鄧都都，阮海龍，劉廣治，劉智鍵，蔡家品

（北京探礦工程研究所，北京100083）

1 技術(shù)現(xiàn)狀

海洋蘊(yùn)含著豐富的生物與礦產(chǎn)資源，隨著國(guó)家提出海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的要求，海洋地質(zhì)勘察工作越來(lái)越重要，工作量也在逐年增加［1-6］。海洋鉆探是開采海底資源、勘查地層剖面、鉆取地層樣品最重要、最直接的手段。在進(jìn)行海洋勘察和物探作業(yè)時(shí)，尤其是在較深的海域或者天氣條件惡劣的情況下，在浪涌和海流等問(wèn)題的影響下，鉆探船會(huì)隨著海浪發(fā)生多方向的運(yùn)動(dòng)，這會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)鉆井系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致海洋勘察或者取樣作業(yè)難以進(jìn)行。

海底基盤，顧名思義就是在海底的井口固定裝置，也稱為海底鉗，其主要功能是在海底井口實(shí)現(xiàn)鉆桿的夾緊與松開，這樣能夠有效地減小鉆桿的多方位運(yùn)動(dòng)，滿足勘察作業(yè)的需求。海底基盤結(jié)合了機(jī)械、液壓、通信與控制技術(shù)，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，是保障海洋正常鉆探取樣的關(guān)鍵裝備之一，國(guó)內(nèi)外均進(jìn)行了大量的研究［7-10］。荷蘭等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)掌握了其設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，例如FUGRO公司為海洋石油709勘察船配備的海底基盤，采用有纜通信方式，具有多參數(shù)監(jiān)測(cè)功能，能夠完成海底井口鉆桿的夾持與松開。在我國(guó)，能夠?yàn)榭辈齑峁┓€(wěn)定服務(wù)的海底基盤數(shù)量較少，大部分勘察船均未配備基盤來(lái)輔助作業(yè)，這大大影響了勘察作業(yè)的準(zhǔn)確性與效率。

無(wú)纜基盤相比較于有纜基盤最大的特點(diǎn)是不需要價(jià)格昂貴的臍帶電纜，也不需要進(jìn)行高壓輸變電工作，減少了有纜方式所必需的臍帶纜、電纜絞車以及輸變電系統(tǒng)等部件，有效地節(jié)約了成本，而且簡(jiǎn)化了操作程序，發(fā)生故障的概率更低，提高了勘察作業(yè)的工作效率；高壓電纜在海底受洋流以及海浪的影響下，會(huì)發(fā)生摩擦鋼絲繩或者纏繞打結(jié)而出現(xiàn)漏電的危險(xiǎn)，嚴(yán)重的話會(huì)燒毀設(shè)備，無(wú)纜基盤采用水下電池供電，安全性能更高。無(wú)纜基盤采用水聲通信的方式，該技術(shù)成熟可靠，在深海探測(cè)器中應(yīng)用非常廣泛，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)［11-13］。

為了解決勘察作業(yè)船這一亟需的裝備需求，提高勘察作業(yè)的可靠性與穩(wěn)定性，北京探礦工程研究所根據(jù)海洋石油708船鉆井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸與作業(yè)能力，成功研制了一套無(wú)纜海底基盤。本文概述了該無(wú)纜基盤的技術(shù)參數(shù)與系統(tǒng)組成，并重點(diǎn)對(duì)大容量水下電池的研制進(jìn)行了詳細(xì)的分析，該電池有效地提高了海底基盤在水下的工作時(shí)間，提高了勘察作業(yè)的效率。

2 無(wú)纜海底基盤的總體設(shè)計(jì)

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

深水勘察船海洋石油708船是我國(guó)深水戰(zhàn)略船舶之一，其最大的工作能力為3000 m［14-15］，根據(jù)該船鉆井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸，以及補(bǔ)償絞車的工作能力，制定了無(wú)纜基盤的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 無(wú)纜基盤的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of the cable-fr ee subsea fr ame

