3 000 m海洋水下勘察基盤研制概要與試驗

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(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002； 2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)

我國的海洋礦產資源種類繁多，例如石油天然氣、固體礦產、化學資源、可再生能源等資源，開發潛力巨大，迫切需要更加高效、精準的先進技術裝備。目前，我國海洋高端裝備基本依賴進口。為了突破國外的技術壁壘，支持我國南海深水的礦產資源勘探開發，并參與國際市場競爭，急需在深水、超深水鉆井裝備國產化方面取得實質突破。水下勘察基盤作為勘察船的核心配套裝備之一，對于在海洋復雜環境載荷作用下，能夠穩定精準地有效保障地質鉆探、物探取樣、科學考察等工程作業發揮重要作用，其設計制造、系統控制技術被荷蘭等歐美發達國家所壟斷，國外專業制造公司，例如，荷蘭FUGRO公司建造的深水工程勘察船，配備有水下勘察基盤，其相關技術報道較少。Cameron公司、Vetco Gray公司、AkerKvaerner公司等，在鉆井基盤的設計制造方面較為成熟，而對于水下勘察基盤則涉獵較少[1- 2]。我國在海洋水下勘察基盤的研制方面一直處于空白狀態。研究水下勘察基盤的設計、安裝、制造、控制，以及現場應用等技術，為我國進一步深入開發其它水下裝備具有重要的指導意義。

在國家科技重大專項“深水工程勘察船及配套技術”課題的支持下，寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石機械公司)結合我國“海洋石油708”深水工程勘察船的作業能力、應用環境、安裝應用、地質鉆探、隨鉆取樣、設備配置等技術要求，經過技術方案比選論證，以及現場優化試驗，于2011-03成功研制出我國首臺具有自主知識產權的適應海洋3 000 m水深的海洋勘察基盤。該產品獲得國家發明專利授權(一種海洋水下勘察基盤：中國，ZL201010161934.5)。

1 結構組成

水下勘察基盤是勘察船在海底工作的關鍵裝備[3-4]。圖1所示為勘察船鉆井系統的空間立面圖，其主要由勘察船、鉆井系統、系列鉆具、水下勘察基盤等子系統組成。其中的水下勘察基盤，如圖2所示，平常停放在甲板月池大門上，需要作業時由甲板位置安裝在海床位置處。在基盤技術開發過程中，充分考慮海洋環境、驅動方式、通訊方式、信號處理、結構單元布局、月池尺寸、安裝回收等各種因素，經過反復計算、方案比選以及單元器件試驗，再進行技術方案優化[5]，最終開發了該遙控式水下液壓驅動的基盤。該基盤主要由水下液壓系統、水下控制系統、滑輪導向系統、海底鉗，以及以井口中心對稱布局的空間塔形鋼架等模塊組成。在各模塊結構設計和優化布局過程中，依據空間尺寸和質心位置，確?；P整體結構平衡。

1—動態井架；2—提升系統；3—絞車；4—勘察船；5—鉆具；6—海底鉗；7—基盤；8—吊機。

1—水下液壓系統；2—海底鉗；3—滑輪導向系統；4—上架體；5—立柱；6—臨時導向井口；7—水下控制系統；8—下架體。

2 作業概況

在海洋地質鉆探時，以基盤絞車、恒張力器等組成的收放系統將水下基盤預先安裝在指定的海床位置，作為臨時井口裝置。在隨鉆取樣過程中，基盤作為井口基礎，通過液壓海底鉗固定和夾持鉆桿，為取樣工具提供終端支撐和反作用力，克服海洋環境載荷引起鉆桿顛簸串動，以保證海底取樣位置準確控制；在提升和下放鉆桿時，基盤作為海底井口，通過導向鋼絲繩導引鉆具到達海底井眼[6]。根據該勘察基盤的作業特點，其主要有水下安裝、海底作業、甲板回收3個階段。

3 主要技術參數

最大工作水深 3 000 m

最小垂直通徑 280 mm

導向鋼絲繩直徑 32 mm

導向鋼絲繩間距 4 780 mm

液壓鉗額定夾緊力 100 kN

鉗緊方式 液壓鉗緊

控制方式 聲納遙控

主體尺寸(長×寬×高)

4 050 mm×4 050 mm×2 500 mm

4 設計特點

1) 模塊化集成設計，安裝連接簡單可靠，有效提升載荷及環境適應能力。

該海底基盤水下各單元采用模塊化設計，連接簡單可靠，可保證水下下放、安裝、回收等工作的穩定性和平衡性，有效提高深海高壓密封性能及環境適應能力，易于生產制造和組裝運輸。

