丁加宏，周　永，錢植芳，石友齊

（江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，江蘇淮安223005）

·石油與鉆掘工程·

海上工程鉆探的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

丁加宏*，周永，錢植芳，石友齊

（江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，江蘇淮安223005）

海上風(fēng)、浪、潮、流等諸多因素綜合影響，使海上工程地質(zhì)鉆探環(huán)境復(fù)雜多變，不同海域的鉆探作業(yè)環(huán)境相差很大，復(fù)雜海況使海上工程鉆探面臨較多技術(shù)難題，旨在通過(guò)幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的探討，為海上工程鉆探的施工提供技術(shù)支撐。

波浪補(bǔ)償；鉆探平臺(tái)；鉆探設(shè)備

海上工程鉆探是查明作業(yè)海區(qū)海底地層類型、分布特征及其工程地質(zhì)特性，分析、評(píng)價(jià)鉆探基礎(chǔ)的承載力，查明影響地基穩(wěn)定性的不良工程地質(zhì)現(xiàn)象及影響海底設(shè)施安全的災(zāi)害性地質(zhì)因素。海上工程地質(zhì)鉆探技術(shù)是海上建筑物、海上結(jié)構(gòu)物、海上采礦工作的重要基礎(chǔ)，一直是多行業(yè)重視的內(nèi)容，研究最多的是海洋科研機(jī)構(gòu)與海上石油鉆探領(lǐng)域。

1　波浪補(bǔ)償技術(shù)

在離岸遠(yuǎn)、水深、水面寬闊海域，風(fēng)大、涌浪大、流速快。據(jù)海洋觀測(cè)資料，海上的風(fēng)力比岸上一般要高1-2級(jí)。風(fēng)助潮涌，波、涌浪的波長(zhǎng)、波高也隨離岸距離與水深在增大，海上波浪補(bǔ)償技術(shù)是海上鉆探工作的關(guān)鍵技術(shù)，是深水鉆探技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容。

波浪補(bǔ)償主要是升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，在海上使用浮式平臺(tái)鉆探時(shí)，平臺(tái)易隨波浪的運(yùn)動(dòng)而升沉，影響鉆頭與孔底的連續(xù)接觸。

船舶波浪補(bǔ)償技術(shù)原來(lái)是用于海洋船舶間吊裝貨物的補(bǔ)償裝置，船舶在深水區(qū)域吊裝時(shí)可采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施，減弱或消除波浪因素對(duì)貨物下降與船舶升沉的碰撞影響?，F(xiàn)在已運(yùn)用到海洋鉆探鉆柱運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、套管張緊補(bǔ)償、鋪管補(bǔ)償和海洋采礦補(bǔ)償?shù)取?/p>

海上船舶波浪補(bǔ)償系統(tǒng)有多種分類，按動(dòng)力供應(yīng)分主動(dòng)型、被動(dòng)型和半主動(dòng)型。按補(bǔ)償策略又可分為位移補(bǔ)償型、速度補(bǔ)償型和力補(bǔ)償型。位移補(bǔ)償型采用位移型升沉補(bǔ)償策略，是以負(fù)載的升沉位移作為主要控制信號(hào)，補(bǔ)償?shù)氖滓繕?biāo)是補(bǔ)償對(duì)象的升沉位移為零。在升沉補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中，當(dāng)負(fù)載受到一個(gè)較大的升沉位移擾動(dòng)而偏離平衡位置時(shí)，負(fù)載以盡可能快的速度回到平衡位置；速度補(bǔ)償型采用速度型升沉補(bǔ)償策略，是以負(fù)載的升沉速度作為升沉補(bǔ)償?shù)闹饕刂菩盘?hào)，補(bǔ)償?shù)氖滓康氖茄a(bǔ)償對(duì)象的升沉速度為零，其次才是升沉位移為零；力補(bǔ)償型波浪補(bǔ)償系統(tǒng)采用力補(bǔ)償型升沉補(bǔ)償策略，是以升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的輸出力（或壓力）作為升沉補(bǔ)償?shù)闹饕刂菩盘?hào)。主要補(bǔ)償目標(biāo)是要求升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的輸出力（或壓力）能保持相對(duì)恒定不變而不受平臺(tái)船升沉運(yùn)動(dòng)的影響。

按海上鉆探過(guò)程中的用途可分為鉆柱波浪補(bǔ)償系統(tǒng)、導(dǎo)向繩張緊補(bǔ)償系統(tǒng)、套管張緊補(bǔ)償系統(tǒng)、重物起吊補(bǔ)償系統(tǒng)等。

目前用于海洋鉆探方面的鉆桿柱補(bǔ)償，按安裝位置和結(jié)構(gòu)分為伸縮鉆桿升沉補(bǔ)償、游動(dòng)滑車升沉補(bǔ)償、天車升沉補(bǔ)償、快繩（死繩）升沉補(bǔ)償和絞車升沉補(bǔ)償?shù)?種型式。

