大洋勘探船钻探系统总体方案设计

王安义， 张志伟， 赵 鹏， 崔玉峰， 李长江

(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)

0 前 言

国外对海洋固体矿产资源(包括多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物)的开发已从地质资源调查阶段进入勘探取样阶段，即将进入商业化开采阶段，而我国目前仍处在地质资源调查阶段。开发利用海洋固体矿产资源，特别是多金属硫化物资源，首要任务就是发展勘探装备，因此，加快具有自主知识产权的大洋勘探船开发迫在眉睫。钻探系统是大洋勘探船的核心组成部分，研究适合目标大洋勘探船的钻探系统总体技术方案可为大洋勘探船的工程建造提供技术支撑[1]。

1 钻探系统功能定位

目标钻探系统主要瞄准西南印度洋多金属硫化物等深海矿区勘探和我国大洋钻探科学考察作业需求。为了降低钻探系统总体质量、增强勘探船的单次作业能力，采用单井架钻探作业系统。为了在满足大洋钻探取芯作业需要的同时降低勘探船设计制造成本、提高效率，采用无隔水管开式钻探作业模式(水深+钻深=6 000 m)以及国际上通用的高效绳索取芯作业工艺。

2 钻探系统主要技术参数

(1) 钻探深度：矿产勘探1 500 m(泥线下)；科学钻探6 000 m(含水深)。

(2) 井架型式与高度：塔形井架，52 m。

(3) 大钩载荷：6 750 kN。

(4) 绞车额定输入功率：2 200 kW。

(5) 立根盒：钻杆排放6 000 m。

3 总体方案设计

钻探系统主要包括提升系统、深孔钻进补偿系统、管柱自动化系统、钻探取芯和岩芯输送等关键系统。

3.1 总体布置原则

目标勘探船采用单井架钻探系统。总体布置原则：满足大洋钻探取芯作业需求；满足安全、高效作业需求；设备布置优先满足操作频率高的设备；尽可能降低系统重心；方便岩芯输送作业。

3.2 提升系统方案选型

对国内外现有的资源勘察船和大洋勘探船进行技术调研[2]，发现其配套的钻探系统的提升系统型式主要有绞车提升和液缸举升两种，且大多以绞车提升方案为主。主要从钻台面布局、起下钻速度、提升系统效率、操作维护性等方面对提升系统型式进行对比(见表1)，确定目标勘探船的提升系统方案。

表1 两种提升系统方案对比分析

由表1可知：绞车提升方案在起下钻速度、操作维护性方面优于液缸举升方案，而在钻台面布局、系统效率方面逊于液缸举升方案。考虑绞车提升系统经过多年的发展，整体技术相对成熟，作业可靠性也得到长时间的现场验证，目标大洋勘探船钻探系统采用绞车提升方案更为稳妥，也更贴合目前我国的整体水平。

3.3 深孔钻进补偿系统方案选型

深孔钻进补偿系统是海洋深水资源勘查开发的关键装备，主要用于克服波浪升沉运动对钻采船作业的影响。根据已确定的绞车提升系统型式，适用的深孔钻进补偿系统方案主要有天车补偿、游车补偿、绞车主动补偿。根据补偿形式不同又可分为被动补偿、主动补偿、主动+被动补偿的形式[2，5]。游车补偿方案的补偿吨位一般在300 t以下，主要用于浅水钻井或深水勘察船勘探取样，不适用于大洋勘探船钻探系统作业要求。天车补偿方案与绞车补偿方案的对比结果如表2所示。

表2 深孔钻进补偿系统方案对比分析

由表2可知：天车补偿方案在可靠性、运行成本、控制对象等方面优于绞车补偿方案，而在补偿精度、建造成本、维护保养等方面逊于绞车补偿方案。从降低大洋勘探船作业的运行成本、提高其可靠性方面出发，目标勘探船深孔钻进补偿系统方案选用天车补偿方案。

