海洋勘察船基盤收放系統研制及應用*

范松 李鵬 李朝均 白蘭昌 付俊 劉姣利 李歡

(1.寶雞石油機械有限責任公司 2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心 3.四川寶石機械鉆采設備有限責任公司)

0 引 言

地質勘探是發現海底資源的重要手段。勘察船在進行地質勘察取樣時，在波浪的影響下，船體將產生上下升沉運動，進而引起鉆柱及取樣工具等相關設備運動，很難保證鉆柱的穩定鉆進和準確定位[1-2]。基盤收放系統作為海洋地質勘察船鉆井和取樣作業的關鍵設備，作業位置從甲板面至海床面，具體涉及到基盤絞車、補償裝置及勘察基盤等裝備，其功能是完成勘察基盤的下放及回收，鉆井作業時井口定位和鉆具夾持，以及鋼絲繩恒張力補償等一系列工作。整個工作流程為：基盤絞車將勘察基盤從月池下放入海水，監視水中狀態，離海床面10 m左右報警，開始緩慢下放，觸底后根據水下姿態儀參數判斷基盤在海床面的傾斜姿態(不滿足鉆井取樣要求則更換井口位置)，啟動補償功能，保證鋼絲繩的恒定張力，開始鉆井取樣工作，取樣完成后通過基盤絞車將勘察基盤回收至甲板[3]。

目前實船配套的多為荷蘭等歐美國家產品，比如荷蘭輝固(FUGRO)公司，美國Cameron和Aker公司[4-5]。國內有上海漁機所和寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石機械)在海底基盤收放和補償方面進行了研究，采用聲吶進行壓力鉗的開關控制，并在海洋石油708船進行了配套和實船應用[6-9]。2016年，寶石機械為客戶開發了一套全液壓勘察船鉆探系統，配套于“海洋地質十號”勘察船[10]。基盤收放系統作為鉆探系統中勘探部分的關鍵裝備，主要用于鉆柱定位、基盤收放及井口取樣監控等工作，貫穿取心全過程，實現了井口鉆探和取心的實時監控，為海底勘探及取心提供了保障且提高了取心效率。基盤收放系統的研制及應用推進了海洋勘察關鍵裝備的國產化進程，也為后續3 000 m水深基盤收放系統的研制和地質調研提供了一定的參考。

1 技術分析

1.1 總體結構

基盤收放系統結構如圖1所示，主要由基盤絞車、補償裝置、勘察基盤和臍帶纜絞車組成。其中：基盤絞車和補償裝置為2套，分別安裝在勘察船的左舷和右舷[11]；補償裝置由帶滑輪組的補償油缸、活塞式蓄能器和氣瓶組組成。臍帶纜絞車的一端線纜通過承重頭固定在勘察基盤頂部，基盤絞車的鋼絲繩貫穿于勘察基盤頂部滑輪。

1—基盤絞車；2—補償裝置；3—臍帶纜絞車；4—勘察基盤。

1.2 工作原理

基盤絞車將勘察基盤從甲板面下放至海床，開啟補償裝置，通過補償油缸活塞桿的不斷伸縮來克服船體的升沉運動，保持鋼絲繩恒張力的同時保證勘察基盤在海床上穩定工作。臍帶纜包含動力電纜和通信電纜，實現海底勘察基盤與甲板控制臺之間的信號傳輸及控制，同時臍帶纜絞車設置恒張力功能，臍帶纜隨勘察基盤下放或提升。

1.3 主要技術參數

基盤收放系統主要技術參數如下：最大工作水深1 200 m，基盤絞車最大拉力150 kN，基盤絞車收放纜速度30 m/min(中間層)，臍帶纜絞車拉力28 kN、收放纜速度39 m/min(底層)，最大補償行程3 m，垂直通徑320 mm。

