深海底中深孔巖芯取樣鉆機的研制

朱偉亞,萬步炎,黃筱軍,鄧代強

(1.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;2.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南 長沙410012)

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深海底中深孔巖芯取樣鉆機的研制

朱偉亞1,萬步炎1,黃筱軍1,鄧代強2

(1.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;2.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南 長沙410012)

深海巖芯取樣鉆機是開展海洋地質調查和海洋礦產資源勘探所必備的重大技術裝備.2003年我國研制成功第1臺深海淺地層巖芯取樣鉆機并連續多年成功應用;2009年研發成功采用鎧裝光電復合纜向海底進行大功率長距離輸電和光纖通信的深海2米巖芯鉆機.但該型鉆機由于鉆進深度有限,無法對深海熱液硫化礦藏進行勘探.本次研發的深海底中深孔巖芯取樣鉆機首次海試成功并取得樣品.介紹了鉆機的基本功能與結構、主要技術指標、技術難點、海上試驗情況等.深海底中深孔巖芯取樣鉆機的研制成功使我國在這一領域的技術水平得到大大提升.

海底鉆機; 資源勘探; 海上試驗

ZHU Wei-ya1,WAN Bu-yan1,HUANG Xiao-jun1,DENG Dai-qiang2

(Hunan Province Engineering Laboratory of Marine Mineral Resources Exploration Equipment and Technology,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;2 Changsha Institute of Mining Research Co.Ltd,Changsha 410012,China)

同陸地一樣,海底地殼中蘊藏著極其豐富的礦產資源,包括石油、天然氣、多金屬結核、富鈷結殼、熱液硫化物、天然氣水合物、黏土礦物以及海洋生物等,這些資源具有重大的經濟價值.自20世紀五六十年代以來,美、俄、英、法、德、日等都投入了巨資進行國際海底區域資源調查,以謀求對世界海底資源的再分配[1-2].從2005年起,我國大洋資源調查工作的主要目標從大洋多金屬結核和富鈷結殼轉向海底熱液硫化物.對于熱液硫化礦必須使用海底深孔或中深孔巖芯取樣鉆機進行鉆探取樣.

迄今為止,國際上多個國家已經擁有深海深孔巖芯鉆機.美國Seafloor Geoservices Inc.研制出第二代采用繩索取芯方式的RovDrill M50海底深孔鉆機,鉆孔深度55 m;目前正在研制第三代海底深孔鉆機RovDrill M80,鉆孔深度將達到80 m.日本金屬礦業事業團擁有一臺20 m 深海巖心鉆機系統BMS.澳大利亞Benthic GeoTech Pty,Ltd.聯合美國威廉姆遜公司研制的深海鉆機Portable Remotely Operated Drill (PROD) 鉆深100 m.德國不萊梅大學研制出海底深孔鉆機MeBo,其適用水深2000 m,鉆孔深度50 m.英國BGS 最新研制的15 m深海巖芯鉆機RockDrill 2,適用水深3100 m,鉆深15 m.國內于2000 年開始研制輕型深海海底淺地層巖芯鉆機,2003 年第一臺樣機研制成功.2009年,利用鎧裝光電復合纜供電的2 m孔巖芯取樣鉆機研制成功.

本課題組在 “八六三”高技術發展計劃的資助下,研制了國內首臺深海底中深孔巖芯取樣鉆機.該型鉆機鉆深加大到20 m,在淺孔鉆機的基礎上采用了多項新技術.系統工程樣機搭載“大洋一號”船在南海進行了海上試驗并取得成功.

