范松 李鵬 李朝均 白蘭昌 付俊 劉姣利 李歡

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心 3.四川寶石機(jī)械鉆采設(shè)備有限責(zé)任公司)

0 引 言

地質(zhì)勘探是發(fā)現(xiàn)海底資源的重要手段?？辈齑谶M(jìn)行地質(zhì)勘察取樣時(shí)，在波浪的影響下，船體將產(chǎn)生上下升沉運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而引起鉆柱及取樣工具等相關(guān)設(shè)備運(yùn)動(dòng)，很難保證鉆柱的穩(wěn)定鉆進(jìn)和準(zhǔn)確定位[1-2]?；P收放系統(tǒng)作為海洋地質(zhì)勘察船鉆井和取樣作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，作業(yè)位置從甲板面至海床面，具體涉及到基盤絞車、補(bǔ)償裝置及勘察基盤等裝備，其功能是完成勘察基盤的下放及回收，鉆井作業(yè)時(shí)井口定位和鉆具夾持，以及鋼絲繩恒張力補(bǔ)償?shù)纫幌盗泄ぷ?。整個(gè)工作流程為：基盤絞車將勘察基盤從月池下放入海水，監(jiān)視水中狀態(tài)，離海床面10 m左右報(bào)警，開始緩慢下放，觸底后根據(jù)水下姿態(tài)儀參數(shù)判斷基盤在海床面的傾斜姿態(tài)(不滿足鉆井取樣要求則更換井口位置)，啟動(dòng)補(bǔ)償功能，保證鋼絲繩的恒定張力，開始鉆井取樣工作，取樣完成后通過基盤絞車將勘察基盤回收至甲板[3]。

目前實(shí)船配套的多為荷蘭等歐美國家產(chǎn)品，比如荷蘭輝固(FUGRO)公司，美國Cameron和Aker公司[4-5]。國內(nèi)有上海漁機(jī)所和寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司(以下簡稱寶石機(jī)械)在海底基盤收放和補(bǔ)償方面進(jìn)行了研究，采用聲吶進(jìn)行壓力鉗的開關(guān)控制，并在海洋石油708船進(jìn)行了配套和實(shí)船應(yīng)用[6-9]。2016年，寶石機(jī)械為客戶開發(fā)了一套全液壓勘察船鉆探系統(tǒng)，配套于“海洋地質(zhì)十號(hào)”勘察船[10]?；P收放系統(tǒng)作為鉆探系統(tǒng)中勘探部分的關(guān)鍵裝備，主要用于鉆柱定位、基盤收放及井口取樣監(jiān)控等工作，貫穿取心全過程，實(shí)現(xiàn)了井口鉆探和取心的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為海底勘探及取心提供了保障且提高了取心效率?；P收放系統(tǒng)的研制及應(yīng)用推進(jìn)了海洋勘察關(guān)鍵裝備的國產(chǎn)化進(jìn)程，也為后續(xù)3 000 m水深基盤收放系統(tǒng)的研制和地質(zhì)調(diào)研提供了一定的參考。

1 技術(shù)分析

1.1 總體結(jié)構(gòu)

基盤收放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由基盤絞車、補(bǔ)償裝置、勘察基盤和臍帶纜絞車組成。其中：基盤絞車和補(bǔ)償裝置為2套，分別安裝在勘察船的左舷和右舷[11]；補(bǔ)償裝置由帶滑輪組的補(bǔ)償油缸、活塞式蓄能器和氣瓶組組成。臍帶纜絞車的一端線纜通過承重頭固定在勘察基盤頂部，基盤絞車的鋼絲繩貫穿于勘察基盤頂部滑輪。

1—基盤絞車；2—補(bǔ)償裝置；3—臍帶纜絞車；4—勘察基盤。

1.2 工作原理

基盤絞車將勘察基盤從甲板面下放至海床，開啟補(bǔ)償裝置，通過補(bǔ)償油缸活塞桿的不斷伸縮來克服船體的升沉運(yùn)動(dòng)，保持鋼絲繩恒張力的同時(shí)保證勘察基盤在海床上穩(wěn)定工作。臍帶纜包含動(dòng)力電纜和通信電纜，實(shí)現(xiàn)海底勘察基盤與甲板控制臺(tái)之間的信號(hào)傳輸及控制，同時(shí)臍帶纜絞車設(shè)置恒張力功能，臍帶纜隨勘察基盤下放或提升。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

