深海平台发展

深海平台发展（通用4篇）

深海平台发展 篇1

一、前言

能源危机是当今人类面对的最大挑战，人类对石油的需求量日益增大以及陆地石油和天然气资源的骤减，使得越来越多的国家将目光投入到海洋，因此海洋资源的开发日益重要。目前已探明的海洋石油、天然气储量的80%以上在水深500m以下的深海区域，且全部海洋面积的90%以上水深在200到6000m之间。故深海平台技术已成为国际海洋工程界的一个热点，由此衍生出新的深海平台结构。我国目前海上油气资源的开发都处在浅海海域，对深海海域的勘探和开发仍处在研究阶段，因此因地制宜地发展适应我国海况的深海平台迫在眉睫。

二、海洋平台的发展简史

1. 第一座水上平台

1891年，美国开采石油的热潮在俄亥俄州圣玛丽斯镇极速蔓延，然而这不久就在格兰德湖中断。格兰德湖的水深只有3m，当时困扰钻井团队作业的并不是如何建造平台，而是如何使钻头正常工作。由于当时石油工业中使用的还是冲击钻，在水中冲击钻无法像在陆地上一样正常工作。工程师用一根密封性较好的管子插入湖底，并将管中的水抽干，这样就可以使钻头像在陆地上一样的工作了。随后，他们将木桩打入湖底作为支撑，开始在水上建造木质平台和钻台。

2. 导管架平台

二十世纪三十年代，石油勘探者开始将目光转向海洋。通过在海床上打下木桩铺甲板建造平台的方式行不通了，在深海中从漂浮的船上无法将桩打入确定的位置，难以放置安装平台的甲板，于是钢结构的导管架平台应运而生。工程师们用空心钢建造了一个高度、刚度、稳定都足以用来安装平台的大型钢架，并将它放到指定位置，这种运用钢的方式十分巧妙，用其可以引导工人精准的打桩。由于稳定性好，刚度大，受季节和气候的影响较小，抗风暴的能力强，因而被广泛使用，不论从设计理论还是从建造技术来看，它都是一种最成熟通用的平台形式。

3. 张力腿平台（TLP平台）

1954年，美国R.O.Marsh率先提出采用倾斜系泊索群固定海洋平台的方案，被誉为张力腿平台的鼻祖。在各国学者对张力腿平台的理论研究和试验探索下，取得了巨大的进展。CONOCO公司于1984年在北海157m深的Hutton油田安装了第一座张力腿平台。这种平台用料少，作业水深大，适用于深水域，而且平台的固有频率远远大于波浪频率，所以平台的摇摆不会对人员健康和生产作业有明显的影响。随着科技的发展和工程探索的进步，ConocoPhillips公司在1425m的深海中成功使用了张力腿平台，也是目前张力腿平台工作水深最深的平台。

TLP平台紧密结合实际需要，致力于发展出适合不同水深、油田规模的平台类型。

4. 半潜式平台

上世纪八十年代，墨西哥湾的石油热潮逐渐消退。墨西哥湾的石油被开采近40年，海岸周围的油气资源几乎枯竭。但美国的桥牌公司决定放手一搏，将目光投到更深的海域，并在近900m的深海发现了奥格油田。此时传统的依靠支柱固定的平台已不适用。工程师用巨大的空心钢结构取而代之。这种平台由平台本体、立柱和下体这三种结构组成。此外，在各个结构之间还有一些支撑与斜撑连接。这样平台工作时阻力减小，既方便工作又省时省力。同时减轻波浪的冲击和扰动力。

2008年我国首座自主设计、建造出第六代深水半潜式钻井平台，“海洋石油981”。它是我国海洋工程装备制造业标志性工程、国家科技重大专项标志性装备之一，是中国海洋石油总公司主力设计的，也是世界上第一台能够适应南海恶劣海况并抵御特级台风的平台；选用DP3动力定位系统，能够定位到1500米深水域，入级CCS（中国船级社）和ABS（美国船级社）双船级。

5. 深水浮筒式平台（SPAR平台）

上世纪末，Spar平台开始被广泛应用于人类开发深海的事业中，担负了钻探、生产、海上原油处理、石油储藏和装卸等各种工作，SPAR平台的适应水深为600m到3000m，直径为30m到40m，吃水200m左右。由于吃水深、水线面积小，垂荡运动比半潜式平台小，与TLP平台相当，但经济成本远远低于TLP平台。同时，还拥有着媲美FPSO（浮式储油卸油装置）的储油能力。