3.4 管柱自动化系统方案选型

为有效提高管柱自动化程度、降低工人的劳动强度、提高作业安全性、大幅提高钻井的作业效率、降低作业成本，在输送钻杆和套管、建立根、排放立根、起下钻、甩钻具等作业过程中均采用自动化作业设备。目前，大洋勘探船管柱排放系统方案有柱式排管系统和桥式排管系统两种型式[6-8]。两种型式的排管系统方案各有优缺点，具体对比如表3所示。

表3 两种型式的排管系统方案对比

由表3可知：在设备组成方面，桥式排管系统所配套设备数量比柱式排管系统多2件；在可靠性方面，假设单个设备的故障率相同，那么对于整个系统而言，设备数量越多，其系统可靠性会越低；在人员配置方面，柱式排管系统所需的操作人员比桥式排管系统少，并且不需要人员到二层台位置操作设备，尽可能保证了操作人员的安全性；在集成控制方面，桥式排管系统比柱式排管系统配套的设备数量多，其接口必然就会多一些，在设计控制系统时将会比较复杂。

综合上述对比分析结果，柱式排管系统方案优于桥式排管系统方案，目标大洋勘探船的管柱自动化系统方案选择柱式排管系统方案。

3.5 钻探取芯和岩芯输送方案

取芯作业是大洋勘探船海上作业的关键一环，钻探取芯工艺和岩芯输送方案的好坏直接影响取芯效率。其方案的设计需要满足操作安全、可靠、方便的要求，能够将井口取出的岩芯通过传输直接进化验室。

绳索取芯工艺包含的关键设备主要有取芯绞车、钢丝绳、操作箱等。取芯绞车布置在钻台面高位，靠船右舷，出绳方向与井口中心对齐，通过导绳轮使钢丝绳连接打捞头方便地从井架顶部井口中心快速下放；操作箱布置在钻台面，方便作业人员在钻台面上进行操作，且方便观察井口取芯作业。

绳索取芯钻具总成中的绳索钻具布置在主甲板上，根据需要通过管子吊机将绳索钻具抓放至水平动力猫道上输送至钻台面井口处，其他通用打捞矛头和通用吊具摆放在钻台面上。

岩芯输送系统采用模块化设计，可整体吊装，靠近船首侧布置，一端通过销轴与钻台面连接，另一端固定在主甲板上，岩芯输送滑车可在钻台面与升降装置顶部间往复移运，升降平台采用两级油缸进行升降运动以满足岩芯输送滑车到达船上岩芯化验室的要求。

4 钻探系统总体技术方案

结合大洋钻探取芯作业工况要求以及船体的结构，在系统分析提升系统、深孔钻进补偿系统、管柱自动化系统、钻探取芯和岩芯输送方案等关键系统和设备的基础上，完成一套大洋勘探船钻探系统总体设计方案。

4.1 总体布置方案

总体布置方案：管柱堆场布置在船尾侧；绞车布置在右舷钻台面上；取芯绞车布置在右舷绞车顶部；采用双司钻操作系统；管柱从布置在钻台艉部的猫道机进入井口中心；岩芯从布置在钻台艏部的滑车进入实验室。

4.2 方案布置图

布置图如图1～图3所示。

图1 钻探系统总体布置主视图

图2 钻探系统总体布置侧视图

图3 钻探系统总体布置俯视图(钻台面)

5 结 论

(1) 深孔钻进补偿系统方案选型与钻探取芯和岩芯输送方案研究成果是针对绞车提升方案进行的，不适用于液缸举升提升系统；管柱自动化系统方案选型研究成果适用于绞车提升和液缸举升提升系统方案。

(2) 大洋勘探船钻探系统总体设计方案及关键系统的方案选型可为大洋勘探船钻探系统工程设计建造提供依据。

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(3) 大洋勘探船钻探系统总体方案设计是一个复杂的系统工程，本研究仅提供了一种可行的解决方案，如果对大洋勘探船进行实际建造，可根据船体总体设计要求，进行局部优化以更好地满足大洋钻探作业工况要求。