基盤收放系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下：最大工作水深1 200 m，基盤絞車最大拉力150 kN，基盤絞車收放纜速度30 m/min(中間層)，臍帶纜絞車?yán)?8 kN、收放纜速度39 m/min(底層)，最大補(bǔ)償行程3 m，垂直通徑320 mm。

2 主要系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

2.1 基盤絞車

基盤絞車采用雙絞車+單鋼絲繩方案，左右兩套基盤絞車通過一根鋼絲繩同時(shí)起吊和下放勘察基盤，結(jié)合基盤上的豎直和水平滑輪，能夠?qū)崿F(xiàn)基盤在水中的自平衡，無論兩個(gè)絞車速度是否相同，均能維持水平姿態(tài)?；P絞車如圖2所示，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪減速器帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，牽引鋼絲繩上下運(yùn)動(dòng)，絞車通過調(diào)節(jié)液壓泵流量實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，鋼絲繩進(jìn)出滾筒設(shè)置排繩裝置，可實(shí)現(xiàn)有序排繩，無亂繩和壓繩現(xiàn)象，絞車配置雙重剎車，減速器配置斷油自鎖制動(dòng)剎車，同時(shí)滾筒配置帶式制動(dòng)裝置，通過油缸實(shí)現(xiàn)制動(dòng)和松開功能，具備剎車狀態(tài)檢測及斷油自動(dòng)剎車功能。

圖2 基盤絞車實(shí)物圖Fig.2 Base plate drawworks

2.2 補(bǔ)償裝置

補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償形式為恒張力形式，如圖3所示。補(bǔ)償油缸兩端設(shè)置滑輪組，油缸底部為固定滑輪組，活塞桿連接動(dòng)滑輪組。補(bǔ)償油缸與蓄能器油端連通，氣瓶組與蓄能器的氣端連通，從而形成氣體彈簧形式。通過調(diào)節(jié)氣瓶組的工作壓力，可實(shí)現(xiàn)不同水深的恒張力補(bǔ)償；船體隨波浪上升時(shí)補(bǔ)償油缸活塞桿收縮，船體隨波浪下沉?xí)r活塞桿伸出，實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩的恒定張力(基本恒定，實(shí)際是在設(shè)計(jì)張力波動(dòng)范圍內(nèi)波動(dòng)，氣瓶組容積越大，張力波動(dòng)越小，考慮到安裝空間限制，張力波動(dòng)按5%設(shè)計(jì))。此外，可通過基盤絞車之間倒繩來變換補(bǔ)償段鋼絲繩位置，避免某段鋼絲繩長期承受彎曲及交變載荷，延長鋼絲繩使用壽命。

圖3 補(bǔ)償裝置實(shí)物圖Fig.3 Compensation device

2.3 勘察基盤

勘察基盤如圖4所示，包含結(jié)構(gòu)本體、水上監(jiān)控系統(tǒng)和水下監(jiān)控系統(tǒng)，主要用于鉆井作業(yè)時(shí)井口定位、鉆具導(dǎo)向以及動(dòng)力取樣時(shí)的鉆具固定?；P下放及提升過程中需要監(jiān)視基盤觸底和鉆柱下放情況。采用動(dòng)力取樣工具時(shí)(如靜力觸探和液動(dòng)沖擊繩索鉆具等)，需通過壓力鉗實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆柱的夾持固定，提高取樣的成功率；同時(shí)在更換鉆頭或者BHA時(shí)，監(jiān)視鉆柱通過基盤頂部喇叭口后重新進(jìn)入原孔位?？辈旎P實(shí)現(xiàn)了壓力鉗的控制和井口視頻信號(hào)的反饋，同時(shí)配置深度和姿態(tài)等傳感器，實(shí)現(xiàn)甲板面對(duì)海底作業(yè)情況的準(zhǔn)確把握和控制。