三、深海平台未来发展趋势

海洋钻井平台将向高可靠性、自动化方向发展。适应各种复杂的海洋作业环境的同时要提高平台作业效率，降低劳动强度及减小手工操作的误差，海洋装备的自动化、智能化控制技术已得到较好的应用。但对发展中国家而言，尚需对DP3定位系统、自动化管子处理系统以及海洋水下设备工具等做进一步研究。

多功能半潜式钻井平台是当前深海平台研究和设计的一个主要方向。其适应水深范围达3000m；钻机钻井深度6000到10000m。多功能半潜式平台不仅可用作钻井平台，也可用作生产平台、起重平台、铺管平台、生活平台以及海上科研基地，具有多种作业功能，适用范围越来越广。

深水浮筒式平台（SPAR平台），作为一种较为新式的平台，也渐渐在深海石油开发钻采中崭露头角。位于墨西哥湾的佩尔迪多钻井平台，由45000吨钢铁打造而成，能钻探到海床下方近三公里深处，是世界上最先进的石油钻井平台。其独特的中空钢管结构和在水下圆立柱上安装的一系列薄钢板结构，使其可以不惧墨西哥湾强劲危险的洋流，稳定而安全的在指定海域作业。SPAR平台必将在未来的深海石油工程中大放光彩。

四、结论

我国南海油气资源储量很大，目前在中国南海地区的大多数国家均有油气发现，估计探明的石油储量约77亿bbl，天然气储量约4.36万亿m3，石油产量约175万bbl/d，天然气产量约710.33亿方。基于现状，我国必须加快中国南海油气资源的勘探开发，但这一海域水深均在500～2000m，而目前我国还不具备在这样水深海域进行油气勘探和生产的技术，因此迫切需要发展深海油气勘探和开发技术，形成国内自主研究、设计、制造和安装能力的综合能力，同时进行新型Spar平台或其他新型深水平台的自主研发。

而我国的设计理念已达到世界前端水准，但在平台的焊接工艺、钻采作业设备是与国外一流公司还存在着很大差距，急需进行变革。然而深水技术的研究涉及的范围广，投入高，风险大，因此必须将企业和高校及科研院所联合起来，集中力量、加大投入，围绕关键核心技术问题，提前入手，开展相应的研究，探索适合我国南海的深海海洋平台。

摘要：对深海平台的发展历程进行了总体回顾,主要介绍了第一座水上平台、导管架平台、张力腿平台、半潜式平台、深水浮筒式平台的发展过程,分别对这几种平台的结构形式、主要特点、应用状况进行了陈述。最后对深海平台发展趋势作了推测,探讨了我国发展深海平台的必要性。

关键词：深海平台发展,导管架平台,张力腿平台,半潜式平台,深水浮筒式平台,发展趋势

参考文献

[1]董艳秋.深海采油平台波浪载荷及响应天津大学出版社,2005.

[2]吴子全,李怀亮,于文太,秦立成.浅谈深海平台发展现状[C].海洋石油工程股份有限公司安装公司,天津,300452.

[3]张智,董艳秋,唐友刚,等.1990年后世界TLP平台的发展状况.中国海洋平台,2004,19(2).

[4]晏绍枝,李浪清,黄映城.海洋石油981超深水钻井平台钻井模块的优化布置设计[M].中海油深水钻井船工程项目组.

[5]李志强.浅谈海洋钻井平台技术现状与发展趋势[A].海洋钻井公司胜利六号平台,1009-914X(2013)02—0018-01.

[6]王立忠.论我国海洋石油工程技术的现状与发展[M].中国海洋平台,2006,21(4).

[7]谢彬,张爱霞,段梦兰.中国南海深水油气田开发工程模式及平台选型[J].石油学报,2007,28(1).

深海技术与可持续发展 篇2

1 国际深海资源发展趋势

随着《联合国海洋法公约》的生效和200海里专属经济区制度的建立, 处于大洋深处而属于全人类共同继承财产的国际海底区域, 正以其广阔的空间、丰富的资源和特殊的政治地位日益成为各国关注的重要战略区域[3]。深海海域蕴藏着丰富的国家经济发展和国防建设不可或缺的重要战略物质。其中, 多金属结核、热液硫化物、深海石油、“可燃冰”和深海生物基因等都是世界各国激烈争夺的高价值深海自然资源[4,5,6]。

