大洋勘探船钻探及岩芯采集系统总体设计研究

田 雪，赵建亭，吴雪峰

(中国船舶工业集团公司第708研究所，上海 200011)

0 引 言

海洋中蕴藏着丰富的固体矿产资源，其中，多种金属物质具有重要的经济和商业价值。西方海洋强国在20世纪50年代末开始开展海洋固体矿产资源调查活动，目前对海洋固体矿产资源的开发已从地质资源调查阶段进入勘探取样阶段，抢先占领了最具商业远景的多金属结核富矿区，并已基本完成了商业化开采前的技术储备。我国由于缺乏勘探装备，还无法对已获得的国际海洋矿区开展勘探和试采工作，目前仍然处于地质资源调查阶段[1-2]。我国于1998年正式加入国际大洋钻探计划(Ocean Drilling Program，ODP)，开展的大洋钻探活动均租用国外装备，上船科学家的遴选、岩芯保存等均受制于人，无法掌握主导权[3-4]。大洋勘探船是海洋固体矿产资源勘探开发和大洋科学钻探的主要装备之一，开展大洋勘探船船型开发和关键技术研究具有非常重要的意义，可以推动我国海洋矿产资源开发和大洋科学考察的进程。

钻探及岩芯采集系统是大洋勘探船的核心任务系统，其作业流程复杂，相关系统设备繁多，对船型开发有重要影响。本文旨在探讨适用于大洋勘探船的钻探及岩芯采集系统配置方案，开展系统总体设计研究，为船型开发提供设计基础。

1 概述

1.1 主流船型的系统调研分析

截至目前，国内外还没有专门用于海洋固体矿产资源勘探的大洋勘探船。在国际上能够开展此类工作的船舶主要有美国的“决心号”和日本的“地球号”[5-6]。但是，国内“海洋石油708”勘探船的功能也和它们比较相近。本文整理和归纳了3种船型钻探及岩芯采集系统的主要技术指标和配置方案，如表1所示，旨在为目标船型钻探及岩芯采集系统总体设计提供参考。

表1 国内外相关船型钻探及岩芯采集系统的主要技术指标

1.2 系统功能需求分析

大洋勘探船的船型开发是围绕我国西南印度洋多金属硫化物等矿区和大洋科学钻探需求而展开的，需具备大洋海底固体矿产资源勘探与评价、深海采矿重大装备单体海上试验等功能，兼顾大洋及边缘海基础地质研究及部分海洋工程应用等能力，最大作业水深为4 500 m，钻孔深度为1 500 m，大洋科学钻探深度为6 000 m(含水深)。综上，大洋勘探船须具备钻探、取芯、采矿试验支持、可进行船载实验等功能。

在主流船型调研分析的基础上，综合考虑了设备配置、技术现状、经济性、船型特点等方面，确定目标勘探船采用无隔水管钻探作业模式，钻探及岩芯采集系统具备钻探、取芯、采矿设备下放回收功能。

2 系统构成

大洋勘探船为满足上述功能目标，船型所配置的钻探及岩芯采集系统需要如图1所示的5类作业系统、近20个子系统来实现所有功能。钻探及岩芯采集系统主要的子系统通过司钻房控制系统来实现远程控制，将液态存储和散料类系统的装载信息传到全船中央控制系统。

图1 钻探及岩芯采集系统构成示意

钻探系统主要处于钻台面以上，是完成大洋钻探作业及钻井工具和设备移运作业的关键系统，主要由井架及起升系统、旋转系统、钻台辅助设备、钻柱运动补偿系统组成。

岩芯采集系统主要处于主甲板和钻台面以上，是完成取芯器移运、取芯作业、岩芯出芯和转运等作业的关键系统，主要由取芯系统、岩芯转运系统和出芯系统组成。

物料处理系统主要处于主甲板上，是完成管材移运、水下设备下放回收等作业的关键系统，主要由管子处理系统、返孔锥处理系统和采矿设备处理系统组成。

泥浆系统主要位于船体舱室内或者主甲板的围壁处所内，为大洋钻探作业提供泥浆，是钻探作业重要的支持系统，主要由高压泥浆系统、泥浆配置系统、泥浆存储输送系统、散料存储输送系统、高压固井系统等组成。

辅助系统是完成钻探和取芯作业所必需的支持系统，主要由液压泵站系统、闭路电视系统、钻井水系统及作业中要用到的第三方设备等组成。

3 系统总体设计技术分析

钻探系统及岩芯采集系统位于船体以上，其设计对总体性能、船型及主尺度影响较大，而对于布置在船体舱室内的泥浆系统及辅助系统等；可以根据工艺流程需求及舱室划分开展系统设计。

3.1 钻探系统选型

目前，液压钻机和绞车提升钻机在国内深水钻井平台上均已成功应用，液压钻机具有起升速度快、整机重心低、系统效率高、取芯作业方便等优点，但存在系统控制复杂、整机功率需求高、重量大、维护成本高等客观问题，且我国在液压钻机及液压系统等领域，技术相对薄弱。而绞车提升钻机技术比较成熟、作业可靠、操作维护简便、应用广泛。因此，目标勘探船钻探系统采用绞车提升形式更为合适，有利于系统的国产化集成。

