大洋鉆探船鉆探系統(tǒng)裝備現(xiàn)狀及總體配置研究

賈向鋒 李亞偉 趙 濤

（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 寶雞 721002）

0 引 言

大洋鉆探是人類認(rèn)知伸向海洋的“觸角”，也是研究海洋地殼構(gòu)造、從事海底資源開發(fā)的主要手段，而大洋鉆探船則是大洋鉆探活動(dòng)的核心裝備。目前，國際上有3艘專用的大洋鉆探船，分別是美國的格羅瑪挑戰(zhàn)者號(hào)和喬迪斯決心號(hào)，以及日本的地球號(hào)。自1968年開始，國際大洋科學(xué)鉆探先后經(jīng)歷了深海鉆探計(jì)劃（deep sea drilling program,DSDP） （1968—1983年）、大洋鉆探計(jì)劃（ocean drilling program, ODP）（1985—2003年）、綜合大洋鉆探計(jì)劃（integrated ocean drilling program, IODP）（2003—2013年）和國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（international ocean discovery program, IODP）（2013—2023年）共4個(gè)階段，先后有20多個(gè)國家參與，累計(jì)完成大洋科學(xué)鉆井4 000余口，獲取了超過600 km的巖心和大量數(shù)據(jù)，在板塊構(gòu)造理論、氣候演變規(guī)律、古海洋學(xué)、古生物學(xué)、海底深部生物圈、海底礦產(chǎn)資源分布等方面取得了許多重大成就[1-3]。

我國大洋鉆探工作起步較晚，目前還沒有專用的大洋鉆探船，僅有海洋石油708和海洋地質(zhì)十號(hào)等具備工程勘察及物探功能的小噸位、淺水地質(zhì)調(diào)查船，深海監(jiān)測、深?？辈槿蛹夹g(shù)等深海探測技術(shù)與西方發(fā)達(dá)國家的差距較大[4]。在超深水勘查和鉆探裝備方面，國內(nèi)雖然在一些關(guān)鍵裝備（如海洋動(dòng)態(tài)井架、浮式補(bǔ)償系統(tǒng)、管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)和隔水管系統(tǒng)等）上取得了突破，并在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用，但還缺少系統(tǒng)化的集成配套設(shè)計(jì)及工程驗(yàn)證。隨著我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的大力推進(jìn)，結(jié)合海洋地球科學(xué)的發(fā)展需要以及深海油氣、礦產(chǎn)、天然氣水合物（又稱“可燃冰”）等海底資源的大規(guī)模開發(fā)進(jìn)程，建造我國自己的專用大洋鉆探船十分必要。本文通過調(diào)研國內(nèi)外大洋鉆探船鉆探系統(tǒng)裝備的配置和特點(diǎn)，結(jié)合我國大洋鉆探船功能要求，提出了大洋鉆探船鉆探系統(tǒng)的總體方案和關(guān)鍵裝備的選型配套設(shè)計(jì)，在此方案基礎(chǔ)上對系統(tǒng)主要裝備的國產(chǎn)化現(xiàn)狀進(jìn)行分析并給出實(shí)施建議，為后續(xù)大洋鉆探船的設(shè)計(jì)建造提供參考。

1 國外大洋鉆探船鉆探系統(tǒng)裝備發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 格羅瑪挑戰(zhàn)者號(hào)

格羅瑪挑戰(zhàn)者號(hào)（見圖1）是美國環(huán)球海洋鉆探公司專門為首次深海鉆探計(jì)劃設(shè)計(jì)建造的1艘鉆探船，于1968年3月建成。該船長121.9 m、寬19 m、深8 m，排水量10 500 t，定員45人，最大作業(yè)水深6 096 m，最大鉆探深度（水深+鉆深）7 600 m。