1.1 多金属结核

多金属结核分布于水深4 000～6 000 m海底, 富含铜、镍、钴和锰等金属的多金属结核 (图1) , 具有商业开发价值的储量多达700亿t, 它含有70多种元素, 其中镍、钴、铜、锰的平均品位分别为:镍1.3%, 钴0.22%, 铜1%, 锰25%, 其总量分别高出陆上相应储量的几十倍到上千倍, 具有很高的经济价值。

1.2 热液硫化物

热液硫化物分布于水深800～3 500 m海底大洋中脊和断裂活动带的海底热液硫化物及分布于水深800～2 500 m海底山表面的富钴结壳 (图2) 。主要元素为铜、锌、铁和锰等, 另外银、金、钴、镍和铂等也在一些地区达到工业品位。从海底热液矿床的产出及开采看, 它与锰结核或钴结壳相比, 具有水深浅、矿体富集度大、易于开采和冶炼等特点。

1.3 富钴结壳

富钴结壳分布于水深800～3 000 m的海山、岛屿斜坡上 (图3) 。富含钴、镍、锌、铅、铈、铂和稀有地质元素 (REE) 等金属, 其中钴的含量为0.4%～1.2%, 是多金属结核钴含量的4倍以上。钴平均含量较陆地原生钴矿高几十倍, 铂平均含量高于陆壳80倍。

1.4 深海石油

据统计, 世界海洋石油资源量占全球石油资源总量的34%, 蕴藏量约1 350亿t, 其中已探明储量的为380亿t。目前, 全球已有100多个国家在进行海上石油勘探, 其中进行深海海底勘探的有50多个国家。

1.5 海底“可燃冰”

海底的天然气水合物“可燃冰”, 是一种由碳氢气体与水分子组成的白色结晶状固态物质, 外形如冰雪, 普遍存在于世界各大洋沉积层的孔隙中。根据国际天然气潜力委员会的初步统计, 世界各大洋天然气水合物的总量换算成甲烷气体, 大约相当于全世界煤、石油和天然气等总储量的两倍。被认为是一种可供21世纪开发的新型能源。20世纪80年代以来, 俄罗斯、美国、加拿大、德国、荷兰、日本和印度等国都在天然气水合物研究方面给予高度重视, 已着手安排全世界海洋沉积物上层研究计划。

1.6 海底生物基因

深海生物物种丰富, 功能各异, 它处于独特的物理、化学和生态环境中, 在极微弱的光照条件下, 形成了极为独特的生物结构、代谢机制, 体内产生了特殊的生物活性物质。例如, 嗜碱、嗜热、嗜冷、耐压和抗毒的各种极端酶。这些特殊的生物活性物质是深海生物资源中最有应用价值的部分。深海生物因其资源在工业、医药、环保和国防等领域都将有广泛的应用。目前国际上深海生物基因资源的应用已经带来数十亿美元的产业价值。海洋科学家发现, 在世界最深的1.1万多m的马里亚纳海沟也有生物存在。深海生物基因作为一种新型的生物资源已经引起国际社会的广泛关注。

美国、俄罗斯、日本和法国等国家为抢占深海资源, 掀起了愈演愈烈的“蓝色圈地运动”, 新一轮“圈地”运动在“区域”法律制度框架下展开。

2 深海技术国内外发展现状

世界各国所开展的“蓝色圈地运动”占有了自己所属的国际公海海域以后, 深海资源的勘查开采任务需要由深海技术做支撑。目前的深海技术主要包括深海运载技术、深海采掘设备技术、长距离水声通信、高精度深水定位技术和遥测遥控系统集成技术等在内的深海高技术群, 已成为与航天技术并驾齐驱的高技术领域。深海技术的每一项关键技术都不是孤立存在的, 深海潜水器几乎集成了深海技术的所有关键技术, 下文将重点从世界各国在深海运载技术即深海潜水器方面的进展展开综述。

深海潜水器又可称为智能水下机器人, 目前研究较多的包括AUV、ROV、UUV和载人潜水器 (HOV) 等, 每一类潜器又有其不同分类, 详细可参考文献[7]至文献[9]。目前, 世界各国都在努力发展深海潜水器技术, 抢占深海技术制高点, 即深海潜水器发展技术水平是衡量一个国家深海技术的主要标志, 也体现着一个国家对深海开发和利用的综合实力。

2.1 深海技术国外发展现状

21世纪是海洋世纪, 人们在探索遥远空天的同时, 发现了广袤的深海所蕴含着的巨大的战略资源, 世界各国将目光关注到深海高技术的发展上, 许多国家政府竞相投入巨资发展深海潜水器技术, 沿海各国政府积极调整海洋政策, 优先发展深海高新技术, 以加快本国海洋开发的进程。深海开发、深海潜水器技术成为国际事务的热点领域之一, 众多沿海国家将海洋技术的发展列为新世纪重要战略任务[10]。

