布置優(yōu)先滿足操作頻率高的設(shè)備；盡可能降低系統(tǒng)重心；方便巖芯輸送作業(yè)。

3.2 提升系統(tǒng)方案選型

對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的資源勘察船和大洋勘探船進(jìn)行技術(shù)調(diào)研[2]，發(fā)現(xiàn)其配套的鉆探系統(tǒng)的提升系統(tǒng)型式主要有絞車提升和液缸舉升兩種，且大多以絞車提升方案為主。主要從鉆臺(tái)面布局、起下鉆速度、提升系統(tǒng)效率、操作維護(hù)性等方面對(duì)提升系統(tǒng)型式進(jìn)行對(duì)比(見表1)，確定目標(biāo)勘探船的提升系統(tǒng)方案。

表1 兩種提升系統(tǒng)方案對(duì)比分析

由表1可知：絞車提升方案在起下鉆速度、操作維護(hù)性方面優(yōu)于液缸舉升方案，而在鉆臺(tái)面布局、系統(tǒng)效率方面遜于液缸舉升方案?？紤]絞車提升系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，整體技術(shù)相對(duì)成熟，作業(yè)可靠性也得到長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，目標(biāo)大洋勘探船鉆探系統(tǒng)采用絞車提升方案更為穩(wěn)妥，也更貼合目前我國(guó)的整體水平。

3.3 深孔鉆進(jìn)補(bǔ)償系統(tǒng)方案選型

深孔鉆進(jìn)補(bǔ)償系統(tǒng)是海洋深水資源勘查開發(fā)的關(guān)鍵裝備，主要用于克服波浪升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)鉆采船作業(yè)的影響。根據(jù)已確定的絞車提升系統(tǒng)型式，適用的深孔鉆進(jìn)補(bǔ)償系統(tǒng)方案主要有天車補(bǔ)償、游車補(bǔ)償、絞車主動(dòng)補(bǔ)償。根據(jù)補(bǔ)償形式不同又可分為被動(dòng)補(bǔ)償、主動(dòng)補(bǔ)償、主動(dòng)+被動(dòng)補(bǔ)償?shù)男问絒2，5]。游車補(bǔ)償方案的補(bǔ)償噸位一般在300 t以下，主要用于淺水鉆井或深水勘察船勘探取樣，不適用于大洋勘探船鉆探系統(tǒng)作業(yè)要求。天車補(bǔ)償方案與絞車補(bǔ)償方案的對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 深孔鉆進(jìn)補(bǔ)償系統(tǒng)方案對(duì)比分析

由表2可知：天車補(bǔ)償方案在可靠性、運(yùn)行成本、控制對(duì)象等方面優(yōu)于絞車補(bǔ)償方案，而在補(bǔ)償精度、建造成本、維護(hù)保養(yǎng)等方面遜于絞車補(bǔ)償方案。從降低大洋勘探船作業(yè)的運(yùn)行成本、提高其可靠性方面出發(fā)，目標(biāo)勘探船深孔鉆進(jìn)補(bǔ)償系統(tǒng)方案選用天車補(bǔ)償方案。

3.4 管柱自動(dòng)化系統(tǒng)方案選型

為有效提高管柱自動(dòng)化程度、降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)安全性、大幅提高鉆井的作業(yè)效率、降低作業(yè)成本，在輸送鉆桿和套管、建立根、排放立根、起下鉆、甩鉆具等作業(yè)過程中均采用自動(dòng)化作業(yè)設(shè)備。目前，大洋勘探船管柱排放系統(tǒng)方案有柱式排管系統(tǒng)和橋式排管系統(tǒng)兩種型式[6-8]。兩種型式的排管系統(tǒng)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體對(duì)比如表3所示。

表3 兩種型式的排管系統(tǒng)方案對(duì)比

由表3可知：在設(shè)備組成方面，橋式排管系統(tǒng)所配套設(shè)備數(shù)量比柱式排管系統(tǒng)多2件；在可靠性方面，假設(shè)單個(gè)設(shè)備的故障率相同，那么對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，設(shè)備數(shù)量越多，其系統(tǒng)可靠性會(huì)越低；在人員配置方面，柱式排管系統(tǒng)所需的操作人員比橋式排管系統(tǒng)少，并且不需要人員到二層臺(tái)位置操作設(shè)備，盡可能保證了操作人員的安全性；在集成控制方面，橋式排管系統(tǒng)比柱式排管系統(tǒng)配套的設(shè)備數(shù)量多，其接口必然就會(huì)多一些，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)將會(huì)比較復(fù)雜。

