大洋鉆探船鉆探系統裝備現狀及總體配置研究

賈向鋒 李亞偉 趙 濤

（寶雞石油機械有限責任公司 寶雞 721002）

0 引 言

大洋鉆探是人類認知伸向海洋的“觸角”，也是研究海洋地殼構造、從事海底資源開發的主要手段，而大洋鉆探船則是大洋鉆探活動的核心裝備。目前，國際上有3艘專用的大洋鉆探船，分別是美國的格羅瑪挑戰者號和喬迪斯決心號，以及日本的地球號。自1968年開始，國際大洋科學鉆探先后經歷了深海鉆探計劃（deep sea drilling program,DSDP） （1968—1983年）、大洋鉆探計劃（ocean drilling program, ODP）（1985—2003年）、綜合大洋鉆探計劃（integrated ocean drilling program, IODP）（2003—2013年）和國際大洋發現計劃（international ocean discovery program, IODP）（2013—2023年）共4個階段，先后有20多個國家參與，累計完成大洋科學鉆井4 000余口，獲取了超過600 km的巖心和大量數據，在板塊構造理論、氣候演變規律、古海洋學、古生物學、海底深部生物圈、海底礦產資源分布等方面取得了許多重大成就[1-3]。

我國大洋鉆探工作起步較晚，目前還沒有專用的大洋鉆探船，僅有海洋石油708和海洋地質十號等具備工程勘察及物探功能的小噸位、淺水地質調查船，深海監測、深?？辈槿蛹夹g等深海探測技術與西方發達國家的差距較大[4]。在超深水勘查和鉆探裝備方面，國內雖然在一些關鍵裝備（如海洋動態井架、浮式補償系統、管柱自動化處理系統和隔水管系統等）上取得了突破，并在一定范圍內實現了工程應用，但還缺少系統化的集成配套設計及工程驗證。隨著我國海洋強國戰略的大力推進，結合海洋地球科學的發展需要以及深海油氣、礦產、天然氣水合物（又稱“可燃冰”）等海底資源的大規模開發進程，建造我國自己的專用大洋鉆探船十分必要。本文通過調研國內外大洋鉆探船鉆探系統裝備的配置和特點，結合我國大洋鉆探船功能要求，提出了大洋鉆探船鉆探系統的總體方案和關鍵裝備的選型配套設計，在此方案基礎上對系統主要裝備的國產化現狀進行分析并給出實施建議，為后續大洋鉆探船的設計建造提供參考。

1 國外大洋鉆探船鉆探系統裝備發展現狀

1.1 格羅瑪挑戰者號

格羅瑪挑戰者號（見圖1）是美國環球海洋鉆探公司專門為首次深海鉆探計劃設計建造的1艘鉆探船，于1968年3月建成。該船長121.9 m、寬19 m、深8 m，排水量10 500 t，定員45人，最大作業水深6 096 m，最大鉆探深度（水深+鉆深）7 600 m。

圖1 格羅瑪挑戰者號鉆探船

該船鉆探系統最大提升載荷270 t，采用傳統的單錐塔式井架，井架高43 m，每根鉆柱由3柱單根組合而成，長27 m。1974年，井架加裝了1套游車型鉆柱升沉補償裝置，減小了波浪對鉆進和取樣的影響。該船配套裝備了鉆具重返鉆孔裝置，曾在水下3 662 m實現同一井口多次更換鉆頭重新鉆進。該船未配套隔水管系統和水下防噴器系統，無法進行泥漿循環和巖屑回收，因此只能采用水基液或環保泥漿進行深海鉆探取心，鉆探深度有限。在取樣方面，該船還配套裝備了液壓活塞取心裝置，與延伸式取心筒聯合使用，獲取了長575 m的海底巖心。在1968—1983年的15年里，格羅馬挑戰者號先后完成了96個鉆探航次，在624個鉆位上鉆井1 092口，采集深海巖心總長超過97 000 m，單井鉆入洋底的最大深度為1 741 m，鉆探的最大水深為7 044 m。1983年11月，隨著深海鉆探計劃的結束，格羅瑪挑戰者號光榮退役并被拆解[5-6]。