美国、日本、俄罗斯和法国等国家已掌握4 500 m 以下深度的载人潜水技术;超过6 000 m深海区域资源的测量、探矿、运输和开发技术也取得巨大突破。深海运载技术和水声通信定位技术是目前最有现实应用价值的深海高技术领域。各国依托于各自的研究所或设计局等专门机构, 为深海潜水器的研发、维护及功能保障发挥着重要的作用。如表1罗列了目前国际上在载人深海潜器方面走在前列的几个国家所研制的代表性潜水器及其主要用途。

2.1.1 美国伍兹豪尔海洋研究所

美国在深海技术方面的发展以伍兹霍尔海洋研究所 (WHOI) 为主, 自1964年由伍兹霍尔实验室成功研制 “阿尔文” (Alvin) 号载人潜水器以来, 已经成为目前下潜次数最多的载人潜水器, 该潜水器主要执行海洋科学研究、海洋资源勘探、海洋环境监测、海洋生物和军事应用等下潜任务。

除此之外, 6 000 m水下遥控机器人 (ROV) Jason II、6 000 m自治水下机器人 (AUV) ABE以及深海水下拖曳观测系统等都在深海调查和研究中发挥着重要的作用。为了满足未来深海资源勘探开发、军事应用的需要, 并力图抢占深海技术制高点, 美国政府决定再建造一艘潜深为6 500 m的“新阿尔文”号载人潜水器。该潜水器的有效载荷、电池容量和机动性能将会有很大提高, 并配有先进的导航设备和图像采集显示系统。为完成海洋发展战略, 伍兹霍尔海洋研究所建设了世界上最著名的大深度潜水器基地, 整合集中了美国海岸警卫队、美国地质调查局、国家海洋渔业服务局、海洋生物实验室和海洋教育协会等多家研究和教育机构的装备和研究力量。

2.1.2 俄罗斯希尔绍夫海洋研究所

尽管俄罗斯陆地资源十分丰富, 但其在国际海底区域资源勘察与技术储备方面的工作从未停止, 继1987年第一个向联合国提出多金属结核矿区申请后, 1998年又率先向管理局提出了制定其他深海资源制度的协议。在深海高技术方面, 一直处于领先地位。除前苏联在20世纪80年代研制的“和平一” (Mir I) 号和“和平二” (Mir II) 号深海载人潜水器外, 20世纪90年代末俄罗斯又完成了“俄罗斯号” (RUS) 和“领事号” (CONSUL) 深海载人潜水器的制造。

目前俄罗斯已利用深海载人潜水器对海底热液硫化物、海底生物及浮游生物和大洋中脊水温场等进行了调查、取样和测量, 并对1989年俄罗斯海军失事的“共青团员”号核潜艇进行了核辐射现场检测。2007年8月2日, 俄罗斯“和平一号”抵达4 261 m深的北冰洋海底, 插上了一面钛合金俄罗斯国旗, 这是人类首次进入北冰洋洋底。目前俄罗斯正在研究超万米级的深海载人潜水器, 以确保俄罗斯在深海技术领域的领先地位。

2.1.3 日本国家海洋科技中心

从1985年开始, 历时5年, 日本成功研制极限深度为6 500 m的“深海6 500” (Shinkai 6 500) 号载人潜水器。通过下潜调查, 日本在多金属结核、热液矿床和钴结壳等领域取得了长足发展, 同时“深海6 500”号载人潜水器还发现了许多典型的深海生物群, 掌握了300～6 000 m不同深度海洋生物的分布情况, 确立了日本在海洋生物研究方面的领先优势。“深海6 500”号载人潜水器隶属于日本国家海洋科技中心 (JAMSTEC) , 并成立了专门的维护、维修及日常管理机构。日本政府投入巨资支持日本海洋科技中心 (JAMSTEC) 的发展, 该中心开发的无人遥控潜水器深度已达11 000 m。日本对可燃冰开发技术的储备与发展, 使其有可能在21世纪从能源进口国转为出口国。

2.1.4 法国海洋开发研究院

法国海洋开发研究院 (Ifremer) 于1985年成功研制下潜深度为6 000 m的“鹦鹉螺” (Nautile) 号深海载人潜水器, 该潜水器不仅可以进行多种海底样品采集等复杂的作业任务, 还能随时获得装备所处的精确位置。利用它已经对多金属结核区域、海沟及深海海底生态等进行了调查, 并对沉船和海底有害核废料等进行了搜索。

