萬步炎，金永平，黃筱軍

(湖南科技大學海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與技術(shù)湖南省工程實驗室，湖南 湘潭 411201)

海底20m巖芯取樣鉆機的研制

萬步炎，金永平，黃筱軍

(湖南科技大學海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與技術(shù)湖南省工程實驗室，湖南 湘潭 411201)

海底巖芯取樣鉆機是開展海洋地質(zhì)及環(huán)境科學研究、進行海洋礦產(chǎn)資源勘探和海底工程地質(zhì)勘察所必備的關(guān)鍵技術(shù)裝備。以我國首臺海底20 m巖芯取樣鉆機為對象，從穩(wěn)定支撐與調(diào)平技術(shù)、鉆桿鉆具接卸存儲技術(shù)、遙測遙控與光纖纜高速數(shù)據(jù)通信技術(shù)以及海底鉆機的事故安全逃生等方面系統(tǒng)地介紹了鉆機的技術(shù)特點和海上試驗等情況。

深海礦產(chǎn)資源；20 m孔深；巖芯取樣鉆機；技術(shù)特點

0 引 言

2010年之前，國內(nèi)研制成功并已投入使用的海底巖芯取樣鉆機均屬“海底淺孔巖芯取樣鉆機”，其鉆孔深度不超過2 m。該類型的鉆機只能獲取海底地表淺層的巖芯樣品，僅可滿足大洋富鈷結(jié)殼礦藏調(diào)查的需要[1-2]。事實上，我國自2005年起即已開始海底熱液硫化物調(diào)查，但由于沒有海底中深孔或深孔巖芯取樣鉆機，因此無法對已找到的十多處熱液硫化物礦進行詳細勘探，僅可利用電視抓斗等取樣工具抓取礦體表層樣品。鑒于我國對海底中深孔或深孔巖芯取樣鉆機的迫切需求，2008年初，國家863計劃海洋技術(shù)領(lǐng)域啟動了“深海底中深孔巖芯取樣鉆機的研制”項目，擬自主研制鉆深能力達到20 m的海底中深孔巖芯取樣鉆機系統(tǒng)。

本文較全面地介紹了海底20 m巖芯取樣鉆機的研制，包括其技術(shù)特點、工作模式及海上試驗情況。

1 海底20 m巖芯取樣鉆機的技術(shù)特點

海底20 m巖芯取樣鉆機系統(tǒng)從空間位置可分為兩個部分[3]：位于海底的鉆機本體和固定安裝在母船甲板上的操控與供電子系統(tǒng)。鎧裝光纖動力復(fù)合電纜將海底鉆機本體和甲板操控與供電子系統(tǒng)兩個部分連接起來，并被視為甲板操控與供電子系統(tǒng)的一個部件。

與我國自主研制的海底淺地層巖芯取樣鉆機比較，海底20 m巖芯取樣鉆機不僅在鉆深能力上提高了10倍以上，而且在穩(wěn)定支持與調(diào)平技術(shù)、鉆桿鉆具接卸存儲技術(shù)、遙測遙控與光纖纜高速通信技術(shù)以及事故安全逃生等方面都表現(xiàn)出了鮮明的技術(shù)特點和創(chuàng)新點。下面分別予以介紹。

1.1 穩(wěn)定支撐與調(diào)平技術(shù)

海底20 m巖芯取樣鉆機調(diào)平支腿設(shè)計采用了液壓馬達驅(qū)動絲桿螺母機構(gòu)向外伸展的形式，這就使得整個支撐范圍變得更廣，進一步提高了鉆機的穩(wěn)定性。同時，液壓馬達驅(qū)動絲桿螺母機構(gòu)具有能自鎖、調(diào)節(jié)速度快、占用高度小、重量輕等諸多優(yōu)點。該調(diào)平支腿可在15°范圍內(nèi)將鉆機調(diào)平[4]。

