海底地质勘测船 -海底地貌的成因

第一作者简介：范松（1987-），男，四川乐山人，工程师，硕士，现从事海洋石油工程装备技术研究工作，就职于宝鸡石油机械有限责任公司。基金项目：工信部开发项目（工信部装函［2018］473号）；工信部高技术船舶科研项目(工信部联装函［2016］548号)摘 要：针对海洋地质勘探及取样工况作业要求，为解决井口导向定位、钻具夹持稳定、井口监控、线缆同步收放等问题，开展了中继箱、脐带缆绞车、勘察基盘及控制系统的技术研究，进行了详细技术方案设计、厂内试验和现场应用，研制了一套适用1200米水深海洋勘察基盘系统，采用高压输电、脐带缆恒张力收放、海底光电液复合控制等技术，通过厂内测试并在南海现场应用，进行了10余次的钻探取芯作业，成功取得180余米的海底样品。应用结果表明：海底检测控制、井口定位和钻杆夹持等功能均满足设计要求，推进了海洋勘察关键装备的国产化进程，为后续地质科学考察和超深水勘探取芯提供了一定的参考及基础。关键词：勘察基盘；脐带缆绞车；中继箱；光电液复合控制0

引言

我国海洋矿产资源丰富，尤其是南海水域，仅石油和天然气就占我国油气资源的三分之一[1-2]，海洋勘察基盘系统作为勘探平台和勘察船的重要组成设备，为地质钻探、科学考察、地质调查、物探取芯等提供基础保障[3-4]。勘察基盘区别于油气井口基盘，作业完成后需回收，重复使用，为钻柱提供导向和定位支撑，也为海床式探测和水下静力触探等设备提供安装空间及接口，同时配置液压钳，为井下取芯工具和测试工具提供反向支撑和稳定环境，以及紧急状况下的基盘回收[5-6]。

现有平台或勘察船上配套的多为欧美国家产品，其中美国Cameron和Aker公司的产品主要用于油气开采的钻井基盘，荷兰辉固（FUGRO）公司为勘察船配套较多，国内则中海油服707和708勘察船有配套基盘系统[7-9]，其中708采用了声呐控制技术，但存在信号弱甚至丢失的情况。由此开发了一套光电液复合控制的海洋勘察基盘系统，采用脐带缆进行有线控制，突破甲板面无法准确了解和控制海底作业情况的困境，实现对水下井口勘探和取芯的实时监视及控制。1

技术分析

1.1 总体结构

海洋勘察基盘是地质勘探和取样的关键装备，图1为基盘系统的组成结构图，主要由基盘本体、脐带缆绞车、中继箱、导向滑轮和集中控制台组成。其中基盘本体非工作状态时放置在甲板上，钻井取芯前通过月池下放到海床面，导向滑轮安装在钻机井架上，其余设备属于水上设备，放置在甲板上或者船舱内。基盘本体属于水下设备，如图2所示（去掉架体上部），具体包括架体、缆短接口、液压钳、水下液压动力站、配电单元、光电测控系统、水下传感器、水下摄像与照明设备等单元设备。

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1.基盘本体 2.导向滑轮 3.脐带缆绞车4.集中控制台 5.中继箱图1 基盘系统组成结构图 * z: K0 b3 D; e! V0 b2 h: K

1.架体 2.缆端接口 3.光电测控系统 4.配电单元5.液压钳 6.水下液压动力站 7.水下传感器图2 基盘本体结构图1.2 工作原理司钻房内安装集中控制台，对基盘系统进行控制和操作，配置操作面板、触摸显示屏和监控软件等。具体包括勘察基盘钻杆夹持钳动作和设备供电通断等控制，视频图像与设备工作参数等的实时显示。若直接将690 V船电传输到水下，线缆功率损失近20%，损失偏大不宜采用。采用升压至1050 V后传输，中继箱位于脐带缆绞车附近，进行变压供电和监测。船电先进入中继箱，经变电处理再连接至脐带缆，脐带缆作为供电与信号传输的通道，与水下基盘的缆短接口连接，分出水密电缆和水密光缆，水密电缆服务于水下供电单元及设备，水密光纤则进行信号传输，包括控制信号、视频信号和传感器信号等。基盘本体则是基盘系统的核心单元，架体提供单位设备安装基础，再通过配电单元、液压泵站和测控系统等单元设备，实现液压钳的夹持、视频信号和设备状态信号反馈等功能。1.3 技术参数勘察基盘系统主要技术参数见表1。表1 主要技术参数

