海上工程鉆探的幾個關鍵技術

丁加宏，周　永，錢植芳，石友齊

（江蘇省水文地質海洋地質勘查院，江蘇淮安223005）

·石油與鉆掘工程·

海上工程鉆探的幾個關鍵技術

丁加宏*，周永，錢植芳，石友齊

（江蘇省水文地質海洋地質勘查院，江蘇淮安223005）

海上風、浪、潮、流等諸多因素綜合影響，使海上工程地質鉆探環境復雜多變，不同海域的鉆探作業環境相差很大，復雜海況使海上工程鉆探面臨較多技術難題，旨在通過幾個關鍵技術的探討，為海上工程鉆探的施工提供技術支撐。

波浪補償；鉆探平臺；鉆探設備

海上工程鉆探是查明作業海區海底地層類型、分布特征及其工程地質特性，分析、評價鉆探基礎的承載力，查明影響地基穩定性的不良工程地質現象及影響海底設施安全的災害性地質因素。海上工程地質鉆探技術是海上建筑物、海上結構物、海上采礦工作的重要基礎，一直是多行業重視的內容，研究最多的是海洋科研機構與海上石油鉆探領域。

1　波浪補償技術

在離岸遠、水深、水面寬闊海域，風大、涌浪大、流速快。據海洋觀測資料，海上的風力比岸上一般要高1-2級。風助潮涌，波、涌浪的波長、波高也隨離岸距離與水深在增大，海上波浪補償技術是海上鉆探工作的關鍵技術，是深水鉆探技術的一個關鍵內容。

波浪補償主要是升沉運動補償，在海上使用浮式平臺鉆探時，平臺易隨波浪的運動而升沉，影響鉆頭與孔底的連續接觸。

船舶波浪補償技術原來是用于海洋船舶間吊裝貨物的補償裝置，船舶在深水區域吊裝時可采取適當的補償措施，減弱或消除波浪因素對貨物下降與船舶升沉的碰撞影響。現在已運用到海洋鉆探鉆柱運動補償、套管張緊補償、鋪管補償和海洋采礦補償等。

海上船舶波浪補償系統有多種分類，按動力供應分主動型、被動型和半主動型。按補償策略又可分為位移補償型、速度補償型和力補償型。位移補償型采用位移型升沉補償策略，是以負載的升沉位移作為主要控制信號，補償的首要目標是補償對象的升沉位移為零。在升沉補償的過程中，當負載受到一個較大的升沉位移擾動而偏離平衡位置時，負載以盡可能快的速度回到平衡位置；速度補償型采用速度型升沉補償策略，是以負載的升沉速度作為升沉補償的主要控制信號，補償的首要目的是補償對象的升沉速度為零，其次才是升沉位移為零；力補償型波浪補償系統采用力補償型升沉補償策略，是以升沉補償系統的輸出力（或壓力）作為升沉補償的主要控制信號。主要補償目標是要求升沉補償系統的輸出力（或壓力）能保持相對恒定不變而不受平臺船升沉運動的影響。

按海上鉆探過程中的用途可分為鉆柱波浪補償系統、導向繩張緊補償系統、套管張緊補償系統、重物起吊補償系統等。

目前用于海洋鉆探方面的鉆桿柱補償，按安裝位置和結構分為伸縮鉆桿升沉補償、游動滑車升沉補償、天車升沉補償、快繩（死繩）升沉補償和絞車升沉補償等5種型式。

2　鉆探平臺的錨泊定位

通常用于海上鉆探的平臺分為自升式平臺和浮式平臺。浮式平臺按其泊位形式又分錨泊定位與動力定位。

海上鉆探船舶平臺通常受到3個力的作用，即船體水線以上部分所受的風力、船體水線以下部分所受的水流力、波浪引起船體縱向和橫向傾斜時所產生的慣性力；自升式平臺隨著水深的增加，平臺的結構就更復雜、穩定性受到較大影響，一般僅用于水深60m以淺。當前深水海洋鉆探工程中，主要采用浮式平臺（包括船舶平臺、半潛式平臺）。它們多數配有錨泊定位和動力定位2種定位系統。如“海洋石油981”選配大馬力推進器及DP3動力定位系統和錨泊定位系統，在1500m水深內可使用錨泊定位。

（1）錨泊定位系統：是在一定海域內拋錨定位，操縱錨泊設備來實現平臺船舶的精確定位，以滿足工程作業需要。船舶海上錨泊定位，既要考慮風、浪、流的影響，還要充分考慮施工海域的水深、周圍環境及障礙物的影響。由于錨泊系統具有投資少、可靠度高，使用、維修方便等特點，因而錨泊系統是目前海上工程船舶、鉆探船、鉆井船主要采用的定位系統。它較適用于水深600m以淺海域。超過600m水深海域，起拋錨程序復雜且耗時，經濟消耗很大。

（2）動力定位系統：是一種可以不用錨泊而自動保持海上浮式平臺位置的定位方法。采用動力定位的海上浮式平臺，在海上鉆探作業時不需要拋錨，這不僅減少了復雜的拋錨工序，而且工作的水深亦不受錨繩（鏈）長度的限制，可以在水深大于600m以上的深度進行工作。

3種方法都有自己的優點和局限性。使用錨泊的方法來定位時有較多優勢，它目前仍是海上深水鉆探操作的第一選擇。只是水深太深（或一側水深太深）或錨泊被禁止的一些區域才選擇動力定位系統。綜上所述，在較深水域，工程地質鉆探施工首選的還是浮式平臺和錨泊定位。

