海洋地质调查船地质钻探系统集成设计

何桥宝

摘 要：海洋开发离不开海洋地质调查船的前期介入，地质钻探系统作为地质调查船的核心设备，可用于海洋地质勘探、取样作业、CPT作业、测井作业等多个方面的地质调查。该系统组成的设备复杂、子系统众多，设计建造难度大。本文以我司为海洋地质调查局建造的N703综合海洋地质调查船为例，浅析该类船钻探系统的集成设计，供类似项目参考借鉴。

关键词：海洋开发；海洋地质勘探；地质钻探系统；集成设计

中图分类号：U674.38 文献标识码：A

Abstract： Marine exploitation cannot be separated from the early support of the marine geological survey ship. The geological drilling system， as the core equipment of the geological survey vessel， can be used for geological surveys in various fields such as marine geological exploration， sampling operations， CPT operations， and well logging operations. The system consists of numerous device and numerous subsystems and it is difficult to design and build it. This paper takes the integrated marine geological survey ship N703 constructed for the Marine Geological Survey Bureau as an example to analyze the integrated design of this kind of drilling system， which can be used as a reference for similar projects.

Key words： Marine exploitation； Marine geological exploration； Geological drilling system； Integrated design

1 项目概况

广东中远海运重工有限公司于2015年承建了N703综合地质调查船，该船为地质地球物理综合调查船，装备有地质调查、地球物理调查、海洋水文调查和信息化管理等4类共计20台（套）调查设备。该船具有全球航行能力，振动、噪音满足COMF （NOISE 3）， COMF （VIB 3）要求。

2 总体设计要求及布置图

本船地质钻探系统用于海上地质勘探、取样作业、CPT作业、测井作业等。由于设计功能及使用目的不同，地质钻探系统的设备配置与常规海洋石油钻探系统的配置有许多类似之处，但也有很大的区别；同时，由于受船舶总吨位、空间的限制，对设备的重量、外形尺寸等有严格要求。

根据业主实际勘探需求，本船钻探系统设计的综合指标为：水深+钻深600 m；同时兼顾后期功能拓展到水深1 200 m +钻深200 m的要求。

本船钻探系统总体布置方案为：在船舯区域设置为钻探设备区域，包括双层底、平台甲板和主甲板；月池开孔位于船舯位置，从主甲板贯穿到船底，如图1～图4 所示。

该地质钻探系统配置有：井架和提升系统；升沉补偿系统；顶部驱动装置；泥浆系统；散料系统；自动化钻杆处理系统；海底基盘收放系统；月池盖系统；司钻控制系统等子系统。各子系统根据功能要求，交叉排布在在主甲板、双层底、平台甲板上。

3 总体设计技术方案

3.1 井架和提升系统

为优化甲板面布置和提升系统的稳定性，创新地采用了门型井架、液压缸顶升系统来提升顶驱和钻柱（见图5），相对于常规的塔型井架、钻井绞车提升顶驱和钻柱，井架区域取消了传统的钻井绞车，所节省出来的空间可以用来布置取样绞车、动力大钳等设备。同时，门型井架的开口式设计，对于在主甲板面安装可移动式月池盖创造了有利条件，使得整个甲板区域布置合理紧凑。

顶驱装置（见图6）主传动采用液压驱动主轴旋转，泥浆主循环通道为4 3/4″（Φ121 mm）并向上贯通。其液压控制系统实现无级调速功能，顶驱端最大载荷600 kN。

3.2 升沉补偿系统

根据本船在深海区域使用DP动力定位进行钻探的要求，配置了升沉补偿系统（见图7～图9），其主要功能为：

（1）消除海浪作用下平台升沉对钻井作业的影响；

（2）减小升沉运动导致的井底钻压波动；

（3）解决水下设备的准确下放技术问题。

该系统主要配置设备有补偿装置及其配套设备，如补偿油缸、蓄能器、补偿液压站等。

3.3 泥浆系统

综合考虑浅钻系统的水深+钻深600 m，同时兼顾后期功能拓展到水深1 200 m+钻深200 m的要求，配置两台高压泥浆泵（见图10），最高泥浆输出压力为20MPa；对管路系统设备进行优化，仅配备两台低压泥浆泵用作散料混合泵，同时兼做高压泥浆泵的低压加注泵、泥浆调配泵。

3.4 散料系统

配置了混合漏斗、混合泵和破袋加料器、真空吸吊行车等设备，构成半自动散料加料系统。

由于本船的空间配置问题，仅在泥浆池到主甲面以下的空间布置了一个散料工作间用来存放散料，同时在该散料工作间安装泥浆搅拌器、泥浆池传感器等各种设备。如果采用常规的散料灰罐来存储散料，由于罐体通常为圆柱形，同时还要考虑气动输送的流化系统，故所能存储的散料数量远低于系统设计的要求。通过优化系统设计，散料全部用方形散料袋装（每袋约25 kg），堆放在散料间的空档区域，最大限度地利用了散料工作间有限的空间，使散料存储量达到了系统设计的要求。

3.5 自动化钻杆处理系统

配置抓管机、钻杆盒、水平动力猫道、液气大钳、动力卡瓦等机械化工具（见图11、图12），可实现从管柱从钻杆盒至井口顶驱连接的自动化作业。所有设备除动力卡瓦采用气动外，均采用液压驱动，可在司钻处远程控制。

3.6 海底基盘收放系统

勘察船进行深海作业时，船由于受到海浪作用会随着波浪产生升沉运动，安装在工作船上的作业装置也会产生升沉运动，影响到深水作业的基盘的正常工作。因此，在基盘绞车上安装有波浪补偿装置，以减小波浪对深水勘察作业的影响。海底基盘收放系统设备包括：基盘、基盘绞车、补偿装置、液压源、液压管路系统、基盘控制系统、脐带缆绞车等，如图13所示。

3.7 月池盖系统

在主甲板上配置一套月池盖，其形式为在月池盖井口处设计有卡瓦支撑盘，相当于转盘的钻杆通道（见图14）。正常钻井时月池盖通过八件液压锁紧销与船体相连，月池盖下部设四件举升油缸，当需要下放或提升基盘时，通过举升油缸举升月池盖底部与甲板平齐后，将月池盖通过甲板上液压绞车头打开，让出月池。月池盖的关闭与其打开的操作过程相反。月池盖在结构设计上可满足不取出钻杆整体移出月池盖。

3.8 司钻控制系统

在主甲板面配置司钻控制房（见图15），采用主、副司钻分区控制。主司钻操作座椅可控制的设备包括：顶驱、泥浆泵、液压猫头、升沉补偿系统、工业监控系统、提升系统、仪表系统、井架举升装置等；副司钻操作座椅可控制设备包括：动力猫道、钻杆动力钳、工业监视系统、抓管机、取样绞车等。

4 技术方案评价

根据项目后期调试与海上作业反馈，在较小吨位的船舶上（本船约为3 000吨）实现了布置紧凑，各子系统功能運行良好，达到了预期的设计效果，满足项目的总体指标要求。

5 结语

作为国内首套门型井架和液压缸顶升式提升钻探系统，通过实施本项目，对于地质钻探系统的设备规格配置、系统布置作了探索和设计改良，形成了较为完整的地质钻探系统集成设计方案，对以后建造类似项目具有一定的参考价值。

参考文献

[1] 中船重工集团第七〇一研究所. 综合地质调查船钻井系统说明书. 2017，.