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关键方案设计及特点

2.1 水上设备单元1）集中控制台如图3所示，集中控制台由电源、工业计算机、触摸屏、操作面板、操作处理机、视频采集模块、通讯模块、光电转换模块和预留接口RS232组成。光纤是来自脐带缆的4路光纤，用于水下单元传输信号和视频等，信号电缆则来自中继箱的供电监控环节，传送急停等控制信号，以及供电运行实时参数。各种信息与数据汇集到集中控制台，由工业计算机运行监控软件集中处理并实时显示。通过监控软件可轻松全面掌握勘察基盘的设备信息、工作参数和监控视频图像，对监控视频还可实现抓图，存储记录等功能。操作面板主要安装水下各设备的电源通断控制按钮、钻杆夹持钳动作按钮、电源/供电/急停按钮开关、水下照明控制按钮、摄像头的通断电按钮等。为满足扩展井口信息监测的需要，在通讯模块中预留了1路RS232接口，可直接与井口监测专用设备对接，实现井口信息扩展监测。

图3 集中控制台组成框图2）中继箱中继箱的配置设计是基于船上用电规范而考虑的，将强弱电分开，强电不进仪器房。甲板配电与监控均在中继箱内实施，面板如图4所示。主要由电源开关、漏电保护、电源缺相及相序保护、紧急电源切除保护、供电电压及电流监测、三相升压变压器、单相降压变压器等组成。鉴于船电为690V，而中继箱内器件需用220V电源，因此设置一个降压变压器，将690V电压降压至220V。 ) _- Y8 K/ s' N/ e+ l

图4 中继箱面板图  3）脐带缆绞车脐带缆绞车用于实现光电复合脐带缆的收放，满足在收放过程中实时传输视频信号及电气设备动力传输的要求，是水上和水下单元的传输和通信纽带。如图5所示，主要由绞车本体、光电复合滑环、光电复合脐带缆、水密接头（插接件）和接线箱等组成。脐带缆绞车具备张力保护功能，光电复合脐带缆终端与水下基盘缆短接口相连，自适应水下基盘的收放，保持光电复合脐带缆始终处于张紧状态。采用电驱动形式，设置排绳装置，避免脐带缆因乱层相互挤压而导致光电复合脐带缆损伤及无法收放，脐带缆绞车可在本地及司钻房内远程控制，具有恒张力调节显示、下放及提升张力检测、绳长及绳速检测等功能。 3 z1 F2 q( ?2 W* _

图5 脐带缆绞车实物图2.2 水下设备单元1）基盘架体及缆端接口基盘架体由底座、框架、滑轮架3部分组成，三者之间用螺栓连接，滑轮架设计在基盘顶部，并设置防泥装置，基盘底座设计海水入排孔。考虑应对软泥质海底沉降问题，底部设计安装缆短接口、配单单元、水下液压动力站、光电测控系统等设备的安装基座及挡泥板。基盘在拆除钻杆夹持器后，能搭载CPT等水下设备主体部分。缆端接口包括橡胶护套、承重接头、万向节、光电分离盒。缆端接口是重要的缆端水下配套设备，不可或缺。其中光电分离盒是缆端接口的重要器件，负责将光电复合缆中的电缆和光纤缆分离出来，其内部充油密封，并设有水深压力补偿保证缆端安全。2）配电单元如图6所示，高压三相电经过光电复合缆传输至缆端接口，经缆端接口分离成光纤缆和电缆。其中电缆再连接至水下供电舱，供电舱内装有为水下测控系统供电的降压变压器，可输出220V电源，鉴于此降压变压器是在水下使用，故使用油浸散热形式。降压变压器安装在充满变压器油的密封罐体内，变压器产生的热量将由变压器油传导到罐体上，再由罐体将热量散至海水中，以保证降压变压器不至于过热。供电舱与泵站电机间通过电机开光舱控制，避免大电流通断导致的强电磁干扰，还可以独立控制泵站电机的供电通断。供电舱和泵站电机舱是一个充油密封罐体[10]，外接有压力补偿器，罐体两端用水密电缆及接头引出电源，并装有补偿报警检测传感器。 1 ]% I# U1 {8 `' B2 N% c

图6 配电单元流程框图3）液压钳液压钳用于钻杆夹持，采用V型卡钳，适用于直径130～200mm的钻杆，依靠液压动力推动油缸实现夹持和松开，如图7所示，配有安装基座、夹持执行油缸、电控液压阀、压力检测传感器等。液压钳的两端分别安装2路位置检测传感器，检测油缸活塞杆伸缩状态，以反馈动作到位信息，确保夹持动作的可靠性。在夹持状态下，液压钳对钻杆所产生的摩擦力为150 kN，大于基盘重量（自重+配重），保证紧急状态下可通过钻杆回收基盘。 # ^) w! I; @8 @) j2 C2 T