圖4 勘察基盤實(shí)物圖Fig.4 Survey base plate

2.4 臍帶纜絞車

臍帶纜絞車(見圖5)用于臍帶纜的收放操作，為勘察基盤提供實(shí)時(shí)視頻信號(hào)及電氣設(shè)備動(dòng)力的傳輸基礎(chǔ)。臍帶纜絞車采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)置有張力測量傳感器，臍帶纜采用三光三電的復(fù)合鎧裝纜，具備張力保護(hù)功能，臍帶纜的收放自動(dòng)跟隨勘察基盤，保證臍帶纜始終處于張緊狀態(tài)。當(dāng)勘察基盤下放速度大于臍帶纜絞車下放速度時(shí)，臍帶纜所受張力變大，臍帶纜絞車檢測到張力變化后自動(dòng)增大下放速度，使臍帶纜維持在設(shè)定恒張力值范圍內(nèi)，避免臍帶纜受力過大被拉斷；當(dāng)基盤下放速度小于臍帶纜絞車下放速度時(shí)，臍帶纜所受張力變小，臍帶纜絞車檢測到張力變化后自動(dòng)降低下放速度，使張力回到設(shè)定恒張力值范圍內(nèi)，避免臍帶纜在水下松弛與其他設(shè)備纏繞。

圖5 臍帶纜絞車實(shí)物圖Fig.5 Umbilical cable drawworks

3 關(guān)鍵技術(shù)方案設(shè)計(jì)

3.1 補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)

補(bǔ)償油缸采用柱塞缸，柱塞端部安裝動(dòng)滑輪組(動(dòng)滑輪數(shù)量n)，油缸底部安裝定滑輪組(定滑輪數(shù)量n+1)，船的升沉運(yùn)動(dòng)按正弦波[12]來處理。

補(bǔ)償裝置位移：

x=hsin(ωt)=hsin(2πt/T)

(1)

補(bǔ)償裝置速度:

(2)

補(bǔ)償裝置加速度:

(3)

式中：h為浪高，m；ω為角頻率，rad/s；T為波浪周期,s；t為時(shí)間，s。

補(bǔ)償裝置為兩組，分別在井架左側(cè)和右側(cè)布置，以單側(cè)為分析對(duì)象，船體跟隨波浪不斷進(jìn)行升沉運(yùn)動(dòng)。補(bǔ)償裝置安裝形式為朝下安裝，柱塞及動(dòng)滑輪組朝下，因此船體上升時(shí)補(bǔ)償油缸受力較大(忽略滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響)，則補(bǔ)償油缸受力模型為：

(4)

其中：

F1=F+G-Ff

(5)

G=Lmg

(6)

(7)

式中：p為補(bǔ)償油缸中液壓油壓力,Pa；A為補(bǔ)償油缸的柱塞面積,m2；η1為補(bǔ)償油缸效率；mr為動(dòng)滑輪組及柱塞質(zhì)量,kg；F1為單側(cè)鋼絲繩拉力,N；F為單側(cè)鋼絲繩要求保持的張力(不含鋼絲繩重力),N；G為單側(cè)鋼絲繩重力,N；Ff為單側(cè)鋼絲繩所受浮力,N；η為滑輪效率；L為水深,m；m為單位長度鋼絲繩質(zhì)量,kg/m；d為鋼絲繩直徑,m；ρ為海水密度,kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

(8)

(9)

(10)

(11)

V1=2ΔV+(V0T-V0)

(12)

式中：pL為動(dòng)滑輪組運(yùn)動(dòng)到油缸中位時(shí)的油液壓力，Pa；VL為動(dòng)滑輪組運(yùn)動(dòng)到油缸中位時(shí)的氣體體積，L；p1為動(dòng)滑輪組運(yùn)動(dòng)到下極限位置時(shí)的油液壓力，Pa；V1為動(dòng)滑輪組運(yùn)動(dòng)到下極限位置時(shí)的氣體體積，L；p2為動(dòng)滑輪組運(yùn)動(dòng)到上極限位置時(shí)的油液壓力，Pa；V2為動(dòng)滑輪組運(yùn)動(dòng)到上極限位置時(shí)的氣體體積，L；k為絕熱系數(shù)；p0為蓄能器預(yù)充壓力，Pa；Tmin、Tmax分別為工作周期中最低及最高溫度，℃；V0為理論氣瓶組體積，L；V0T為實(shí)際所需氣瓶組體積，L；V1為所需蓄能器體積，L。

3.2 勘察基盤設(shè)計(jì)

勘察基盤采用有線控制形式，由水上監(jiān)控單元、基盤本體和水下控制系統(tǒng)組成，通過臍帶纜實(shí)現(xiàn)水下設(shè)備與司鉆房之間的通信和供電。為了減小線纜壓降和損耗，將690 V的船電升壓至1 050 V向水下輸電，根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求，需要對(duì)水下井口進(jìn)行監(jiān)控和壓力鉗控制。