2　鉆探平臺(tái)的錨泊定位

通常用于海上鉆探的平臺(tái)分為自升式平臺(tái)和浮式平臺(tái)。浮式平臺(tái)按其泊位形式又分錨泊定位與動(dòng)力定位。

海上鉆探船舶平臺(tái)通常受到3個(gè)力的作用，即船體水線以上部分所受的風(fēng)力、船體水線以下部分所受的水流力、波浪引起船體縱向和橫向傾斜時(shí)所產(chǎn)生的慣性力；自升式平臺(tái)隨著水深的增加，平臺(tái)的結(jié)構(gòu)就更復(fù)雜、穩(wěn)定性受到較大影響，一般僅用于水深60m以淺。當(dāng)前深水海洋鉆探工程中，主要采用浮式平臺(tái)（包括船舶平臺(tái)、半潛式平臺(tái)）。它們多數(shù)配有錨泊定位和動(dòng)力定位2種定位系統(tǒng)。如“海洋石油981”選配大馬力推進(jìn)器及DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)和錨泊定位系統(tǒng)，在1500m水深內(nèi)可使用錨泊定位。

（1）錨泊定位系統(tǒng)：是在一定海域內(nèi)拋錨定位，操縱錨泊設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)船舶的精確定位，以滿足工程作業(yè)需要。船舶海上錨泊定位，既要考慮風(fēng)、浪、流的影響，還要充分考慮施工海域的水深、周圍環(huán)境及障礙物的影響。由于錨泊系統(tǒng)具有投資少、可靠度高，使用、維修方便等特點(diǎn)，因而錨泊系統(tǒng)是目前海上工程船舶、鉆探船、鉆井船主要采用的定位系統(tǒng)。它較適用于水深600m以淺海域。超過(guò)600m水深海域，起拋錨程序復(fù)雜且耗時(shí)，經(jīng)濟(jì)消耗很大。

（2）動(dòng)力定位系統(tǒng)：是一種可以不用錨泊而自動(dòng)保持海上浮式平臺(tái)位置的定位方法。采用動(dòng)力定位的海上浮式平臺(tái)，在海上鉆探作業(yè)時(shí)不需要拋錨，這不僅減少了復(fù)雜的拋錨工序，而且工作的水深亦不受錨繩（鏈）長(zhǎng)度的限制，可以在水深大于600m以上的深度進(jìn)行工作。

3種方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和局限性。使用錨泊的方法來(lái)定位時(shí)有較多優(yōu)勢(shì)，它目前仍是海上深水鉆探操作的第一選擇。只是水深太深（或一側(cè)水深太深）或錨泊被禁止的一些區(qū)域才選擇動(dòng)力定位系統(tǒng)。綜上所述，在較深水域，工程地質(zhì)鉆探施工首選的還是浮式平臺(tái)和錨泊定位。

3　套管安裝和維護(hù)技術(shù)

作為海上工程鉆探系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，套管是整個(gè)海上工程地質(zhì)鉆探中重要而又薄弱的環(huán)節(jié)。套管的選型、結(jié)構(gòu)、安裝、維護(hù)的好壞直接影響到鉆探作業(yè)能否順利進(jìn)行。可以說(shuō)，在海上深水區(qū)域工程地質(zhì)鉆探過(guò)程中，套管的使用與鉆探平臺(tái)的選擇具有同等的重要性。

由于目前國(guó)內(nèi)對(duì)海上深水區(qū)域鉆探開(kāi)展的較少，深水區(qū)域的套管安裝和維護(hù)技術(shù)重點(diǎn)是海洋調(diào)查鉆探單位與海上石油鉆井單位，深水區(qū)域的水流、海浪的規(guī)律及取樣時(shí)的海況允許條件決定了工作方法。套管在海洋環(huán)境載荷（海流速度、海浪周期、浪高、暗流速度及方向等）狀態(tài)下所受力的影響，套管承受4種循環(huán)載荷，包括海流引起的渦激振動(dòng)、波浪、鉆探平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)以及作業(yè)性動(dòng)載荷等。對(duì)于深水套管的研究多從其作業(yè)狀態(tài)影響因素分析、波流聯(lián)合作用靜態(tài)分析、響應(yīng)參數(shù)敏感性分析、隨機(jī)非線性動(dòng)力分析以及其波致疲勞分析等方面研究，涉及的理論知識(shí)較深。典型的深水鉆探套管系統(tǒng)包括有卡盤/萬(wàn)向節(jié)、分流器、上部撓性接頭、伸縮節(jié)、套管短節(jié)、填充閥，升縮套管、浮力塊、下部撓性接頭、底部套管總成及套管接頭等。也有使用無(wú)套管鉆探施工的，它是在海底孔口處設(shè)置循環(huán)裝置。套管以其外徑、壁厚和材料等級(jí)分級(jí)，隨鉆探水深的增加，套管管壁越來(lái)越厚（抗擠毀、提高強(qiáng)度），長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)（提高作業(yè)效率），材料鋼級(jí)越來(lái)越高（提高屈服極限），接頭強(qiáng)度越來(lái)越高（抗拉張力載荷），套管裝卸速度要求越來(lái)越快，接頭裝置技術(shù)越來(lái)越復(fù)雜。