圖1 格羅瑪挑戰(zhàn)者號(hào)鉆探船

該船鉆探系統(tǒng)最大提升載荷270 t，采用傳統(tǒng)的單錐塔式井架，井架高43 m，每根鉆柱由3柱單根組合而成，長27 m。1974年，井架加裝了1套游車型鉆柱升沉補(bǔ)償裝置，減小了波浪對鉆進(jìn)和取樣的影響。該船配套裝備了鉆具重返鉆孔裝置，曾在水下3 662 m實(shí)現(xiàn)同一井口多次更換鉆頭重新鉆進(jìn)。該船未配套隔水管系統(tǒng)和水下防噴器系統(tǒng)，無法進(jìn)行泥漿循環(huán)和巖屑回收，因此只能采用水基液或環(huán)保泥漿進(jìn)行深海鉆探取心，鉆探深度有限。在取樣方面，該船還配套裝備了液壓活塞取心裝置，與延伸式取心筒聯(lián)合使用，獲取了長575 m的海底巖心。在1968—1983年的15年里，格羅馬挑戰(zhàn)者號(hào)先后完成了96個(gè)鉆探航次，在624個(gè)鉆位上鉆井1 092口，采集深海巖心總長超過97 000 m，單井鉆入洋底的最大深度為1 741 m，鉆探的最大水深為7 044 m。1983年11月，隨著深海鉆探計(jì)劃的結(jié)束，格羅瑪挑戰(zhàn)者號(hào)光榮退役并被拆解[5-6]。

1.2 喬迪斯決心號(hào)

喬迪斯決心號(hào)（見圖2）原名為Sedco/BP 471號(hào)，于1978年在加拿大建造，是美國Sedco公司和英國石油公司所屬的1艘商用石油勘探船。該船于1985年1月被改裝，供大洋鉆探計(jì)劃使用，同時(shí)改名為喬迪斯決心號(hào)。

圖2 喬迪斯決心號(hào)鉆探船

該船長143 m、寬21 m，排水量9 050 t，最大工作水深超過8 000 m，最大鉆探深度（水深+鉆深）為9 150 m；采用in（1 in=2.54 cm）鉆桿，每根鉆柱由3柱單根組合而成，每柱鉆桿長約28 m，重約874 kg。鉆探系統(tǒng)采用常規(guī)鉆井絞車提升，最大提升能力400 t；井架為單錐塔式結(jié)構(gòu)，高61.5 m；配套了水平動(dòng)力貓道、軌道式鐵鉆工和帶側(cè)向位移功能的頂驅(qū)裝置，可提升管柱上卸扣作業(yè)效率；鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)采用游車型液缸補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，最大補(bǔ)償能力為400 t；還配備了高精度的鉆孔重返系統(tǒng)和高效的繩索取心系統(tǒng)。

與格羅瑪挑戰(zhàn)者號(hào)相比，喬迪斯決心號(hào)鉆探船功率更大、穩(wěn)定性更好、鉆進(jìn)深度更深，但其同樣未配套裝備隔水管系統(tǒng)和水下防噴器系統(tǒng)，無法進(jìn)行泥漿循環(huán)和巖屑回收，因此海底鉆進(jìn)深度有限。另外，該船還建有約1 115 m2的7層實(shí)驗(yàn)室，可供沉積學(xué)、巖石學(xué)、古生物學(xué)、地球化學(xué)、地球物理學(xué)等方面的分析研究。2007—2008年，該船進(jìn)行了全面升級(jí)改造，繼續(xù)為IODP服役，目前已完成26個(gè)IODP航次[5-6]。

1.3 地球號(hào)

地球號(hào)（見圖3）是由日本制造的世界最大深?？茖W(xué)鉆探船，于2005年7月交付使用。該船長210 m、寬38 m、總高130 m、吃水9.2 m，排水量56 752 t，最大作業(yè)水深2 500 m，最大鉆探深度（水深+鉆深）11 000 m，最大鉤載1 250 t。該船同格羅瑪挑戰(zhàn)者號(hào)和喬迪斯決心號(hào)的最大區(qū)別是搭載了全套隔水管及井控系統(tǒng)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)泥漿循環(huán)和鉆屑回收，并開展油氣鉆探作業(yè)。