在利用調(diào)平支腿對鉆機進行調(diào)平的過程中，其“腳掌”在地面上會有水平滑移。為了使調(diào)平過程能夠順利進行，這種水平滑移阻力不能太大，否則將卡死支腿或損壞支腿驅(qū)動機構(gòu)。但是，為了保證鉆探作業(yè)中鉆機的穩(wěn)定支撐，又要求調(diào)平之后的“腳掌”不能再有任何的水平滑移。由于簡單的固定式“腳掌”的水平滑移阻力是不可調(diào)節(jié)的，因此需要通過仔細設(shè)計“腳掌”面積和接地比壓來在可以滑移和滑移阻力最大之間求得妥協(xié)兼顧。本鉆機為了解決這一問題，創(chuàng)造性地設(shè)計了帶液壓剎車的滾輪式“腳掌”。在鉆機調(diào)平過程中先利用液壓力松開滾輪的剎車，讓“腳掌”在地面上以較小的阻力滑移；當調(diào)平過程結(jié)束后，先液壓剎死滾輪，再開始鉆探作業(yè)。在滾輪表面設(shè)計了縱橫兩個方向排列的防滑齒，該防滑齒可嵌入海底表面風化的巖層并產(chǎn)生較大的靜摩擦力，從而保證鉆機在鉆探作業(yè)過程中可以穩(wěn)定支撐鉆機，防止發(fā)生側(cè)向滑移。鉆探作業(yè)結(jié)束需要收回支腿時，先液壓松開滾輪剎車，然后再將支腿收回。

1.2 鉆桿鉆具接卸存儲技術(shù)

海底20 m巖芯取樣鉆機的一個顯著特點是它需要在海底全自動遙控接卸鉆桿鉆具。對于海底鉆機而言，當鉆機的鉆深能力大于5 m時，就不大可能用一根鉆桿鉆到底(當鉆桿過長時，要求鉆機的高度也很高，這就使得鉆機在下放、回收以及穩(wěn)定支撐、調(diào)平等方面變得非常困難)，此時需要采取分段取芯技術(shù)，即從儲管架上取出鉆桿一根根連接下去，提鉆時再一根根卸開鉆桿并放回儲管架。

海底20 m巖芯取樣鉆機采用兩個單排轉(zhuǎn)盤式儲管架，分別存放鉆桿和巖芯管組件。每個儲管架各附帶一個機械手(稱為移管機械手)，分別用于鉆桿和巖芯管在孔口和儲管架位之間的移送和定位。兩個轉(zhuǎn)盤式儲管架結(jié)構(gòu)基本相同，均采用油缸驅(qū)動帶離合器控制的正反雙向擺角轉(zhuǎn)動、油缸驅(qū)動錐形插銷精確定位機構(gòu)；每個儲管架附有兩只立軸同步擺動式雙機械手，用于雙向抓取及移送鉆桿或巖芯管。桅桿架滑軌下部安裝有串聯(lián)的雙夾持器，分別用于夾持套管和鉆桿鉆具，并與機械手配合擰卸鉆桿鉆具下部絲扣。鉆桿鉆具上部絲扣則通過與鉆進動力頭集成于一體的螺紋強力卸扣機構(gòu)與機械手配合進行擰卸。鉆機本體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 海底20 m巖芯取樣鉆機本體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural model of 20 m seafloor core sampling drill

1.3 遙測遙控及光纖纜高速數(shù)據(jù)通信技術(shù)

海底20 m巖芯取樣鉆機在海底工作時與母船上操作人員的距離達數(shù)千米，鉆機的全部工作參數(shù)及狀態(tài)信息，包括多個海底攝像頭彩色視頻信號、鉆進系統(tǒng)參數(shù)、液壓系統(tǒng)參數(shù)、供電系統(tǒng)參數(shù)、鉆機的姿態(tài)以及離底高度等，全部依靠傳感器系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)機載計算機處理后通過光纖動力復(fù)合電纜向甲板操作計算機實時高速傳遞。同時，操作人員對鉆機下達的操作指令也需通過光纖動力復(fù)合電纜向機載計算機傳輸。由于海底20 m巖芯取樣鉆機的各種傳感器、監(jiān)控攝像頭數(shù)量多，且精度和實時性要求高，使得深海長距離光纖通信技術(shù)、高效的視頻壓縮編解碼技術(shù)、機載機械控制系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)低功耗等技術(shù)顯得越發(fā)重要。

