3 000 m海洋水下勘察基盘研制概要与试验

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(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002； 2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002)

我国的海洋矿产资源种类繁多，例如石油天然气、固体矿产、化学资源、可再生能源等资源，开发潜力巨大，迫切需要更加高效、精准的先进技术装备。目前，我国海洋高端装备基本依赖进口。为了突破国外的技术壁垒，支持我国南海深水的矿产资源勘探开发，并参与国际市场竞争，急需在深水、超深水钻井装备国产化方面取得实质突破。水下勘察基盘作为勘察船的核心配套装备之一，对于在海洋复杂环境载荷作用下，能够稳定精准地有效保障地质钻探、物探取样、科学考察等工程作业发挥重要作用，其设计制造、系统控制技术被荷兰等欧美发达国家所垄断，国外专业制造公司，例如，荷兰FUGRO公司建造的深水工程勘察船，配备有水下勘察基盘，其相关技术报道较少。Cameron公司、Vetco Gray公司、AkerKvaerner公司等，在钻井基盘的设计制造方面较为成熟，而对于水下勘察基盘则涉猎较少[1- 2]。我国在海洋水下勘察基盘的研制方面一直处于空白状态。研究水下勘察基盘的设计、安装、制造、控制，以及现场应用等技术，为我国进一步深入开发其它水下装备具有重要的指导意义。

在国家科技重大专项“深水工程勘察船及配套技术”课题的支持下，宝鸡石油机械有限责任公司(以下简称宝石机械公司)结合我国“海洋石油708”深水工程勘察船的作业能力、应用环境、安装应用、地质钻探、随钻取样、设备配置等技术要求，经过技术方案比选论证，以及现场优化试验，于2011-03成功研制出我国首台具有自主知识产权的适应海洋3 000 m水深的海洋勘察基盘。该产品获得国家发明专利授权(一种海洋水下勘察基盘：中国，ZL201010161934.5)。

1 结构组成

水下勘察基盘是勘察船在海底工作的关键装备[3-4]。图1所示为勘察船钻井系统的空间立面图，其主要由勘察船、钻井系统、系列钻具、水下勘察基盘等子系统组成。其中的水下勘察基盘，如图2所示，平常停放在甲板月池大门上，需要作业时由甲板位置安装在海床位置处。在基盘技术开发过程中，充分考虑海洋环境、驱动方式、通讯方式、信号处理、结构单元布局、月池尺寸、安装回收等各种因素，经过反复计算、方案比选以及单元器件试验，再进行技术方案优化[5]，最终开发了该遥控式水下液压驱动的基盘。该基盘主要由水下液压系统、水下控制系统、滑轮导向系统、海底钳，以及以井口中心对称布局的空间塔形钢架等模块组成。在各模块结构设计和优化布局过程中，依据空间尺寸和质心位置，确保基盘整体结构平衡。

1—动态井架；2—提升系统；3—绞车；4—勘察船；5—钻具；6—海底钳；7—基盘；8—吊机。

1—水下液压系统；2—海底钳；3—滑轮导向系统；4—上架体；5—立柱；6—临时导向井口；7—水下控制系统；8—下架体。

2 作业概况

在海洋地质钻探时，以基盘绞车、恒张力器等组成的收放系统将水下基盘预先安装在指定的海床位置，作为临时井口装置。在随钻取样过程中，基盘作为井口基础，通过液压海底钳固定和夹持钻杆，为取样工具提供终端支撑和反作用力，克服海洋环境载荷引起钻杆颠簸串动，以保证海底取样位置准确控制；在提升和下放钻杆时，基盘作为海底井口，通过导向钢丝绳导引钻具到达海底井眼[6]。根据该勘察基盘的作业特点，其主要有水下安装、海底作业、甲板回收3个阶段。

3 主要技术参数

最大工作水深 3 000 m

最小垂直通径 280 mm

导向钢丝绳直径 32 mm

导向钢丝绳间距 4 780 mm

液压钳额定夹紧力 100 kN

钳紧方式 液压钳紧

控制方式 声纳遥控

主体尺寸(长×宽×高)

4 050 mm×4 050 mm×2 500 mm

4 设计特点

1) 模块化集成设计，安装连接简单可靠，有效提升载荷及环境适应能力。

该海底基盘水下各单元采用模块化设计，连接简单可靠，可保证水下下放、安装、回收等工作的稳定性和平衡性，有效提高深海高压密封性能及环境适应能力，易于生产制造和组装运输。