圖3 地球號(hào)鉆探船

在鉆探系統(tǒng)配置上，地球號(hào)采用了先進(jìn)的雙聯(lián)塔型井架和雙提升系統(tǒng)，井架高度70 m，采用in鉆桿作業(yè)，單根長度9.5 m。 每根鉆柱由5柱單根組合而成，鉆桿容量≥10 000 m。作業(yè)時(shí)，一個(gè)井架進(jìn)行起下鉆作業(yè)，另一個(gè)井架進(jìn)行管柱離線接立根，作業(yè)效率大幅提高。鉆柱補(bǔ)償系統(tǒng)采用天車補(bǔ)償方式，最大補(bǔ)償能力超過450 t。該鉆探系統(tǒng)還配置了抓管吊機(jī)、動(dòng)力貓道、軌道式鐵鉆工、柱式排管機(jī)、頂驅(qū)等先進(jìn)的管柱處理系統(tǒng)，自動(dòng)化程度較高。

地球號(hào)船體月池開口為12 m×22 m，配置的隔水管單根長度為90 ft（1 ft=0.304 8 m），外徑21 in，總長2 500 m；同時(shí)搭載1套in、15 000 ps（i1psi=6.895 kPa）、高約14.5 m、重達(dá)380 t的水下防噴器系統(tǒng)。船上有2套發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，總功率約35 000kW，能夠同時(shí)容納150人在船上工作和生活。截至目前，該船已先后開展了南海海槽發(fā)震帶試驗(yàn)以及日本東北大地震后快速反應(yīng)鉆探等一系列科學(xué)鉆探計(jì)劃。2019年1月，地球號(hào)在日本歌山縣海域成功鉆探至海底3 260 m，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)世界最深的大洋科學(xué)鉆探記錄[7]。

2 國內(nèi)大洋鉆探船鉆探系統(tǒng)裝備發(fā)展現(xiàn)狀

與國外相比，我國在大洋科學(xué)鉆探裝備方面相對落后。截至目前，由國內(nèi)自主建造的具備一定能力的科學(xué)鉆探船主要有海洋石油708深水工程勘探船和海洋地質(zhì)十號(hào)調(diào)查船，此外，由中集來福士集團(tuán)集成建造的藍(lán)鯨1號(hào)超深水鉆井平臺(tái)也具備大洋科學(xué)鉆探能力。

2.1 海洋石油708勘探船鉆探系統(tǒng)

海洋石油708勘探船于2011年完工交付，是全球首艘集鉆井、水上工程、勘探功能于一體的3 000 m水深工程勘探船。船體總長105 m、型寬23.4 m、型深9.6 m，排水量約11 600 t，可在無限航區(qū)航行；抗風(fēng)能力不低于12級(jí)，可保證在9級(jí)海況下安全航行；具備在3 000 m水深實(shí)施工程地質(zhì)勘察（鉆孔）和靜力觸探試驗(yàn)（cone penetration test,CPT）的能力；能起吊150 t重物，可進(jìn)行23.5 m長深水海底水合物保溫、保壓取樣作業(yè)[8]。

該船鉆探系統(tǒng)為寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研制，設(shè)計(jì)鉆深4 000 m，采用交流變頻絞車提升，最大提升能力2 250 kN。井架為塔式結(jié)構(gòu)，高度34.5 m；鉆柱升沉補(bǔ)償裝置采用游車補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，被動(dòng)+主動(dòng)補(bǔ)償模式，最大補(bǔ)償能力2 250 kN，補(bǔ)償行程±3 m；泥漿系統(tǒng)配置2臺(tái)500 hp（1 hp=0.746 kW）泥漿泵，采用5 in鉆桿作業(yè)，單立根長度9.5 m，還配置了抓管吊機(jī)、鷹爪機(jī)、液壓大鉗、頂驅(qū)等管柱處理系統(tǒng)設(shè)備。

2.2 海洋地質(zhì)十號(hào)船鉆探系統(tǒng)