1.2 喬迪斯決心號

喬迪斯決心號（見圖2）原名為Sedco/BP 471號，于1978年在加拿大建造，是美國Sedco公司和英國石油公司所屬的1艘商用石油勘探船。該船于1985年1月被改裝，供大洋鉆探計劃使用，同時改名為喬迪斯決心號。

圖2 喬迪斯決心號鉆探船

該船長143 m、寬21 m，排水量9 050 t，最大工作水深超過8 000 m，最大鉆探深度（水深+鉆深）為9 150 m；采用in（1 in=2.54 cm）鉆桿，每根鉆柱由3柱單根組合而成，每柱鉆桿長約28 m，重約874 kg。鉆探系統采用常規鉆井絞車提升，最大提升能力400 t；井架為單錐塔式結構，高61.5 m；配套了水平動力貓道、軌道式鐵鉆工和帶側向位移功能的頂驅裝置，可提升管柱上卸扣作業效率；鉆柱升沉補償系統采用游車型液缸補償結構，最大補償能力為400 t；還配備了高精度的鉆孔重返系統和高效的繩索取心系統。

與格羅瑪挑戰者號相比，喬迪斯決心號鉆探船功率更大、穩定性更好、鉆進深度更深，但其同樣未配套裝備隔水管系統和水下防噴器系統，無法進行泥漿循環和巖屑回收，因此海底鉆進深度有限。另外，該船還建有約1 115 m2的7層實驗室，可供沉積學、巖石學、古生物學、地球化學、地球物理學等方面的分析研究。2007—2008年，該船進行了全面升級改造，繼續為IODP服役，目前已完成26個IODP航次[5-6]。

1.3 地球號

地球號（見圖3）是由日本制造的世界最大深?？茖W鉆探船，于2005年7月交付使用。該船長210 m、寬38 m、總高130 m、吃水9.2 m，排水量56 752 t，最大作業水深2 500 m，最大鉆探深度（水深+鉆深）11 000 m，最大鉤載1 250 t。該船同格羅瑪挑戰者號和喬迪斯決心號的最大區別是搭載了全套隔水管及井控系統設備，可實現泥漿循環和鉆屑回收，并開展油氣鉆探作業。

圖3 地球號鉆探船

在鉆探系統配置上，地球號采用了先進的雙聯塔型井架和雙提升系統，井架高度70 m，采用in鉆桿作業，單根長度9.5 m。 每根鉆柱由5柱單根組合而成，鉆桿容量≥10 000 m。作業時，一個井架進行起下鉆作業，另一個井架進行管柱離線接立根，作業效率大幅提高。鉆柱補償系統采用天車補償方式，最大補償能力超過450 t。該鉆探系統還配置了抓管吊機、動力貓道、軌道式鐵鉆工、柱式排管機、頂驅等先進的管柱處理系統，自動化程度較高。

地球號船體月池開口為12 m×22 m，配置的隔水管單根長度為90 ft（1 ft=0.304 8 m），外徑21 in，總長2 500 m；同時搭載1套in、15 000 ps（i1psi=6.895 kPa）、高約14.5 m、重達380 t的水下防噴器系統。船上有2套發電機系統，總功率約35 000kW，能夠同時容納150人在船上工作和生活。截至目前，該船已先后開展了南海海槽發震帶試驗以及日本東北大地震后快速反應鉆探等一系列科學鉆探計劃。2019年1月，地球號在日本歌山縣海域成功鉆探至海底3 260 m，創造了當時世界最深的大洋科學鉆探記錄[7]。

2 國內大洋鉆探船鉆探系統裝備發展現狀

與國外相比，我國在大洋科學鉆探裝備方面相對落后。截至目前，由國內自主建造的具備一定能力的科學鉆探船主要有海洋石油708深水工程勘探船和海洋地質十號調查船，此外，由中集來福士集團集成建造的藍鯨1號超深水鉆井平臺也具備大洋科學鉆探能力。

2.1 海洋石油708勘探船鉆探系統

海洋石油708勘探船于2011年完工交付，是全球首艘集鉆井、水上工程、勘探功能于一體的3 000 m水深工程勘探船。船體總長105 m、型寬23.4 m、型深9.6 m，排水量約11 600 t，可在無限航區航行；抗風能力不低于12級，可保證在9級海況下安全航行；具備在3 000 m水深實施工程地質勘察（鉆孔）和靜力觸探試驗（cone penetration test,CPT）的能力；能起吊150 t重物，可進行23.5 m長深水海底水合物保溫、保壓取樣作業[8]。