2 主要系統組成及特點

2.1 基盤絞車

基盤絞車采用雙絞車+單鋼絲繩方案，左右兩套基盤絞車通過一根鋼絲繩同時起吊和下放勘察基盤，結合基盤上的豎直和水平滑輪，能夠實現基盤在水中的自平衡，無論兩個絞車速度是否相同，均能維持水平姿態。基盤絞車如圖2所示，采用液壓馬達驅動齒輪減速器帶動滾筒轉動，牽引鋼絲繩上下運動，絞車通過調節液壓泵流量實現無極調速，鋼絲繩進出滾筒設置排繩裝置，可實現有序排繩，無亂繩和壓繩現象，絞車配置雙重剎車，減速器配置斷油自鎖制動剎車，同時滾筒配置帶式制動裝置，通過油缸實現制動和松開功能，具備剎車狀態檢測及斷油自動剎車功能。

圖2 基盤絞車實物圖Fig.2 Base plate drawworks

2.2 補償裝置

補償裝置的補償形式為恒張力形式，如圖3所示。補償油缸兩端設置滑輪組，油缸底部為固定滑輪組，活塞桿連接動滑輪組。補償油缸與蓄能器油端連通，氣瓶組與蓄能器的氣端連通，從而形成氣體彈簧形式。通過調節氣瓶組的工作壓力，可實現不同水深的恒張力補償；船體隨波浪上升時補償油缸活塞桿收縮，船體隨波浪下沉時活塞桿伸出，實現了鋼絲繩的恒定張力(基本恒定，實際是在設計張力波動范圍內波動，氣瓶組容積越大，張力波動越小，考慮到安裝空間限制，張力波動按5%設計)。此外，可通過基盤絞車之間倒繩來變換補償段鋼絲繩位置，避免某段鋼絲繩長期承受彎曲及交變載荷，延長鋼絲繩使用壽命。

圖3 補償裝置實物圖Fig.3 Compensation device

2.3 勘察基盤

勘察基盤如圖4所示，包含結構本體、水上監控系統和水下監控系統，主要用于鉆井作業時井口定位、鉆具導向以及動力取樣時的鉆具固定。基盤下放及提升過程中需要監視基盤觸底和鉆柱下放情況。采用動力取樣工具時(如靜力觸探和液動沖擊繩索鉆具等)，需通過壓力鉗實現對鉆柱的夾持固定，提高取樣的成功率；同時在更換鉆頭或者BHA時，監視鉆柱通過基盤頂部喇叭口后重新進入原孔位。勘察基盤實現了壓力鉗的控制和井口視頻信號的反饋，同時配置深度和姿態等傳感器，實現甲板面對海底作業情況的準確把握和控制。

圖4 勘察基盤實物圖Fig.4 Survey base plate

2.4 臍帶纜絞車

臍帶纜絞車(見圖5)用于臍帶纜的收放操作，為勘察基盤提供實時視頻信號及電氣設備動力的傳輸基礎。臍帶纜絞車采用變頻電機驅動，設置有張力測量傳感器，臍帶纜采用三光三電的復合鎧裝纜，具備張力保護功能，臍帶纜的收放自動跟隨勘察基盤，保證臍帶纜始終處于張緊狀態。當勘察基盤下放速度大于臍帶纜絞車下放速度時，臍帶纜所受張力變大，臍帶纜絞車檢測到張力變化后自動增大下放速度，使臍帶纜維持在設定恒張力值范圍內，避免臍帶纜受力過大被拉斷；當基盤下放速度小于臍帶纜絞車下放速度時，臍帶纜所受張力變小，臍帶纜絞車檢測到張力變化后自動降低下放速度，使張力回到設定恒張力值范圍內，避免臍帶纜在水下松弛與其他設備纏繞。

圖5 臍帶纜絞車實物圖Fig.5 Umbilical cable drawworks

3 關鍵技術方案設計

3.1 補償裝置設計

補償油缸采用柱塞缸，柱塞端部安裝動滑輪組(動滑輪數量n)，油缸底部安裝定滑輪組(定滑輪數量n+1)，船的升沉運動按正弦波[12]來處理。

補償裝置位移：

x=hsin(ωt)=hsin(2πt/T)

(1)

補償裝置速度:

(2)

補償裝置加速度:

(3)

式中：h為浪高，m；ω為角頻率，rad/s；T為波浪周期,s；t為時間，s。

補償裝置為兩組，分別在井架左側和右側布置，以單側為分析對象，船體跟隨波浪不斷進行升沉運動。補償裝置安裝形式為朝下安裝，柱塞及動滑輪組朝下，因此船體上升時補償油缸受力較大(忽略滑輪轉動慣量的影響)，則補償油缸受力模型為：

