3 000 m海洋水下勘察基盤研制概要與試驗(yàn)

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

我國的海洋礦產(chǎn)資源種類繁多，例如石油天然氣、固體礦產(chǎn)、化學(xué)資源、可再生能源等資源，開發(fā)潛力巨大，迫切需要更加高效、精準(zhǔn)的先進(jìn)技術(shù)裝備。目前，我國海洋高端裝備基本依賴進(jìn)口。為了突破國外的技術(shù)壁壘，支持我國南海深水的礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)，并參與國際市場競爭，急需在深水、超深水鉆井裝備國產(chǎn)化方面取得實(shí)質(zhì)突破。水下勘察基盤作為勘察船的核心配套裝備之一，對于在海洋復(fù)雜環(huán)境載荷作用下，能夠穩(wěn)定精準(zhǔn)地有效保障地質(zhì)鉆探、物探取樣、科學(xué)考察等工程作業(yè)發(fā)揮重要作用，其設(shè)計(jì)制造、系統(tǒng)控制技術(shù)被荷蘭等歐美發(fā)達(dá)國家所壟斷，國外專業(yè)制造公司，例如，荷蘭FUGRO公司建造的深水工程勘察船，配備有水下勘察基盤，其相關(guān)技術(shù)報(bào)道較少。Cameron公司、Vetco Gray公司、AkerKvaerner公司等，在鉆井基盤的設(shè)計(jì)制造方面較為成熟，而對于水下勘察基盤則涉獵較少[1- 2]。我國在海洋水下勘察基盤的研制方面一直處于空白狀態(tài)。研究水下勘察基盤的設(shè)計(jì)、安裝、制造、控制，以及現(xiàn)場應(yīng)用等技術(shù)，為我國進(jìn)一步深入開發(fā)其它水下裝備具有重要的指導(dǎo)意義。

在國家科技重大專項(xiàng)“深水工程勘察船及配套技術(shù)”課題的支持下，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司(以下簡稱寶石機(jī)械公司)結(jié)合我國“海洋石油708”深水工程勘察船的作業(yè)能力、應(yīng)用環(huán)境、安裝應(yīng)用、地質(zhì)鉆探、隨鉆取樣、設(shè)備配置等技術(shù)要求，經(jīng)過技術(shù)方案比選論證，以及現(xiàn)場優(yōu)化試驗(yàn)，于2011-03成功研制出我國首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的適應(yīng)海洋3 000 m水深的海洋勘察基盤。該產(chǎn)品獲得國家發(fā)明專利授權(quán)(一種海洋水下勘察基盤：中國，ZL201010161934.5)。

1 結(jié)構(gòu)組成

水下勘察基盤是勘察船在海底工作的關(guān)鍵裝備[3-4]。圖1所示為勘察船鉆井系統(tǒng)的空間立面圖，其主要由勘察船、鉆井系統(tǒng)、系列鉆具、水下勘察基盤等子系統(tǒng)組成。其中的水下勘察基盤，如圖2所示，平常停放在甲板月池大門上，需要作業(yè)時(shí)由甲板位置安裝在海床位置處。在基盤技術(shù)開發(fā)過程中，充分考慮海洋環(huán)境、驅(qū)動(dòng)方式、通訊方式、信號(hào)處理、結(jié)構(gòu)單元布局、月池尺寸、安裝回收等各種因素，經(jīng)過反復(fù)計(jì)算、方案比選以及單元器件試驗(yàn)，再進(jìn)行技術(shù)方案優(yōu)化[5]，最終開發(fā)了該遙控式水下液壓驅(qū)動(dòng)的基盤。該基盤主要由水下液壓系統(tǒng)、水下控制系統(tǒng)、滑輪導(dǎo)向系統(tǒng)、海底鉗，以及以井口中心對稱布局的空間塔形鋼架等模塊組成。在各模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化布局過程中，依據(jù)空間尺寸和質(zhì)心位置，確?；P整體結(jié)構(gòu)平衡。