鎧裝光纖動力復(fù)合纜內(nèi)包含4根單模光纖，兩端通過光纖視頻通信模塊將光信號轉(zhuǎn)成電信號，然后分別連接到機載控制系統(tǒng)和甲板操作控制系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，光纜通信方案中采用了“雙纖備份”的策略，即視頻光端機之間用2根單模光纖通信，當一根光纖發(fā)生故障時，依靠另外一根光纖也能保證完成通信和控制任務(wù)。機載控制計算機系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

光纖視頻通信模塊采用專用集成電路(ASIC)設(shè)計技術(shù)、高速數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)以及全數(shù)字、非壓縮、無損傷傳輸?shù)雀咝录夹g(shù)，可將4路正向視頻、4路RS-232數(shù)據(jù)等信號采用粗波分復(fù)用(CWDM)技術(shù)通過單模單芯光纖進行遠距離、高質(zhì)量的無損傳輸。由于采用數(shù)字技術(shù)，避免了模擬調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅的交調(diào)失真干擾以及圖像與音頻信號的相互串擾，克服了以往的通信技術(shù)常見的穩(wěn)定性差、環(huán)境因素影響大等缺點。光纖視頻通信模塊能夠支持各種高分辨率基帶視頻信號，自動兼容PAL、NTSC、SECAM等各種視頻圖像制式，視頻接口采用標準的75 Ω BNC接口。光纖視頻通信模塊為單模單纖接口，傳輸距離可達30 km；光接口為FC口。同時，提供豐富的設(shè)備信號狀態(tài)顯示功能，如電源、光纖鏈路、視頻信號、數(shù)據(jù)等指示功能。

圖2 機載控制計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structural model of onboard computer control system

1.4 海底鉆機的事故安全逃生

需要采取安全逃生措施的主要事故是鉆機在鉆探作業(yè)過程中可能發(fā)生的卡鉆事故。當發(fā)生卡鉆事故時，鉆機和母船將被錨固于鉆探點，難以脫離。另外，鉆探過程中如果突發(fā)供電、通信、控制或液壓系統(tǒng)等故障，且短期內(nèi)故障不能排除，則鉆機將無法收回已經(jīng)深入孔內(nèi)很長的鉆桿串，這也將導(dǎo)致鉆機整機難以回收上船。這時，必須有可靠的技術(shù)途徑使得孔內(nèi)鉆桿串能與地面鉆機相脫離，以確保鉆機的安全回收；或者在萬不得已的情況下，將臍帶纜末端與鉆機脫離，確保臍帶纜能安全回收。

海底20 m巖芯取樣鉆機配備有4種事故安全逃生技術(shù)，分別如下所述。(1) 如果僅發(fā)生卡鉆事故，而鉆機還可正常操作，則首先采取強力起拔措施，即利用鉆機給進油缸的強大起拔力向上拔取鉆桿。如果鉆桿串被卡得不是很嚴重，這時鉆桿串就有可能被拔出。(2) 如果強力起拔不能奏效，再進行卸扣操作，將孔內(nèi)鉆桿串卸扣脫開并拋棄，將鉆機回收。(3) 如果鉆進過程中發(fā)生了停電、通信中斷等故障，使得鉆機無法操作，且短期內(nèi)不能解決，則應(yīng)采取鉆桿應(yīng)急拋棄措施。鉆桿應(yīng)急拋棄措施包含兩種：一種是液壓油泵和控制系統(tǒng)仍能正常工作的情況(僅通信中斷)，可由控制系統(tǒng)在給定的時間之后自動啟動鉆桿液壓拋棄功能；第二種是液壓油泵停止工作但控制系統(tǒng)工作正常的情況，可由控制系統(tǒng)在給定的時間之后自動啟動鉆桿水壓拋棄功能。(4) 如果發(fā)生嚴重卡鉆，且強力起拔、卸扣、液壓及水壓拋棄鉆桿措施都不起作用的情況，則考慮采用聲學棄鉆措施，丟棄鉆機，回收臍帶纜。