3.2.1 總體配套方案

基盤本體上部安裝壓力鉗，底部安裝水下控制系統(tǒng)，勘察基盤涉及監(jiān)測和控制兩部分功能。監(jiān)測部分貫穿工作全過程，采集傳感器單元、系統(tǒng)壓力傳感器、檢測報(bào)警傳感器、井口監(jiān)控?cái)z像機(jī)和壓力鉗接近開關(guān)的信號(hào)，信號(hào)通過光電分離盒和臍帶纜輸出，實(shí)時(shí)監(jiān)測基盤在水中的深度、姿態(tài)、系統(tǒng)壓力、是否有泄漏、壓力鉗夾緊松開狀態(tài)和井口作業(yè)視頻；控制部分則是對(duì)壓力鉗的夾緊和松開動(dòng)作進(jìn)行控制，涉及動(dòng)力取樣或者靜力觸探等工具，以及應(yīng)急情況下的鉆柱提升，通過壓力鉗的夾緊將鉆柱抱緊，從而實(shí)現(xiàn)取樣工作和應(yīng)急回收，此動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)依靠泵站電機(jī)開關(guān)艙中的電機(jī)和閥組艙中的閥組，控制信號(hào)由臍帶纜輸入，經(jīng)測控艙處理后到達(dá)電機(jī)和閥組等執(zhí)行部件。

3.2.2 水下控制系統(tǒng)

勘察基盤的核心就是水下控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示，包含光電分離盒、供電艙、泵站電機(jī)開關(guān)艙、測控艙、液壓動(dòng)力站、照明攝像單元和傳感器單元。供電艙內(nèi)部安裝有變壓器和壓力補(bǔ)償器，同時(shí)艙內(nèi)裝滿變壓器油，油液與外部的壓力補(bǔ)償器連接。

圖6 水下控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Structured flowchart of subsea control system

臍帶纜通過光電分離盒后分為水密光纖和水密電纜，水密電纜與供電艙連接，水密光纖與測控艙相連。供電艙分出兩路電纜，一路直接與泵站電機(jī)開關(guān)艙連接，另一路通過變壓器降壓后進(jìn)入測控艙。水密電纜和水密光纖的兩端連接器均采用水密接插件。

測控艙是水下控制系統(tǒng)的核心單元，其內(nèi)安裝有電源模塊、數(shù)字量采集模塊、模擬量采集模塊、水下光端機(jī)和通信模塊等。水深傳感器、水下姿態(tài)儀、壓力鉗位置檢測傳感器、系統(tǒng)壓力傳感器、井口監(jiān)控照明燈和井口監(jiān)視攝像機(jī)通過水密電纜與測控艙連接，信號(hào)經(jīng)測控艙處理后傳輸?shù)郊装迕娴乃媳O(jiān)控單元。

3.2.3 液壓動(dòng)力站

液壓動(dòng)力站原理圖如圖7所示，由油箱、泵站電機(jī)艙、單向閥、閥組艙、液控單向閥、集流分流閥和蓄能器組成。閥組艙和泵站電機(jī)艙均充滿液壓油，泵站電機(jī)艙內(nèi)安裝有電機(jī)、齒輪油泵和過濾器，閥組艙內(nèi)安裝有兩位四通電磁換向閥、溢流閥、兩位兩通電磁閥和系統(tǒng)壓力傳感器，壓力補(bǔ)償器均配置有報(bào)警檢測傳感器。

3.2.4 傳感器及照明攝像

傳感器單元包含水深傳感器和水下姿態(tài)儀，其功能是檢測基盤水中位置和觸底后在海床上的位置姿態(tài)。壓力鉗配置位置檢測傳感器，用以檢測壓力鉗夾緊和松開位置狀態(tài)。照明攝像單元包含井口監(jiān)控照明燈和井口監(jiān)控?cái)z像機(jī)，可提供井口視頻信號(hào)[14]。

