海底20 m巖芯取樣鉆機的研制

萬步炎，金永平，黃筱軍

(湖南科技大學海洋礦產資源探采裝備與技術湖南省工程實驗室，湖南 湘潭 411201)

海底20m巖芯取樣鉆機的研制

萬步炎，金永平，黃筱軍

(湖南科技大學海洋礦產資源探采裝備與技術湖南省工程實驗室，湖南 湘潭 411201)

海底巖芯取樣鉆機是開展海洋地質及環境科學研究、進行海洋礦產資源勘探和海底工程地質勘察所必備的關鍵技術裝備。以我國首臺海底20 m巖芯取樣鉆機為對象，從穩定支撐與調平技術、鉆桿鉆具接卸存儲技術、遙測遙控與光纖纜高速數據通信技術以及海底鉆機的事故安全逃生等方面系統地介紹了鉆機的技術特點和海上試驗等情況。

深海礦產資源；20 m孔深；巖芯取樣鉆機；技術特點

0 引 言

2010年之前，國內研制成功并已投入使用的海底巖芯取樣鉆機均屬“海底淺孔巖芯取樣鉆機”，其鉆孔深度不超過2 m。該類型的鉆機只能獲取海底地表淺層的巖芯樣品，僅可滿足大洋富鈷結殼礦藏調查的需要[1-2]。事實上，我國自2005年起即已開始海底熱液硫化物調查，但由于沒有海底中深孔或深孔巖芯取樣鉆機，因此無法對已找到的十多處熱液硫化物礦進行詳細勘探，僅可利用電視抓斗等取樣工具抓取礦體表層樣品。鑒于我國對海底中深孔或深孔巖芯取樣鉆機的迫切需求，2008年初，國家863計劃海洋技術領域啟動了“深海底中深孔巖芯取樣鉆機的研制”項目，擬自主研制鉆深能力達到20 m的海底中深孔巖芯取樣鉆機系統。

本文較全面地介紹了海底20 m巖芯取樣鉆機的研制，包括其技術特點、工作模式及海上試驗情況。

1 海底20 m巖芯取樣鉆機的技術特點

海底20 m巖芯取樣鉆機系統從空間位置可分為兩個部分[3]：位于海底的鉆機本體和固定安裝在母船甲板上的操控與供電子系統。鎧裝光纖動力復合電纜將海底鉆機本體和甲板操控與供電子系統兩個部分連接起來，并被視為甲板操控與供電子系統的一個部件。

與我國自主研制的海底淺地層巖芯取樣鉆機比較，海底20 m巖芯取樣鉆機不僅在鉆深能力上提高了10倍以上，而且在穩定支持與調平技術、鉆桿鉆具接卸存儲技術、遙測遙控與光纖纜高速通信技術以及事故安全逃生等方面都表現出了鮮明的技術特點和創新點。下面分別予以介紹。

1.1 穩定支撐與調平技術

海底20 m巖芯取樣鉆機調平支腿設計采用了液壓馬達驅動絲桿螺母機構向外伸展的形式，這就使得整個支撐范圍變得更廣，進一步提高了鉆機的穩定性。同時，液壓馬達驅動絲桿螺母機構具有能自鎖、調節速度快、占用高度小、重量輕等諸多優點。該調平支腿可在15°范圍內將鉆機調平[4]。

在利用調平支腿對鉆機進行調平的過程中，其“腳掌”在地面上會有水平滑移。為了使調平過程能夠順利進行，這種水平滑移阻力不能太大，否則將卡死支腿或損壞支腿驅動機構。但是，為了保證鉆探作業中鉆機的穩定支撐，又要求調平之后的“腳掌”不能再有任何的水平滑移。由于簡單的固定式“腳掌”的水平滑移阻力是不可調節的，因此需要通過仔細設計“腳掌”面積和接地比壓來在可以滑移和滑移阻力最大之間求得妥協兼顧。本鉆機為了解決這一問題，創造性地設計了帶液壓剎車的滾輪式“腳掌”。在鉆機調平過程中先利用液壓力松開滾輪的剎車，讓“腳掌”在地面上以較小的阻力滑移；當調平過程結束后，先液壓剎死滾輪，再開始鉆探作業。在滾輪表面設計了縱橫兩個方向排列的防滑齒，該防滑齒可嵌入海底表面風化的巖層并產生較大的靜摩擦力，從而保證鉆機在鉆探作業過程中可以穩定支撐鉆機，防止發生側向滑移。鉆探作業結束需要收回支腿時，先液壓松開滾輪剎車，然后再將支腿收回。

