彭 蕓 夏建新 任華堂

(中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，北京100081)

隨著陸地金屬礦產(chǎn)資源的日益枯竭，海洋固體礦產(chǎn)資源已成為世界各國(guó)矚目的對(duì)象，海底資源的開發(fā)將有效緩解全球資源匱乏的局面。深海底巖芯取樣鉆機(jī)是進(jìn)行海底礦產(chǎn)資源勘探和地質(zhì)調(diào)查等不可缺少的重要裝備，一般裝備于大型海洋科學(xué)考察船上，通過電纜下放至海底，進(jìn)行可視遙控操作鉆孔取芯。由于海底極端高壓、微地形變化以及底質(zhì)不明等特殊條件，對(duì)鉆機(jī)材料及智能化程度要求非常高，必須是一種耐高壓且對(duì)地形適應(yīng)能力強(qiáng)的裝置［1-5］。迄今為止，美國(guó)、日本、英國(guó)、德國(guó)、俄羅斯等國(guó)家先后開發(fā)了多臺(tái)深海底巖芯取樣鉆機(jī)，部分已經(jīng)應(yīng)用于深海鉆孔取芯，但均存在不同程度的技術(shù)問題和曲折的研發(fā)歷程。如美國(guó)佩里斯林拜系統(tǒng)公司(Perry Slingsby System Ltd)先后開發(fā)3 代鉆機(jī)，最新的鉆機(jī)仍然存在取芯率不穩(wěn)定且普遍偏低等問題。目前，我國(guó)正在進(jìn)行深海底中深孔鉆機(jī)的研發(fā)，迫切需要借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，提高技術(shù)指標(biāo)，縮短研發(fā)周期。本文詳細(xì)分析了國(guó)外已有鉆機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)及其應(yīng)用效果，以期為我國(guó)深海鉆機(jī)研發(fā)和改進(jìn)提供參考。

1 深海底巖芯取樣鉆機(jī)研發(fā)歷程

自1987 年起，俄羅斯北方地質(zhì)勘探工程聯(lián)合體開始研制大洋海底中深孔巖芯鉆機(jī)。第1 階段是研制GBU－1.5 型鉆機(jī)，鉆進(jìn)深度1.5 m，第2 階段研發(fā)鉆深30 m 的海底巖芯鉆機(jī)，并于1995 年1 月進(jìn)行了第1 次海上試驗(yàn)。1989 年，按照美國(guó)海底取樣能力的發(fā)展計(jì)劃，由華盛頓大學(xué)委托威廉姆遜公司研制出世界上第1 臺(tái)真正成功的深海底3 m 巖芯鉆機(jī)(未命名)，裝備于托馬斯調(diào)查船(R/V Thompson)上。1996年，美國(guó)威廉姆遜公司為日本金屬礦業(yè)事業(yè)團(tuán)(MMAJ)設(shè)計(jì)制造了1 臺(tái)深海巖芯鉆機(jī)(BMS)，該鉆機(jī)裝備于“白嶺丸2 號(hào)”調(diào)查船上，主要承攬日本國(guó)內(nèi)業(yè)務(wù)。該機(jī)是在華盛頓大學(xué)3 m 鉆機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的，鉆進(jìn)深度提高到30 m。1997 年，澳大利亞Benthic GeoTech Pty 公司聯(lián)合美國(guó)威廉姆遜公司研制了深海鉆機(jī)(PROD)，該機(jī)鉆進(jìn)深度超過100 m，最深可達(dá)125 m，但由于受到纜繩提升能力的限制，作業(yè)水深僅有2 000 m。該鉆機(jī)可租賃，每天費(fèi)用2 萬美元。2004—2005 年，德國(guó)不來梅大學(xué)研制成功鉆深達(dá)75 m 的深海巖芯鉆機(jī)MEBO，該機(jī)作業(yè)水深2 000 m。2005 年，英國(guó)British Geologic Survey(BGS)開發(fā)了5 m 深海巖芯鉆機(jī)BGS RD1 和15 m 鉆機(jī)BGS RD2，作業(yè)水深由BGS RD1 的2 000 m 上升到3 100 m。2006 年3 月BGS RD2 第1 次隨R/V Merian調(diào)查船出海進(jìn)行海上試驗(yàn)。美國(guó)佩里斯林拜系統(tǒng)公司于2007 年開發(fā)了ROV 型鉆機(jī)Rovdrill1;由于存在鉆孔壁塌陷、鉆進(jìn)深度不夠等問題，2008 年又開發(fā)了Rovdrill M50，應(yīng)用效果不佳，并于2010 年開發(fā)出第3代產(chǎn)品Rovdrill3，該機(jī)是第1 臺(tái)真正意義上的商業(yè)海底巖芯鉆機(jī)［6-10］。