3　套管安裝和維護技術

作為海上工程鉆探系統中的關鍵設備，套管是整個海上工程地質鉆探中重要而又薄弱的環節。套管的選型、結構、安裝、維護的好壞直接影響到鉆探作業能否順利進行。可以說，在海上深水區域工程地質鉆探過程中，套管的使用與鉆探平臺的選擇具有同等的重要性。

由于目前國內對海上深水區域鉆探開展的較少，深水區域的套管安裝和維護技術重點是海洋調查鉆探單位與海上石油鉆井單位，深水區域的水流、海浪的規律及取樣時的海況允許條件決定了工作方法。套管在海洋環境載荷（海流速度、海浪周期、浪高、暗流速度及方向等）狀態下所受力的影響，套管承受4種循環載荷，包括海流引起的渦激振動、波浪、鉆探平臺的運動以及作業性動載荷等。對于深水套管的研究多從其作業狀態影響因素分析、波流聯合作用靜態分析、響應參數敏感性分析、隨機非線性動力分析以及其波致疲勞分析等方面研究，涉及的理論知識較深。典型的深水鉆探套管系統包括有卡盤/萬向節、分流器、上部撓性接頭、伸縮節、套管短節、填充閥，升縮套管、浮力塊、下部撓性接頭、底部套管總成及套管接頭等。也有使用無套管鉆探施工的，它是在海底孔口處設置循環裝置。套管以其外徑、壁厚和材料等級分級，隨鉆探水深的增加，套管管壁越來越厚（抗擠毀、提高強度），長度越來越長（提高作業效率），材料鋼級越來越高（提高屈服極限），接頭強度越來越高（抗拉張力載荷），套管裝卸速度要求越來越快，接頭裝置技術越來越復雜。

鉆探套管連接形式主要有螺栓法蘭接頭、MR-6E 和MR-10R接頭、QMFC接頭、Breech-Block類型接頭等。每一種接頭技術均有其優缺點，適用工作水深與使用海洋環境條件有所不同。新型快速接頭技術是減小非鉆探時間的重要技術，國外注重這方面的研究投入。在工況相對較惡劣的海域進行鉆探，螺栓法蘭接頭由于強度高，承受載荷能力強而為國內同行首選。

套管的維護主要是從其自身的強度、屈服值選擇出發，增加套管的張緊系統、波浪補償裝置、浮力裝置及撓性球鉸裝置等。

石油系統海上鉆井使用的套管結構復雜，功能要求很多，材質、壁厚都較特殊。在水流拖曳力較大區域，應增加套管在海底接觸段的強度、撓性接頭及套管柱張緊與補償系統的使用等。

4　鉆探設備的選擇

對于深水鉆探設備的選型，是根據使用鉆探方法、鉆孔深度、施工海域的海況參數、海底上部及可能遇到的地質條件等因素綜合考慮。所選鉆機能力應保留較大的力量儲備，以適應惡劣的海況環境的特殊性。根據不同的工作要求，目前用于海上鉆探的設備類型，除海底取樣鉆機、聲波鉆機外，多是回轉鉆進設備。如轉盤型、立軸型、動力頭型3種鉆機，目前國內海上工程勘探常用鉆機型號見表1。用于海上的回轉鉆進方法較多的是立軸型、動力頭型鉆機，轉盤型因其使用鉆桿直徑較大，鉆塔較重，在中海油等系統海上油氣勘探使用較多，海上工程地質鉆探使用相對較少。

5　灘涂潮間帶鉆探平臺

針對灘涂潮間帶鉆探。有多種式樣的平臺來完成灘涂潮間帶鉆探。有用吹填法或沙袋堆積形成人工島平臺，有用鋼管架棧道連接式平臺，有用整體導管架型平臺等，海軍某部在島礁工程中使用登陸艇改裝鉆探平臺，它的最大特點是自身雙艙底，不怕擱淺作業。韓國設計一種自行浮式平臺，可在水深0～4m內灘涂域鉆探作業，也可在吹填池內作業，適用于淤質灘涂潮間帶上部區域鉆探。廣東、福建等單位有使用竹伐、金屬架充填泡沫浮球的浮子排、小浮箱拼裝平臺、小型雙體船式平臺。對于支腿式平臺，有絲杠式、葫蘆式、電動式、液壓式4種起降方式拉升或下降平臺，有的在支腿上安裝震動器，利于支腿的插穩與起拔。有石油勘探單位設計了浮箱履帶式水陸兩用平臺，用于水深0～3m間鉆探。上述用于灘涂上的平臺，有的擱淺作業、有的浮在水上作業，除支腿式平臺，其他平臺多要避開海浪的影響，等待潮水上漲平臺浮起后借助外力移位，移位受潮水的影響。有資料介紹國外有使用水陸兩用動力平臺和氣墊船式平臺，具體使用范圍與適用參數尚不清楚。

表1　海上工程勘探常用鉆機匯總

6　結論

工程地質勘探正有向深水域延伸趨勢，由于在海上深水域工程地質鉆探開展較少，積累的經驗有限，上述內容有不妥之處還請方家指正。

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［4］廖謨圣.21世紀初世界海洋鉆采設備展望［J］.中國海洋平臺，1998，13（2）.

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1004-5716（2016）01-0012-03

2015-08-28

丁加宏（1962-），男（漢族），江蘇鹽城人，高級工程師、注冊安全工程師，現從事勘探技術和勘探安全管理工作。