1 鉆機的基本功能與結構

整套系統延續了光電復合纜供電的深海2 m巖芯鉆機的結構模塊,在空間位置上分為3個部分:下放至海底進行鉆探取芯作業的海底鉆機本體、固定安裝在船尾絞車間的甲板強電供配電子系統、以及位于船上操作控制室的甲板通訊與計算機操作控制子系統.鉆機本體與甲板強電供配電子系統及甲板通訊與計算機操作控制子系統之間通過萬米光纖動力復合纜連接.甲板強電供配電子系統為鉆機本體提供受到安全保護的高壓三相動力電,并通過電纜絞車滑環和電纜輸送至鉆機本體,鉆機本體和甲板強電供配電子系統均受甲板通訊與計算機操作控制子系統的統一檢測控制.如按專業技術分類,則可分為機械、高壓強電供變電和電子監控等3個子系統.

圖1 鉆機本體立體概念設計圖

1.1 機械子系統

機械子系統是構成海底鉆機本體的主要部分,實現鉆機在水下鉆探取芯的各項基本功能,它包含機架及支腿系統、鉆進機構、鉆桿鉆具及其存儲接卸機構、液壓動力系統4個部分.

1.1.1 機架及支腿系統

機架由底盤、下框架、上框架和支腿等組成,構成鉆機基座及外框架,能夠容納鉆機內部各部件并為其提供安裝基礎,同時具有合適的強度,可提供防碰撞保護.

深海深孔鉆機需確保鉆具垂直鉆入海底地層,以便獲得能夠真實代表礦石物化性質與埋藏深度之間關系的巖芯[2].世界上所有的深海深孔鉆機都裝備有數條支腿,這些支腿不僅要為鉆機在海底提供穩定支撐,還要提供鉆機底盤調平功能.機架前方兩側的拐角處和機架正后方的中央,分別安裝有3個由液壓馬達-絲桿螺母機構驅動的桁架式可伸縮調平支腿,與液壓油缸驅動相比,具有自鎖、調節速度快、占用高度尺寸短、重量輕、成本低等諸多優點.3條支腿的調節由控制系統根據系統控制倉內姿態傳感器的測量值經過計算分別向各條支腿的驅動馬達控制閥給出指令.

1.1.2 鉆進機構

鉆進機構由帶油缸驅動鋼絲繩倍程推進機構的中心桅桿、帶鉆桿應急拋棄和強力卸扣功能的鉆進動力頭及其滑軌滑架、鉆孔沖洗與冷卻機構等組成,鉆進機構的功能包括擰卸鉆桿鉆具上部絲扣、以合適的轉速和壓力驅動鉆桿鉆具鉆入巖石、沖洗鉆頭鉆出的巖屑并冷卻鉆頭、在發生卡鉆事故時拋棄鉆桿以保證鉆機安全回收.

中心桅桿豎直安裝于機架的中心位置,是鉆機的主要承力部件.位于中心桅桿內部的油缸驅動鋼絲繩倍程推進機構帶動鉆進動力頭沿滑軌上升或下降,其行程為油缸行程的兩倍.施加給鉆進動力頭的下向推進力的可調范圍為0～8 kN,上向拔芯力則最大可達到40 kN,除可確保拔斷巖芯外,還具有處理一般卡鉆事故的能力.

鉆進動力頭由滑架、裝于滑架上的主液壓馬達、軸承箱、螺紋退扣機構和鉆桿拋棄機構等組成.在液壓系統控制下,主液壓馬達具有高速正轉和慢速正反向旋轉功能.液壓馬達的最大扭矩可達200 N·m,轉速由恒功率油泵輸出流量控制自動無級調節.與推進系統的低壓緩升或緩降功能相配合,液壓馬達的慢速正反向旋轉功能可以接卸鉆桿絲扣.由于鉆機功率的限制,液壓馬達扭矩不足以擰松鉆桿絲扣,為此設計了由專用油缸推動的螺紋退扣機構,可產生強大的反轉扭矩.與鉆進動力頭集成于一體的水壓驅動的鉆桿拋棄機構在緊急情況下可以將孔內鉆桿與鉆進動力頭脫開,從而安全回收鉆機[3].

鉆孔沖洗機構可提供工作壓力為2～5 Mpa、流量50 L·min-1的壓力水,實現對鉆孔的潤滑、排渣和冷卻.