2 國(guó)外典型鉆機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)及應(yīng)用效果分析

2.1 華盛頓大學(xué)3 m 深海鉆機(jī)

該鉆機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)可拆卸，可裝入6.1 m 船運(yùn)集裝箱內(nèi)。采用鑲金剛石巖芯鉆頭，巖芯管為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的Longyear BQ 系列管型。鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)、調(diào)平支腿和監(jiān)控?cái)z像頭由液壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在調(diào)平機(jī)器時(shí)，操作者可單獨(dú)控制鉆機(jī)3 個(gè)支腿中的任何1 個(gè)，使鉆機(jī)底盤調(diào)節(jié)15°以補(bǔ)償?shù)匦纹鸱?。鉆頭的鉆壓和轉(zhuǎn)速可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)。鉆壓調(diào)節(jié)范圍0 ～9 kN，拔芯力為31.5 kN，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為0 ～2 000 r/min，可正反轉(zhuǎn)。該機(jī)外形如圖1 所示。

鉆機(jī)配有高度計(jì)和姿態(tài)傳感器，還配有其他傳感器:環(huán)境壓力(水深)，鉆頭扭矩，鉆壓，沖洗水壓力，鉆頭轉(zhuǎn)速，鉆進(jìn)速度和深度，以及供電電壓。鉆機(jī)控制系統(tǒng)配有低速掃描(1 幀/s)監(jiān)控?cái)z像頭，并可實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶Ｃ娲?。測(cè)控?cái)?shù)據(jù)由水下計(jì)算機(jī)處理，并通過通訊線路連接到水面控制計(jì)算機(jī)上，通訊數(shù)據(jù)為全雙向傳輸。另外具有專門傳輸海底剖面儀數(shù)據(jù)的通道，還備有2 個(gè)外加的8 字節(jié)、雙向數(shù)字I/O 接口(RS －232)和8個(gè)12字節(jié)模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器通道，可供擴(kuò)展傳感器和功能控制使用。海面上收到的數(shù)據(jù)以數(shù)字和圖形顯示在監(jiān)視器上，并且存儲(chǔ)在硬盤驅(qū)動(dòng)器上，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。該鉆機(jī)使用美國(guó)調(diào)查船NSF 標(biāo)準(zhǔn)的外徑17.3 mm 鎧裝同軸電纜吊放和作業(yè)。但電纜的自重限制了鉆機(jī)的安全作業(yè)深度。

圖1 3 m 鉆機(jī)Fig.1 3 m drill

2.2 日本金屬礦業(yè)事業(yè)團(tuán)BMS 鉆機(jī)