2) 海底钳单元曲面设计，有效提高钻具夹持范围和可靠性。

海底钳钳头设计为几何曲面衔接构成，钳牙小半径自动调整，能够适应多种规格钻具的夹持，可实现钻具夹持可靠稳定。油缸末端配备有可靠的水密封接插件，以确保其在深水环境下的高密封性能。

3) 深海液压驱动单元设计，解决了深海高压和密封技术。

深海液压系统创新设计了随水深变化的胶囊式压力补偿装置，可实现液压系统内部压力与外部环境压力的动态平衡，有效降低了液压油箱及管路的材料尺寸规格。液压站系统采用冗余结构，突发情况时可自动切换，从而进一步提高基盘工作的适应性和可靠性。

4) 采用远程声纳控制技术，开创了基盘控制方式的新变革。

采用水下声纳控制系统实现了深海3 000 m水深的无缆远程控制，可完全替代脐带缆及电缆绞车的应用，对水下钻井装备控制技术的重大变革。声学命令和应答信号应用独有的宽带声学遥测协议和前向纠错技术，可保障水下数据传送的高完整性。

5 关键技术

1) 水下单元结构设计技术。

通过流固耦合分析，在满足强度和刚性的前提下，有效减小海流海浪对水下基盘的冲击载荷及涡激振动的影响[7-8]。总体结构采用对称塔形钢结构，其支腿选用厚壁圆管，增强稳性及深海环境载荷适应能力。水下驱动及控制部分按照子系统模块化设计，模块之间通过水下电缆及水密插件连接。各个模块设计布局采用质心平衡设计思想，主体结构设计为多模块组合形式，附属结构采用一体化设计，可保证结构刚性和强度。如图3所示。

2) 水下安装与回收技术。

海底基盘安装是一项高风险的系统技术。针对该基盘的作业水深，对安装过程中水下设备及钻杆所受的风力、波浪力及洋流力等进行了研究计算，确定了不同安装阶段的载荷情况和边界条件，模拟计算了安装过程中基盘各节点的偏移量、剪力、弯矩值以及所受拉力。同时考虑安装作业效率和经济实用性，通过分析论证，确定了该基盘的安装回收技术方案。在该基盘上架体上布置3个滑轮，即，2个垂直安装滑轮，1个水平安装滑轮；甲板布置2台基盘绞车，其钢丝绳穿过天车顶部滑轮组，然后依次穿过水下基盘的3个滑轮。

安装过程中，控制基盘绞车钢丝绳的下放速度，使基盘缓慢下放，其各个节点参数变化量都在设计范围内。基盘可安全平稳的安装到水下目标海床位置。

3) 深海液压驱动技术。

液压系统主要由水下液压站、驱动装置、执行机构、胶囊补偿装置、应急系统等构成，其作用是在甲板计算机的控制下，驱动海底钳的液压油缸的执行动作，以实现海底钳对钻具的定位和夹紧。其中，液压泵选用径向柱塞泵，电机为直流无刷电机，油泵、电机及控制阀组等集成安装在密封油箱内，并创新设计了随水深变化的胶囊压力补偿装置，随水深变化自动调节液压系统压力和海洋环境压力，达到平衡状态。

液压泵阀系统设计为2套备份结构，出现故障时自动切换，从而进一步提高了海底钳工作的可靠性。在液压油缸的液压回路中设计了节流阀，实现液压油缸平稳运行。为便于海上操作人员准确获取海底钳的夹持状态及工作压力，设计了高精度传感器，将其工作状态参数反馈到夹板计算机，以方便操作。不仅如此，专门设计了应急储能器机构，便于在紧急状态下海底钳打开[9-10]。其液压驱动结构如图4所示。

图4 水下液压驱动系统

4) 水下远程控制技术。

远程声呐控制系统是勘察基盘在海底工作的指挥、通讯、控制和监测中心，主要由甲板控制系统、水下通讯系统、水下电源系统等组成。甲板控制系统与水下之间通过换能器实现信号和数据的传递和反馈。其中，甲板声学通讯机的发射换能器从甲板月池位置下放到水下约20 m深度，水下系统的接收换能器安装在基盘上架体上，接收端向上。通过操作按钮控制声波发射和接收进行双向通讯。

甲板控制系统主要由声学通讯机、主控计算机、显示屏、控制按钮、电池组充电器等组成。声学通信机用于与海底基盘上的水下系统进行双向通讯，传输操作按钮指令和钳紧参数，可实时显示系统主要参数和工作状态。主控计算机用于声学通讯、数据传输控制与显示控制。图5所示为甲板控制系统逻辑图。