該船鉆探系統為寶雞石油機械有限責任公司研制，設計鉆深4 000 m，采用交流變頻絞車提升，最大提升能力2 250 kN。井架為塔式結構，高度34.5 m；鉆柱升沉補償裝置采用游車補償結構，被動+主動補償模式，最大補償能力2 250 kN，補償行程±3 m；泥漿系統配置2臺500 hp（1 hp=0.746 kW）泥漿泵，采用5 in鉆桿作業，單立根長度9.5 m，還配置了抓管吊機、鷹爪機、液壓大鉗、頂驅等管柱處理系統設備。

2.2 海洋地質十號船鉆探系統

海洋地質十號船由我國自主設計、建造，是集海洋地質、地球物理、水文環境等多功能調查手段為一體的綜合地質調查船，可以實現在全球無限航區開展海洋地質調查工作，于2017年12月正式入列交付。該船總長75.8 m、型寬15.4 m、型深7.6 m、吃水5.3 m，排水量約3 400 t，續航力8 000 n mile。鉆探系統采用了國內首創的全液壓油缸舉升式海洋鉆探系統，最大鉆探深度（水深+鉆深）為1 200 m，最大鉤載600 kN。井架采用門型結構，高度23 m，通過雙油缸舉升系統起下鉆柱；配有被動式鉆柱補償裝置，最大補償載荷400 kN，補償行程±1.5 m；采用in鉆桿作業，配有抓管吊機、動力貓道、可升降式動力鉗、大通徑液壓頂驅等管柱處理設備，自動化程度高。該船還配置了帶動力鉗的海底基盤系統，具備CPT作業能力，近年來已順利完成了多航次的鉆探任務[9]。

2.3 藍鯨1號超深水鉆井平臺

藍鯨1號超深水鉆井平臺由中集來福士總承包建造，于2017年3月在山東煙臺交付。平臺總重42 000 t，長117 m、寬92.7 m、高118 m，最大作業水深3 658 m，最大鉆井深度15 240 m，采用DP3動力定位，入級挪威船級社，是當時全球最先進的超深水雙鉆塔半潛式鉆井平臺。

其鉆探系統主要設備全部由國外進口，采用雙聯塔式井架結構，雙井口作業模式，雙頂驅背對背布置，全液壓油缸舉升式提升系統，最大提升載荷1 250 t；補償系統采用油缸死繩端補償，轉盤開口尺寸達到in，每根鉆柱由5柱單根組合而成，二層臺高度達到135 ft；司鉆房為雙司鉆集成操作模式，管柱處理系統配置了抓管吊機、水平動力貓道、軌道式鐵鉆工、柱式排管機、液壓頂驅等設備，自動化程度非常高。泥漿泵采用2臺2 200 hp鉆井泵，防噴器（blow out preventer,BOP）系統為2套in、15 000 psi的七閘板防噴器組，BOP處理能力為550 t。隔水管系統采用法蘭式連接結構，雙根對接后立式存儲。

3 我國大洋鉆探船鉆探系統功能和總體配置方案

3.1 我國大洋鉆探船鉆探系統功能分析

從大洋鉆探的功能來看，目前國內外的大洋鉆探任務主要包括大洋科學鉆探、油氣鉆探、水合物試采和海底礦產資源開發等，這也是大洋鉆探船在設計時需要重點考量的因素。不同的功能對鉆探系統的配置要求各不相同，不同用戶的關注點也各有差異，需要綜合分析論證，以尋求最佳技術經濟性。

大洋科學鉆探主要目的是開展深遠?？茖W調查、地質勘察、鉆探取樣等工作，為海洋地質學研究提供支撐，這也是大洋鉆探船的核心功能。大洋鉆探通常要覆蓋全海域，因此對作業水深要求較高。目前地球上水深最大處位于西太平洋的馬里亞納海溝，水深超過11 000 m。不過，大洋科學鉆探對入泥鉆探深度要求并不高，通常不超過2 000 m，鉆探系統也不需要配置隔水管和井控系統。