海洋地質(zhì)十號(hào)船由我國自主設(shè)計(jì)、建造，是集海洋地質(zhì)、地球物理、水文環(huán)境等多功能調(diào)查手段為一體的綜合地質(zhì)調(diào)查船，可以實(shí)現(xiàn)在全球無限航區(qū)開展海洋地質(zhì)調(diào)查工作，于2017年12月正式入列交付。該船總長75.8 m、型寬15.4 m、型深7.6 m、吃水5.3 m，排水量約3 400 t，續(xù)航力8 000 n mile。鉆探系統(tǒng)采用了國內(nèi)首創(chuàng)的全液壓油缸舉升式海洋鉆探系統(tǒng)，最大鉆探深度（水深+鉆深）為1 200 m，最大鉤載600 kN。井架采用門型結(jié)構(gòu)，高度23 m，通過雙油缸舉升系統(tǒng)起下鉆柱；配有被動(dòng)式鉆柱補(bǔ)償裝置，最大補(bǔ)償載荷400 kN，補(bǔ)償行程±1.5 m；采用in鉆桿作業(yè)，配有抓管吊機(jī)、動(dòng)力貓道、可升降式動(dòng)力鉗、大通徑液壓頂驅(qū)等管柱處理設(shè)備，自動(dòng)化程度高。該船還配置了帶動(dòng)力鉗的海底基盤系統(tǒng)，具備CPT作業(yè)能力，近年來已順利完成了多航次的鉆探任務(wù)[9]。

2.3 藍(lán)鯨1號(hào)超深水鉆井平臺(tái)

藍(lán)鯨1號(hào)超深水鉆井平臺(tái)由中集來福士總承包建造，于2017年3月在山東煙臺(tái)交付。平臺(tái)總重42 000 t，長117 m、寬92.7 m、高118 m，最大作業(yè)水深3 658 m，最大鉆井深度15 240 m，采用DP3動(dòng)力定位，入級(jí)挪威船級(jí)社，是當(dāng)時(shí)全球最先進(jìn)的超深水雙鉆塔半潛式鉆井平臺(tái)。

其鉆探系統(tǒng)主要設(shè)備全部由國外進(jìn)口，采用雙聯(lián)塔式井架結(jié)構(gòu)，雙井口作業(yè)模式，雙頂驅(qū)背對背布置，全液壓油缸舉升式提升系統(tǒng)，最大提升載荷1 250 t；補(bǔ)償系統(tǒng)采用油缸死繩端補(bǔ)償，轉(zhuǎn)盤開口尺寸達(dá)到in，每根鉆柱由5柱單根組合而成，二層臺(tái)高度達(dá)到135 ft；司鉆房為雙司鉆集成操作模式，管柱處理系統(tǒng)配置了抓管吊機(jī)、水平動(dòng)力貓道、軌道式鐵鉆工、柱式排管機(jī)、液壓頂驅(qū)等設(shè)備，自動(dòng)化程度非常高。泥漿泵采用2臺(tái)2 200 hp鉆井泵，防噴器（blow out preventer,BOP）系統(tǒng)為2套in、15 000 psi的七閘板防噴器組，BOP處理能力為550 t。隔水管系統(tǒng)采用法蘭式連接結(jié)構(gòu)，雙根對接后立式存儲(chǔ)。

3 我國大洋鉆探船鉆探系統(tǒng)功能和總體配置方案

3.1 我國大洋鉆探船鉆探系統(tǒng)功能分析

從大洋鉆探的功能來看，目前國內(nèi)外的大洋鉆探任務(wù)主要包括大洋科學(xué)鉆探、油氣鉆探、水合物試采和海底礦產(chǎn)資源開發(fā)等，這也是大洋鉆探船在設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考量的因素。不同的功能對鉆探系統(tǒng)的配置要求各不相同，不同用戶的關(guān)注點(diǎn)也各有差異，需要綜合分析論證，以尋求最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

大洋科學(xué)鉆探主要目的是開展深遠(yuǎn)?？茖W(xué)調(diào)查、地質(zhì)勘察、鉆探取樣等工作，為海洋地質(zhì)學(xué)研究提供支撐，這也是大洋鉆探船的核心功能。大洋鉆探通常要覆蓋全海域，因此對作業(yè)水深要求較高。目前地球上水深最大處位于西太平洋的馬里亞納海溝，水深超過11 000 m。不過，大洋科學(xué)鉆探對入泥鉆探深度要求并不高，通常不超過2 000 m，鉆探系統(tǒng)也不需要配置隔水管和井控系統(tǒng)。