2.2 工作原理

整個(gè)無(wú)纜基盤分為水上和水下2大部分，水上部分主要由人機(jī)操作系統(tǒng)、水上通信機(jī)與潛水換能器組成。水下部分包括基盤基板、液壓鉗、電池艙、電子艙、液壓艙、深水換能器和水下通信機(jī)等。系統(tǒng)的電控原理見圖1。

無(wú)纜基盤井口夾持系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：由操作人員通過(guò)甲板上位機(jī)的人機(jī)操作系統(tǒng)發(fā)出指令，該指令通過(guò)水聲通信系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)，傳送到水下電子艙的控制系統(tǒng)中，接收到指令后控制器根據(jù)要求，控制液壓系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，完成液壓鉗口的夾持與松開；并且整個(gè)過(guò)程中，水下控制系統(tǒng)需要將傳感器采集到的各種信號(hào)實(shí)時(shí)地傳送到上位機(jī)中，并在上位機(jī)的人機(jī)操作界面顯示出來(lái)，操作者根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)決策下一步基盤的動(dòng)作。整套系統(tǒng)具備水下應(yīng)急功能，當(dāng)遇到系統(tǒng)突然斷電、長(zhǎng)時(shí)間丟失通信以及漏水等特殊情況時(shí)，液壓鉗口會(huì)自動(dòng)打開，這樣能夠保證海底基盤的正常回收。

2.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)的功能是驅(qū)動(dòng)和控制液壓鉗的伸縮，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿的夾持和松開。其中，液壓泵站、閥組、油箱、保壓蓄能器和壓力傳感器等都密封在水下的液壓艙中，該艙體采用平衡式油補(bǔ)償系統(tǒng)，能夠根據(jù)水深自動(dòng)補(bǔ)償內(nèi)部壓力，整個(gè)艙體輕便可靠，液壓系統(tǒng)的原理見圖2。

液壓系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)述：系統(tǒng)未啟動(dòng)時(shí)，三位四通電磁閥處于中位，液壓缸處于卸荷狀態(tài)，依靠彈簧的推力將有桿腔復(fù)位；系統(tǒng)正常啟動(dòng)時(shí)，截止閥先得電，斷開油路；夾持時(shí)，比例溢流閥得電，根據(jù)參數(shù)設(shè)定逐步提升系統(tǒng)壓力，三位四通電磁閥同時(shí)得電到左位，接通液壓回路，液壓油從無(wú)桿腔進(jìn)入，液壓鉗伸出，到位后依靠保壓蓄能器持續(xù)保壓；復(fù)位時(shí)比例溢流閥斷電，截止閥與三位四通閥斷電，整個(gè)系統(tǒng)卸荷，依靠彈簧推力使液壓缸復(fù)位；如果液壓缸未能正常復(fù)位，三位四通閥接通到右位，液壓油從有桿腔進(jìn)入，通過(guò)壓力使液壓缸復(fù)位。

圖1 海底無(wú)纜基盤夾持系統(tǒng)電控基本原理Fig.1 Electrical control principle of the subsea frame

圖2 液壓系統(tǒng)工作原理Fig.2 Working pr inciple of the hydr aulic system

2.4 控制和通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是整個(gè)基盤的中樞系統(tǒng)，通信系統(tǒng)是連接水上與水下的橋梁。該系統(tǒng)由上位機(jī)、水下電子艙以及聲吶組成。主要功能是操作者通過(guò)甲板的上位機(jī)監(jiān)視與控制整個(gè)基盤系統(tǒng)，遠(yuǎn)程操控水下的液壓系統(tǒng)完成相應(yīng)的動(dòng)作，其系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 控制與通信系統(tǒng)原理Fig.3 Pr inciple of the control and communication system