天然氣水合物試采，以天然氣水合物勘探和開采為主。海域天然氣水合物的埋藏深度通常在泥線以下200 ～ 2 000 m，水深不超過3 000 m，考慮到天然氣水合物的狀態不穩定性和開采難度，通常需要配套裝備隔水管和井控系統以保證安全性。藍鯨1號鉆井平臺分別在2017年和2020年完成了我國南海神狐海域的2輪天然氣水合物試采作業。

海洋油氣鉆探以深海油氣勘探開采為主。鉆桿需要打通油氣層并進行商業開采，井底壓力較大且安全風險相對較高，故需要配置隔水管和井控系統。目前國際上最先進的浮式鉆井平臺或鉆井船最大作業水深已超過3 600 m，最大鉆井深度超過12 000 m。

深海采礦是近年來新興的海洋資源開發領域，目前各國對深海礦產資源的開發還處于前期試采研究階段。海底礦產資源一般位于海床或泥線表層，其埋藏水深在1 000 ～ 7 000 m不等，對鉆探系統的配置要求不高，但對布放回收系統的提升能力和后續礦漿分離處理要求較高。不同功能的鉆探作業需求和配置對比如表3所示。

表3 不同功能的鉆探作業需求和配置 m

以深水鉆探的作業方式分類，主要包括無隔水管和有隔水管這2種。

無隔水管鉆井模式即開式鉆井，泥漿直接排海不回收，鉆探船無需配套裝備隔水管和防噴器系統，船體甲板面積大、船舶尺度小，可有效降低整船的建造和運行費用。然而，其缺點是鉆探深度有限且容易發生井壁坍塌和鉆具卡阻事故。此外，因為直接排放泥漿，還需要考慮海洋環保問題。近年來，已有國外企業研發了無隔水管泥漿循環鉆井技術，但應用較少，國內尚不具備此技術。

有隔水管鉆井模式是指鉆探系統配套裝備隔水管和防噴器系統，可用于深水油氣鉆探、水合物開采等作業，也可以用于大洋鉆探和海底采礦，適應范圍較廣，但因為配備了隔水管和防噴器系統，船舶主體尺度較大，同時建造成本和運行成本也較高[10]。

3.2 我國大洋鉆探船鉆探系統總體配置方案

3.2.1 鉆探系統總體方案

根據以上分析可知，如果僅從大洋科學鉆探的功能需求出發，鉆探系統可選用無隔水管作業模式，類似于喬迪斯決心號的配置方案。但隨著國家海洋強國建設戰略的深入實施以及海洋油氣勘探開發的大力推進，綜合考慮功能、成本、先進性等各種因素，未來的大洋鉆探船更傾向于綜合作業能力的考量，因此建議我國的大洋鉆探船可兼具隔水管作業和無隔水管作業這2種模式。帶隔水管作業，主要用于深海油氣鉆探和天然氣水合物試采。按照當前主流配置設計，最大作業水深3 000 m，最大鉆探深度9 000 m，最大鉆柱提升靜載荷為5 400 kN（隔水管系統+水下防噴器濕重），隔水管系統采用21 in標準單根，接頭載荷為3 500 kips（1 kips=4.448 kN）。無隔水管作業，主要用于大洋鉆探和深海礦產資源勘查。按照水深+鉆深12 000 m設計，可保證鉆穿莫霍面，并能覆蓋全球海域，鉆柱組合為SHB168/104雙壁鉆桿和5 in標準鉆桿，鉆柱系統總重5 100 kN。參照油氣鉆井行業設計規范，最大鉤載不小于最大鉆柱質量的2倍，因此取鉆探系統最大鉤載為11 250 kN。