該鉆機(jī)系統(tǒng)水下部分包括鉆進(jìn)裝置、電源、控制部分及傳感器等。機(jī)架下端裝有3 個(gè)伸縮支腿，以便在斜坡或凸凹不平的海底調(diào)平鉆機(jī)。各支腿采用液壓缸伸縮，可單獨(dú)或協(xié)調(diào)改變行程1 m，通過支腿調(diào)節(jié)，鉆機(jī)能在傾角25°內(nèi)的坡面上穩(wěn)定垂直坐底。支腿下端的接地板能夠活動(dòng)，以適應(yīng)海底微地形。其鉆進(jìn)裝置由動(dòng)力頭、升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)管架、機(jī)械手及鉆桿夾持器等構(gòu)成。鉆具(套管、取芯器、鉆桿)全部裝在旋轉(zhuǎn)管架內(nèi)，由機(jī)械手從旋轉(zhuǎn)管架中取出，放在動(dòng)力頭下，使動(dòng)力頭與鉆具的上端連接。旋轉(zhuǎn)管架共有33 個(gè)容納槽，可容納各種鉆具。鉆具的數(shù)量根據(jù)取芯目標(biāo)決定。取芯20 m 通常需裝15 個(gè)取芯器、9 根3 m 長(zhǎng)鉆桿及6 根1.5 m 長(zhǎng)的套管。多點(diǎn)取芯時(shí)，搭載全部取芯器，能在33 點(diǎn)鉆取20 m 的巖芯樣品。動(dòng)力頭為美國(guó)長(zhǎng)年公司(USA Boart Longyear)制造的LM45 型動(dòng)力頭，最大功率45 kW，鉆進(jìn)孔徑為B 級(jí)規(guī)格(φ60 mm)。水下控制計(jì)算機(jī)裝在不銹鋼耐壓容器內(nèi)，根據(jù)船上控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)進(jìn)行鉆進(jìn)控制，同時(shí)將各傳感器的數(shù)據(jù)傳輸給船上操縱臺(tái)。該機(jī)外形如圖2 所示。

2.3 美國(guó)佩里斯林拜系統(tǒng)公司Rovdrill 鉆機(jī)

Rovdrill 鉆機(jī)外形特征及基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 日本BMS 鉆機(jī)Fig.2 BMS drill of Japan

圖3 Rovdrill 鉆機(jī)外形特征及基本結(jié)構(gòu)［9］Fig.3 The shape features and basic structures of Rovdrill［9］

(1)Rovdrill 1。Rovdrill 1 由海底部分和水面控制部分組成，海底部分由常規(guī)金剛石巖芯鉆機(jī)本體、ROV 本體、機(jī)架3 大部分組成，并由重型工作級(jí)ROV提供液壓動(dòng)力、通訊與控制。鉆機(jī)本體由旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)盤式管架、接卸桿機(jī)械手與卸扣卡盤、鉆具、供水系統(tǒng)等部分構(gòu)成。水面控制部分主要包括機(jī)柜、觸摸屏顯示器、計(jì)算機(jī)和具有2 個(gè)鉆進(jìn)操作手柄的斜面操縱臺(tái)。海面指令及海底數(shù)據(jù)傳輸通過ROV 臍帶纜中備用光纖或雙絞線實(shí)現(xiàn)。用戶圖形界面在Windows XP 操作系統(tǒng)下運(yùn)行，有若干頁面，能有效控制鉆進(jìn)過程。包括下水前常規(guī)檢查和監(jiān)視，鉆機(jī)著底調(diào)平程序與診斷，鉆機(jī)參數(shù)設(shè)定與監(jiān)測(cè)，鉆具接卸程序和鉆進(jìn)記錄。

Rovdrill 1 主要特點(diǎn)是鉆進(jìn)和取芯工具可隨最小礦化帶變化運(yùn)輸和布放標(biāo)準(zhǔn)，改變提供適當(dāng)?shù)妮S承潤(rùn)滑和消除潛在的氣泡。另外，巖芯管用高等級(jí)的不銹鋼，使腐蝕和巖芯污染最低。鉆具包括:10 根2 m 長(zhǎng)的巖芯管，金剛石鉆頭，每根可提供1.75 m 長(zhǎng)的51.8 mm 的巖芯，總?cè)⌒鹃L(zhǎng)度12 m;8 根2 m 長(zhǎng)的外徑69.8 mm 的標(biāo)準(zhǔn)輕鉆桿，具有ROV275 螺紋。

