大洋勘探船鉆探系統(tǒng)總體方案設(shè)計

王安義， 張志偉， 趙 鵬， 崔玉峰， 李長江

(1.寶雞石油機械有限責(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)

0 前 言

國外對海洋固體礦產(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)查階段進入勘探取樣階段，即將進入商業(yè)化開采階段，而我國目前仍處在地質(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

目標鉆探系統(tǒng)主要瞄準西南印度洋多金屬硫化物等深海礦區(qū)勘探和我國大洋鉆探科學(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)需要的同時降低勘探船設(shè)計制造成本、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

鉆探系統(tǒng)主要包括提升系統(tǒng)、深孔鉆進補償系統(tǒng)、管柱自動化系統(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

目標勘探船采用單井架鉆探系統(tǒng)?？傮w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

對國內(nèi)外現(xiàn)有的資源勘察船和大洋勘探船進行技術(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。主要從鉆臺面布局、起下鉆速度、提升系統(tǒng)效率、操作維護性等方面對提升系統(tǒng)型式進行對比(見表1)，確定目標勘探船的提升系統(tǒng)方案。

表1 兩種提升系統(tǒng)方案對比分析

由表1可知：絞車提升方案在起下鉆速度、操作維護性方面優(yōu)于液缸舉升方案，而在鉆臺面布局、系統(tǒng)效率方面遜于液缸舉升方案。考慮絞車提升系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，整體技術(shù)相對成熟，作業(yè)可靠性也得到長時間的現(xiàn)場驗證，目標大洋勘探船鉆探系統(tǒng)采用絞車提升方案更為穩(wěn)妥，也更貼合目前我國的整體水平。

3.3 深孔鉆進補償系統(tǒng)方案選型

深孔鉆進補償系統(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動對鉆采船作業(yè)的影響。根據(jù)已確定的絞車提升系統(tǒng)型式，適用的深孔鉆進補償系統(tǒng)方案主要有天車補償、游車補償、絞車主動補償。根據(jù)補償形式不同又可分為被動補償、主動補償、主動+被動補償?shù)男问絒2，5]。游車補償方案的補償噸位一般在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。天車補償方案與絞車補償方案的對比結(jié)果如表2所示。

表2 深孔鉆進補償系統(tǒng)方案對比分析

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

3.4 管柱自動化系統(tǒng)方案選型

為有效提高管柱自動化程度、降低工人的勞動強度、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，具體對比如表3所示。

表3 兩種型式的排管系統(tǒng)方案對比

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)單個設(shè)備的故障率相同，那么對于整個系統(tǒng)而言，設(shè)備數(shù)量越多，其系統(tǒng)可靠性會越低；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，其接口必然就會多一些，在設(shè)計控制系統(tǒng)時將會比較復(fù)雜。

綜合上述對比分析結(jié)果，柱式排管系統(tǒng)方案優(yōu)于橋式排管系統(tǒng)方案，目標大洋勘探船的管柱自動化系統(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芯通過傳輸直接進化驗室。

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面高位，靠船右舷，出繩方向與井口中心對齊，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；操作箱布置在鉆臺面，方便作業(yè)人員在鉆臺面上進行操作，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)需要通過管子吊機將繩索鉆具抓放至水平動力貓道上輸送至鉆臺面井口處，其他通用打撈矛頭和通用吊具擺放在鉆臺面上。

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

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)、深孔鉆進補償系統(tǒng)、管柱自動化系統(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)計方案。

4.1 總體布置方案

總體布置方案：管柱堆場布置在船尾側(cè)；絞車布置在右舷鉆臺面上；取芯絞車布置在右舷絞車頂部；采用雙司鉆操作系統(tǒng)；管柱從布置在鉆臺艉部的貓道機進入井口中心；巖芯從布置在鉆臺艏部的滑車進入實驗室。

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(鉆臺面)

5 結(jié) 論

(1) 深孔鉆進補償系統(tǒng)方案選型與鉆探取芯和巖芯輸送方案研究成果是針對絞車提升方案進行的，不適用于液缸舉升提升系統(tǒng)；管柱自動化系統(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)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本研究僅提供了一種可行的解決方案，如果對大洋勘探船進行實際建造，可根據(jù)船體總體設(shè)計要求，進行局部優(yōu)化以更好地滿足大洋鉆探作業(yè)工況要求。