图7 液压钳结构图4）水下液压动力站液压动力站为液压钳的执行提供驱动力，从而实现钻杆的夹持和松开，系统额定工作压力25MPa，电机供电电压1050V。如图8所示，由阀组舱、泵站电机舱和液压油箱3部分组成，主要包含电机、液压泵、油箱、蓄能器、阀组、压力补偿器以及报警传感元件等。液压油箱配置可上下伸缩的皮囊，起到油缸夹持和松开动作的缓冲作用，同时设置膨胀报警开关，避免超出皮囊伸缩极限而损坏。通过操作换向阀来控制液压钳的夹持和松开，采用集流分流阀来实现两组油缸的同步移动，液压泵出口端配置蓄能器，既可减小油压波动，也可用于紧急状况下的液压钳松开，如动力失电或者液压系统故障。阀组舱和电机舱均充满液压油，且配置压力补偿器，平衡舱体内外压差及报警检测。 

1.电机 2.液压泵 3.油箱 4.过滤器 5.换向阀 6.电磁阀 7.溢流阀 8.蓄能器 9.膨胀报警开关 10.压力传感器 11.集流分流阀 12.液控单向阀 13.压力补偿器图8 液压动力站原理图5）光电测控系统 " r3 q" P. f0 a% ?) K

光电测控系统是信息采集和控制枢纽，是实现基盘监控和液压钳动作的关键组成部分，与集中控制台相连并受其监控，如图9所示，主要包含测控舱、传感器和摄像照明设备。测控舱为干舱设计，壳体满足1200米水深耐压及密封要求，是测控系统的核心单元，其内装有电源模块、数字量模块、模拟量模块、供电检测模块、水下光端机、通信模块、继电器板等，传感器和摄像照明设备均通过水密电缆和插件与测控舱连接。

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图9 光电测控系统结构图电源模块由供电舱提供220V电源，将电源变换成系统各部件所需要的其他直流电源电压，光电转换模块主要功能是将从缆端接口分离出来的光纤中传输的光学通信信号转换为电信号，方便后续电子设备处理。通讯模块提供RS232/RS485通讯接口，可满足8路串口通讯的需要。视频处理模块是将勘察基盘寻址摄像头和井口监测摄像头的视频图形信号，接收并处理送至通讯模块，再传至光电转换模块，再经光纤传递至集中控制台实时显示并处理，同时由硬盘录像机保存记录。3

厂内试验及现场应用

3.1 厂内试验如图10所示，勘察基盘在单根钢丝绳的作用下，进行了起升下放试验、平衡配重试验和液压钳夹持试验。钢丝绳穿过顶部滑轮组，同时调整配重块位置及数量，测量地面4角的对地高度，测试基盘在提升下放过程中的自平衡能力。采用试验钻杆来测试液压钳的夹持和松开动作，同时在夹持状态下提升钻杆，通过夹持摩擦力来提升基盘，检测液压钳的轴向力是否满足要求。 , Q" x" C3 s" t3 T+ {% s

图10 基盘提升及配重测试如图11所示，对光电测控系统进行联调测试及测控舱耐压密封测试，检测供电状态、通讯状态、传感器信号以及照明摄像单元反馈等是否正常，测试结果均满足设计要求。

图11 光电测控系统测试界面3.2 现场应用基盘系统配套于海洋地质十号勘察船，随船进行了10余次的钻探作业，如图12所示，基盘从月池口下放到海床，配合钻井系统和取芯工具进行钻探及取样，在南海三亚附近水域（浪高1.5m，水深105m），采用动力定位，顺利获得180余m的取芯样品，操作台集中监控、脐带缆绞车恒张力收放、中继箱供电和光电测控系统监控、液压钳夹持等功能均满足设计要求，图13为司钻房内集中控制台监控界面，实时显示井口和海底视频、液压钳夹持、传感器信号数据以及设备状态参数等。

图12 基盘月池下放现场图

图13 集中控制台监控界面4

结论

(1) 该勘察基盘系统采用高压输电、深海电液复合技术、恒张力绞车技术和水下压力补偿等关键技术，实现了钻探取芯的井口全过程监控，相比传统声呐控制技术[11]，具有可视化、多传感信号和高稳定性等特点，有效保障了勘探取芯的成功率。（2）光电测控系统直接安装在勘察基盘上，采用光电复合缆实现供电与信号传输，控制信号、视频信号及设备状态均通过复合缆中的光纤进行传输，信号传输稳定、响应快。液压钳具有应急释放功能，当监控装置发生电力、液压或者通讯故障时，可实现液压钳的松开功能。（3）设置压力补偿器和泄漏传感器，补偿密封舱体内外压差，确保舱体内外压力相当，从而降低了密封舱设计要求，当出现泄漏报警时关闭供电系统并对设备进行维修，防止舱内元件因突然进入海水造成短路及元器件损坏等问题。（4）鉴于海底钻探取样的特殊工况，存在诸多不可见和不可控现象，海底基盘可视化、多传感信号、水下动力控制、光电液复合通讯及控制是未来发展需求，同时在操控性、维护性、稳定性和与其他设备的配合度方面也提出更高的要求，建议后续进行3000米级别的基盘系统可视化监控技术研究。

参考文献

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