本鉆機鉆進機構的設計與國內外任何一種深海鉆機均不同,特別是油缸驅動鋼絲繩倍程推進機構、與鉆進動力頭集成于一體的螺紋退扣機構及水壓驅動鉆桿拋棄機構,是本鉆機的主要創新點之一.

1.1.3 鉆桿鉆具及其存儲接卸機構

本機構是機械子系統的關鍵技術之一,也是設計的重點和難點.本鉆機共有20根鉆管組件,如果采用雙排或多排儲管架,一個儲管架就可提供20個儲管位,陸地鉆機就經常采用雙排或多排儲管架,日本BMS深海鉆機也采用了單個具有33個儲管位的雙排儲管架.但雙排或多排儲管架具有結構復雜、定位精度差、可靠性不夠高的特點,難以滿足深海鉆機對可靠性的要求.

如圖2所示,本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.每個儲管架各附有兩只立軸同步擺動式雙機械手,分別用于鉆桿和巖芯管在孔口和儲管架之間的移送和定位.兩個轉盤式儲管架均采用油缸驅動、帶離合器控制正反轉、油缸驅動錐形插銷精確定位.鉆進動力頭下部雙卡盤分別用于夾持套管和鉆桿并與機械手配合擰卸鉆桿下部絲扣.鉆桿上部絲扣則通過上述與鉆進動力頭集成于一體的專用螺紋退扣機構與機構手配合進行擰卸.

圖2 鉆桿及巖芯管接卸存儲系統

1.1.4 液壓動力系統

海底鉆機液壓系統包含了陸地全自動接桿鉆機液壓系統的全部構成和功能,由液壓泵站、液壓閥箱、濾油器、液壓閥、液壓管路和各液壓執行機構等組成.液壓系統的設計,包括液壓元器件的選型、主要液壓動力技術和液壓控制技術、深水密封技術、液壓壓力緩沖技術、深水專用油缸設計技術、主油泵恒功率控制技術等,均借鑒采用在淺鉆上已經得到驗證的成熟技術,只是系統更大更復雜.

由于本鉆機液壓控制閥比較多,如果采用一個閥箱則體積過于龐大,因此將其分拆為兩個液壓閥箱.其中主控液壓閥箱主要負責鉆進系統液壓控制,包括鉆進動力頭、供水系統、推進系統、系統卸壓等功能;輔助液壓閥箱主要負責各液壓卡盤、鉆桿接卸機構、液壓支腿等輔助功能.本鉆機采用單液壓油泵方案,具有系統結構簡單、容易實現、液壓能量的自動合理分配、重量輕、體積小等優點.鑒于深鉆系統對系統密封性的要求更高,系統采用了微正壓深水壓力補償技術,這也是目前世界上先進深海裝備普遍采用的深水壓力補償技術.

1.2 高壓強電供變電子系統

1.2.1 子系統框架設計

高壓強電供電系統設計的主要依據是“大洋一號”船甲板相關設備的性能和能力.“大洋一號”船上的光纖動力復合纜由6根耐壓3300VAC的輸電芯線和4根單模光纖組成.通過光纖動力復合纜向水下鉆機輸送電能可以采取兩種方式:三相交流高壓輸電和直流高壓輸電.采用三相交流輸電的優點是水上和水下均可以直接使用變壓器變電,成本低,缺點是功率因素較低,輸電效率相對較低,纜發熱量較大;采用直流輸電的優缺點則正好相反.綜合權衡,決定采用三相交流高壓輸電方式.本子系統概念設計框圖如下:

1.2.2 深海電機無功功率就地補償方法及補償電容量計算

鉆機液壓動力系統主電機為一臺三相交流浸油壓力平衡深海高壓電機,其功率因素很低,因此光纖動力復合電纜除需要輸送足夠的有功功率之外,還需要傳輸大量無功功率,使得電纜中的三相電流大幅增加.電纜中電流大將帶來兩方面的不良后果:一是電纜末端電壓隨負載的變化而大幅度波動;二是光纖動力復合電纜嚴重發熱,造成電纜及絞車溫度嚴重超標而損壞.