水下電子艙是水下控制的核心。采用干式艙體設(shè)計(jì)，它主要包括PLC、電子電路、傳感器組、接口電路等。電子艙的接口電路主要包括電源接口、液壓系統(tǒng)通信接口以及聲吶通信接口。電源接口通過(guò)水密接插件與電池艙相連，由電池艙給水下控制系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)供電。通信接口主要包括與液壓系統(tǒng)通信接口以及與水下聲吶通信接口，與液壓系統(tǒng)通信接口主要是將控制信號(hào)傳遞到液壓艙，控制夾鉗動(dòng)作，同時(shí)采集液壓系統(tǒng)閥組的工作狀態(tài)以及傳感器信號(hào)；與水下聲吶通信接口主要是連接水下聲吶通信機(jī)，完成實(shí)時(shí)信號(hào)的傳輸；接口電路中還預(yù)留了一個(gè)專門用于調(diào)試的電纜通信接口，方便在船上進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。所有的接口電路均采用進(jìn)口水密接插件。研制的電子艙接口電路見圖4。

圖4 水下電子艙接口Fig.4 Interface of the underwater electr onics capsule

3 水下電池的研制

水下電池是整個(gè)無(wú)纜基盤夾持系統(tǒng)工作的能源站，其容量的大小，直接決定了基盤在水下的工作時(shí)間，是制約勘察作業(yè)效率的關(guān)鍵因素之一。水下電池主要需要具有良好的耐壓、絕緣性能［16-18］；與液壓動(dòng)力站匹配合理，放電連續(xù)穩(wěn)定；在有限的尺寸下，電池容量盡可能的大。

3.1 電池包設(shè)計(jì)

根據(jù)無(wú)纜基盤夾持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，該電池需要提供220 V的直流電，保證持續(xù)放電電流為5 A。采用18650型三元鋰電池進(jìn)行組合，該電池單節(jié)標(biāo)稱電壓約3.76 V，標(biāo)稱容量3400 mA·h，最大持續(xù)放電電流5 A?？紤]到單次組合級(jí)聯(lián)的電壓太高會(huì)造成風(fēng)險(xiǎn)提高，故采用多級(jí)電池包級(jí)聯(lián)的方式進(jìn)行組合。每組電池包由13節(jié)電池串聯(lián)，再12組并聯(lián)共156節(jié)電池組成，其標(biāo)稱電壓49 V，標(biāo)稱容量40.8 A·h，電池組的結(jié)構(gòu)如圖5所示。采用4組電池包串聯(lián)組成總的電池標(biāo)稱電壓196 V，滿電電壓220 V，標(biāo)稱容量40.8 A·h，每組電池最大持續(xù)放電電流60 A。

3.2 電池艙設(shè)計(jì)

根據(jù)基盤的結(jié)構(gòu)尺寸，電池艙設(shè)計(jì)外徑為320 mm，艙體內(nèi)部裝有電池管理系統(tǒng)和電池組。電池組分為4層，每相鄰2層之間鋪有薄尼龍片絕緣，第一層頂部和第四層底部分別加裝厚尼龍板；兩根螺紋桿由頂層的尼龍板穿至底層尼龍板，上下由螺帽擰緊，用以固定整個(gè)電池組。該螺紋桿固定于上端蓋，保證整個(gè)電池組在工作的時(shí)候不會(huì)發(fā)生任何移動(dòng)；電池管理系統(tǒng)位于電池組與上端蓋之間，固定于兩螺栓之間，水下電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 單組電池包結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of a battery pack

圖6 水下電池結(jié)構(gòu)Fig.6 Underwater battery structure

電池艙采用高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)，兩端自帶端蓋，采用O形橡膠圈多段徑向密封的方式，上端蓋外側(cè)正中位置裝有水密接插件，內(nèi)側(cè)邊緣有多處螺紋孔，用于安裝可拆卸螺紋桿。電池艙加工完成后，進(jìn)行了水下最高35 MPa的耐壓測(cè)試，保壓測(cè)試時(shí)間24 h，測(cè)試曲線見圖7，測(cè)試結(jié)束后檢測(cè)電池艙，無(wú)任何形變產(chǎn)生。