2 海底20 m巖芯取樣鉆機的工作模式

海底20 m巖芯取樣鉆機系統(tǒng)的工作模式如圖3所示。

圖3 海底20 m巖芯取樣鉆機工作模式示意圖Fig.3 Operation schematic diagram of 20 m seafloor core sampling drill

海底20 m巖芯取樣鉆機系統(tǒng)常規(guī)工作流程簡述如下。母船到達指定的海上鉆探點之后，先開啟動力定位(DP)系統(tǒng)將母船定位。利用纜和絞車系統(tǒng)將海底20 m巖芯取樣鉆機吊放入海；在鉆機接近海底時，啟動機載離底高度計監(jiān)測離底高度，同時操作絞車使鉆機保持一定的離底高度，利用機載尋址攝像頭傳回的海底視頻、圖像進行實時觀察，同時利用船舶DP系統(tǒng)對船位進行微調(diào)，以尋找合適的著底點(應(yīng)位于鉆探靶區(qū)內(nèi)，海底地形、坡度等滿足鉆機著底要求)。之后將鉆機下放著底，然后再多放出數(shù)十米臍帶纜，使纜在浮力材料的牽拉作用下在海底附近形成S形懸鏈狀空間形態(tài)(見圖3，可基本消除纜對鉆機可能產(chǎn)生的拖曳力)。啟動鉆機液壓動力系統(tǒng)，放下鉆機支腿使鉆機在海底穩(wěn)定支撐；如果因海底地形不平鉆機處于傾斜狀態(tài)，或要求鉆桿以垂直角度鉆入巖體，則利用可液壓驅(qū)動伸縮的支腿將鉆機調(diào)平。操作鉆機開始鉆探取芯作業(yè)，利用機載傳感器與視像監(jiān)控系統(tǒng)反饋的信息掌握和調(diào)整鉆機的工作狀態(tài)及工作參數(shù)。鉆到預(yù)定的孔深后，結(jié)束鉆探作業(yè)，收回鉆機支腿，停止機載液壓動力系統(tǒng)；利用纜和絞車系統(tǒng)將鉆機回收至船上；卸下鉆機上裝滿巖芯的巖芯管，取出鉆得的巖芯。至此，一個作業(yè)回次即告結(jié)束，母船開赴下一個鉆探點。

3 海上實鉆取芯試驗

海底20 m巖芯取樣鉆機的樣機搭載于我國“大洋一號”海洋科學考察船上，于2010年9月28日啟航奔赴我國南海海域，實施樣機的海上實鉆取芯試驗，如圖4所示。

試驗海區(qū)位于東沙附近。取樣站號為22ST1-DD2，其具體地理位置為東經(jīng)119.228 51°，北緯21.139 57°。

試驗區(qū)域的海底地形特征是：小海山頂部側(cè)翼轉(zhuǎn)折端，底質(zhì)為覆蓋結(jié)核的沉積物。

海上試驗步驟如下：

(1) 利用船艉折臂吊將鉆機移至A型架下方。

(2) 連接光纖動力復(fù)合纜至鉆機，連接光纖及高壓接插件，裝載鉆桿鉆具，調(diào)整補償器，設(shè)置水壓拋棄裝置。

(3) 強電系統(tǒng)全程絕緣性能檢查確認。

(4) 甲板通電試驗。上電后檢查各項參數(shù)，包括甲板電壓、電流、水下電壓等。檢查4臺攝像頭圖像是否清晰正常。之后啟動液壓系統(tǒng)電機，檢查系統(tǒng)電壓、電流是否正常。