天然氣水合物試采，以天然氣水合物勘探和開采為主。海域天然氣水合物的埋藏深度通常在泥線以下200 ～ 2 000 m，水深不超過3 000 m，考慮到天然氣水合物的狀態(tài)不穩(wěn)定性和開采難度，通常需要配套裝備隔水管和井控系統(tǒng)以保證安全性。藍(lán)鯨1號(hào)鉆井平臺(tái)分別在2017年和2020年完成了我國南海神狐海域的2輪天然氣水合物試采作業(yè)。

海洋油氣鉆探以深海油氣勘探開采為主。鉆桿需要打通油氣層并進(jìn)行商業(yè)開采，井底壓力較大且安全風(fēng)險(xiǎn)相對較高，故需要配置隔水管和井控系統(tǒng)。目前國際上最先進(jìn)的浮式鉆井平臺(tái)或鉆井船最大作業(yè)水深已超過3 600 m，最大鉆井深度超過12 000 m。

深海采礦是近年來新興的海洋資源開發(fā)領(lǐng)域，目前各國對深海礦產(chǎn)資源的開發(fā)還處于前期試采研究階段。海底礦產(chǎn)資源一般位于海床或泥線表層，其埋藏水深在1 000 ～ 7 000 m不等，對鉆探系統(tǒng)的配置要求不高，但對布放回收系統(tǒng)的提升能力和后續(xù)礦漿分離處理要求較高。不同功能的鉆探作業(yè)需求和配置對比如表3所示。

表3 不同功能的鉆探作業(yè)需求和配置 m

以深水鉆探的作業(yè)方式分類，主要包括無隔水管和有隔水管這2種。

無隔水管鉆井模式即開式鉆井，泥漿直接排海不回收，鉆探船無需配套裝備隔水管和防噴器系統(tǒng)，船體甲板面積大、船舶尺度小，可有效降低整船的建造和運(yùn)行費(fèi)用。然而，其缺點(diǎn)是鉆探深度有限且容易發(fā)生井壁坍塌和鉆具卡阻事故。此外，因?yàn)橹苯优欧拍酀{，還需要考慮海洋環(huán)保問題。近年來，已有國外企業(yè)研發(fā)了無隔水管泥漿循環(huán)鉆井技術(shù)，但應(yīng)用較少，國內(nèi)尚不具備此技術(shù)。

有隔水管鉆井模式是指鉆探系統(tǒng)配套裝備隔水管和防噴器系統(tǒng)，可用于深水油氣鉆探、水合物開采等作業(yè)，也可以用于大洋鉆探和海底采礦，適應(yīng)范圍較廣，但因?yàn)榕鋫淞烁羲芎头绹娖飨到y(tǒng)，船舶主體尺度較大，同時(shí)建造成本和運(yùn)行成本也較高[10]。

3.2 我國大洋鉆探船鉆探系統(tǒng)總體配置方案

3.2.1 鉆探系統(tǒng)總體方案

根據(jù)以上分析可知，如果僅從大洋科學(xué)鉆探的功能需求出發(fā)，鉆探系統(tǒng)可選用無隔水管作業(yè)模式，類似于喬迪斯決心號(hào)的配置方案。但隨著國家海洋強(qiáng)國建設(shè)戰(zhàn)略的深入實(shí)施以及海洋油氣勘探開發(fā)的大力推進(jìn)，綜合考慮功能、成本、先進(jìn)性等各種因素，未來的大洋鉆探船更傾向于綜合作業(yè)能力的考量，因此建議我國的大洋鉆探船可兼具隔水管作業(yè)和無隔水管作業(yè)這2種模式。帶隔水管作業(yè)，主要用于深海油氣鉆探和天然氣水合物試采。按照當(dāng)前主流配置設(shè)計(jì)，最大作業(yè)水深3 000 m，最大鉆探深度9 000 m，最大鉆柱提升靜載荷為5 400 kN（隔水管系統(tǒng)+水下防噴器濕重），隔水管系統(tǒng)采用21 in標(biāo)準(zhǔn)單根，接頭載荷為3 500 kips（1 kips=4.448 kN）。無隔水管作業(yè)，主要用于大洋鉆探和深海礦產(chǎn)資源勘查。按照水深+鉆深12 000 m設(shè)計(jì)，可保證鉆穿莫霍面，并能覆蓋全球海域，鉆柱組合為SHB168/104雙壁鉆桿和5 in標(biāo)準(zhǔn)鉆桿，鉆柱系統(tǒng)總重5 100 kN。參照油氣鉆井行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，最大鉤載不小于最大鉆柱質(zhì)量的2倍，因此取鉆探系統(tǒng)最大鉤載為11 250 kN。