提升系統方案目前主要有2種：一種是采用交流變頻電動絞車提升下放，另一種是采用液壓油缸提升下放。本方案推薦采用液壓油缸舉升方式，其主要優勢是：

（1）減少了常規鉆井絞車占據的鉆臺空間，可大大縮小鉆臺面積、減輕鉆臺整體質量；

（2）油缸舉升速度平穩，游動系統安全距離較短，可有效降低井架高度、減輕井架質量；

（3）井架主要用于舉升油缸的扶正導向，不再承受鉆柱載荷，承載小、質量輕；

（4）油缸舉升系統可與死繩端油缸升沉補償系統一體化設計，結構緊湊、易于控制；

（5）油缸舉升系統噪聲低，基本可控制在80 db（A）以內，轉臺面作業舒適性好。

總體配套方面：提升系統建議采用液壓油缸舉升結構；井架采用門型塔式井架結構；管柱自動化系統推薦立柱式排管裝置，配套雙司鉆集成控制系統；鉆柱補償系統采用死繩端液缸補償裝置；甲板管柱處理系統采用臥式隔水管/管柱吊機；隔水管張緊器采用鋼絲繩式張緊裝置。鉆探系統總體參數如表4所示。

表4 鉆探系統總體參數

總體布置方面：建議隔水管與鉆桿水平布置在船尾，BOP與下部隔水管總成（lower marine riser package, LMRP）左右對稱布置在船尾兩側，2棵采氣樹左右對稱布置在船首兩側，張緊系統左右舷對稱布置[11]，如圖4和下頁圖5所示。

圖4 大洋鉆探船立面布置圖

圖5 大洋鉆探船主甲板布置圖

3.2.2 井架提升系統

井架提升系統采用目前最先進的液壓油缸舉升式結構，通過重載舉升液缸實現整個鉆探系統提升下放，主要包括門型塔式井架、舉升液缸、舉升滑輪組、頂驅、升沉補償裝置、提升鋼絲繩、提升液壓站、液壓控制系統等（見圖6）。該系統額定提升載荷為11 250 kN，采用5個舉升液缸，單缸最大舉升力為3 600 kN，提升系統最大鉤速為1.5 m/s，液壓系統額定壓力28 MPa；井架采用塔式結構，有效高度52 m，頂驅額定載荷11 250 kN，中心通道內徑121 mm，可滿足102 mm巖心取樣，配伸縮式滑車結構，可避開井口，提高管柱處理效率，同時方便繩索取心作業；轉盤采用液壓馬達驅動，開口in。[11-12]

圖6 井架提升系統總體方案

3.2.3 鉆柱升沉補償系統

鉆柱升沉補償系統采用“被動補償+主動補償”模式，推薦采用死繩端油缸補償方案。其優點在于需要的補償力較小，系統獨立控制，與舉升系統互不干擾，介質采用水乙二醇和高壓空氣。被動補償載荷為5 400 kN，主動補償載荷為300 kN，最大補償行程±7.62 m，最大補償速度1.31 m/s[13]，總體方案見圖7。

圖7 升沉補償系統總體方案

3.2.4 管柱處理系統

管柱處理系統分為管柱輸送系統、上卸扣系統和管柱排放系統。管柱輸送系統配置1臺550 kN（2×275 kN）橋吊式管柱吊機和1臺水平式鉆柱動力貓道，以滿足鉆柱和隔水管輸送，同時還應配置1臺水平巖心動力貓道，以滿足巖心取樣和輸送要求。上卸扣系統配置包括：1臺TZG160型軌道式鐵鉆工，最大上扣扭矩135 kN·m，最大卸扣扭矩165 kN·m；1臺高位背鉗，用于高位接卸鉆具；2個液壓伸縮式動力鼠洞，額定載100 kN；1臺PS30型氣動卡瓦，最大提升載荷750 t。管柱排放系統主要配置1臺柱式排管機，適應管柱直徑in；另有1個動力二層臺和1臺750 t液壓吊卡[14]?？紤]離線接立根和雙井口作業模式，以上設備均按照2倍數量來配置。

3.2.5 鉆探控制系統

鉆探控制系統是由現場級PLC控制站、集成通訊網絡、上位機司鉆終端所構成的三級網絡，通過主、副司鉆的控制及后臺邏輯程序，實現分散設備的集成化監視、實時控制、數據存儲和防碰互鎖管理等功能。主司鉆主要控制油缸舉升系統、鉆柱補償系統、隔水管張緊系統、頂驅及液壓吊卡、鉆井泵、井口鐵鉆工、液壓轉盤、動力卡瓦、液壓貓頭、儀表系統、監控系統、節流壓井系統與液壓站等設備，副司鉆主要控制動力貓道、垂直管柱處理系統、氣動指梁、管柱處理、鐵鉆工、動力鼠洞與工業電視監控等設備，詳見圖8。