(2)Rovdrill M50。Rovdrill M50 整體構(gòu)架與Rovdrill 1 相似，采用傳統(tǒng)金剛石鉆機(jī)技術(shù)，由重作業(yè)型ROV 攜帶下放海底，并提供動(dòng)力源和控制。設(shè)計(jì)中考慮了基本系統(tǒng)能接受未來升級(jí)，變換鉆具如推壓和活塞取樣器、反循環(huán)鉆進(jìn)(RCD)、孔底傳感器和繩索性能，得到附加鉆具作業(yè)能力。最終將攜帶海底土壤到實(shí)驗(yàn)室，土壤樣品可以原位穩(wěn)定和按環(huán)境壓力分級(jí)。Rovdrill M50 采用陸地繩索取芯技術(shù)，使最大取心深度達(dá)到55 m 并且將沉積物取樣管和圓錐貫入器作為標(biāo)準(zhǔn)配置，但ROV 臍帶纜提升能力限制了作業(yè)水深，只能達(dá)到2 200 m。

(3)Rovdrill 3。Rovdrill 3 工作基本支持設(shè)備為支持母船，ROV 及其與鉆機(jī)本體對(duì)接插接件。支持母船最低6 級(jí)海況工作，包括甲板安裝的海洋起重機(jī)或A 型架，釣鉤以下高度10 m，安全工作載荷60 t，快速下放鋼纜絞車(最后有升沉補(bǔ)償)，甲板空間46.5 m2;工作級(jí)ROV，功率為110.3 kW，輔助泵為鉆機(jī)提供流量68 L/min、壓力20.7 MPa 液壓動(dòng)力，并提供5 A、120 V 單相電源，經(jīng)ROV 臍帶纜中單模光纖或雙絞線的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng);ROV 與鉆機(jī)本體插接件包括插入籃，液壓和電子熱插拔件，對(duì)接鎖銷和電子/液壓接口件。該鉆機(jī)提供獨(dú)立的可換底座，對(duì)于軟到中硬底土/巖石配備抽吸沉箱/裙形泥漿罩，硬巖時(shí)換用自動(dòng)調(diào)平4 支腿，坡度可達(dá)35°。

Rovdrill 3 采用海底地形掃描系統(tǒng)對(duì)坐底區(qū)域進(jìn)行三維成圖，確保鉆機(jī)安全穩(wěn)定坐底，并且至少在50%以上的勘探區(qū)域能夠做到這一點(diǎn)。利用繩索取芯方式，由于外鉆桿的存在，顯著減少了塌孔的風(fēng)險(xiǎn)，確保了鉆進(jìn)成功。確保處在表層松散物質(zhì)上的孔口穩(wěn)定，不會(huì)坍塌，這是成功鉆進(jìn)到下層堅(jiān)實(shí)礦物區(qū)的基礎(chǔ)。

國(guó)外典型鉆機(jī)參數(shù)對(duì)比如表1 所示。

2.4 國(guó)外典型鉆機(jī)實(shí)際應(yīng)用效果分析

(1)Rovdrill 鉆機(jī)實(shí)際應(yīng)用效果。為了解巴布亞新幾內(nèi)亞Solwara 礦區(qū)深海底礦產(chǎn)資源的性質(zhì)及儲(chǔ)存范圍，Nautilus 公司于2007—2011 年間進(jìn)行了3 次鉆探，其鉆探情況如表2 所示。

Nautilus 公司2007 年使用Rovdrill 1 在Solwara1礦床勘探中共鉆進(jìn)111 個(gè)巖芯孔，平均深度9.5m，最深18 m，取芯率達(dá)到70%。Rovdrill 1 鉆機(jī)取芯質(zhì)量較高，取芯率集中分布在50% ～80%，占總鉆孔數(shù)的61.26%，取芯率超過80%的占28.83%。鉆進(jìn)深度大于10 m 的占50.56%。在所有鉆孔中，其鉆進(jìn)長(zhǎng)度均能達(dá)到取芯管總長(zhǎng)度，說明鉆進(jìn)動(dòng)力已經(jīng)能達(dá)到預(yù)計(jì)目標(biāo)，僅僅是取芯長(zhǎng)度影響了取芯率。但是部分巖芯破碎程度較高，可能是巖石高孔隙率導(dǎo)致巖芯在鉆取后丟失;此外，大量鉆孔提前終止，經(jīng)常打不到目標(biāo)深度。其原因是鉆孔容易發(fā)生孔塌而影響再次鉆取，從而導(dǎo)致了巖芯的損失。陡坡和支腿可靠性也嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