1.2 鉆桿鉆具接卸存儲技術

海底20 m巖芯取樣鉆機的一個顯著特點是它需要在海底全自動遙控接卸鉆桿鉆具。對于海底鉆機而言，當鉆機的鉆深能力大于5 m時，就不大可能用一根鉆桿鉆到底(當鉆桿過長時，要求鉆機的高度也很高，這就使得鉆機在下放、回收以及穩定支撐、調平等方面變得非常困難)，此時需要采取分段取芯技術，即從儲管架上取出鉆桿一根根連接下去，提鉆時再一根根卸開鉆桿并放回儲管架。

海底20 m巖芯取樣鉆機采用兩個單排轉盤式儲管架，分別存放鉆桿和巖芯管組件。每個儲管架各附帶一個機械手(稱為移管機械手)，分別用于鉆桿和巖芯管在孔口和儲管架位之間的移送和定位。兩個轉盤式儲管架結構基本相同，均采用油缸驅動帶離合器控制的正反雙向擺角轉動、油缸驅動錐形插銷精確定位機構；每個儲管架附有兩只立軸同步擺動式雙機械手，用于雙向抓取及移送鉆桿或巖芯管。桅桿架滑軌下部安裝有串聯的雙夾持器，分別用于夾持套管和鉆桿鉆具，并與機械手配合擰卸鉆桿鉆具下部絲扣。鉆桿鉆具上部絲扣則通過與鉆進動力頭集成于一體的螺紋強力卸扣機構與機械手配合進行擰卸。鉆機本體結構示意圖如圖1所示。

圖1 海底20 m巖芯取樣鉆機本體結構示意圖Fig.1 Structural model of 20 m seafloor core sampling drill

1.3 遙測遙控及光纖纜高速數據通信技術

海底20 m巖芯取樣鉆機在海底工作時與母船上操作人員的距離達數千米，鉆機的全部工作參數及狀態信息，包括多個海底攝像頭彩色視頻信號、鉆進系統參數、液壓系統參數、供電系統參數、鉆機的姿態以及離底高度等，全部依靠傳感器系統進行數據采集，經機載計算機處理后通過光纖動力復合電纜向甲板操作計算機實時高速傳遞。同時，操作人員對鉆機下達的操作指令也需通過光纖動力復合電纜向機載計算機傳輸。由于海底20 m巖芯取樣鉆機的各種傳感器、監控攝像頭數量多，且精度和實時性要求高，使得深海長距離光纖通信技術、高效的視頻壓縮編解碼技術、機載機械控制系統和嵌入式系統低功耗等技術顯得越發重要。

鎧裝光纖動力復合纜內包含4根單模光纖，兩端通過光纖視頻通信模塊將光信號轉成電信號，然后分別連接到機載控制系統和甲板操作控制系統。為了提高系統的穩定性，光纜通信方案中采用了“雙纖備份”的策略，即視頻光端機之間用2根單模光纖通信，當一根光纖發生故障時，依靠另外一根光纖也能保證完成通信和控制任務。機載控制計算機系統的總體結構如圖2所示。

光纖視頻通信模塊采用專用集成電路(ASIC)設計技術、高速數字信號處理(DSP)技術以及全數字、非壓縮、無損傷傳輸等高新技術，可將4路正向視頻、4路RS-232數據等信號采用粗波分復用(CWDM)技術通過單模單芯光纖進行遠距離、高質量的無損傳輸。由于采用數字技術，避免了模擬調頻、調相、調幅的交調失真干擾以及圖像與音頻信號的相互串擾，克服了以往的通信技術常見的穩定性差、環境因素影響大等缺點。光纖視頻通信模塊能夠支持各種高分辨率基帶視頻信號，自動兼容PAL、NTSC、SECAM等各種視頻圖像制式，視頻接口采用標準的75 Ω BNC接口。光纖視頻通信模塊為單模單纖接口，傳輸距離可達30 km；光接口為FC口。同時，提供豐富的設備信號狀態顯示功能，如電源、光纖鏈路、視頻信號、數據等指示功能。

