深海無纜海底基盤井口夾持系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

鄧都都，阮海龍，劉廣治，劉智鍵，蔡家品

（北京探礦工程研究所，北京100083）

1 技術(shù)現(xiàn)狀

海洋蘊含著豐富的生物與礦產(chǎn)資源，隨著國家提出海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的要求，海洋地質(zhì)勘察工作越來越重要，工作量也在逐年增加［1-6］。海洋鉆探是開采海底資源、勘查地層剖面、鉆取地層樣品最重要、最直接的手段。在進(jìn)行海洋勘察和物探作業(yè)時，尤其是在較深的海域或者天氣條件惡劣的情況下，在浪涌和海流等問題的影響下，鉆探船會隨著海浪發(fā)生多方向的運動，這會嚴(yán)重影響整個鉆井系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致海洋勘察或者取樣作業(yè)難以進(jìn)行。

海底基盤，顧名思義就是在海底的井口固定裝置，也稱為海底鉗，其主要功能是在海底井口實現(xiàn)鉆桿的夾緊與松開，這樣能夠有效地減小鉆桿的多方位運動，滿足勘察作業(yè)的需求。海底基盤結(jié)合了機(jī)械、液壓、通信與控制技術(shù)，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，是保障海洋正常鉆探取樣的關(guān)鍵裝備之一，國內(nèi)外均進(jìn)行了大量的研究［7-10］。荷蘭等歐美發(fā)達(dá)國家已經(jīng)掌握了其設(shè)計和制造技術(shù)，例如FUGRO公司為海洋石油709勘察船配備的海底基盤，采用有纜通信方式，具有多參數(shù)監(jiān)測功能，能夠完成海底井口鉆桿的夾持與松開。在我國，能夠為勘察船提供穩(wěn)定服務(wù)的海底基盤數(shù)量較少，大部分勘察船均未配備基盤來輔助作業(yè)，這大大影響了勘察作業(yè)的準(zhǔn)確性與效率。

無纜基盤相比較于有纜基盤最大的特點是不需要價格昂貴的臍帶電纜，也不需要進(jìn)行高壓輸變電工作，減少了有纜方式所必需的臍帶纜、電纜絞車以及輸變電系統(tǒng)等部件，有效地節(jié)約了成本，而且簡化了操作程序，發(fā)生故障的概率更低，提高了勘察作業(yè)的工作效率；高壓電纜在海底受洋流以及海浪的影響下，會發(fā)生摩擦鋼絲繩或者纏繞打結(jié)而出現(xiàn)漏電的危險，嚴(yán)重的話會燒毀設(shè)備，無纜基盤采用水下電池供電，安全性能更高。無纜基盤采用水聲通信的方式，該技術(shù)成熟可靠，在深海探測器中應(yīng)用非常廣泛，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、兼容性強(qiáng)的特點［11-13］。

為了解決勘察作業(yè)船這一亟需的裝備需求，提高勘察作業(yè)的可靠性與穩(wěn)定性，北京探礦工程研究所根據(jù)海洋石油708船鉆井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸與作業(yè)能力，成功研制了一套無纜海底基盤。本文概述了該無纜基盤的技術(shù)參數(shù)與系統(tǒng)組成，并重點對大容量水下電池的研制進(jìn)行了詳細(xì)的分析，該電池有效地提高了海底基盤在水下的工作時間，提高了勘察作業(yè)的效率。

2 無纜海底基盤的總體設(shè)計

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

深水勘察船海洋石油708船是我國深水戰(zhàn)略船舶之一，其最大的工作能力為3000 m［14-15］，根據(jù)該船鉆井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸，以及補(bǔ)償絞車的工作能力，制定了無纜基盤的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 無纜基盤的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of the cable-fr ee subsea fr ame

2.2 工作原理

整個無纜基盤分為水上和水下2大部分，水上部分主要由人機(jī)操作系統(tǒng)、水上通信機(jī)與潛水換能器組成。水下部分包括基盤基板、液壓鉗、電池艙、電子艙、液壓艙、深水換能器和水下通信機(jī)等。系統(tǒng)的電控原理見圖1。

無纜基盤井口夾持系統(tǒng)的工作過程如下：由操作人員通過甲板上位機(jī)的人機(jī)操作系統(tǒng)發(fā)出指令，該指令通過水聲通信系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)，傳送到水下電子艙的控制系統(tǒng)中，接收到指令后控制器根據(jù)要求，控制液壓系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的動作，完成液壓鉗口的夾持與松開；并且整個過程中，水下控制系統(tǒng)需要將傳感器采集到的各種信號實時地傳送到上位機(jī)中，并在上位機(jī)的人機(jī)操作界面顯示出來，操作者根據(jù)實時數(shù)據(jù)決策下一步基盤的動作。整套系統(tǒng)具備水下應(yīng)急功能，當(dāng)遇到系統(tǒng)突然斷電、長時間丟失通信以及漏水等特殊情況時，液壓鉗口會自動打開，這樣能夠保證海底基盤的正?；厥?。