表1 國(guó)外典型鉆機(jī)參數(shù)對(duì)比［6-10］Table 1 The parameters of foreign typical drills［6-10］

表2 Nautilus 公司在Solwara 礦區(qū)鉆探情況Table 2 The drilling condition of Nautilus in Solwara

Nautilus 公司2008 年使用Rovdrill M50 在Solwara 礦床勘探中鉆進(jìn)31 個(gè)巖芯孔，取芯總長(zhǎng)度176.4 m，Rovdrill M50 綜合取芯率僅有37%，但64%的鉆孔均位于硫化物主礦區(qū)。

Nautilus 公司2010—2011 年使用Rovdrill 3 在Solwara 礦區(qū)共鉆進(jìn)99 個(gè)鉆孔，此次鉆探主要致力于鉆孔的深度，因?yàn)?007 年的鉆孔大多數(shù)終止于富含礦產(chǎn)資源的地方。但其綜合取芯率僅有47%，明顯低于期望值(期望值:主礦層59%，上下邊緣分別為52%和64%)。在Solwaral1 區(qū)西邊16 個(gè)孔整體取芯率僅有27%。在編號(hào)為SD183 的鉆孔獲得最高的取芯率，達(dá)91%，鉆深達(dá)35.85 m。在中心區(qū)域，僅有7孔取芯率超過75%。在Solwara12 區(qū)整體取芯率為51%(28 孔鉆深328.6 m，獲得巖芯160.5 m )，SD_S12_025 的鉆孔獲得最高的取芯率，達(dá)89%，鉆深達(dá)7.46 m，28 孔中僅有3 孔取芯率超過75%。Rovdrill 3 在Solwara 礦區(qū)鉆探綜合取芯率明顯低于目標(biāo)值，其原因包括地形條件、操作缺少經(jīng)驗(yàn)以及過早放棄鉆孔等。

(2)其他典型鉆機(jī)實(shí)際應(yīng)用效果。華盛頓大學(xué)3 m 深海鉆機(jī)1989 年8 月25 日利用該鉆機(jī)從Fuca 海脊的胡安側(cè)翼2 400 m 海底鉆取609.6 mm 的玄武巖巖芯。此后5 a 中，研發(fā)小組又成功鉆取2 個(gè)以上的巖芯;日本金屬礦業(yè)事業(yè)團(tuán)BMS 鉆機(jī)經(jīng)過多次改進(jìn)，于1999 年12 月8—27 日在伊豆—小笠原群島父島以西24 km 的海底火山(水深1 310 ～13 90 m)用20 d 時(shí)間鉆出5 個(gè)10 m 深的巖芯孔，其中3 個(gè)孔樣品分析后發(fā)現(xiàn)有黃鐵礦、黃銅礦和閃鋅礦特征。

3 關(guān)鍵技術(shù)問題及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)問題

(1)對(duì)海底微地形的適應(yīng)能力問題。針對(duì)海底相當(dāng)復(fù)雜的微地形，上述國(guó)外典型深海鉆機(jī)均為其設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)支腿，3 個(gè)支腿最大可調(diào)節(jié)坡度是25°，而Rovdrill 3 采用獨(dú)立的可換底座，硬巖可自動(dòng)調(diào)平4支腿，坡度可達(dá)35°，且采用海底地形掃描系統(tǒng)對(duì)坐底區(qū)域進(jìn)行微地形測(cè)量，確保鉆機(jī)安全穩(wěn)定坐底。該鉆機(jī)可以在50%以上的勘探區(qū)域?qū)崿F(xiàn)安全坐底。