提升系統(tǒng)方案目前主要有2種：一種是采用交流變頻電動(dòng)絞車提升下放，另一種是采用液壓油缸提升下放。本方案推薦采用液壓油缸舉升方式，其主要優(yōu)勢是：

（1）減少了常規(guī)鉆井絞車占據(jù)的鉆臺(tái)空間，可大大縮小鉆臺(tái)面積、減輕鉆臺(tái)整體質(zhì)量；

（2）油缸舉升速度平穩(wěn)，游動(dòng)系統(tǒng)安全距離較短，可有效降低井架高度、減輕井架質(zhì)量；

（3）井架主要用于舉升油缸的扶正導(dǎo)向，不再承受鉆柱載荷，承載小、質(zhì)量輕；

（4）油缸舉升系統(tǒng)可與死繩端油缸升沉補(bǔ)償系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊、易于控制；

（5）油缸舉升系統(tǒng)噪聲低，基本可控制在80 db（A）以內(nèi)，轉(zhuǎn)臺(tái)面作業(yè)舒適性好。

總體配套方面：提升系統(tǒng)建議采用液壓油缸舉升結(jié)構(gòu)；井架采用門型塔式井架結(jié)構(gòu)；管柱自動(dòng)化系統(tǒng)推薦立柱式排管裝置，配套雙司鉆集成控制系統(tǒng)；鉆柱補(bǔ)償系統(tǒng)采用死繩端液缸補(bǔ)償裝置；甲板管柱處理系統(tǒng)采用臥式隔水管/管柱吊機(jī)；隔水管張緊器采用鋼絲繩式張緊裝置。鉆探系統(tǒng)總體參數(shù)如表4所示。

表4 鉆探系統(tǒng)總體參數(shù)

總體布置方面：建議隔水管與鉆桿水平布置在船尾，BOP與下部隔水管總成（lower marine riser package, LMRP）左右對稱布置在船尾兩側(cè)，2棵采氣樹左右對稱布置在船首兩側(cè)，張緊系統(tǒng)左右舷對稱布置[11]，如圖4和下頁圖5所示。

圖4 大洋鉆探船立面布置圖

圖5 大洋鉆探船主甲板布置圖

3.2.2 井架提升系統(tǒng)

井架提升系統(tǒng)采用目前最先進(jìn)的液壓油缸舉升式結(jié)構(gòu)，通過重載舉升液缸實(shí)現(xiàn)整個(gè)鉆探系統(tǒng)提升下放，主要包括門型塔式井架、舉升液缸、舉升滑輪組、頂驅(qū)、升沉補(bǔ)償裝置、提升鋼絲繩、提升液壓站、液壓控制系統(tǒng)等（見圖6）。該系統(tǒng)額定提升載荷為11 250 kN，采用5個(gè)舉升液缸，單缸最大舉升力為3 600 kN，提升系統(tǒng)最大鉤速為1.5 m/s，液壓系統(tǒng)額定壓力28 MPa；井架采用塔式結(jié)構(gòu)，有效高度52 m，頂驅(qū)額定載荷11 250 kN，中心通道內(nèi)徑121 mm，可滿足102 mm巖心取樣，配伸縮式滑車結(jié)構(gòu)，可避開井口，提高管柱處理效率，同時(shí)方便繩索取心作業(yè)；轉(zhuǎn)盤采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，開口in。[11-12]

圖6 井架提升系統(tǒng)總體方案

3.2.3 鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)

鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)采用“被動(dòng)補(bǔ)償+主動(dòng)補(bǔ)償”模式，推薦采用死繩端油缸補(bǔ)償方案。其優(yōu)點(diǎn)在于需要的補(bǔ)償力較小，系統(tǒng)獨(dú)立控制，與舉升系統(tǒng)互不干擾，介質(zhì)采用水乙二醇和高壓空氣。被動(dòng)補(bǔ)償載荷為5 400 kN，主動(dòng)補(bǔ)償載荷為300 kN，最大補(bǔ)償行程±7.62 m，最大補(bǔ)償速度1.31 m/s[13]，總體方案見圖7。

圖7 升沉補(bǔ)償系統(tǒng)總體方案

3.2.4 管柱處理系統(tǒng)

管柱處理系統(tǒng)分為管柱輸送系統(tǒng)、上卸扣系統(tǒng)和管柱排放系統(tǒng)。管柱輸送系統(tǒng)配置1臺(tái)550 kN（2×275 kN）橋吊式管柱吊機(jī)和1臺(tái)水平式鉆柱動(dòng)力貓道，以滿足鉆柱和隔水管輸送，同時(shí)還應(yīng)配置1臺(tái)水平巖心動(dòng)力貓道，以滿足巖心取樣和輸送要求。上卸扣系統(tǒng)配置包括：1臺(tái)TZG160型軌道式鐵鉆工，最大上扣扭矩135 kN·m，最大卸扣扭矩165 kN·m；1臺(tái)高位背鉗，用于高位接卸鉆具；2個(gè)液壓伸縮式動(dòng)力鼠洞，額定載100 kN；1臺(tái)PS30型氣動(dòng)卡瓦，最大提升載荷750 t。管柱排放系統(tǒng)主要配置1臺(tái)柱式排管機(jī)，適應(yīng)管柱直徑in；另有1個(gè)動(dòng)力二層臺(tái)和1臺(tái)750 t液壓吊卡[14]?？紤]離線接立根和雙井口作業(yè)模式，以上設(shè)備均按照2倍數(shù)量來配置。

3.2.5 鉆探控制系統(tǒng)

鉆探控制系統(tǒng)是由現(xiàn)場級(jí)PLC控制站、集成通訊網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)司鉆終端所構(gòu)成的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)，通過主、副司鉆的控制及后臺(tái)邏輯程序，實(shí)現(xiàn)分散設(shè)備的集成化監(jiān)視、實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和防碰互鎖管理等功能。主司鉆主要控制油缸舉升系統(tǒng)、鉆柱補(bǔ)償系統(tǒng)、隔水管張緊系統(tǒng)、頂驅(qū)及液壓吊卡、鉆井泵、井口鐵鉆工、液壓轉(zhuǎn)盤、動(dòng)力卡瓦、液壓貓頭、儀表系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、節(jié)流壓井系統(tǒng)與液壓站等設(shè)備，副司鉆主要控制動(dòng)力貓道、垂直管柱處理系統(tǒng)、氣動(dòng)指梁、管柱處理、鐵鉆工、動(dòng)力鼠洞與工業(yè)電視監(jiān)控等設(shè)備，詳見圖8。

圖8 鉆探系統(tǒng)環(huán)形控制網(wǎng)絡(luò)圖

3.2.6 泥漿及散料系統(tǒng)

通過分別計(jì)算大洋鉆探取心取樣、水合物試采、油氣鉆探這3種工況下的泥漿與散料系統(tǒng)配備容積（見表5），結(jié)合鉆探船總體功能和作業(yè)工藝要求，建議泥漿系統(tǒng)總?cè)莘e為1 200 m3，散料系統(tǒng)總?cè)莘e為600 m3。建議選用3臺(tái)52 MPa、2 200 hp高壓5缸泥漿泵，配置3臺(tái)振動(dòng)篩和1臺(tái)一體機(jī)，處理量均為900 GPM，高壓立管管匯額定壓力52 MPa，固井和節(jié)流壓井管匯額定壓力70 MPa。[15]

表5 3種工況下泥漿與散料系統(tǒng)容積分析

表6 大洋鉆探船鉆探系統(tǒng)關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化配套能力分析

3.2.7 隔水管系統(tǒng)

