大洋勘探船鉆探及巖芯采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)研究

田 雪，趙建亭，吳雪峰

(中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第708研究所，上海 200011)

0 引 言

海洋中蘊(yùn)藏著豐富的固體礦產(chǎn)資源，其中，多種金屬物質(zhì)具有重要的經(jīng)濟(jì)和商業(yè)價值。西方海洋強(qiáng)國在20世紀(jì)50年代末開始開展海洋固體礦產(chǎn)資源調(diào)查活動，目前對海洋固體礦產(chǎn)資源的開發(fā)已從地質(zhì)資源調(diào)查階段進(jìn)入勘探取樣階段，搶先占領(lǐng)了最具商業(yè)遠(yuǎn)景的多金屬結(jié)核富礦區(qū)，并已基本完成了商業(yè)化開采前的技術(shù)儲備。我國由于缺乏勘探裝備，還無法對已獲得的國際海洋礦區(qū)開展勘探和試采工作，目前仍然處于地質(zhì)資源調(diào)查階段[1-2]。我國于1998年正式加入國際大洋鉆探計(jì)劃(Ocean Drilling Program，ODP)，開展的大洋鉆探活動均租用國外裝備，上船科學(xué)家的遴選、巖芯保存等均受制于人，無法掌握主導(dǎo)權(quán)[3-4]。大洋勘探船是海洋固體礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)和大洋科學(xué)鉆探的主要裝備之一，開展大洋勘探船船型開發(fā)和關(guān)鍵技術(shù)研究具有非常重要的意義，可以推動我國海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)和大洋科學(xué)考察的進(jìn)程。

鉆探及巖芯采集系統(tǒng)是大洋勘探船的核心任務(wù)系統(tǒng)，其作業(yè)流程復(fù)雜，相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備繁多，對船型開發(fā)有重要影響。本文旨在探討適用于大洋勘探船的鉆探及巖芯采集系統(tǒng)配置方案，開展系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)研究，為船型開發(fā)提供設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

1 概述

1.1 主流船型的系統(tǒng)調(diào)研分析

截至目前，國內(nèi)外還沒有專門用于海洋固體礦產(chǎn)資源勘探的大洋勘探船。在國際上能夠開展此類工作的船舶主要有美國的“決心號”和日本的“地球號”[5-6]。但是，國內(nèi)“海洋石油708”勘探船的功能也和它們比較相近。本文整理和歸納了3種船型鉆探及巖芯采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)和配置方案，如表1所示，旨在為目標(biāo)船型鉆探及巖芯采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)提供參考。

表1 國內(nèi)外相關(guān)船型鉆探及巖芯采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 系統(tǒng)功能需求分析

大洋勘探船的船型開發(fā)是圍繞我國西南印度洋多金屬硫化物等礦區(qū)和大洋科學(xué)鉆探需求而展開的，需具備大洋海底固體礦產(chǎn)資源勘探與評價、深海采礦重大裝備單體海上試驗(yàn)等功能，兼顧大洋及邊緣?；A(chǔ)地質(zhì)研究及部分海洋工程應(yīng)用等能力，最大作業(yè)水深為4 500 m，鉆孔深度為1 500 m，大洋科學(xué)鉆探深度為6 000 m(含水深)。綜上，大洋勘探船須具備鉆探、取芯、采礦試驗(yàn)支持、可進(jìn)行船載實(shí)驗(yàn)等功能。

在主流船型調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮了設(shè)備配置、技術(shù)現(xiàn)狀、經(jīng)濟(jì)性、船型特點(diǎn)等方面，確定目標(biāo)勘探船采用無隔水管鉆探作業(yè)模式，鉆探及巖芯采集系統(tǒng)具備鉆探、取芯、采礦設(shè)備下放回收功能。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

大洋勘探船為滿足上述功能目標(biāo)，船型所配置的鉆探及巖芯采集系統(tǒng)需要如圖1所示的5類作業(yè)系統(tǒng)、近20個子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)所有功能。鉆探及巖芯采集系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)通過司鉆房控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，將液態(tài)存儲和散料類系統(tǒng)的裝載信息傳到全船中央控制系統(tǒng)。

圖1 鉆探及巖芯采集系統(tǒng)構(gòu)成示意

鉆探系統(tǒng)主要處于鉆臺面以上，是完成大洋鉆探作業(yè)及鉆井工具和設(shè)備移運(yùn)作業(yè)的關(guān)鍵系統(tǒng)，主要由井架及起升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、鉆臺輔助設(shè)備、鉆柱運(yùn)動補(bǔ)償系統(tǒng)組成。

巖芯采集系統(tǒng)主要處于主甲板和鉆臺面以上，是完成取芯器移運(yùn)、取芯作業(yè)、巖芯出芯和轉(zhuǎn)運(yùn)等作業(yè)的關(guān)鍵系統(tǒng)，主要由取芯系統(tǒng)、巖芯轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和出芯系統(tǒng)組成。