1—?jiǎng)討B(tài)井架；2—提升系統(tǒng)；3—絞車；4—勘察船；5—鉆具；6—海底鉗；7—基盤；8—吊機(jī)。

1—水下液壓系統(tǒng)；2—海底鉗；3—滑輪導(dǎo)向系統(tǒng)；4—上架體；5—立柱；6—臨時(shí)導(dǎo)向井口；7—水下控制系統(tǒng)；8—下架體。

2 作業(yè)概況

在海洋地質(zhì)鉆探時(shí)，以基盤絞車、恒張力器等組成的收放系統(tǒng)將水下基盤預(yù)先安裝在指定的海床位置，作為臨時(shí)井口裝置。在隨鉆取樣過程中，基盤作為井口基礎(chǔ)，通過液壓海底鉗固定和夾持鉆桿，為取樣工具提供終端支撐和反作用力，克服海洋環(huán)境載荷引起鉆桿顛簸串動(dòng)，以保證海底取樣位置準(zhǔn)確控制；在提升和下放鉆桿時(shí)，基盤作為海底井口，通過導(dǎo)向鋼絲繩導(dǎo)引鉆具到達(dá)海底井眼[6]。根據(jù)該勘察基盤的作業(yè)特點(diǎn)，其主要有水下安裝、海底作業(yè)、甲板回收3個(gè)階段。

3 主要技術(shù)參數(shù)

最大工作水深 3 000 m

最小垂直通徑 280 mm

導(dǎo)向鋼絲繩直徑 32 mm

導(dǎo)向鋼絲繩間距 4 780 mm

液壓鉗額定夾緊力 100 kN

鉗緊方式 液壓鉗緊

控制方式 聲納遙控

主體尺寸(長×寬×高)

4 050 mm×4 050 mm×2 500 mm

4 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1) 模塊化集成設(shè)計(jì)，安裝連接簡單可靠，有效提升載荷及環(huán)境適應(yīng)能力。

該海底基盤水下各單元采用模塊化設(shè)計(jì)，連接簡單可靠，可保證水下下放、安裝、回收等工作的穩(wěn)定性和平衡性，有效提高深海高壓密封性能及環(huán)境適應(yīng)能力，易于生產(chǎn)制造和組裝運(yùn)輸。

2) 海底鉗單元曲面設(shè)計(jì)，有效提高鉆具夾持范圍和可靠性。

海底鉗鉗頭設(shè)計(jì)為幾何曲面銜接構(gòu)成，鉗牙小半徑自動(dòng)調(diào)整，能夠適應(yīng)多種規(guī)格鉆具的夾持，可實(shí)現(xiàn)鉆具夾持可靠穩(wěn)定。油缸末端配備有可靠的水密封接插件，以確保其在深水環(huán)境下的高密封性能。

3) 深海液壓驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)，解決了深海高壓和密封技術(shù)。

深海液壓系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了隨水深變化的膠囊式壓力補(bǔ)償裝置，可實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)內(nèi)部壓力與外部環(huán)境壓力的動(dòng)態(tài)平衡，有效降低了液壓油箱及管路的材料尺寸規(guī)格。液壓站系統(tǒng)采用冗余結(jié)構(gòu)，突發(fā)情況時(shí)可自動(dòng)切換，從而進(jìn)一步提高基盤工作的適應(yīng)性和可靠性。

4) 采用遠(yuǎn)程聲納控制技術(shù)，開創(chuàng)了基盤控制方式的新變革。

采用水下聲納控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了深海3 000 m水深的無纜遠(yuǎn)程控制，可完全替代臍帶纜及電纜絞車的應(yīng)用，對水下鉆井裝備控制技術(shù)的重大變革。聲學(xué)命令和應(yīng)答信號(hào)應(yīng)用獨(dú)有的寬帶聲學(xué)遙測協(xié)議和前向糾錯(cuò)技術(shù)，可保障水下數(shù)據(jù)傳送的高完整性。