綜合上述對(duì)比分析結(jié)果，柱式排管系統(tǒng)方案優(yōu)于橋式排管系統(tǒng)方案，目標(biāo)大洋勘探船的管柱自動(dòng)化系統(tǒng)方案選擇柱式排管系統(tǒng)方案。

3.5 鉆探取芯和巖芯輸送方案

取芯作業(yè)是大洋勘探船海上作業(yè)的關(guān)鍵一環(huán)，鉆探取芯工藝和巖芯輸送方案的好壞直接影響取芯效率。其方案的設(shè)計(jì)需要滿足操作安全、可靠、方便的要求，能夠?qū)⒕谌〕龅膸r芯通過傳輸直接進(jìn)化驗(yàn)室。

繩索取芯工藝包含的關(guān)鍵設(shè)備主要有取芯絞車、鋼絲繩、操作箱等。取芯絞車布置在鉆臺(tái)面高位，靠船右舷，出繩方向與井口中心對(duì)齊，通過導(dǎo)繩輪使鋼絲繩連接打撈頭方便地從井架頂部井口中心快速下放；操作箱布置在鉆臺(tái)面，方便作業(yè)人員在鉆臺(tái)面上進(jìn)行操作，且方便觀察井口取芯作業(yè)。

繩索取芯鉆具總成中的繩索鉆具布置在主甲板上，根據(jù)需要通過管子吊機(jī)將繩索鉆具抓放至水平動(dòng)力貓道上輸送至鉆臺(tái)面井口處，其他通用打撈矛頭和通用吊具擺放在鉆臺(tái)面上。

巖芯輸送系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可整體吊裝，靠近船首側(cè)布置，一端通過銷軸與鉆臺(tái)面連接，另一端固定在主甲板上，巖芯輸送滑車可在鉆臺(tái)面與升降裝置頂部間往復(fù)移運(yùn)，升降平臺(tái)采用兩級(jí)油缸進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)以滿足巖芯輸送滑車到達(dá)船上巖芯化驗(yàn)室的要求。

4 鉆探系統(tǒng)總體技術(shù)方案

結(jié)合大洋鉆探取芯作業(yè)工況要求以及船體的結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)分析提升系統(tǒng)、深孔鉆進(jìn)補(bǔ)償系統(tǒng)、管柱自動(dòng)化系統(tǒng)、鉆探取芯和巖芯輸送方案等關(guān)鍵系統(tǒng)和設(shè)備的基礎(chǔ)上，完成一套大洋勘探船鉆探系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。

4.1 總體布置方案

總體布置方案：管柱堆場(chǎng)布置在船尾側(cè)；絞車布置在右舷鉆臺(tái)面上；取芯絞車布置在右舷絞車頂部；采用雙司鉆操作系統(tǒng)；管柱從布置在鉆臺(tái)艉部的貓道機(jī)進(jìn)入井口中心；巖芯從布置在鉆臺(tái)艏部的滑車進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。

4.2 方案布置圖

布置圖如圖1～圖3所示。

圖1 鉆探系統(tǒng)總體布置主視圖

圖2 鉆探系統(tǒng)總體布置側(cè)視圖

圖3 鉆探系統(tǒng)總體布置俯視圖(鉆臺(tái)面)

5 結(jié) 論

(1) 深孔鉆進(jìn)補(bǔ)償系統(tǒng)方案選型與鉆探取芯和巖芯輸送方案研究成果是針對(duì)絞車提升方案進(jìn)行的，不適用于液缸舉升提升系統(tǒng)；管柱自動(dòng)化系統(tǒng)方案選型研究成果適用于絞車提升和液缸舉升提升系統(tǒng)方案。

(2) 大洋勘探船鉆探系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵系統(tǒng)的方案選型可為大洋勘探船鉆探系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)建造提供依據(jù)。

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(3) 大洋勘探船鉆探系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本研究?jī)H提供了一種可行的解決方案，如果對(duì)大洋勘探船進(jìn)行實(shí)際建造，可根據(jù)船體總體設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行局部?jī)?yōu)化以更好地滿足大洋鉆探作業(yè)工況要求。