圖2 機載控制計算機系統結構框圖Fig.2 Structural model of onboard computer control system

1.4 海底鉆機的事故安全逃生

需要采取安全逃生措施的主要事故是鉆機在鉆探作業過程中可能發生的卡鉆事故。當發生卡鉆事故時，鉆機和母船將被錨固于鉆探點，難以脫離。另外，鉆探過程中如果突發供電、通信、控制或液壓系統等故障，且短期內故障不能排除，則鉆機將無法收回已經深入孔內很長的鉆桿串，這也將導致鉆機整機難以回收上船。這時，必須有可靠的技術途徑使得孔內鉆桿串能與地面鉆機相脫離，以確保鉆機的安全回收；或者在萬不得已的情況下，將臍帶纜末端與鉆機脫離，確保臍帶纜能安全回收。

海底20 m巖芯取樣鉆機配備有4種事故安全逃生技術，分別如下所述。(1) 如果僅發生卡鉆事故，而鉆機還可正常操作，則首先采取強力起拔措施，即利用鉆機給進油缸的強大起拔力向上拔取鉆桿。如果鉆桿串被卡得不是很嚴重，這時鉆桿串就有可能被拔出。(2) 如果強力起拔不能奏效，再進行卸扣操作，將孔內鉆桿串卸扣脫開并拋棄，將鉆機回收。(3) 如果鉆進過程中發生了停電、通信中斷等故障，使得鉆機無法操作，且短期內不能解決，則應采取鉆桿應急拋棄措施。鉆桿應急拋棄措施包含兩種：一種是液壓油泵和控制系統仍能正常工作的情況(僅通信中斷)，可由控制系統在給定的時間之后自動啟動鉆桿液壓拋棄功能；第二種是液壓油泵停止工作但控制系統工作正常的情況，可由控制系統在給定的時間之后自動啟動鉆桿水壓拋棄功能。(4) 如果發生嚴重卡鉆，且強力起拔、卸扣、液壓及水壓拋棄鉆桿措施都不起作用的情況，則考慮采用聲學棄鉆措施，丟棄鉆機，回收臍帶纜。

2 海底20 m巖芯取樣鉆機的工作模式

海底20 m巖芯取樣鉆機系統的工作模式如圖3所示。

圖3 海底20 m巖芯取樣鉆機工作模式示意圖Fig.3 Operation schematic diagram of 20 m seafloor core sampling drill

海底20 m巖芯取樣鉆機系統常規工作流程簡述如下。母船到達指定的海上鉆探點之后，先開啟動力定位(DP)系統將母船定位。利用纜和絞車系統將海底20 m巖芯取樣鉆機吊放入海；在鉆機接近海底時，啟動機載離底高度計監測離底高度，同時操作絞車使鉆機保持一定的離底高度，利用機載尋址攝像頭傳回的海底視頻、圖像進行實時觀察，同時利用船舶DP系統對船位進行微調，以尋找合適的著底點(應位于鉆探靶區內，海底地形、坡度等滿足鉆機著底要求)。之后將鉆機下放著底，然后再多放出數十米臍帶纜，使纜在浮力材料的牽拉作用下在海底附近形成S形懸鏈狀空間形態(見圖3，可基本消除纜對鉆機可能產生的拖曳力)。啟動鉆機液壓動力系統，放下鉆機支腿使鉆機在海底穩定支撐；如果因海底地形不平鉆機處于傾斜狀態，或要求鉆桿以垂直角度鉆入巖體，則利用可液壓驅動伸縮的支腿將鉆機調平。操作鉆機開始鉆探取芯作業，利用機載傳感器與視像監控系統反饋的信息掌握和調整鉆機的工作狀態及工作參數。鉆到預定的孔深后，結束鉆探作業，收回鉆機支腿，停止機載液壓動力系統；利用纜和絞車系統將鉆機回收至船上；卸下鉆機上裝滿巖芯的巖芯管，取出鉆得的巖芯。至此，一個作業回次即告結束，母船開赴下一個鉆探點。

