全液压海洋地质钻探系统的研制与应用

全液压海洋地质钻探系统的研制与应用

刘静怡

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摘要：随着自然资源的需求量日益提高，但现有已探测资源数量不足，海洋资源探索成为解决资源枯竭的主要手段。海洋开发离不开海洋地质调查船的前期介入，地质钻探系统作为地质调查船的核心设备，可用于海洋地质勘探、取样作业、CPT作业、测井作业等多个方面的地质调查。该系统组成的设备复杂、子系统众多，设计建造难度大。本文以我司为海洋地质调查局建造的N703综合海洋地质调查船为例，浅析该类船钻探系统的集成设计，供类似项目参考借鉴。

关键词：集成液压;集成控制;海洋地质;钻探系统

引言

海洋地质钻探，作为海洋勘探开发的基础，对我国海洋区域地质调查、重点海岸带环境地质调查与评价、近海海砂及相关资源潜力调查等海洋基础地质工作有着至关重要的作用。海洋地质钻探的核心是高效、便捷地取出海底样品以供进行科学研究。与海域天然气水合物钻探、海洋油气钻探等不同的是，常规海洋地质钻探的地层类型复杂多样，主要为松软、半固结或固结的沉积物，在取心作业中面临的难题主要有岩心采取率不足，岩心结构扰动大，在砂层、粉砂层中取心困难等。

1国家海洋地质十号船展示与引入

海洋地质十号钻探船采用全电力推进系统，选用２套全回转舵桨和２套槽道式艏侧推，具有良好的航向稳定性和灵活的操作性，在直航时具有良好的航向稳定性。配备ＤＰ－２动力定位系统和锚泊定位系统，为多种调查作业方式提供可靠的定位方式。海洋地质十号采用模块化设计，除固定装船设备如地质钻探系统、万米单波束测深仪、中深水多波束测深系统、中深水浅地层剖面仪、海洋重力测量系统、声学多普勒流速剖面仪（ＡＤＣＰ）、超短基线水下定位系统、万米绞车及Ａ型架系统、液压折臂吊。

２海洋钻探施工步骤

海洋地质十号船采用裸眼钻井，即采用无隔水管或套管，钻井液采用无循环开放式直排的工艺进行钻探施工。钻井液使用环保型黄原胶＋海水，并按照黄原胶∶海水＝３～６∶１０００的比例进行调配。黄原胶为抗盐抗钙大分子聚合物产品，它的作用机理是大分子聚合物充分水化后形成线型和网状结构，将水相分子粘连在大分子聚合物上，进而提高钻井液的粘度。所以在使用上要充分进行搅拌，加入速度要进行控制，减少结团抱球，影响使用效果。钻头通过钻杆直接下放至海底进行钻进，钻井液通过钻杆注入，上返至海床面孔口后直接排入海水中。钻柱总成由钻头、ＢＨＡ、钻铤组成，钻柱有序下入海底，再将海底基盘下至海底泥面。采用钻杆进行钻进，利用绳索取心钻具（取样长度３～４ｍ）进行岩心采取。

（１）打开月池盖，通过左右基盘绞车平稳下放海底基盘，到月池海水面位置停止。

（２）ＢＨＡ、钻铤、钻杆连接方法：先将钻头、ＢＨＡ、２ｍ短钻杆连接成一根立柱；抓管机将ＢＨＡ立柱、钻铤、钻杆、依次从钻杆盒取出输送给水平动力猫道；水平动力猫道将钻杆输送给液压顶驱，顶驱吊环扣合钻杆（或钻铤）接头位置，上提钻杆（或钻铤）；顶驱将钻具提起至竖直位置并到合适高度，打开气动卡瓦。下行顶驱将钻具缓慢插入气动卡瓦，缓慢穿过海底基盘海底钳，缓慢下放钻杆，缓慢下放海底基盘，将钻杆预留合适高度以便和下一根钻杆进行连接，海底基盘随钻杆下放位置预留合适高度后停止，等待第二根钻具连接再随钻具一起下放；液气大钳完成低位钻杆（或钻铤）扣连接；打开气动卡瓦，下放顶驱，重复操作，直至完成所有钻具的连接，完成海底基盘和钻柱的下放，下放直至离海底１ｍ以内时，保持顶驱吊卡关闭状态。此时进行第一回次和第二回次件表层样取；待第一、二回次表层样取心结束后，将钻柱、海底基盘一次下放至海底，然后利用顶驱背钳完成顶驱中心管和钻柱的连接，依次进行取心。