(5) 鉆機吊放下水。

(6) 鉆機下水100 m，下放過程暫停，進行絕緣性能檢測。

(7) 鉆機下水500 m，下放過程暫停，進行絕緣性能檢測；啟動液壓系統(tǒng)1 min，確認液壓系統(tǒng)正常后關(guān)閉液壓系統(tǒng)。

(8) 離底100 m，開啟高度計，監(jiān)測離底高度。

(9) 離底高度3～10 m，鉆機尋址移位；在合適的地點著底。當X、Y傾角大于等于15°時提起鉆機再尋址。確認地點合適后下放鉆機著底，并繼續(xù)放纜20～30 m。

(10) 電機和液壓系統(tǒng)啟動。

(11) 鉆機調(diào)平。

(12) 按擬定的操作規(guī)程進行鉆進操作。

(13) 達到規(guī)定的鉆進孔深，結(jié)束鉆進，收支腿，關(guān)閉電機和液壓系統(tǒng)。

(14) 按擬定的下放回收方案將鉆機回收至母船甲板。

(15) 卸鉆取樣。

(16) 對鉆機進行檢查和維護。

本次海試結(jié)果表明，系統(tǒng)樣機在海試過程中性能穩(wěn)定，鉆機調(diào)平、鉆進取芯、視像觀測、遙測遙控、高壓供電、鉆桿接卸、數(shù)據(jù)傳輸與通信等正常，操作界面友好；實現(xiàn)了海試目標，達到了鉆機全部設(shè)計指標。

4 結(jié) 語

我國首臺完全自主研制的海底20 m巖芯取樣鉆機海試成功，有效解決了我國大洋資源勘探急需的重大裝備問題，使我國在這一領(lǐng)域與發(fā)達國家的差距大大縮小，有力地推動了我國海洋技術(shù)的發(fā)展，同時，為我國今后研制更大鉆進深度的海底深孔鉆機奠定了基礎(chǔ)。這對于我國加速海洋科學研究和資源開發(fā)、建設(shè)海洋強國具有重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。

[1] 萬步炎, 黃筱軍. 深海淺地層巖芯取樣鉆機的研制[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2006(S1): 49.

[2] Wan Buyan, Zhang Guang, Huang Xiaojun. Research and development of seafloor shallow-hole multi-coring drill[C]. Proceedings of the Twentieth International Offshore and Polar Engineering Conference, 2010: 588.

[3] 萬步炎, 黃筱軍. 一種海底深孔取芯鉆機：中國，ZL200920064586.2[P]. 2010-05-12.

[4] 萬步炎, 黃筱軍. 海底自動接桿鉆機用旋轉(zhuǎn)式鉆桿存儲機構(gòu)：中國，ZL200920064592.8[P]. 2010-02-03.

Developmentof20mSeafloorCoreSamplingDrill

WAN Bu-yan, JIN Yong-ping, HUANG Xiao-jun

(HunanProvinceEngineeringLaboratoryofMarineMineralResourcesExplorationEquipmentandTechnology,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan,Hunan411201,China)

Seafloor core sampling drill is necessary equipment for marine geologic and environmental investigation. A 20 m seafloor core sampling drill is chosen as the study object. Its technical features and at-sea operation are described from the aspects of supporting and leveling mechanism technology, drill string making and breaking, drill rods storage technology, telemetry/telecontrol and high-speed data communication technology, as well as escape technology.

deep seabed mineral resources; 20 m hole depth; core sampling drill; technical features

P742

A

2095-7297(2015)01-0001-05

2015-01-07

國家863計劃(2012AA091301)

萬步炎(1964—)，男，博士，研究員級高級工程師，博士研究生導(dǎo)師，主要從事海洋資源開發(fā)技術(shù)與裝備的研究與開發(fā)。