5 關(guān)鍵技術(shù)

1) 水下單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。

通過流固耦合分析，在滿足強(qiáng)度和剛性的前提下，有效減小海流海浪對水下基盤的沖擊載荷及渦激振動(dòng)的影響[7-8]?？傮w結(jié)構(gòu)采用對稱塔形鋼結(jié)構(gòu)，其支腿選用厚壁圓管，增強(qiáng)穩(wěn)性及深海環(huán)境載荷適應(yīng)能力。水下驅(qū)動(dòng)及控制部分按照子系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，模塊之間通過水下電纜及水密插件連接。各個(gè)模塊設(shè)計(jì)布局采用質(zhì)心平衡設(shè)計(jì)思想，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為多模塊組合形式，附屬結(jié)構(gòu)采用一體化設(shè)計(jì)，可保證結(jié)構(gòu)剛性和強(qiáng)度。如圖3所示。

2) 水下安裝與回收技術(shù)。

海底基盤安裝是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)技術(shù)。針對該基盤的作業(yè)水深，對安裝過程中水下設(shè)備及鉆桿所受的風(fēng)力、波浪力及洋流力等進(jìn)行了研究計(jì)算，確定了不同安裝階段的載荷情況和邊界條件，模擬計(jì)算了安裝過程中基盤各節(jié)點(diǎn)的偏移量、剪力、彎矩值以及所受拉力。同時(shí)考慮安裝作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，通過分析論證，確定了該基盤的安裝回收技術(shù)方案。在該基盤上架體上布置3個(gè)滑輪，即，2個(gè)垂直安裝滑輪，1個(gè)水平安裝滑輪；甲板布置2臺(tái)基盤絞車，其鋼絲繩穿過天車頂部滑輪組，然后依次穿過水下基盤的3個(gè)滑輪。

安裝過程中，控制基盤絞車鋼絲繩的下放速度，使基盤緩慢下放，其各個(gè)節(jié)點(diǎn)參數(shù)變化量都在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)?；P可安全平穩(wěn)的安裝到水下目標(biāo)海床位置。

3) 深海液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

液壓系統(tǒng)主要由水下液壓站、驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、膠囊補(bǔ)償裝置、應(yīng)急系統(tǒng)等構(gòu)成，其作用是在甲板計(jì)算機(jī)的控制下，驅(qū)動(dòng)海底鉗的液壓油缸的執(zhí)行動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)海底鉗對鉆具的定位和夾緊。其中，液壓泵選用徑向柱塞泵，電機(jī)為直流無刷電機(jī)，油泵、電機(jī)及控制閥組等集成安裝在密封油箱內(nèi)，并創(chuàng)新設(shè)計(jì)了隨水深變化的膠囊壓力補(bǔ)償裝置，隨水深變化自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)壓力和海洋環(huán)境壓力，達(dá)到平衡狀態(tài)。

液壓泵閥系統(tǒng)設(shè)計(jì)為2套備份結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)切換，從而進(jìn)一步提高了海底鉗工作的可靠性。在液壓油缸的液壓回路中設(shè)計(jì)了節(jié)流閥，實(shí)現(xiàn)液壓油缸平穩(wěn)運(yùn)行。為便于海上操作人員準(zhǔn)確獲取海底鉗的夾持狀態(tài)及工作壓力，設(shè)計(jì)了高精度傳感器，將其工作狀態(tài)參數(shù)反饋到夾板計(jì)算機(jī)，以方便操作。不僅如此，專門設(shè)計(jì)了應(yīng)急儲(chǔ)能器機(jī)構(gòu)，便于在緊急狀態(tài)下海底鉗打開[9-10]。其液壓驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 水下液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