（3）开钻前进行水深测量，每回次进行水深校正。在钻探过程中随时进行孔深校正。

3关键技术

3.1综合液压控制系统

采用集成液压系统为各子系统和设备提供动力，其中作为主要单元的综合液

压站如图所示。综合液压站为提升系统、管柱处理系统和海底基盘绞车等的主要动力源，通过两组五联泵给主泵提供最大压力为35MPa的动力。液压站主泵启动后，主泵比例伺服阀的预设值使泵摆角有一定偏转，达到预定的压力和功率，进行钻柱举升和下放操作时，由司钻房控制手柄发出指令控制泵摆角，动作停止时，主泵摆角指令值回归预设值。该液压站将负载敏感变量泵与压力补偿阀相配合，实现主泵驱动多个执行机构的独立调速，各执行元件不受外部负载变动和其他执行元件的干扰。负载敏感调速系统不仅实现按需供油，同时也按需供压，减小能量损失。为提高控制精度，主泵单元采用力士乐公司的A4V系列负载敏感伺服变量系统，实现对顶驱、动力猫道、液气大钳和基盘绞车等主要设备的无级调速和精确控制。该伺服变量系统通过伺服阀将控制压力转变为驱动油缸伸出杆的位移以推动斜盘转动，改变泵的排量，控制回路为力反馈闭环式，具有直线性好、响应快速、死区小和精度高等优点。采用优化后的负载闭环设计参数使该系统操作精度可以达到0.01m/s，满足起下钻作业时对不同地层钻井取心的宽比速进尺要求和作业人员精确操控的需求。

2.2钻井集成控制系统

控制系统应用工业以太网通信技术，主、副司钻各使用一套西门子S7－400控制器、Profibus-DP总线通信，主、副司钻的一体化座椅各设置有两组GESSMANN多功能操作手柄，被控设备操作采用多功能手柄结合触摸屏的方式，如图所示。由主司钻和副司钻发出操作信号对各子系统发送操作指令或接收数据，PLC控制程序根据司钻操作站发出的操作指令，进行控制计算和逻辑功能判断，进而输出控制信号，可直接操作举升系统、动力大钳、气动卡瓦、动力猫道和抓管机等设备。在触摸屏WinCC界面中设置系统拓扑，用于监视各单元设备PLC控制站与集成司钻之间的网络拓扑结构和当前运行状态，对各设备的重点操作过程点设置变量诊断，直观地监测PLC的输入、输出信号，提高了控制系统对所操作设备的辅助纠错和维护性能。在制定如举升操作高度与液气大钳伸出互锁、气动卡瓦与液压吊卡互锁等措施时，保留了在确认无风险情况下的忽略限制和忽略互锁功能，兼顾了安全性与使用便捷可靠性的要求。

2.3钻柱直驱和海底基盘补偿系统

钻柱补偿采用液气被动式直驱补偿方案。沿井架内侧设置上、下架体带顶驱上下运动，并且也通过内外侧滚轮固定补偿运动方向。双补偿液缸的最大伸出长度为6m，补偿功能开启时液缸处于中位，通过实时搜集固定在井架上的钢绳拉力传压包模拟信号，经转换后将测定的钩载与蓄能器压力值实时比较，自动控制增减压控制柜和主气阀控制柜，使蓄能器压力增加或减小，从而获得一个较为稳定的钻压，同时满足钻井作业过程中出现的补偿变载要求。

结语

全液压海洋地质钻探系统采用整体液压驱动方案，使得整套设备比常规钻机质量轻，优化后的负载敏感闭环控制方案也提高了实际功率利用率，另液压系统的整体集成设计使得空间需求减小，在船体空间有限时优势较明显。与常规钻探系统相比，全液压驱动能实现液压主泵单元驱动多个执行机构并独立调速，使各执行元件不受外部负载变动和其他执行元件的干扰，减少了控制点的散布，提高了整机的功效比，现场使用中除主、副司钻外，只需配备安全指挥一人即可，大大减少了人员配置。采用钻柱和基盘的独自波浪补偿，作业功能得到扩展，在一定海况下可以同时进行钻井和取心作业，保证了取心过程的稳定和取心质量。

参考文献

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[2]阮海龙，陈云龙，赵义海，等．洋超深水地质调查钻探实践［Ｊ］．探矿工程（岩土钻掘工程），２０１８，１９（０１）：３－６．

[3]赵尔信，蔡家品，贾美玲，等．我国海洋钻探技术［Ｊ］．探矿工程（岩土钻掘工程），２０１４（９）：４３－４８．