海洋地質(zhì)調(diào)查船地質(zhì)鉆探系統(tǒng)集成設計

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摘 要：海洋開發(fā)離不開海洋地質(zhì)調(diào)查船的前期介入，地質(zhì)鉆探系統(tǒng)作為地質(zhì)調(diào)查船的核心設備，可用于海洋地質(zhì)勘探、取樣作業(yè)、CPT作業(yè)、測井作業(yè)等多個方面的地質(zhì)調(diào)查。該系統(tǒng)組成的設備復雜、子系統(tǒng)眾多，設計建造難度大。本文以我司為海洋地質(zhì)調(diào)查局建造的N703綜合海洋地質(zhì)調(diào)查船為例，淺析該類船鉆探系統(tǒng)的集成設計，供類似項目參考借鑒。

關鍵詞：海洋開發(fā)；海洋地質(zhì)勘探；地質(zhì)鉆探系統(tǒng)；集成設計

中圖分類號：U674.38 文獻標識碼：A

Abstract： Marine exploitation cannot be separated from the early support of the marine geological survey ship. The geological drilling system， as the core equipment of the geological survey vessel， can be used for geological surveys in various fields such as marine geological exploration， sampling operations， CPT operations， and well logging operations. The system consists of numerous device and numerous subsystems and it is difficult to design and build it. This paper takes the integrated marine geological survey ship N703 constructed for the Marine Geological Survey Bureau as an example to analyze the integrated design of this kind of drilling system， which can be used as a reference for similar projects.

Key words： Marine exploitation； Marine geological exploration； Geological drilling system； Integrated design

1 項目概況

廣東中遠海運重工有限公司于2015年承建了N703綜合地質(zhì)調(diào)查船，該船為地質(zhì)地球物理綜合調(diào)查船，裝備有地質(zhì)調(diào)查、地球物理調(diào)查、海洋水文調(diào)查和信息化管理等4類共計20臺（套）調(diào)查設備。該船具有全球航行能力，振動、噪音滿足COMF （NOISE 3）， COMF （VIB 3）要求。

2 總體設計要求及布置圖

本船地質(zhì)鉆探系統(tǒng)用于海上地質(zhì)勘探、取樣作業(yè)、CPT作業(yè)、測井作業(yè)等。由于設計功能及使用目的不同，地質(zhì)鉆探系統(tǒng)的設備配置與常規(guī)海洋石油鉆探系統(tǒng)的配置有許多類似之處，但也有很大的區(qū)別；同時，由于受船舶總噸位、空間的限制，對設備的重量、外形尺寸等有嚴格要求。

根據(jù)業(yè)主實際勘探需求，本船鉆探系統(tǒng)設計的綜合指標為：水深+鉆深600 m；同時兼顧后期功能拓展到水深1 200 m +鉆深200 m的要求。

本船鉆探系統(tǒng)總體布置方案為：在船舯區(qū)域設置為鉆探設備區(qū)域，包括雙層底、平臺甲板和主甲板；月池開孔位于船舯位置，從主甲板貫穿到船底，如圖1～圖4 所示。

該地質(zhì)鉆探系統(tǒng)配置有：井架和提升系統(tǒng)；升沉補償系統(tǒng)；頂部驅(qū)動裝置；泥漿系統(tǒng)；散料系統(tǒng)；自動化鉆桿處理系統(tǒng)；海底基盤收放系統(tǒng)；月池蓋系統(tǒng)；司鉆控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)根據(jù)功能要求，交叉排布在在主甲板、雙層底、平臺甲板上。

3 總體設計技術方案

3.1 井架和提升系統(tǒng)

為優(yōu)化甲板面布置和提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，創(chuàng)新地采用了門型井架、液壓缸頂升系統(tǒng)來提升頂驅(qū)和鉆柱（見圖5），相對于常規(guī)的塔型井架、鉆井絞車提升頂驅(qū)和鉆柱，井架區(qū)域取消了傳統(tǒng)的鉆井絞車，所節(jié)省出來的空間可以用來布置取樣絞車、動力大鉗等設備。同時，門型井架的開口式設計，對于在主甲板面安裝可移動式月池蓋創(chuàng)造了有利條件，使得整個甲板區(qū)域布置合理緊湊。

頂驅(qū)裝置（見圖6）主傳動采用液壓驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，泥漿主循環(huán)通道為4 3/4″（Φ121 mm）并向上貫通。其液壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)無級調(diào)速功能，頂驅(qū)端最大載荷600 kN。

3.2 升沉補償系統(tǒng)