(2)鉆進(jìn)深度問題。鉆進(jìn)深度主要受鉆機(jī)功率和鉆具的影響，Rovdrill 3 功率達(dá)到110 kW，鉆機(jī)深度90 m(最深200 m)，是深海鉆機(jī)前所未有的突破，但同時(shí)外形尺寸及質(zhì)量都明顯比其他鉆機(jī)大。鉆機(jī)尺寸及質(zhì)量過大，會(huì)增加纜繩的工作載荷，從而限制作業(yè)深度。

(3)優(yōu)化取芯方法。目前，深海鉆機(jī)按鉆進(jìn)工藝可分為2 類:繩索取芯和換管取芯。繩索取芯與普通取芯相比，具有可控制鉆孔偏斜度、提高鉆進(jìn)效率、降低工程成本、提高巖芯采取率、減少孔內(nèi)事故等優(yōu)點(diǎn);尤其在鉆穿復(fù)雜地層方面，有著其他取芯技術(shù)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。換管取芯工藝簡(jiǎn)單，但大深度鉆進(jìn)時(shí)，輔助時(shí)間過長(zhǎng)。Rovdrill 3 利用繩索取芯方式，由于外鉆桿的存在，顯著減少了孔塌的風(fēng)險(xiǎn)，確保了鉆進(jìn)成功。確保處在表層松散物質(zhì)上的孔口穩(wěn)定，不會(huì)坍塌。

(4)取芯率問題。巖芯完整性對(duì)礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)具有重要的影響，因此，取芯率是評(píng)價(jià)鉆機(jī)性能的重要指標(biāo)。影響取芯率主要因素有海底地質(zhì)條件、取芯管直徑、鉆機(jī)工作特性以及采樣方式等。在Rovdrill 1 鉆進(jìn)過程中，孔口不穩(wěn)定，易坍塌，而Rovdrill 3 雖然優(yōu)化了鉆具以及鉆進(jìn)方法，但取芯率不穩(wěn)定且普遍偏低，因此，如何提高取芯率是海底取芯鉆機(jī)面臨最主要的挑戰(zhàn)。

3.2 國(guó)際上深海底巖芯鉆機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

(1)向更深的方向發(fā)展，鉆進(jìn)深度達(dá)到50 ～100 m。

(2)產(chǎn)品系列化。從鉆深不到1 m 的“輕型”鉆機(jī)，到鉆深3 ～5 m 的“小型”鉆機(jī)，再到鉆深50 ～100 m 的“大型”鉆機(jī)，形成系列產(chǎn)品，滿足不同勘探目標(biāo)的需求。

(3)對(duì)海底底質(zhì)適應(yīng)范圍更廣泛，在沉積物、軟巖和硬巖上均能鉆探取芯。

(4)采用新型深海海底傳感器、光纖動(dòng)力復(fù)合臍帶纜供電和通訊、聲控自動(dòng)逃生系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，提升鉆機(jī)的實(shí)用性和安全可靠性等。

4 結(jié) 語

深海巖芯取樣鉆機(jī)是進(jìn)行深海底礦產(chǎn)資源勘探、深海底地質(zhì)調(diào)查等不可缺少的重大技術(shù)裝備。由于海底極端高壓、微地形變化以及底質(zhì)不明等特殊條件，對(duì)鉆機(jī)材料及智能化程度要求非常高。深海鉆機(jī)雖經(jīng)歷了曲折的研發(fā)歷程，但美國(guó)、日本、俄羅斯等國(guó)家已經(jīng)先后成功應(yīng)用于深海底巖芯取樣。美國(guó)佩里斯林拜系統(tǒng)公司研發(fā)的Rovdrill 3 成為第1 臺(tái)真正意義上的商業(yè)海底巖芯鉆機(jī)，但仍然存在取芯率不穩(wěn)定且普遍偏低等問題。

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