3 海上實鉆取芯試驗

海底20 m巖芯取樣鉆機的樣機搭載于我國“大洋一號”海洋科學考察船上，于2010年9月28日啟航奔赴我國南海海域，實施樣機的海上實鉆取芯試驗，如圖4所示。

試驗海區位于東沙附近。取樣站號為22ST1-DD2，其具體地理位置為東經119.228 51°，北緯21.139 57°。

試驗區域的海底地形特征是：小海山頂部側翼轉折端，底質為覆蓋結核的沉積物。

海上試驗步驟如下：

(1) 利用船艉折臂吊將鉆機移至A型架下方。

(2) 連接光纖動力復合纜至鉆機，連接光纖及高壓接插件，裝載鉆桿鉆具，調整補償器，設置水壓拋棄裝置。

(3) 強電系統全程絕緣性能檢查確認。

(4) 甲板通電試驗。上電后檢查各項參數，包括甲板電壓、電流、水下電壓等。檢查4臺攝像頭圖像是否清晰正常。之后啟動液壓系統電機，檢查系統電壓、電流是否正常。

(5) 鉆機吊放下水。

(6) 鉆機下水100 m，下放過程暫停，進行絕緣性能檢測。

(7) 鉆機下水500 m，下放過程暫停，進行絕緣性能檢測；啟動液壓系統1 min，確認液壓系統正常后關閉液壓系統。

(8) 離底100 m，開啟高度計，監測離底高度。

(9) 離底高度3～10 m，鉆機尋址移位；在合適的地點著底。當X、Y傾角大于等于15°時提起鉆機再尋址。確認地點合適后下放鉆機著底，并繼續放纜20～30 m。

(10) 電機和液壓系統啟動。

(11) 鉆機調平。

(12) 按擬定的操作規程進行鉆進操作。

(13) 達到規定的鉆進孔深，結束鉆進，收支腿，關閉電機和液壓系統。

(14) 按擬定的下放回收方案將鉆機回收至母船甲板。

(15) 卸鉆取樣。

(16) 對鉆機進行檢查和維護。

本次海試結果表明，系統樣機在海試過程中性能穩定，鉆機調平、鉆進取芯、視像觀測、遙測遙控、高壓供電、鉆桿接卸、數據傳輸與通信等正常，操作界面友好；實現了海試目標，達到了鉆機全部設計指標。

4 結 語

我國首臺完全自主研制的海底20 m巖芯取樣鉆機海試成功，有效解決了我國大洋資源勘探急需的重大裝備問題，使我國在這一領域與發達國家的差距大大縮小，有力地推動了我國海洋技術的發展，同時，為我國今后研制更大鉆進深度的海底深孔鉆機奠定了基礎。這對于我國加速海洋科學研究和資源開發、建設海洋強國具有重要的現實意義和戰略意義。

[1] 萬步炎, 黃筱軍. 深海淺地層巖芯取樣鉆機的研制[J]. 礦業研究與開發, 2006(S1): 49.

[2] Wan Buyan, Zhang Guang, Huang Xiaojun. Research and development of seafloor shallow-hole multi-coring drill[C]. Proceedings of the Twentieth International Offshore and Polar Engineering Conference, 2010: 588.

[3] 萬步炎, 黃筱軍. 一種海底深孔取芯鉆機：中國，ZL200920064586.2[P]. 2010-05-12.

[4] 萬步炎, 黃筱軍. 海底自動接桿鉆機用旋轉式鉆桿存儲機構：中國，ZL200920064592.8[P]. 2010-02-03.

Developmentof20mSeafloorCoreSamplingDrill

WAN Bu-yan, JIN Yong-ping, HUANG Xiao-jun

(HunanProvinceEngineeringLaboratoryofMarineMineralResourcesExplorationEquipmentandTechnology,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan,Hunan411201,China)

Seafloor core sampling drill is necessary equipment for marine geologic and environmental investigation. A 20 m seafloor core sampling drill is chosen as the study object. Its technical features and at-sea operation are described from the aspects of supporting and leveling mechanism technology, drill string making and breaking, drill rods storage technology, telemetry/telecontrol and high-speed data communication technology, as well as escape technology.

deep seabed mineral resources; 20 m hole depth; core sampling drill; technical features

P742

A

2095-7297(2015)01-0001-05

2015-01-07

國家863計劃(2012AA091301)

萬步炎(1964—)，男，博士，研究員級高級工程師，博士研究生導師，主要從事海洋資源開發技術與裝備的研究與開發。