HD-600型海洋钻机的研制

欧阳志强，雷统平，周亲宗，梁文成，陈法安，李明星

(1.衡阳中地装备探矿工程机械有限公司，湖南衡阳 421002；2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州 510230)

0 引言

海洋工程勘察已广泛应用在跨海大桥、码头、沿海核(火)电站、海底通讯光缆、海上风力发电，填海造岛、机场建设及民用建筑、电缆路由、海底输油管道路由和海上石油平台场址等海洋工程建设中。当前，我国海洋工程勘察行业普遍存在的问题是缺少先进的勘察设备和装备完善的勘察船只，我国的海洋技术装备落后于发达国家，勘察设备大多都需要从国外引进。国内海洋工程勘探钻探设备主要是用陆地勘探用的立轴钻机加上简易的钻塔改装而成，由于陆地钻探和海洋钻探存在较大的差异，改装设备施工效率低，适用性较差，存在很大的安全隐患。

海洋工程地质勘探和陆地勘探最大区别是陆地钻机与钻孔是相对固定的，而海洋钻探钻机放在船上，孔位在海底，钻机跟船随波浪运动，钻机与孔位相对位置是在不断变化的，如何保证取心的连续性和岩心质量，钻进的可靠性、安全性，如何适应海上的各种施工环境是在设备研制中要重点考虑的。经过长期在海洋工程勘察钻探领域的积极探索，我们认识到海洋工程勘察钻探设备的设计要充分考虑以下八个方面的问题：①保证钻探施工及工作人员的安全；②充分考虑钻探工艺特性；③提高施工效率；④降低能耗及控制成本；⑤钻机的操控性；⑥降低工人劳动强度和改善工作环境；⑦提供备用方案及应急处理措施；⑧整机配套及综合功能的优化。

目前海洋工程勘察钻探设备较多采用四角管塔与陆地立轴钻机的改装组合，施工效率低，适用性较差，存在很大的安全隐患。同时，无法克服海洋钻探由于波浪起伏造成钻探平台的升降，造成钻机立轴的损坏；各个功能系统(包括给进、回转、提升、打捞)本身对于海洋工程勘察钻探钻进的适应性以及系统之间的匹配性也很难满足。因此，我们必须打造自己的设备体系以满足市场需求。在很长一段时期内，国内针对该领域专用钻探装备的研究处于空白，国外起步较早，目前已基本成熟，与国外相比我国还存在较大差距。为了推进海洋工程勘察技术的发展，通过与中交四船院广泛交流和经验总结，在我公司研制的HD-300与HD-500海洋钻机的基础上，研制了HD-600型海洋钻机。

1 HD-600型海洋钻机技术方案及创新点

1.1 技术方案

1.1.1 技术路线

针对海洋工程地质勘探的工艺特点，形成我们海洋工勘钻探设备的技术路线如下：

总体结构型式为塔机分离，模块化、散装；主要驱动方式(提升、回转)为液压驱动；主要钻进型式为顶部驱动；主要控制方式为数字控制。

1.1.2 主要部件

钻机主要部件包括：钻塔、底座、液压动力头、液压系统、波浪补偿系统、动力站、冲击卷扬、泥浆泵、操纵台等。

1.2 技术创新点

1.2.1 液压波浪补偿系统

该系统主要部件为蓄能器、液压油缸、滑轮组以及拉力计等。通过各部件的连接，使机械能、液压能和气压能能够实时转换，从而使系统消除海浪上下起伏对海洋钻探的影响，可极大提高海洋钻探的质量。同时，可根据地层的软硬和海浪高度对钻进压力及波浪补偿行程进行调节。

1.2.2 顶部驱动钻井系统

该系统由顶部马达驱动旋转钻柱，并沿导轨上下移动，通过绞车控制实现钻进功能。该技术的应用实现了提供强拉和大扭矩回转的复合动作，增加了给进行程，减轻了钻探施工劳动强度，推动钻探施工工艺模式上的不断创新。

1.2.3 全数字化控制系统

采用全数字化控制技术，通过可编程逻辑控制器(PLC)和电、液及各种传感器一体化设计，实现对转速、钻压、泥浆泵压力和流量及发动机运行参数的监控，通过该技术实现了海洋勘探的可视化、智能化。

1.2.4 模块化设计

整机采用模块化设计，可根据施工工艺的需要增减或更换功能模块，能够适应各种作业环境。

1.2.5 适用地层

可用于海洋沉积淤泥地层、黏土地层、砂质黏土、粉砂层、砂层、砂砾岩及基岩地层钻进。钻机能满足各种地层中不同钻进取样工艺的需要。

1.2.6 抗腐蚀性能

为了避免海洋气候及海水的腐蚀性，泥浆泵采用了陶瓷缸套，钻塔及各种重要部件采用特殊工艺进行了防锈处理，使整机在海洋环境下更耐用。

2 主要技术参数

钻机主要技术参数见表1。

表1 HD-600型海洋钻机主要技术参数表

表1 (续)

3 HD-600钻机使用情况

2016年12月，首台新型海洋工程勘察钻机通过厂内实验，各项数据达到设计要求后交付用户单位中交第四航务工程勘察设计院有限公司，在海南三亚、海口、三沙，福建和广东深圳等海域施工进行生产试验。历时一年多，累计工作量超万米(图1)。

图1 首台HD-600海洋钻机三亚施工现场

从目前的使用情况来看，HD-600型海洋工程勘察钻机适应环境范围广，成孔质量高，施工效率有了较大的提升。产品的优势体现在以下几个方面：

(1)设备先进，采用数字化和智能化控制，可靠性高，辅助时间短，施工效率高；

(2)具有波浪补偿功能，减少了钻探事故，提高了勘察质量，这也是传统的钻机所不具备的功能；

(3)钻机采用液压传动，集中控制，钻杆的扭矩和转速能在较大范围内实现无级变化；

(4)模块化结构，安装快捷，运输方便。操控性能便捷，减轻了工人劳动强度，改善了劳动环境、提高了安全性和舒适度；

(5)动力头活动空间大，可以自由上下升降，大大方便了井口的作业；

(6)冲击卷扬采用汽车变速箱，速度范围宽，提升能力强，可选择的档位多，可很好的适应各种复杂的海上工况；

(7)管路连接采用快速接头插接为主，减少液压油漏油的可能性，可较好的解决因流失造成环境污染的问题。

从工地反应的情况来看，也存在着一些问题：

(1)由于海洋环境的特殊性，液压油缸活塞杆等部分液压元件容易锈蚀，从而造成油缸密封件漏油；

(2)动力站的噪音偏大，需要降噪减震；

(3)波浪补偿灵敏性需要进一步提高；

(4)降低管路油管规格，增强管路的互换性。

针对客户反馈的问题，我们将在下一阶段逐步改进、解决。