3.3 電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System）是水下電池非常關(guān)鍵的部分，負(fù)責(zé)控制電池的充電和放電以及實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)估算等功能。該BMS采用STM 32F103VET 6單片機(jī)為其核心控制芯片，用以監(jiān)測(cè)4組電池組的電壓。充電時(shí)當(dāng)某一組電池電壓過(guò)高，單片機(jī)立即關(guān)斷該組電池充電輸入端，而對(duì)其他幾組電池進(jìn)行充電。放電時(shí)當(dāng)某一組電池電壓過(guò)低，單片機(jī)隨即關(guān)斷該組電池放電輸出端。整個(gè)開關(guān)的過(guò)程由單片機(jī)控制繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路示意如圖8所示。設(shè)計(jì)的電池組充電最高電壓為220 V，放電時(shí)最低控制電壓為160 V，當(dāng)系統(tǒng)充放電超過(guò)上下限值的時(shí)候，控制器會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)斷電，以保證安全。

圖7 電池艙耐壓測(cè)試曲線Fig.7 Battery capsule pressure test curve

圖8 電池管理系統(tǒng)電路示意Fig.8 Circuit diagram of the management system

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2017年無(wú)纜基盤研制成功后，在南海某海域進(jìn)行了海試。作業(yè)區(qū)域水深為1800 m，作業(yè)孔為全孔CPT測(cè)試，需要連續(xù)穩(wěn)定夾持15 min以上，本次作業(yè)一共夾持51次，夾持時(shí)間累計(jì)25.9 h。2018-2020年海洋石油708船利用無(wú)纜基盤在南海、東海多個(gè)海域，輔助完成了大量勘察取樣工作，累計(jì)服務(wù)時(shí)間超過(guò)30個(gè)月，其中僅2020年上半年，無(wú)纜基盤下海作業(yè)時(shí)間就高達(dá)4個(gè)月。目前主要作業(yè)區(qū)域水深在300 m左右，每次基盤下海作業(yè)時(shí)間高達(dá)70 h，穩(wěn)定夾持次數(shù)在200次以上。

在近幾年的作業(yè)服務(wù)中，無(wú)纜基盤控制系統(tǒng)可靠、通信良好，工作期間未發(fā)生任何嚴(yán)重影響勘察作業(yè)的故障。水下電池工作性能穩(wěn)定，能夠滿足該船的勘察作業(yè)需求。該基盤目前已成為了海洋石油708船勘察作業(yè)中非常重要的輔助工具。圖9為無(wú)纜基盤正通過(guò)海洋石油708船的月池下放，準(zhǔn)備下海作業(yè)。

圖9 無(wú)纜基盤下海現(xiàn)場(chǎng)Fig.9 Lowering the seabed frame into water

5 結(jié)論

（1）海底基盤采用無(wú)纜的設(shè)計(jì)方式具有操作簡(jiǎn)單、功能可靠的特點(diǎn)；減少了有纜方式所需要的臍帶纜、絞車以及輸變電系統(tǒng)等部件，節(jié)約了成本，簡(jiǎn)化了操作程序，提高了勘察作業(yè)的工作效率。高壓電纜在海底受洋流以及海浪的影響，會(huì)發(fā)生摩擦鋼絲繩或者纏繞打結(jié)而出現(xiàn)漏電的危險(xiǎn)，嚴(yán)重的會(huì)燒毀設(shè)備，無(wú)纜基盤采用水下電池供電，安全性能更高。

（2）通過(guò)無(wú)纜基盤的研發(fā)，儲(chǔ)備了遠(yuǎn)程自動(dòng)控制技術(shù)、水下液壓站的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，為下一步海洋地質(zhì)裝備的研發(fā)打下了一定的基礎(chǔ)；大容量水下電池的研制成功提升了無(wú)纜基盤的作業(yè)能力，提高了海洋石油708船的勘察作業(yè)效率。通過(guò)近幾年的基盤服務(wù)，對(duì)于水下聲波通信技術(shù)的性能也有了更加全面的認(rèn)識(shí)。

（3）2018-2020年，無(wú)纜基盤一直在我國(guó)南海及東海海域從事作業(yè)服務(wù)，作業(yè)期間性能穩(wěn)定可靠，有力地支撐了我國(guó)海洋地質(zhì)調(diào)查工作。無(wú)纜基盤在海洋石油708船的成功應(yīng)用，對(duì)于海洋地質(zhì)勘察與地質(zhì)鉆探取樣工作發(fā)揮了積極的意義。