根據(jù)本船在深海區(qū)域使用DP動力定位進行鉆探的要求，配置了升沉補償系統(tǒng)（見圖7～圖9），其主要功能為：

（1）消除海浪作用下平臺升沉對鉆井作業(yè)的影響；

（2）減小升沉運動導致的井底鉆壓波動；

（3）解決水下設備的準確下放技術問題。

該系統(tǒng)主要配置設備有補償裝置及其配套設備，如補償油缸、蓄能器、補償液壓站等。

3.3 泥漿系統(tǒng)

綜合考慮淺鉆系統(tǒng)的水深+鉆深600 m，同時兼顧后期功能拓展到水深1 200 m+鉆深200 m的要求，配置兩臺高壓泥漿泵（見圖10），最高泥漿輸出壓力為20MPa；對管路系統(tǒng)設備進行優(yōu)化，僅配備兩臺低壓泥漿泵用作散料混合泵，同時兼做高壓泥漿泵的低壓加注泵、泥漿調(diào)配泵。

3.4 散料系統(tǒng)

配置了混合漏斗、混合泵和破袋加料器、真空吸吊行車等設備，構(gòu)成半自動散料加料系統(tǒng)。

由于本船的空間配置問題，僅在泥漿池到主甲面以下的空間布置了一個散料工作間用來存放散料，同時在該散料工作間安裝泥漿攪拌器、泥漿池傳感器等各種設備。如果采用常規(guī)的散料灰罐來存儲散料，由于罐體通常為圓柱形，同時還要考慮氣動輸送的流化系統(tǒng)，故所能存儲的散料數(shù)量遠低于系統(tǒng)設計的要求。通過優(yōu)化系統(tǒng)設計，散料全部用方形散料袋裝（每袋約25 kg），堆放在散料間的空檔區(qū)域，最大限度地利用了散料工作間有限的空間，使散料存儲量達到了系統(tǒng)設計的要求。

3.5 自動化鉆桿處理系統(tǒng)

配置抓管機、鉆桿盒、水平動力貓道、液氣大鉗、動力卡瓦等機械化工具（見圖11、圖12），可實現(xiàn)從管柱從鉆桿盒至井口頂驅(qū)連接的自動化作業(yè)。所有設備除動力卡瓦采用氣動外，均采用液壓驅(qū)動，可在司鉆處遠程控制。

3.6 海底基盤收放系統(tǒng)

勘察船進行深海作業(yè)時，船由于受到海浪作用會隨著波浪產(chǎn)生升沉運動，安裝在工作船上的作業(yè)裝置也會產(chǎn)生升沉運動，影響到深水作業(yè)的基盤的正常工作。因此，在基盤絞車上安裝有波浪補償裝置，以減小波浪對深水勘察作業(yè)的影響。海底基盤收放系統(tǒng)設備包括：基盤、基盤絞車、補償裝置、液壓源、液壓管路系統(tǒng)、基盤控制系統(tǒng)、臍帶纜絞車等，如圖13所示。

3.7 月池蓋系統(tǒng)

在主甲板上配置一套月池蓋，其形式為在月池蓋井口處設計有卡瓦支撐盤，相當于轉(zhuǎn)盤的鉆桿通道（見圖14）。正常鉆井時月池蓋通過八件液壓鎖緊銷與船體相連，月池蓋下部設四件舉升油缸，當需要下放或提升基盤時，通過舉升油缸舉升月池蓋底部與甲板平齊后，將月池蓋通過甲板上液壓絞車頭打開，讓出月池。月池蓋的關閉與其打開的操作過程相反。月池蓋在結(jié)構(gòu)設計上可滿足不取出鉆桿整體移出月池蓋。

3.8 司鉆控制系統(tǒng)

在主甲板面配置司鉆控制房（見圖15），采用主、副司鉆分區(qū)控制。主司鉆操作座椅可控制的設備包括：頂驅(qū)、泥漿泵、液壓貓頭、升沉補償系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、井架舉升裝置等；副司鉆操作座椅可控制設備包括：動力貓道、鉆桿動力鉗、工業(yè)監(jiān)視系統(tǒng)、抓管機、取樣絞車等。

4 技術方案評價

根據(jù)項目后期調(diào)試與海上作業(yè)反饋，在較小噸位的船舶上（本船約為3 000噸）實現(xiàn)了布置緊湊，各子系統(tǒng)功能運行良好，達到了預期的設計效果，滿足項目的總體指標要求。

5 結(jié)語

作為國內(nèi)首套門型井架和液壓缸頂升式提升鉆探系統(tǒng)，通過實施本項目，對于地質(zhì)鉆探系統(tǒng)的設備規(guī)格配置、系統(tǒng)布置作了探索和設計改良，形成了較為完整的地質(zhì)鉆探系統(tǒng)集成設計方案，對以后建造類似項目具有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 中船重工集團第七〇一研究所. 綜合地質(zhì)調(diào)查船鉆井系統(tǒng)說明書. 2017，.