為了解決這一問題,研發了一套用于深海大功率機電設備的深海電機用無功功率就地補償方法及裝置,其用途是減小深海機電設備上的大功率三相交流深海電機因為功率因素小而形成的較大的工作電流,以減少細長的供電臍帶纜的沿程電功率損耗、發熱及末端電壓波動,提高深海機電設備的可用有功電功率水平.無功功率就地補償方法是在電機三相進線端以三角形或星形方式并聯深海適用的電力電容器[5].

圖3 高壓強電供變電子系統框圖

高壓電機的額定功率為18.5 kW,輸入額定電壓為2 800 V,額定電流為6.8 A,額定轉速1487 r·min-1,功率因素0.71.

電機的單相電功率P按式(1)計算:

(1)

式中:U為線電壓;I為線電流;φ為相位角;cosφ為功率因素.計算得P為7.805 kW.

并聯電容器組如采用Y 接法,則單相電容量根據式(2)計算:

(2)

式中:ω為電頻率,ω=50 HZ;φ1為并聯電容前相位角;φ2為并聯電容后相位角.并聯前功率因素cosφ1為0.71,即φ1=44.765°;如果將功率因素補償到0.95,即cosφ2=0.95,即φ2=18.195°;式(2)中UP為相電壓,UP=1617 V.計算得C=6.3 μF.由于特制的深海高壓電力電容器電容量都比較小,為1.7 μF左右,則每組應采用3～4個電容器并聯使用.

1.3 電子監控子系統

電子監控子系統負責鉆機的可視化監測及手動、半自動、自動控制,包括水下傳感器信號量的采集、鉆機鉆進狀態的控制和水下四路視頻信號的采集等.系統要求能夠實現深海鉆機機械液壓機構的可靠控制,自動完成深海20 M巖芯鉆取樣的任務.

1.3.1 系統框架

電子監控系統主要包括甲板系統、水下系統和光纜通信系統,甲板系統與水下系統之間采用萬米光纖拖纜進行數據傳輸,每個主要部分都由相應的硬件和軟件構成.

1.3.2 軟硬件設計

考慮到取樣鉆機的復雜性,水下電子監控中心的設計方案最終選定具有可靠性高、抗干擾能力強、設計靈活、擴展方便等特點的CPU+CPLD系統.深海鉆機圖像監控臺和深海鉆機甲板控制臺軟件界面如圖4,5所示.

圖4 深海鉆機圖像監控臺

圖5 深海鉆機操作界面

2 鉆機主要技術性能指標

3 本研究解決的主要技術難點

除深海淺孔巖芯鉆機的部分技術借鑒應用于本項目需一定程度的適應性改造和深化應用的研究外,還有海底深孔鉆機特有的幾個技術難點如下:

(1) 遙測遙控狀態下的鉆桿接卸與儲存技術

深海中深孔鉆機相對深海淺孔鉆機的主要不同點就在于需要接卸鉆桿,一般鉆孔深度大于5m就需要采取分段取芯技術.多種陸地鉆機都具備自動接卸鉆桿的功能,但其操作條件要比深海鉆機好得多,因為操作都是在直接可視的條件下進行的,即使出現問題也還可以人工干預解決.對于海底鉆機,由于操作條件的惡劣、人工無法干預故障處理、測控難度大,故其鉆桿自動接卸與儲存機構必需具備以下特點:①可靠性高;②結構簡單;③遙測遙控傳感器數量多、精度高.