2) 海底鉗單元曲面設計，有效提高鉆具夾持范圍和可靠性。

海底鉗鉗頭設計為幾何曲面銜接構成，鉗牙小半徑自動調整，能夠適應多種規格鉆具的夾持，可實現鉆具夾持可靠穩定。油缸末端配備有可靠的水密封接插件，以確保其在深水環境下的高密封性能。

3) 深海液壓驅動單元設計，解決了深海高壓和密封技術。

深海液壓系統創新設計了隨水深變化的膠囊式壓力補償裝置，可實現液壓系統內部壓力與外部環境壓力的動態平衡，有效降低了液壓油箱及管路的材料尺寸規格。液壓站系統采用冗余結構，突發情況時可自動切換，從而進一步提高基盤工作的適應性和可靠性。

4) 采用遠程聲納控制技術，開創了基盤控制方式的新變革。

采用水下聲納控制系統實現了深海3 000 m水深的無纜遠程控制，可完全替代臍帶纜及電纜絞車的應用，對水下鉆井裝備控制技術的重大變革。聲學命令和應答信號應用獨有的寬帶聲學遙測協議和前向糾錯技術，可保障水下數據傳送的高完整性。

5 關鍵技術

1) 水下單元結構設計技術。

通過流固耦合分析，在滿足強度和剛性的前提下，有效減小海流海浪對水下基盤的沖擊載荷及渦激振動的影響[7-8]。總體結構采用對稱塔形鋼結構，其支腿選用厚壁圓管，增強穩性及深海環境載荷適應能力。水下驅動及控制部分按照子系統模塊化設計，模塊之間通過水下電纜及水密插件連接。各個模塊設計布局采用質心平衡設計思想，主體結構設計為多模塊組合形式，附屬結構采用一體化設計，可保證結構剛性和強度。如圖3所示。

2) 水下安裝與回收技術。

海底基盤安裝是一項高風險的系統技術。針對該基盤的作業水深，對安裝過程中水下設備及鉆桿所受的風力、波浪力及洋流力等進行了研究計算，確定了不同安裝階段的載荷情況和邊界條件，模擬計算了安裝過程中基盤各節點的偏移量、剪力、彎矩值以及所受拉力。同時考慮安裝作業效率和經濟實用性，通過分析論證，確定了該基盤的安裝回收技術方案。在該基盤上架體上布置3個滑輪，即，2個垂直安裝滑輪，1個水平安裝滑輪；甲板布置2臺基盤絞車，其鋼絲繩穿過天車頂部滑輪組，然后依次穿過水下基盤的3個滑輪。

安裝過程中，控制基盤絞車鋼絲繩的下放速度，使基盤緩慢下放，其各個節點參數變化量都在設計范圍內。基盤可安全平穩的安裝到水下目標海床位置。

3) 深海液壓驅動技術。

液壓系統主要由水下液壓站、驅動裝置、執行機構、膠囊補償裝置、應急系統等構成，其作用是在甲板計算機的控制下，驅動海底鉗的液壓油缸的執行動作，以實現海底鉗對鉆具的定位和夾緊。其中，液壓泵選用徑向柱塞泵，電機為直流無刷電機，油泵、電機及控制閥組等集成安裝在密封油箱內，并創新設計了隨水深變化的膠囊壓力補償裝置，隨水深變化自動調節液壓系統壓力和海洋環境壓力，達到平衡狀態。

液壓泵閥系統設計為2套備份結構，出現故障時自動切換，從而進一步提高了海底鉗工作的可靠性。在液壓油缸的液壓回路中設計了節流閥，實現液壓油缸平穩運行。為便于海上操作人員準確獲取海底鉗的夾持狀態及工作壓力，設計了高精度傳感器，將其工作狀態參數反饋到夾板計算機，以方便操作。不僅如此，專門設計了應急儲能器機構，便于在緊急狀態下海底鉗打開[9-10]。其液壓驅動結構如圖4所示。

圖4 水下液壓驅動系統

4) 水下遠程控制技術。

遠程聲吶控制系統是勘察基盤在海底工作的指揮、通訊、控制和監測中心，主要由甲板控制系統、水下通訊系統、水下電源系統等組成。甲板控制系統與水下之間通過換能器實現信號和數據的傳遞和反饋。其中，甲板聲學通訊機的發射換能器從甲板月池位置下放到水下約20 m深度，水下系統的接收換能器安裝在基盤上架體上，接收端向上。通過操作按鈕控制聲波發射和接收進行雙向通訊。

甲板控制系統主要由聲學通訊機、主控計算機、顯示屏、控制按鈕、電池組充電器等組成。聲學通信機用于與海底基盤上的水下系統進行雙向通訊，傳輸操作按鈕指令和鉗緊參數，可實時顯示系統主要參數和工作狀態。主控計算機用于聲學通訊、數據傳輸控制與顯示控制。圖5所示為甲板控制系統邏輯圖。