物料處理系統(tǒng)主要處于主甲板上，是完成管材移運(yùn)、水下設(shè)備下放回收等作業(yè)的關(guān)鍵系統(tǒng)，主要由管子處理系統(tǒng)、返孔錐處理系統(tǒng)和采礦設(shè)備處理系統(tǒng)組成。

泥漿系統(tǒng)主要位于船體艙室內(nèi)或者主甲板的圍壁處所內(nèi)，為大洋鉆探作業(yè)提供泥漿，是鉆探作業(yè)重要的支持系統(tǒng)，主要由高壓泥漿系統(tǒng)、泥漿配置系統(tǒng)、泥漿存儲輸送系統(tǒng)、散料存儲輸送系統(tǒng)、高壓固井系統(tǒng)等組成。

輔助系統(tǒng)是完成鉆探和取芯作業(yè)所必需的支持系統(tǒng)，主要由液壓泵站系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、鉆井水系統(tǒng)及作業(yè)中要用到的第三方設(shè)備等組成。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)技術(shù)分析

鉆探系統(tǒng)及巖芯采集系統(tǒng)位于船體以上，其設(shè)計(jì)對總體性能、船型及主尺度影響較大，而對于布置在船體艙室內(nèi)的泥漿系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等；可以根據(jù)工藝流程需求及艙室劃分開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1 鉆探系統(tǒng)選型

目前，液壓鉆機(jī)和絞車提升鉆機(jī)在國內(nèi)深水鉆井平臺上均已成功應(yīng)用，液壓鉆機(jī)具有起升速度快、整機(jī)重心低、系統(tǒng)效率高、取芯作業(yè)方便等優(yōu)點(diǎn)，但存在系統(tǒng)控制復(fù)雜、整機(jī)功率需求高、重量大、維護(hù)成本高等客觀問題，且我國在液壓鉆機(jī)及液壓系統(tǒng)等領(lǐng)域，技術(shù)相對薄弱。而絞車提升鉆機(jī)技術(shù)比較成熟、作業(yè)可靠、操作維護(hù)簡便、應(yīng)用廣泛。因此，目標(biāo)勘探船鉆探系統(tǒng)采用絞車提升形式更為合適，有利于系統(tǒng)的國產(chǎn)化集成。

目標(biāo)船最大鉆深為6 000 m(含水深)，采用無隔水管鉆探作業(yè)模式，最大鉤載需求約為440 t，考慮到船型的試驗(yàn)性采礦支持需求和系統(tǒng)的擴(kuò)展性以及未來科學(xué)鉆探更大鉆孔深度的需求，應(yīng)配置鉤載能力更大的鉆探系統(tǒng)。在不同鉆深和鉆柱組合情況下，大鉤載荷需求如表2所示，大鉤載荷由下放套管載荷決定。在總鉆深一定的情況下，泥線下井段越長，鉤載需求越大。最終確定目標(biāo)船鉆探系統(tǒng)大鉤載荷為680 t，可滿足最大鉆深9 000 m的需求，采用海洋動態(tài)塔形單井架，配置主動補(bǔ)償絞車或天車型鉆柱補(bǔ)償系統(tǒng)。

表2 大洋勘探船大鉤載荷估算表

(續(xù) 表)

3.2 取芯作業(yè)方式論證

取芯作業(yè)是指將鉆取的巖芯由井底取出，主要有提鉆取芯和繩索取芯兩種方式[7]。提鉆取芯采用傳統(tǒng)取芯鉆頭鉆具，巖芯管位于鉆桿串最下端，在每次鉆孔底巖芯管裝滿后，需將孔內(nèi)全部鉆桿及巖芯管提出鉆孔，換一根空巖芯管，再將巖芯管與鉆桿串連接放回孔內(nèi)，加一根鉆桿繼續(xù)鉆進(jìn)。繩索取芯在取巖芯時不需要提出鉆孔內(nèi)的全部鉆桿柱，而用鋼絲繩和打撈器將裝有巖芯的內(nèi)管提至地面，獲得巖芯，從而減少起下鉆次數(shù)和升降鉆具的輔助時間，提高鉆進(jìn)效率[8-9]。這兩種方式在取芯效率、系統(tǒng)構(gòu)成等方面的對比情況如表3所示。

表3 取芯作業(yè)方式比較

由表3可知，繩索取芯作業(yè)方式可以提高取芯作業(yè)效率，降低勞動強(qiáng)度，具有很顯著的優(yōu)勢。目標(biāo)船配置繩索取芯系統(tǒng)，并兼顧提鉆取芯，以滿足多種地質(zhì)條件的鉆探取芯需求。

3.3 巖芯轉(zhuǎn)運(yùn)方法與流程

取芯筒從井底打撈后，需要先將巖芯從中取出，再通過人力或?qū)ｉT的輸送裝置轉(zhuǎn)運(yùn)到巖芯收集區(qū)，之后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室流程。硬巖巖芯通常需額外配置一套機(jī)械出芯裝置，將巖芯從取芯筒中取出，而沉積巖巖芯則可以直接手動拖出。