鉆探套管連接形式主要有螺栓法蘭接頭、MR-6E 和MR-10R接頭、QMFC接頭、Breech-Block類型接頭等。每一種接頭技術(shù)均有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用工作水深與使用海洋環(huán)境條件有所不同。新型快速接頭技術(shù)是減小非鉆探時(shí)間的重要技術(shù)，國(guó)外注重這方面的研究投入。在工況相對(duì)較惡劣的海域進(jìn)行鉆探，螺栓法蘭接頭由于強(qiáng)度高，承受載荷能力強(qiáng)而為國(guó)內(nèi)同行首選。

套管的維護(hù)主要是從其自身的強(qiáng)度、屈服值選擇出發(fā)，增加套管的張緊系統(tǒng)、波浪補(bǔ)償裝置、浮力裝置及撓性球鉸裝置等。

石油系統(tǒng)海上鉆井使用的套管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能要求很多，材質(zhì)、壁厚都較特殊。在水流拖曳力較大區(qū)域，應(yīng)增加套管在海底接觸段的強(qiáng)度、撓性接頭及套管柱張緊與補(bǔ)償系統(tǒng)的使用等。

4　鉆探設(shè)備的選擇

對(duì)于深水鉆探設(shè)備的選型，是根據(jù)使用鉆探方法、鉆孔深度、施工海域的海況參數(shù)、海底上部及可能遇到的地質(zhì)條件等因素綜合考慮。所選鉆機(jī)能力應(yīng)保留較大的力量?jī)?chǔ)備，以適應(yīng)惡劣的海況環(huán)境的特殊性。根據(jù)不同的工作要求，目前用于海上鉆探的設(shè)備類型，除海底取樣鉆機(jī)、聲波鉆機(jī)外，多是回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)設(shè)備。如轉(zhuǎn)盤型、立軸型、動(dòng)力頭型3種鉆機(jī)，目前國(guó)內(nèi)海上工程勘探常用鉆機(jī)型號(hào)見(jiàn)表1。用于海上的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法較多的是立軸型、動(dòng)力頭型鉆機(jī)，轉(zhuǎn)盤型因其使用鉆桿直徑較大，鉆塔較重，在中海油等系統(tǒng)海上油氣勘探使用較多，海上工程地質(zhì)鉆探使用相對(duì)較少。

5　灘涂潮間帶鉆探平臺(tái)

針對(duì)灘涂潮間帶鉆探。有多種式樣的平臺(tái)來(lái)完成灘涂潮間帶鉆探。有用吹填法或沙袋堆積形成人工島平臺(tái)，有用鋼管架棧道連接式平臺(tái)，有用整體導(dǎo)管架型平臺(tái)等，海軍某部在島礁工程中使用登陸艇改裝鉆探平臺(tái)，它的最大特點(diǎn)是自身雙艙底，不怕擱淺作業(yè)。韓國(guó)設(shè)計(jì)一種自行浮式平臺(tái)，可在水深0～4m內(nèi)灘涂域鉆探作業(yè)，也可在吹填池內(nèi)作業(yè)，適用于淤質(zhì)灘涂潮間帶上部區(qū)域鉆探。廣東、福建等單位有使用竹伐、金屬架充填泡沫浮球的浮子排、小浮箱拼裝平臺(tái)、小型雙體船式平臺(tái)。對(duì)于支腿式平臺(tái)，有絲杠式、葫蘆式、電動(dòng)式、液壓式4種起降方式拉升或下降平臺(tái)，有的在支腿上安裝震動(dòng)器，利于支腿的插穩(wěn)與起拔。有石油勘探單位設(shè)計(jì)了浮箱履帶式水陸兩用平臺(tái)，用于水深0～3m間鉆探。上述用于灘涂上的平臺(tái)，有的擱淺作業(yè)、有的浮在水上作業(yè)，除支腿式平臺(tái)，其他平臺(tái)多要避開(kāi)海浪的影響，等待潮水上漲平臺(tái)浮起后借助外力移位，移位受潮水的影響。有資料介紹國(guó)外有使用水陸兩用動(dòng)力平臺(tái)和氣墊船式平臺(tái)，具體使用范圍與適用參數(shù)尚不清楚。

表1　海上工程勘探常用鉆機(jī)匯總

6　結(jié)論

工程地質(zhì)勘探正有向深水域延伸趨勢(shì)，由于在海上深水域工程地質(zhì)鉆探開(kāi)展較少，積累的經(jīng)驗(yàn)有限，上述內(nèi)容有不妥之處還請(qǐng)方家指正。

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1004-5716（2016）01-0012-03

2015-08-28

丁加宏（1962-），男（漢族），江蘇鹽城人，高級(jí)工程師、注冊(cè)安全工程師，現(xiàn)從事勘探技術(shù)和勘探安全管理工作。