4) 水下遠(yuǎn)程控制技術(shù)。

遠(yuǎn)程聲吶控制系統(tǒng)是勘察基盤在海底工作的指揮、通訊、控制和監(jiān)測中心，主要由甲板控制系統(tǒng)、水下通訊系統(tǒng)、水下電源系統(tǒng)等組成。甲板控制系統(tǒng)與水下之間通過換能器實(shí)現(xiàn)信號(hào)和數(shù)據(jù)的傳遞和反饋。其中，甲板聲學(xué)通訊機(jī)的發(fā)射換能器從甲板月池位置下放到水下約20 m深度，水下系統(tǒng)的接收換能器安裝在基盤上架體上，接收端向上。通過操作按鈕控制聲波發(fā)射和接收進(jìn)行雙向通訊。

甲板控制系統(tǒng)主要由聲學(xué)通訊機(jī)、主控計(jì)算機(jī)、顯示屏、控制按鈕、電池組充電器等組成。聲學(xué)通信機(jī)用于與海底基盤上的水下系統(tǒng)進(jìn)行雙向通訊，傳輸操作按鈕指令和鉗緊參數(shù)，可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)主要參數(shù)和工作狀態(tài)。主控計(jì)算機(jī)用于聲學(xué)通訊、數(shù)據(jù)傳輸控制與顯示控制。圖5所示為甲板控制系統(tǒng)邏輯圖。

圖5 甲板控制系統(tǒng)邏輯圖

水下系統(tǒng)主要有水下控制模塊、水下液壓模塊、電池組等3個(gè)部分，通過深水電纜和耐海水腐蝕的管線連接。其中，水下控制模塊主要由聲學(xué)通訊機(jī)、控制器等元件組成。電池組由大功率鋰電池構(gòu)成，分別安裝于耐高壓、耐腐蝕的不銹鋼筒中，為海底鉗及控制系統(tǒng)提供電源。同時(shí)還包括深水傳感器、深水電纜及插接件等元件。圖6所示為水下控制系統(tǒng)邏輯圖。

6 試驗(yàn)及應(yīng)用情況

1) 整機(jī)靜平衡試驗(yàn)。

把勘察基盤組裝完成，檢查各個(gè)部分連接正常后，在鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上，使用?32 mm的鋼絲繩依次穿繞基盤頂部的3個(gè)滑輪。通過基盤絞車緩緩提升鋼絲繩，待基盤離開地面約500 mm后停止。通過增加配重塊(質(zhì)量級別為50、30、10、5 kg)，測量勘察基盤的矩形底面的4個(gè)角到基礎(chǔ)面的垂直距離，使其基座保持水平平衡狀態(tài)。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，基盤平衡狀態(tài)下加裝配重塊總質(zhì)量約為245 kg。最后通過螺栓將配重塊與基盤連接固定。反復(fù)起吊基盤6次，平衡狀態(tài)保持良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖6 水下控制系統(tǒng)邏輯圖

2) 水下密封及壓力試驗(yàn)。

將液壓油缸、控制單元模塊、電源系統(tǒng)模塊等分別進(jìn)行了水下密封試驗(yàn)和靜水壓試驗(yàn)。在密封試驗(yàn)過程中，逐級加壓到37.5 MPa，反復(fù)進(jìn)行了5次試驗(yàn)，每次保壓30 min，觀測壓力表及各個(gè)密封環(huán)節(jié)，結(jié)果顯示各個(gè)單元密封性能良好。在壓力試驗(yàn)過程中，分3級逐級加壓到45 MPa，每次保壓10 min，反復(fù)進(jìn)行了5次試驗(yàn)，然后拆卸各單元進(jìn)行監(jiān)測及探傷，結(jié)果顯示各個(gè)單元力學(xué)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求[11]。