图5 甲板控制系统逻辑图

水下系统主要有水下控制模块、水下液压模块、电池组等3个部分，通过深水电缆和耐海水腐蚀的管线连接。其中，水下控制模块主要由声学通讯机、控制器等元件组成。电池组由大功率锂电池构成，分别安装于耐高压、耐腐蚀的不锈钢筒中，为海底钳及控制系统提供电源。同时还包括深水传感器、深水电缆及插接件等元件。图6所示为水下控制系统逻辑图。

6 试验及应用情况

1) 整机静平衡试验。

把勘察基盘组装完成，检查各个部分连接正常后，在钻机试验台上，使用ø32 mm的钢丝绳依次穿绕基盘顶部的3个滑轮。通过基盘绞车缓缓提升钢丝绳，待基盘离开地面约500 mm后停止。通过增加配重块(质量级别为50、30、10、5 kg)，测量勘察基盘的矩形底面的4个角到基础面的垂直距离，使其基座保持水平平衡状态。经过反复试验，基盘平衡状态下加装配重块总质量约为245 kg。最后通过螺栓将配重块与基盘连接固定。反复起吊基盘6次，平衡状态保持良好，达到设计要求。

图6 水下控制系统逻辑图

2) 水下密封及压力试验。

将液压油缸、控制单元模块、电源系统模块等分别进行了水下密封试验和静水压试验。在密封试验过程中，逐级加压到37.5 MPa，反复进行了5次试验，每次保压30 min，观测压力表及各个密封环节，结果显示各个单元密封性能良好。在压力试验过程中，分3级逐级加压到45 MPa，每次保压10 min，反复进行了5次试验，然后拆卸各单元进行监测及探伤，结果显示各个单元力学性能达到设计要求[11]。

3) 水下控制及通讯试验。

将控制系统的甲板单元和水下单元分别安装在2条船(1号、2号)上，将声纳发生器安装在距离1号船甲板下的5 m水深处，声纳接收器安装在距离2号船甲板下的5 m水深处。此时，在统一指挥下，启动1号、2号船上的计算机和串口测试软件，并将声纳系统启动供电，开始进行测试工作。在2只船上的计算机互发数据，检查对方计算机是否能收到数据，以及数据的正确性。该试验过程在1号、2号相距10、50、100、500、1 000、2 000、3 000、4 000和5 000 m位置处进行了信号发生和接收测试，经过测试水下控制及通讯各项指标，达到设计精度要求。

4) 整机功能试验。

整机功能试验包括夹持能力试验和执行机构响应试验，主要目的是检验海底钳的牙钳夹持钻具的能力和执行机构响应灵敏度。在液压系统压力16 MPa的状态下，分别夹持ø127 mm(5 in)、ø177.8 mm(7 in)、ø209.6 mm(8in)规格的钻具，通过信号处理系统，计算牙钳夹持力和摩擦力数值[12]，以及各执行机构的动作显示和响应时间。经过3种尺寸规格钻杆的6组试验，其测试结果均达到了设计要求。

5) 现场应用情况。

2011-12-16，该勘察基盘成功配套在 “海洋石油708”深水工程勘察船上以来，经历了我国南海海域的多个区块的勘察作业，各项技术指标完全满足作业要求。特别是2017-05“海洋石油708”首次完成海洋浅层可燃冰固态流化试采作业，获得天然气81 m3，甲烷含量达到99.8%。

7 结论

1) 研制的水下勘察基盘是一项集成了深海液压技术、水下结构设计、声学控制技术等多项水下前沿技术的产品，已成功应用，性能稳定，运行可靠，完全满足现场作业要求。该基盘的研制成功，对实现我国水下石油装备的国产化，以及进一步研制水下相关装备具有重要意义。

2) 深海液压驱动系统设计了适应水深变化的胶囊压力补偿装置，可动态调整内部压力与外部环境压力的平衡，提高了设备整体运行的环境适应性。解决了水下密封及耐水压等技术难题，有效保障海底钳工作的可靠性。水下液压驱动技术有其独特的优势，但是存在作业过程中人员无法近距离监控操作，维护保养成本高等问题，且水下液压元件价格昂贵，需要进一步提高安全可靠性和经济实用性。

3) 水下装备由于其作业环境的特殊性，向可视化、可控化、动力化方向发展，对操作、收放、维护、检测等提出了更加苛刻的要求，应逐步建立水下装备设计工艺技术体系，加强水面远程操作与深水机、电、液、声等复合控制技术，深水试验技术，水下装备安装与回收技术等方面的研究，以推动水下装备技术的协同发展。