2.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)的功能是驅(qū)動和控制液壓鉗的伸縮，以實現(xiàn)對鉆桿的夾持和松開。其中，液壓泵站、閥組、油箱、保壓蓄能器和壓力傳感器等都密封在水下的液壓艙中，該艙體采用平衡式油補(bǔ)償系統(tǒng)，能夠根據(jù)水深自動補(bǔ)償內(nèi)部壓力，整個艙體輕便可靠，液壓系統(tǒng)的原理見圖2。

液壓系統(tǒng)工作原理簡述：系統(tǒng)未啟動時，三位四通電磁閥處于中位，液壓缸處于卸荷狀態(tài)，依靠彈簧的推力將有桿腔復(fù)位；系統(tǒng)正常啟動時，截止閥先得電，斷開油路；夾持時，比例溢流閥得電，根據(jù)參數(shù)設(shè)定逐步提升系統(tǒng)壓力，三位四通電磁閥同時得電到左位，接通液壓回路，液壓油從無桿腔進(jìn)入，液壓鉗伸出，到位后依靠保壓蓄能器持續(xù)保壓；復(fù)位時比例溢流閥斷電，截止閥與三位四通閥斷電，整個系統(tǒng)卸荷，依靠彈簧推力使液壓缸復(fù)位；如果液壓缸未能正常復(fù)位，三位四通閥接通到右位，液壓油從有桿腔進(jìn)入，通過壓力使液壓缸復(fù)位。

圖1 海底無纜基盤夾持系統(tǒng)電控基本原理Fig.1 Electrical control principle of the subsea frame

圖2 液壓系統(tǒng)工作原理Fig.2 Working pr inciple of the hydr aulic system

2.4 控制和通信系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)是整個基盤的中樞系統(tǒng)，通信系統(tǒng)是連接水上與水下的橋梁。該系統(tǒng)由上位機(jī)、水下電子艙以及聲吶組成。主要功能是操作者通過甲板的上位機(jī)監(jiān)視與控制整個基盤系統(tǒng)，遠(yuǎn)程操控水下的液壓系統(tǒng)完成相應(yīng)的動作，其系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 控制與通信系統(tǒng)原理Fig.3 Pr inciple of the control and communication system

水下電子艙是水下控制的核心。采用干式艙體設(shè)計，它主要包括PLC、電子電路、傳感器組、接口電路等。電子艙的接口電路主要包括電源接口、液壓系統(tǒng)通信接口以及聲吶通信接口。電源接口通過水密接插件與電池艙相連，由電池艙給水下控制系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)供電。通信接口主要包括與液壓系統(tǒng)通信接口以及與水下聲吶通信接口，與液壓系統(tǒng)通信接口主要是將控制信號傳遞到液壓艙，控制夾鉗動作，同時采集液壓系統(tǒng)閥組的工作狀態(tài)以及傳感器信號；與水下聲吶通信接口主要是連接水下聲吶通信機(jī)，完成實時信號的傳輸；接口電路中還預(yù)留了一個專門用于調(diào)試的電纜通信接口，方便在船上進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。所有的接口電路均采用進(jìn)口水密接插件。研制的電子艙接口電路見圖4。

圖4 水下電子艙接口Fig.4 Interface of the underwater electr onics capsule

3 水下電池的研制

水下電池是整個無纜基盤夾持系統(tǒng)工作的能源站，其容量的大小，直接決定了基盤在水下的工作時間，是制約勘察作業(yè)效率的關(guān)鍵因素之一。水下電池主要需要具有良好的耐壓、絕緣性能［16-18］；與液壓動力站匹配合理，放電連續(xù)穩(wěn)定；在有限的尺寸下，電池容量盡可能的大。

3.1 電池包設(shè)計

根據(jù)無纜基盤夾持系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，該電池需要提供220 V的直流電，保證持續(xù)放電電流為5 A。采用18650型三元鋰電池進(jìn)行組合，該電池單節(jié)標(biāo)稱電壓約3.76 V，標(biāo)稱容量3400 mA·h，最大持續(xù)放電電流5 A。考慮到單次組合級聯(lián)的電壓太高會造成風(fēng)險提高，故采用多級電池包級聯(lián)的方式進(jìn)行組合。每組電池包由13節(jié)電池串聯(lián)，再12組并聯(lián)共156節(jié)電池組成，其標(biāo)稱電壓49 V，標(biāo)稱容量40.8 A·h，電池組的結(jié)構(gòu)如圖5所示。采用4組電池包串聯(lián)組成總的電池標(biāo)稱電壓196 V，滿電電壓220 V，標(biāo)稱容量40.8 A·h，每組電池最大持續(xù)放電電流60 A。