3) 水下控制及通訊試驗(yàn)。

將控制系統(tǒng)的甲板單元和水下單元分別安裝在2條船(1號(hào)、2號(hào))上，將聲納發(fā)生器安裝在距離1號(hào)船甲板下的5 m水深處，聲納接收器安裝在距離2號(hào)船甲板下的5 m水深處。此時(shí)，在統(tǒng)一指揮下，啟動(dòng)1號(hào)、2號(hào)船上的計(jì)算機(jī)和串口測試軟件，并將聲納系統(tǒng)啟動(dòng)供電，開始進(jìn)行測試工作。在2只船上的計(jì)算機(jī)互發(fā)數(shù)據(jù)，檢查對方計(jì)算機(jī)是否能收到數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)的正確性。該試驗(yàn)過程在1號(hào)、2號(hào)相距10、50、100、500、1 000、2 000、3 000、4 000和5 000 m位置處進(jìn)行了信號(hào)發(fā)生和接收測試，經(jīng)過測試水下控制及通訊各項(xiàng)指標(biāo)，達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求。

4) 整機(jī)功能試驗(yàn)。

整機(jī)功能試驗(yàn)包括夾持能力試驗(yàn)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)試驗(yàn)，主要目的是檢驗(yàn)海底鉗的牙鉗夾持鉆具的能力和執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)靈敏度。在液壓系統(tǒng)壓力16 MPa的狀態(tài)下，分別夾持?127 mm(5 in)、?177.8 mm(7 in)、?209.6 mm(8in)規(guī)格的鉆具，通過信號(hào)處理系統(tǒng)，計(jì)算牙鉗夾持力和摩擦力數(shù)值[12]，以及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作顯示和響應(yīng)時(shí)間。經(jīng)過3種尺寸規(guī)格鉆桿的6組試驗(yàn)，其測試結(jié)果均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5) 現(xiàn)場應(yīng)用情況。

2011-12-16，該勘察基盤成功配套在 “海洋石油708”深水工程勘察船上以來，經(jīng)歷了我國南海海域的多個(gè)區(qū)塊的勘察作業(yè)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿足作業(yè)要求。特別是2017-05“海洋石油708”首次完成海洋淺層可燃冰固態(tài)流化試采作業(yè)，獲得天然氣81 m3，甲烷含量達(dá)到99.8%。

7 結(jié)論

1) 研制的水下勘察基盤是一項(xiàng)集成了深海液壓技術(shù)、水下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、聲學(xué)控制技術(shù)等多項(xiàng)水下前沿技術(shù)的產(chǎn)品，已成功應(yīng)用，性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，完全滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。該基盤的研制成功，對實(shí)現(xiàn)我國水下石油裝備的國產(chǎn)化，以及進(jìn)一步研制水下相關(guān)裝備具有重要意義。

2) 深海液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了適應(yīng)水深變化的膠囊壓力補(bǔ)償裝置，可動(dòng)態(tài)調(diào)整內(nèi)部壓力與外部環(huán)境壓力的平衡，提高了設(shè)備整體運(yùn)行的環(huán)境適應(yīng)性。解決了水下密封及耐水壓等技術(shù)難題，有效保障海底鉗工作的可靠性。水下液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但是存在作業(yè)過程中人員無法近距離監(jiān)控操作，維護(hù)保養(yǎng)成本高等問題，且水下液壓元件價(jià)格昂貴，需要進(jìn)一步提高安全可靠性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。

3) 水下裝備由于其作業(yè)環(huán)境的特殊性，向可視化、可控化、動(dòng)力化方向發(fā)展，對操作、收放、維護(hù)、檢測等提出了更加苛刻的要求，應(yīng)逐步建立水下裝備設(shè)計(jì)工藝技術(shù)體系，加強(qiáng)水面遠(yuǎn)程操作與深水機(jī)、電、液、聲等復(fù)合控制技術(shù)，深水試驗(yàn)技術(shù)，水下裝備安裝與回收技術(shù)等方面的研究，以推動(dòng)水下裝備技術(shù)的協(xié)同發(fā)展。