圖8 鉆探系統環形控制網絡圖

3.2.6 泥漿及散料系統

通過分別計算大洋鉆探取心取樣、水合物試采、油氣鉆探這3種工況下的泥漿與散料系統配備容積（見表5），結合鉆探船總體功能和作業工藝要求，建議泥漿系統總容積為1 200 m3，散料系統總容積為600 m3。建議選用3臺52 MPa、2 200 hp高壓5缸泥漿泵，配置3臺振動篩和1臺一體機，處理量均為900 GPM，高壓立管管匯額定壓力52 MPa，固井和節流壓井管匯額定壓力70 MPa。[15]

表5 3種工況下泥漿與散料系統容積分析

表6 大洋鉆探船鉆探系統關鍵裝備國產化配套能力分析

3.2.7 隔水管系統

隔水管系統最大工作設計水深3 000 m，接頭最大載荷為3 500 kips。從技術成熟性、工程應用比例及維?？煽啃缘确矫婢C合分析，建議隔水管采用傳統法蘭連接型式。隔水管單根主管體外徑為21 in，配置2根15 000 psi節流/壓井管線、2根5 000 psi液壓管線和1根7 500 psi泥漿增壓管線，系統主要包含提升工具、試壓工具、卡盤、萬向節、上部撓性接頭、伸縮節、張緊環、灌注閥、隔水管單根及短節、浮力塊等配套部件。隔水管張緊系統最大設計載荷3 000 kips，最大補償行程為15 240 mm（50 ft），采用鋼絲繩式張緊結構，6組雙聯張緊液缸對稱均布（見圖9），單個液缸最大張緊力為250 kips。[16]

圖9 隔水管張緊系統布置圖

3.2.8 井口井控系統

圖10 水下井口裝置典型結構圖

3.3 鉆探系統關鍵裝備國產化現狀分析

近年來，國內企業在高端海洋裝備國產化方面進行了深入探索和研究，研制了一大批海洋油氣開發裝備，部分已經實現了工程應用。其中，寶石機械公司在全液壓海洋鉆機、海洋動態井架、泥漿泵、隔水管系統、鉆柱升沉補償系統等方面的技術相對成熟，可實現國產化替代應用；四川宏華集團曾為TIGER系列鉆井船提供鉆井包，在海洋動態井架、泥漿泵、管柱處理系統、泥漿系統方面有豐富經驗；蘭石集團近年來也在海洋井架、泥漿泵、管柱處理系統方面有較深入的研究，部分產品實現了國產化應用。然而國內企業的突破主要以單元設備為主，系統化的整體解決方案仍然不夠成熟，工程應用經驗不足?？紤]到我國大洋鉆探船的特殊性，以及后續建造維護等方面的便捷性及可控性，結合目前我國深水鉆探裝備的技術現狀，本文給出了我國大洋鉆探船鉆探系統主要配套設備的推薦方案（如下頁表 6 所示），供相關人員研究和參考。

總體來看，大洋鉆探船鉆探系統裝備完全可以由國內企業自主集成設計和建造，但在舉升液缸、升沉補償系統、柱式排管系統、水下井口和防噴器、關鍵控制閥組等配套件上，建議采用進口品牌或與國外經驗豐富的企業合作開發，以保證系統整體可靠性和先進性。

4 結 語

本文通過對國內外大洋鉆探船鉆探系統裝備的配套能力分析，結合我國大洋鉆探船的功能定位和作業模式，綜合考慮大洋科學鉆探、海洋油氣鉆探、水合物試采與深海采礦等4個方面的戰略需求，提出了我國大洋鉆探船的2種作業模式，即：隔水管作業模式主要用于深海油氣鉆探及天然氣水合物試采，無隔水管作業模式主要用于大洋科學鉆探及深海資源勘查。據此，進一步提出了大洋鉆探船鉆探系統的總體參數和布置方案；給出了提升系統、鉆柱升沉補償系統、管柱處理系統、鉆探控制系統、泥漿及散料系統、隔水管系統和井口井控系統的主要參數和配套方案，并針對本方案關鍵配套設備的國產化現狀進行簡要分析并提出配套建議。