3.2.5 壓力補(bǔ)償器

水下控制系統(tǒng)中配置多個(gè)壓力補(bǔ)償器，目的在于平衡艙內(nèi)油液和海水之間壓力，同時(shí)配置報(bào)警檢測傳感器，形成安全保護(hù)，其內(nèi)部設(shè)置有彈簧，使艙內(nèi)壓力略高于艙外壓力，若是艙內(nèi)出現(xiàn)密封問題，油液則往海水方向泄漏，同時(shí)觸發(fā)報(bào)警，及時(shí)將設(shè)備斷電并脫離海水維修。僅濕艙需配置壓力補(bǔ)償器，如光電分離盒、供電艙和閥組艙等，其內(nèi)外壓差基本相同，艙體結(jié)構(gòu)受力?。桓膳搫t不能有油液，如測控艙、泵站電機(jī)開關(guān)艙，艙體設(shè)計(jì)時(shí)滿足最大壓差下的強(qiáng)度要求。

1—兩位四通電磁閥；2—壓力傳感器；3、10—壓力補(bǔ)償器；4—蓄能器；5—單向閥；6—電機(jī)；7—齒輪油泵；8—過濾器；9—油箱；11—溢流閥；12—兩位兩通電磁閥；13—液控單向閥；14—集流分流閥。

4 試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 廠內(nèi)試驗(yàn)

寶石機(jī)械對(duì)基盤收放系統(tǒng)進(jìn)行了空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、靜載荷試驗(yàn)和功能測試等廠內(nèi)試驗(yàn)，并取得CCS認(rèn)證。將基盤絞車和臍帶纜絞車安裝在地面，補(bǔ)償裝置安裝在井架上，勘察基盤放置在井架內(nèi)模擬井口位置，基盤絞車和臍帶纜絞車進(jìn)行了3 h的空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，勘察基盤下部安裝配重塊，配置總質(zhì)量為30 t，采用基盤絞車進(jìn)行提升和下放，并對(duì)補(bǔ)償裝置和勘察基盤進(jìn)行功能測試，檢測油缸伸縮、視頻信號(hào)以及壓力鉗開關(guān)等功能。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用

從2018年至今，“海洋地質(zhì)十號(hào)”勘察船先后進(jìn)行了10余次的海試和作業(yè)，其中在南海水深104 m海域進(jìn)行了全面勘探取心作業(yè)，對(duì)基盤收放系統(tǒng)進(jìn)行了海洋環(huán)境下的檢驗(yàn)和應(yīng)用，順利完成海底180余m的取心任務(wù)。作業(yè)結(jié)果顯示：基盤絞車和臍帶纜絞車提升及下放功能、補(bǔ)償裝置恒張力補(bǔ)償功能、臍帶纜絞車恒張力功能、勘察基盤監(jiān)測及控制功能均滿足設(shè)計(jì)要求，取得了預(yù)期的應(yīng)用效果。

在三亞市海域進(jìn)行作業(yè)時(shí)，浪高1.5 m，水深104 m，勘察船采用DP定位模式。圖8為下放過程鋼絲繩張力曲線，包含了勘察基盤自甲板面開始下放、進(jìn)入月池海水、水中繼續(xù)下放、接觸海底和正常補(bǔ)償作業(yè)工況等作用過程，補(bǔ)償工況下鋼絲繩張力在28.6～31.4 kN內(nèi)波動(dòng)。

圖8 下放過程鋼絲繩張力曲線Fig.8 Tension curve of wireline in the process of lowering

5 結(jié)論與建議

(1)基盤收放系統(tǒng)是一項(xiàng)集液電氣控制、深海液壓技術(shù)、恒張力補(bǔ)償技術(shù)和水下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多項(xiàng)技術(shù)的高端產(chǎn)品，涉及從甲板到海底的監(jiān)控設(shè)備及技術(shù)。

(2)基盤收放系統(tǒng)涉及主被動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，補(bǔ)償裝置采用被動(dòng)補(bǔ)償，結(jié)合氣瓶組和蓄能器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的恒定張力，臍帶纜絞車采用主動(dòng)補(bǔ)償，通過張力傳感器和變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)臍帶纜的張力保護(hù)功能。

(3)勘察基盤實(shí)現(xiàn)了海底井口的全面監(jiān)控，較傳統(tǒng)的聲吶控制更具優(yōu)勢，除了海底鉗的關(guān)斷功能外，還包含豐富的視頻和傳感器信號(hào)，實(shí)時(shí)反映工況及參數(shù)。

(4)建議后續(xù)進(jìn)行3 000 m深的基盤收放系統(tǒng)研究，使系統(tǒng)具備可視化、多傳感系統(tǒng)、深水壓力補(bǔ)償和井口全面監(jiān)控等功能。