為提高巖芯轉(zhuǎn)運(yùn)的自動化水平，目標(biāo)船設(shè)置專用的巖芯輸送裝置，用于巖芯轉(zhuǎn)運(yùn)和取芯器具輸送，并設(shè)置出芯裝置，用于硬巖巖芯出芯。針對兩種不同的出芯方式，制訂如下巖芯轉(zhuǎn)運(yùn)流程，并合理布置巖芯輸送和出芯裝置，以保障巖芯能自動轉(zhuǎn)運(yùn)到巖芯收集區(qū)進(jìn)行切割、編號。沉積巖巖芯轉(zhuǎn)運(yùn)流程如圖2所示，硬巖巖芯轉(zhuǎn)運(yùn)流程如圖3所示，系統(tǒng)布置情況如圖4所示。

圖2 沉積巖巖芯轉(zhuǎn)運(yùn)流程

圖4 出芯和巖芯轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)布置

3.4 鉆孔重返位方案

為滿足超深水鉆探作業(yè)需求，須配置一套鉆孔重返位系統(tǒng)，更換鉆頭時協(xié)助鉆柱重返鉆孔[10]。經(jīng)調(diào)研分析可知，鉆孔重返位系統(tǒng)包括聲吶掃描系統(tǒng)和返孔錐裝置，鉆孔重返位方案如圖5所示。在首次鉆探時，將返孔錐安放在鉆孔位置，鉆桿通過返孔錐鉆入海底，起下鉆桿時，返孔錐仍留在海底。更換鉆頭后，將帶有水下攝像機(jī)的鉆桿放到海里，通過接收鉆孔附近的聲吶發(fā)射器信號調(diào)整船舶位置。當(dāng)鉆桿與返孔錐相距不遠(yuǎn)時，船上通過觀察海底攝像機(jī)，驅(qū)動鉆桿，讓鉆頭落入返孔錐中，完成鉆孔重返操作。

圖5 鉆孔重返位方案

4 系統(tǒng)總布置規(guī)劃

結(jié)合國外主流大洋勘探船調(diào)研分析、鉆探及巖芯采集系統(tǒng)的構(gòu)成，系統(tǒng)剖析論證鉆探系統(tǒng)選型、鉆孔重返位方案、取芯作業(yè)方式、巖芯轉(zhuǎn)運(yùn)方法與流程，形成一套大洋勘探船鉆探及巖芯采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，如圖6所示。

圖6 目標(biāo)作業(yè)系統(tǒng)總布置示意

鉆臺位于船體中心，以降低船體運(yùn)動對鉆探和取芯作業(yè)的影響。鉆臺面上設(shè)置塔型單井架，配置絞車提升鉆機(jī)，設(shè)置自動排管系統(tǒng)，具備離線接立根功能。塔架大門設(shè)置在艏艉方向，艏部設(shè)置取芯器堆場、巖芯轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和取芯系統(tǒng)，通過巖芯輸送裝置和甲板吊機(jī)實(shí)現(xiàn)移運(yùn)；艉部設(shè)置鉆桿、套管堆場，通過管子折臂吊和貓道機(jī)實(shí)現(xiàn)管子移運(yùn)。船體中心開設(shè)矩形月池，月池艉部設(shè)置返孔錐處理系統(tǒng)和采礦設(shè)備處理系統(tǒng)，艏部設(shè)置固井泵房。泥漿池艙和泥漿泵艙位于月池艉部的船體艙室內(nèi)，散料罐艙位于泥漿泵艙艉部艙室內(nèi)，配漿區(qū)位于泥漿池和泥漿泵艙上部艙室內(nèi)。

5 系統(tǒng)主要參數(shù)

在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套滿足4 500 m作業(yè)水深、1 500 m鉆深礦產(chǎn)資源勘探和6 000 m鉆深(含水深)大洋科學(xué)鉆探的大洋勘探船鉆探及巖芯采集系統(tǒng)總體方案，主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 目標(biāo)船鉆探及巖芯采集系統(tǒng)主要性能參數(shù)

(續(xù) 表)

6 結(jié) 語

本文結(jié)合主流船型鉆探及巖芯采集系統(tǒng)技術(shù)資料，開展了關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)需求分析，提出了鉆探及巖芯采集系統(tǒng)功能需求；對鉆探及巖芯采集系統(tǒng)進(jìn)行了頂層框架規(guī)劃，闡述各系統(tǒng)構(gòu)成和功能；系統(tǒng)論證了大鉤載荷、鉆探系統(tǒng)選型、取芯作業(yè)方式選擇、巖芯轉(zhuǎn)運(yùn)方法和流程、鉆孔重返位方案，形成了系統(tǒng)總布置方案，確定了系統(tǒng)主要載荷和技術(shù)參數(shù)，為大洋勘探船工程項(xiàng)目實(shí)施提供了參考。