3.2 電池艙設(shè)計

根據(jù)基盤的結(jié)構(gòu)尺寸，電池艙設(shè)計外徑為320 mm，艙體內(nèi)部裝有電池管理系統(tǒng)和電池組。電池組分為4層，每相鄰2層之間鋪有薄尼龍片絕緣，第一層頂部和第四層底部分別加裝厚尼龍板；兩根螺紋桿由頂層的尼龍板穿至底層尼龍板，上下由螺帽擰緊，用以固定整個電池組。該螺紋桿固定于上端蓋，保證整個電池組在工作的時候不會發(fā)生任何移動；電池管理系統(tǒng)位于電池組與上端蓋之間，固定于兩螺栓之間，水下電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 單組電池包結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of a battery pack

圖6 水下電池結(jié)構(gòu)Fig.6 Underwater battery structure

電池艙采用高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)，兩端自帶端蓋，采用O形橡膠圈多段徑向密封的方式，上端蓋外側(cè)正中位置裝有水密接插件，內(nèi)側(cè)邊緣有多處螺紋孔，用于安裝可拆卸螺紋桿。電池艙加工完成后，進(jìn)行了水下最高35 MPa的耐壓測試，保壓測試時間24 h，測試曲線見圖7，測試結(jié)束后檢測電池艙，無任何形變產(chǎn)生。

3.3 電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System）是水下電池非常關(guān)鍵的部分，負(fù)責(zé)控制電池的充電和放電以及實現(xiàn)電池狀態(tài)估算等功能。該BMS采用STM 32F103VET 6單片機(jī)為其核心控制芯片，用以監(jiān)測4組電池組的電壓。充電時當(dāng)某一組電池電壓過高，單片機(jī)立即關(guān)斷該組電池充電輸入端，而對其他幾組電池進(jìn)行充電。放電時當(dāng)某一組電池電壓過低，單片機(jī)隨即關(guān)斷該組電池放電輸出端。整個開關(guān)的過程由單片機(jī)控制繼電器來實現(xiàn)，電路示意如圖8所示。設(shè)計的電池組充電最高電壓為220 V，放電時最低控制電壓為160 V，當(dāng)系統(tǒng)充放電超過上下限值的時候，控制器會給整個系統(tǒng)斷電，以保證安全。

圖7 電池艙耐壓測試曲線Fig.7 Battery capsule pressure test curve

圖8 電池管理系統(tǒng)電路示意Fig.8 Circuit diagram of the management system

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2017年無纜基盤研制成功后，在南海某海域進(jìn)行了海試。作業(yè)區(qū)域水深為1800 m，作業(yè)孔為全孔CPT測試，需要連續(xù)穩(wěn)定夾持15 min以上，本次作業(yè)一共夾持51次，夾持時間累計25.9 h。2018-2020年海洋石油708船利用無纜基盤在南海、東海多個海域，輔助完成了大量勘察取樣工作，累計服務(wù)時間超過30個月，其中僅2020年上半年，無纜基盤下海作業(yè)時間就高達(dá)4個月。目前主要作業(yè)區(qū)域水深在300 m左右，每次基盤下海作業(yè)時間高達(dá)70 h，穩(wěn)定夾持次數(shù)在200次以上。

在近幾年的作業(yè)服務(wù)中，無纜基盤控制系統(tǒng)可靠、通信良好，工作期間未發(fā)生任何嚴(yán)重影響勘察作業(yè)的故障。水下電池工作性能穩(wěn)定，能夠滿足該船的勘察作業(yè)需求。該基盤目前已成為了海洋石油708船勘察作業(yè)中非常重要的輔助工具。圖9為無纜基盤正通過海洋石油708船的月池下放，準(zhǔn)備下海作業(yè)。

圖9 無纜基盤下?，F(xiàn)場Fig.9 Lowering the seabed frame into water

5 結(jié)論

（1）海底基盤采用無纜的設(shè)計方式具有操作簡單、功能可靠的特點；減少了有纜方式所需要的臍帶纜、絞車以及輸變電系統(tǒng)等部件，節(jié)約了成本，簡化了操作程序，提高了勘察作業(yè)的工作效率。高壓電纜在海底受洋流以及海浪的影響，會發(fā)生摩擦鋼絲繩或者纏繞打結(jié)而出現(xiàn)漏電的危險，嚴(yán)重的會燒毀設(shè)備，無纜基盤采用水下電池供電，安全性能更高。

（2）通過無纜基盤的研發(fā)，儲備了遠(yuǎn)程自動控制技術(shù)、水下液壓站的設(shè)計與制造技術(shù)，為下一步海洋地質(zhì)裝備的研發(fā)打下了一定的基礎(chǔ)；大容量水下電池的研制成功提升了無纜基盤的作業(yè)能力，提高了海洋石油708船的勘察作業(yè)效率。通過近幾年的基盤服務(wù)，對于水下聲波通信技術(shù)的性能也有了更加全面的認(rèn)識。

（3）2018-2020年，無纜基盤一直在我國南海及東海海域從事作業(yè)服務(wù)，作業(yè)期間性能穩(wěn)定可靠，有力地支撐了我國海洋地質(zhì)調(diào)查工作。無纜基盤在海洋石油708船的成功應(yīng)用，對于海洋地質(zhì)勘察與地質(zhì)鉆探取樣工作發(fā)揮了積極的意義。