(4)

其中：

F1=F+G-Ff

(5)

G=Lmg

(6)

(7)

式中：p為補償油缸中液壓油壓力,Pa；A為補償油缸的柱塞面積,m2；η1為補償油缸效率；mr為動滑輪組及柱塞質量,kg；F1為單側鋼絲繩拉力,N；F為單側鋼絲繩要求保持的張力(不含鋼絲繩重力),N；G為單側鋼絲繩重力,N；Ff為單側鋼絲繩所受浮力,N；η為滑輪效率；L為水深,m；m為單位長度鋼絲繩質量,kg/m；d為鋼絲繩直徑,m；ρ為海水密度,kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

(8)

(9)

(10)

(11)

V1=2ΔV+(V0T-V0)

(12)

式中：pL為動滑輪組運動到油缸中位時的油液壓力，Pa；VL為動滑輪組運動到油缸中位時的氣體體積，L；p1為動滑輪組運動到下極限位置時的油液壓力，Pa；V1為動滑輪組運動到下極限位置時的氣體體積，L；p2為動滑輪組運動到上極限位置時的油液壓力，Pa；V2為動滑輪組運動到上極限位置時的氣體體積，L；k為絕熱系數；p0為蓄能器預充壓力，Pa；Tmin、Tmax分別為工作周期中最低及最高溫度，℃；V0為理論氣瓶組體積，L；V0T為實際所需氣瓶組體積，L；V1為所需蓄能器體積，L。

3.2 勘察基盤設計

勘察基盤采用有線控制形式，由水上監控單元、基盤本體和水下控制系統組成，通過臍帶纜實現水下設備與司鉆房之間的通信和供電。為了減小線纜壓降和損耗，將690 V的船電升壓至1 050 V向水下輸電，根據實際作業要求，需要對水下井口進行監控和壓力鉗控制。

3.2.1 總體配套方案

基盤本體上部安裝壓力鉗，底部安裝水下控制系統，勘察基盤涉及監測和控制兩部分功能。監測部分貫穿工作全過程，采集傳感器單元、系統壓力傳感器、檢測報警傳感器、井口監控攝像機和壓力鉗接近開關的信號，信號通過光電分離盒和臍帶纜輸出，實時監測基盤在水中的深度、姿態、系統壓力、是否有泄漏、壓力鉗夾緊松開狀態和井口作業視頻；控制部分則是對壓力鉗的夾緊和松開動作進行控制，涉及動力取樣或者靜力觸探等工具，以及應急情況下的鉆柱提升，通過壓力鉗的夾緊將鉆柱抱緊，從而實現取樣工作和應急回收，此動作的實現依靠泵站電機開關艙中的電機和閥組艙中的閥組，控制信號由臍帶纜輸入，經測控艙處理后到達電機和閥組等執行部件。

3.2.2 水下控制系統

勘察基盤的核心就是水下控制系統，結構框圖如圖6所示，包含光電分離盒、供電艙、泵站電機開關艙、測控艙、液壓動力站、照明攝像單元和傳感器單元。供電艙內部安裝有變壓器和壓力補償器，同時艙內裝滿變壓器油，油液與外部的壓力補償器連接。

圖6 水下控制系統結構框圖Fig.6 Structured flowchart of subsea control system

臍帶纜通過光電分離盒后分為水密光纖和水密電纜，水密電纜與供電艙連接，水密光纖與測控艙相連。供電艙分出兩路電纜，一路直接與泵站電機開關艙連接，另一路通過變壓器降壓后進入測控艙。水密電纜和水密光纖的兩端連接器均采用水密接插件。

測控艙是水下控制系統的核心單元，其內安裝有電源模塊、數字量采集模塊、模擬量采集模塊、水下光端機和通信模塊等。水深傳感器、水下姿態儀、壓力鉗位置檢測傳感器、系統壓力傳感器、井口監控照明燈和井口監視攝像機通過水密電纜與測控艙連接，信號經測控艙處理后傳輸到甲板面的水上監控單元。