(2) 鉆桿接卸時的孔位對準與鉆機調平防側滑技術

深海淺孔鉆機只有一根鉆桿,鉆孔完畢提鉆之后整個鉆進過程即告結束.而深海底中深孔鉆機每次鉆滿一根巖芯管后,需從鉆孔中提出全部鉆桿,換上另外一根空巖芯管,再將鉆具放入孔內.且海底鉆機不能象陸地鉆機一樣通過地腳螺栓與地面固定,如鉆具提出孔口后發生側向滑移或機身姿態角改變,鉆具就可能無法找到原孔位或鉆桿不能順利放回孔內.因此,在海底作業的深海底中深孔鉆機要求絕對穩定支撐,不允許發生較大的側向滑移或機身姿態角的改變,故鉆機支腿的設計非常重要.另外必須采取孔口套管技術固定孔位.

(3) 鉆進時的巖芯保護技術

根據規劃,深孔鉆機將主要用于熱液硫化物勘探.由于熱液硫化物本身的特點,鉆進時如不采取特殊措施,其巖芯破碎程度將很高,巖芯采取率將難以得到保證,勘探信息的準確性和完整性將因此受到很大影響.因此,必須采用具有很好巖芯保護功能的雙管巖芯鉆具和分段取芯技術.

(4) 鉆進工藝和軟件的編制

需對深孔鉆進分段取巖芯的工藝方法進行專門研究,與之對應,全自動操作軟件應能保證設備的正常運行及應對可能遇到的各種情況,如鉆進過程中遇到各種復雜地層或發生孔內卡鉆事故等[2].

4 樣機的海上試驗

系統樣機隨“大洋一號”船出海進行了南海海上試驗.于東沙附近I試驗區(1182011920東,21002215北)東南側小海山成功進行了海底實鉆取芯試驗,鉆孔深度15.7 m,取得3.8 m的硬巖樣品.試驗前用多波束和淺剖對海山地形和底質進行了掃描.

圖6 海上試驗圖

圖7 DHDSY02站位樣品

作業過程和指標評估:鉆機于10月10日21∶00第三次下水,23∶00著底,水深1743 m,底質為覆蓋結核的沉積物;22點啟動鉆機開始自動調平和開孔鉆進,11日早7時半結束海底鉆進開始回收.9∶30設備回收至甲板.設備下水時間總計12.5 h;其中海底工作時間9.5 h,共鉆進15.7 m.其中上部11 m為沉積物,未取得巖芯樣;下部4.7 m為硬巖,共取芯3.8 m,硬巖取芯率超過80%.

表1 海上試驗數據

5 結論

深海底中深孔巖芯取樣鉆機的研制成功為海底熱液硫化物的勘探提供了有效的作業手段和技術保障,我國的海底資源勘探現狀得到了較大的改善.

該型鉆機總體技術水平基本接近和達到國外發達國家在這一領域的水平,它的研制成功使國內在這一領域與國外發達國家的差距大大縮小.深海鉆機項目主要技術發展趨勢之一是向更大更深的方向發展.國外深海深孔鉆機目前鉆深已達50～100 m.本項目為以后研制更大鉆進深度的深海深孔鉆機奠定了良好的基礎.

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Research and development on medium-and deep-holecore-sampling drills for abyss seafloor

Currently,the core sampling drill secures a crucial position in oceanic geological survey and mineral resource exploration.In 2003,the first deep-sea and shallow strata core-sampling drill was domestically developed.In 2009,the 2m deep-sea core-sampling drill was developed using armored electro-optical cable for long-distance power transmission and fiber communication.Due to the limitation of drilling depth,the deep-sea hydrothermal sulfide deposits cannot be explored by this drill.Accordingly,a new core-sampling drill is successful developed for offshore testing.In this study,the basic functions and structure,major specifications and imperative and offshore testing conditions are introduced.Therefore,this approach significantly enhance the technological level in this area.

seafloor drill; resources exploration; offshore testing

國家“八六三”高技術發展計劃海洋技術領域重點資助項目 (2007AA091300);湖南省教育廳資助項目(12C0107).

朱偉亞(1977- ),男,工程師.E-mail:hnkjdxzwy@163.com

P 716.9

A

1672-5581(2016)01-0038-06