目标船最大钻深为6 000 m(含水深)，采用无隔水管钻探作业模式，最大钩载需求约为440 t，考虑到船型的试验性采矿支持需求和系统的扩展性以及未来科学钻探更大钻孔深度的需求，应配置钩载能力更大的钻探系统。在不同钻深和钻柱组合情况下，大钩载荷需求如表2所示，大钩载荷由下放套管载荷决定。在总钻深一定的情况下，泥线下井段越长，钩载需求越大。最终确定目标船钻探系统大钩载荷为680 t，可满足最大钻深9 000 m的需求，采用海洋动态塔形单井架，配置主动补偿绞车或天车型钻柱补偿系统。

表2 大洋勘探船大钩载荷估算表

(续 表)

3.2 取芯作业方式论证

取芯作业是指将钻取的岩芯由井底取出，主要有提钻取芯和绳索取芯两种方式[7]。提钻取芯采用传统取芯钻头钻具，岩芯管位于钻杆串最下端，在每次钻孔底岩芯管装满后，需将孔内全部钻杆及岩芯管提出钻孔，换一根空岩芯管，再将岩芯管与钻杆串连接放回孔内，加一根钻杆继续钻进。绳索取芯在取岩芯时不需要提出钻孔内的全部钻杆柱，而用钢丝绳和打捞器将装有岩芯的内管提至地面，获得岩芯，从而减少起下钻次数和升降钻具的辅助时间，提高钻进效率[8-9]。这两种方式在取芯效率、系统构成等方面的对比情况如表3所示。

表3 取芯作业方式比较

由表3可知，绳索取芯作业方式可以提高取芯作业效率，降低劳动强度，具有很显著的优势。目标船配置绳索取芯系统，并兼顾提钻取芯，以满足多种地质条件的钻探取芯需求。

3.3 岩芯转运方法与流程

取芯筒从井底打捞后，需要先将岩芯从中取出，再通过人力或专门的输送装置转运到岩芯收集区，之后进入实验室流程。硬岩岩芯通常需额外配置一套机械出芯装置，将岩芯从取芯筒中取出，而沉积岩岩芯则可以直接手动拖出。

为提高岩芯转运的自动化水平，目标船设置专用的岩芯输送装置，用于岩芯转运和取芯器具输送，并设置出芯装置，用于硬岩岩芯出芯。针对两种不同的出芯方式，制订如下岩芯转运流程，并合理布置岩芯输送和出芯装置，以保障岩芯能自动转运到岩芯收集区进行切割、编号。沉积岩岩芯转运流程如图2所示，硬岩岩芯转运流程如图3所示，系统布置情况如图4所示。

图2 沉积岩岩芯转运流程

图4 出芯和岩芯转运系统布置

3.4 钻孔重返位方案

为满足超深水钻探作业需求，须配置一套钻孔重返位系统，更换钻头时协助钻柱重返钻孔[10]。经调研分析可知，钻孔重返位系统包括声呐扫描系统和返孔锥装置，钻孔重返位方案如图5所示。在首次钻探时，将返孔锥安放在钻孔位置，钻杆通过返孔锥钻入海底，起下钻杆时，返孔锥仍留在海底。更换钻头后，将带有水下摄像机的钻杆放到海里，通过接收钻孔附近的声呐发射器信号调整船舶位置。当钻杆与返孔锥相距不远时，船上通过观察海底摄像机，驱动钻杆，让钻头落入返孔锥中，完成钻孔重返操作。

图5 钻孔重返位方案

4 系统总布置规划

结合国外主流大洋勘探船调研分析、钻探及岩芯采集系统的构成，系统剖析论证钻探系统选型、钻孔重返位方案、取芯作业方式、岩芯转运方法与流程，形成一套大洋勘探船钻探及岩芯采集系统的总体设计方案，如图6所示。

图6 目标作业系统总布置示意

钻台位于船体中心，以降低船体运动对钻探和取芯作业的影响。钻台面上设置塔型单井架，配置绞车提升钻机，设置自动排管系统，具备离线接立根功能。塔架大门设置在艏艉方向，艏部设置取芯器堆场、岩芯转运系统和取芯系统，通过岩芯输送装置和甲板吊机实现移运；艉部设置钻杆、套管堆场，通过管子折臂吊和猫道机实现管子移运。船体中心开设矩形月池，月池艉部设置返孔锥处理系统和采矿设备处理系统，艏部设置固井泵房。泥浆池舱和泥浆泵舱位于月池艉部的船体舱室内，散料罐舱位于泥浆泵舱艉部舱室内，配浆区位于泥浆池和泥浆泵舱上部舱室内。

5 系统主要参数

在系统总体设计技术分析的基础上，设计了一套满足4 500 m作业水深、1 500 m钻深矿产资源勘探和6 000 m钻深(含水深)大洋科学钻探的大洋勘探船钻探及岩芯采集系统总体方案，主要技术参数如表4所示。

表4 目标船钻探及岩芯采集系统主要性能参数

(续 表)

6 结 语

本文结合主流船型钻探及岩芯采集系统技术资料，开展了关键技术和系统需求分析，提出了钻探及岩芯采集系统功能需求；对钻探及岩芯采集系统进行了顶层框架规划，阐述各系统构成和功能；系统论证了大钩载荷、钻探系统选型、取芯作业方式选择、岩芯转运方法和流程、钻孔重返位方案，形成了系统总布置方案，确定了系统主要载荷和技术参数，为大洋勘探船工程项目实施提供了参考。