3.2.3 液壓動力站

液壓動力站原理圖如圖7所示，由油箱、泵站電機艙、單向閥、閥組艙、液控單向閥、集流分流閥和蓄能器組成。閥組艙和泵站電機艙均充滿液壓油，泵站電機艙內安裝有電機、齒輪油泵和過濾器，閥組艙內安裝有兩位四通電磁換向閥、溢流閥、兩位兩通電磁閥和系統壓力傳感器，壓力補償器均配置有報警檢測傳感器。

3.2.4 傳感器及照明攝像

傳感器單元包含水深傳感器和水下姿態儀，其功能是檢測基盤水中位置和觸底后在海床上的位置姿態。壓力鉗配置位置檢測傳感器，用以檢測壓力鉗夾緊和松開位置狀態。照明攝像單元包含井口監控照明燈和井口監控攝像機，可提供井口視頻信號[14]。

3.2.5 壓力補償器

水下控制系統中配置多個壓力補償器，目的在于平衡艙內油液和海水之間壓力，同時配置報警檢測傳感器，形成安全保護，其內部設置有彈簧，使艙內壓力略高于艙外壓力，若是艙內出現密封問題，油液則往海水方向泄漏，同時觸發報警，及時將設備斷電并脫離海水維修。僅濕艙需配置壓力補償器，如光電分離盒、供電艙和閥組艙等，其內外壓差基本相同，艙體結構受力小；干艙則不能有油液，如測控艙、泵站電機開關艙，艙體設計時滿足最大壓差下的強度要求。

1—兩位四通電磁閥；2—壓力傳感器；3、10—壓力補償器；4—蓄能器；5—單向閥；6—電機；7—齒輪油泵；8—過濾器；9—油箱；11—溢流閥；12—兩位兩通電磁閥；13—液控單向閥；14—集流分流閥。

4 試驗及現場應用

4.1 廠內試驗

寶石機械對基盤收放系統進行了空運轉試驗、靜載荷試驗和功能測試等廠內試驗，并取得CCS認證。將基盤絞車和臍帶纜絞車安裝在地面，補償裝置安裝在井架上，勘察基盤放置在井架內模擬井口位置，基盤絞車和臍帶纜絞車進行了3 h的空運轉試驗，勘察基盤下部安裝配重塊，配置總質量為30 t，采用基盤絞車進行提升和下放，并對補償裝置和勘察基盤進行功能測試，檢測油缸伸縮、視頻信號以及壓力鉗開關等功能。

4.2 現場應用

從2018年至今，“海洋地質十號”勘察船先后進行了10余次的海試和作業，其中在南海水深104 m海域進行了全面勘探取心作業，對基盤收放系統進行了海洋環境下的檢驗和應用，順利完成海底180余m的取心任務。作業結果顯示：基盤絞車和臍帶纜絞車提升及下放功能、補償裝置恒張力補償功能、臍帶纜絞車恒張力功能、勘察基盤監測及控制功能均滿足設計要求，取得了預期的應用效果。

在三亞市海域進行作業時，浪高1.5 m，水深104 m，勘察船采用DP定位模式。圖8為下放過程鋼絲繩張力曲線，包含了勘察基盤自甲板面開始下放、進入月池海水、水中繼續下放、接觸海底和正常補償作業工況等作用過程，補償工況下鋼絲繩張力在28.6～31.4 kN內波動。

圖8 下放過程鋼絲繩張力曲線Fig.8 Tension curve of wireline in the process of lowering

5 結論與建議

(1)基盤收放系統是一項集液電氣控制、深海液壓技術、恒張力補償技術和水下結構設計等多項技術的高端產品，涉及從甲板到海底的監控設備及技術。

(2)基盤收放系統涉及主被動補償技術，補償裝置采用被動補償，結合氣瓶組和蓄能器等設備實現鋼絲繩的恒定張力，臍帶纜絞車采用主動補償，通過張力傳感器和變頻控制技術實現臍帶纜的張力保護功能。

(3)勘察基盤實現了海底井口的全面監控，較傳統的聲吶控制更具優勢，除了海底鉗的關斷功能外，還包含豐富的視頻和傳感器信號，實時反映工況及參數。

(4)建議后續進行3 000 m深的基盤收放系統研究，使系統具備可視化、多傳感系統、深水壓力補償和井口全面監控等功能。