圖5 甲板控制系統邏輯圖

水下系統主要有水下控制模塊、水下液壓模塊、電池組等3個部分，通過深水電纜和耐海水腐蝕的管線連接。其中，水下控制模塊主要由聲學通訊機、控制器等元件組成。電池組由大功率鋰電池構成，分別安裝于耐高壓、耐腐蝕的不銹鋼筒中，為海底鉗及控制系統提供電源。同時還包括深水傳感器、深水電纜及插接件等元件。圖6所示為水下控制系統邏輯圖。

6 試驗及應用情況

1) 整機靜平衡試驗。

把勘察基盤組裝完成，檢查各個部分連接正常后，在鉆機試驗臺上，使用?32 mm的鋼絲繩依次穿繞基盤頂部的3個滑輪。通過基盤絞車緩緩提升鋼絲繩，待基盤離開地面約500 mm后停止。通過增加配重塊(質量級別為50、30、10、5 kg)，測量勘察基盤的矩形底面的4個角到基礎面的垂直距離，使其基座保持水平平衡狀態。經過反復試驗，基盤平衡狀態下加裝配重塊總質量約為245 kg。最后通過螺栓將配重塊與基盤連接固定。反復起吊基盤6次，平衡狀態保持良好，達到設計要求。

圖6 水下控制系統邏輯圖

2) 水下密封及壓力試驗。

將液壓油缸、控制單元模塊、電源系統模塊等分別進行了水下密封試驗和靜水壓試驗。在密封試驗過程中，逐級加壓到37.5 MPa，反復進行了5次試驗，每次保壓30 min，觀測壓力表及各個密封環節，結果顯示各個單元密封性能良好。在壓力試驗過程中，分3級逐級加壓到45 MPa，每次保壓10 min，反復進行了5次試驗，然后拆卸各單元進行監測及探傷，結果顯示各個單元力學性能達到設計要求[11]。

3) 水下控制及通訊試驗。

將控制系統的甲板單元和水下單元分別安裝在2條船(1號、2號)上，將聲納發生器安裝在距離1號船甲板下的5 m水深處，聲納接收器安裝在距離2號船甲板下的5 m水深處。此時，在統一指揮下，啟動1號、2號船上的計算機和串口測試軟件，并將聲納系統啟動供電，開始進行測試工作。在2只船上的計算機互發數據，檢查對方計算機是否能收到數據，以及數據的正確性。該試驗過程在1號、2號相距10、50、100、500、1 000、2 000、3 000、4 000和5 000 m位置處進行了信號發生和接收測試，經過測試水下控制及通訊各項指標，達到設計精度要求。

4) 整機功能試驗。

整機功能試驗包括夾持能力試驗和執行機構響應試驗，主要目的是檢驗海底鉗的牙鉗夾持鉆具的能力和執行機構響應靈敏度。在液壓系統壓力16 MPa的狀態下，分別夾持?127 mm(5 in)、?177.8 mm(7 in)、?209.6 mm(8in)規格的鉆具，通過信號處理系統，計算牙鉗夾持力和摩擦力數值[12]，以及各執行機構的動作顯示和響應時間。經過3種尺寸規格鉆桿的6組試驗，其測試結果均達到了設計要求。

5) 現場應用情況。

2011-12-16，該勘察基盤成功配套在 “海洋石油708”深水工程勘察船上以來，經歷了我國南海海域的多個區塊的勘察作業，各項技術指標完全滿足作業要求。特別是2017-05“海洋石油708”首次完成海洋淺層可燃冰固態流化試采作業，獲得天然氣81 m3，甲烷含量達到99.8%。

7 結論

1) 研制的水下勘察基盤是一項集成了深海液壓技術、水下結構設計、聲學控制技術等多項水下前沿技術的產品，已成功應用，性能穩定，運行可靠，完全滿足現場作業要求。該基盤的研制成功，對實現我國水下石油裝備的國產化，以及進一步研制水下相關裝備具有重要意義。

2) 深海液壓驅動系統設計了適應水深變化的膠囊壓力補償裝置，可動態調整內部壓力與外部環境壓力的平衡，提高了設備整體運行的環境適應性。解決了水下密封及耐水壓等技術難題，有效保障海底鉗工作的可靠性。水下液壓驅動技術有其獨特的優勢，但是存在作業過程中人員無法近距離監控操作，維護保養成本高等問題，且水下液壓元件價格昂貴，需要進一步提高安全可靠性和經濟實用性。

3) 水下裝備由于其作業環境的特殊性，向可視化、可控化、動力化方向發展，對操作、收放、維護、檢測等提出了更加苛刻的要求，應逐步建立水下裝備設計工藝技術體系，加強水面遠程操作與深水機、電、液、聲等復合控制技術，深水試驗技術，水下裝備安裝與回收技術等方面的研究，以推動水下裝備技術的協同發展。