隔水管系統(tǒng)最大工作設(shè)計(jì)水深3 000 m，接頭最大載荷為3 500 kips。從技術(shù)成熟性、工程應(yīng)用比例及維保可靠性等方面綜合分析，建議隔水管采用傳統(tǒng)法蘭連接型式。隔水管單根主管體外徑為21 in，配置2根15 000 psi節(jié)流/壓井管線、2根5 000 psi液壓管線和1根7 500 psi泥漿增壓管線，系統(tǒng)主要包含提升工具、試壓工具、卡盤、萬向節(jié)、上部撓性接頭、伸縮節(jié)、張緊環(huán)、灌注閥、隔水管單根及短節(jié)、浮力塊等配套部件。隔水管張緊系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)載荷3 000 kips，最大補(bǔ)償行程為15 240 mm（50 ft），采用鋼絲繩式張緊結(jié)構(gòu)，6組雙聯(lián)張緊液缸對稱均布（見圖9），單個(gè)液缸最大張緊力為250 kips。[16]

圖9 隔水管張緊系統(tǒng)布置圖

3.2.8 井口井控系統(tǒng)

圖10 水下井口裝置典型結(jié)構(gòu)圖

3.3 鉆探系統(tǒng)關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化現(xiàn)狀分析

近年來，國內(nèi)企業(yè)在高端海洋裝備國產(chǎn)化方面進(jìn)行了深入探索和研究，研制了一大批海洋油氣開發(fā)裝備，部分已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。其中，寶石機(jī)械公司在全液壓海洋鉆機(jī)、海洋動(dòng)態(tài)井架、泥漿泵、隔水管系統(tǒng)、鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)等方面的技術(shù)相對成熟，可實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代應(yīng)用；四川宏華集團(tuán)曾為TIGER系列鉆井船提供鉆井包，在海洋動(dòng)態(tài)井架、泥漿泵、管柱處理系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)方面有豐富經(jīng)驗(yàn)；蘭石集團(tuán)近年來也在海洋井架、泥漿泵、管柱處理系統(tǒng)方面有較深入的研究，部分產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化應(yīng)用。然而國內(nèi)企業(yè)的突破主要以單元設(shè)備為主，系統(tǒng)化的整體解決方案仍然不夠成熟，工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足。考慮到我國大洋鉆探船的特殊性，以及后續(xù)建造維護(hù)等方面的便捷性及可控性，結(jié)合目前我國深水鉆探裝備的技術(shù)現(xiàn)狀，本文給出了我國大洋鉆探船鉆探系統(tǒng)主要配套設(shè)備的推薦方案（如下頁表 6 所示），供相關(guān)人員研究和參考。

總體來看，大洋鉆探船鉆探系統(tǒng)裝備完全可以由國內(nèi)企業(yè)自主集成設(shè)計(jì)和建造，但在舉升液缸、升沉補(bǔ)償系統(tǒng)、柱式排管系統(tǒng)、水下井口和防噴器、關(guān)鍵控制閥組等配套件上，建議采用進(jìn)口品牌或與國外經(jīng)驗(yàn)豐富的企業(yè)合作開發(fā)，以保證系統(tǒng)整體可靠性和先進(jìn)性。

4 結(jié) 語

本文通過對國內(nèi)外大洋鉆探船鉆探系統(tǒng)裝備的配套能力分析，結(jié)合我國大洋鉆探船的功能定位和作業(yè)模式，綜合考慮大洋科學(xué)鉆探、海洋油氣鉆探、水合物試采與深海采礦等4個(gè)方面的戰(zhàn)略需求，提出了我國大洋鉆探船的2種作業(yè)模式，即：隔水管作業(yè)模式主要用于深海油氣鉆探及天然氣水合物試采，無隔水管作業(yè)模式主要用于大洋科學(xué)鉆探及深海資源勘查。據(jù)此，進(jìn)一步提出了大洋鉆探船鉆探系統(tǒng)的總體參數(shù)和布置方案；給出了提升系統(tǒng)、鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)、管柱處理系統(tǒng)、鉆探控制系統(tǒng)、泥漿及散料系統(tǒng)、隔水管系統(tǒng)和井口井控系統(tǒng)的主要參數(shù)和配套方案，并針對本方案關(guān)鍵配套設(shè)備的國產(chǎn)化現(xiàn)狀進(jìn)行簡要分析并提出配套建議。