另外, 韩国等国家在深海资源开发方面也不示弱, 近年来不断加大深海资源开发投入力度, 于1998年研制成功了6 000 m水下无人机器人, 正在太平洋有关国际海域进行热液硫化物和富钴结壳矿区的选区调查。为了抢占深海开发领域的制高点, 对于海洋的一些重大科学问题, 包括全球海洋观测、海洋科学钻探、热液海洋过程及其生态系统、海洋生物多样性等“海洋大科学”课题。研究十分活跃, 这些课题的成果对于揭示生命起源、宇宙起源、人类起源 (海洋人类学) , 研究气候变化、生物多样性、海洋健康和废物清除及防灾减灾等, 具有重要的科学和现实意义。

2.2 我国在深海技术方面的发展现状

我国自20世纪70年代开始进行远洋科学勘查、国际海底区域资源勘探和深海环境调查研究等工作, 在党中央、国务院对国际海底区域资源勘探开发工作的高度重视下, “九五”和“十五”期间, 深海技术的研究、开发和应用取得了显著成效。国家“十一五”规划将海洋作为一个单独的领域设置立项, 设置了海洋安全环境监测保障技术、海底资源的开发技术和海洋生物技术三大板块, 其中深海开发技术得到空前发展。

2.2.1 我国在深海技术方面取得的成绩

在各相关科研部门的密切合作下, 我国在深海潜水器等深海仪器研发方面取得了长足的进步[11]。短短十几年, 我国深海潜水器完成了从无到有的历史跨越, 研究与制造水平已跻身于世界先进行列。先后成功研究制造了QSZ-I型常压潜水装具、QSZ-II型常压潜水装具、8A4缆控水下机器人、“探索者”号无人无缆自治水下机器人、6 000 m无人无缆自治水下机器人 (CR-01) 和“蛟龙”号7 000 m载人潜水器等深海作业工具。其中“蛟龙”号载人潜水器是目前为止世界上能够到达海底最深的载人潜水器。这台潜水器总体技术指标达到国际领先水平, 向世界展示了我国科学技术的实力, 可使我国的深海调查能力范围覆盖世界99%以上的洋底, 将在21世纪我国研究开发国际海底资源的事业中发挥不可替代的作用。

2.2.2 我国深海技术与国际上存在的差距

我国在深海技术和设备研制方面取得了较大的进步, 但由于深海事业起步时间较晚, 和国外先进国家尤其是美、欧等国差距较为明显, 大体可以概括为以下7个方面[12]。

(1) 我国目前已经自主研发的深海仪器设备, 品种较少, 且设备的稳定性、可靠性及标准化等指标有待进一步完善和提高。大多设备处在实验室实验研究阶段, 需要进一步通过屡次海试加以技术指标及性能上的改进和升级。

(2) 深海仪器仪表研发自主创新能力不够, 深海技术缺乏创新性, 大多数深海仪器设备或技术处在引进再消化吸收阶段。例如, 对于长距离高精度超短基线定位系统和高精度多波束系统等国外禁运的高、精、尖海洋科技设备, 国内的研制水平相对较低, 精确度和稳定性相对欠缺。所以, 这更迫使我们必须发扬艰苦奋斗精神, 实现海洋高端设备的自主研发与创新。

(3) 深海技术研发力量大多集中在高校及科研院所, 深海技术研发单一依靠政府投资, 在政府不断扩大投资力度的基础上, 未能将深海技术研发与市场机制有效结合, 参与深海仪器研发的公司企业较少, 且各单位之间技术分布较为分散, 较难形成市场促进体制, 深海仪器设备产业化程度不高。

(4) 缺乏以深海研究为主的基地, 国际间合作不够, 深海开发未充分与地球及海洋科学结合起来, 缺乏相关理论创新。深海基础理论研究薄弱, 深海高技术人才短缺, 创新团队较少。

(5) 我国对深海技术研发方面的重视程度还远远不够。“航天”和“下海”事业是国家的两项重大科技工程, 由于在航天方面大量的资金投入, 我国已具备了自主探测外太空的能力, 但对“近在咫尺”物产丰富的广袤深海的探测和认知却相当有限。相比于航天工程, 深海事业由于长期缺少投入, 与发达国家相比落后甚多。

(6) 除了深海技术装备整体研制和生产能力跟发达国家有一定差距外, 我国深海通用基础件技术较为薄弱。例如, 深海浮力材料、海洋工程材料、水密线缆、水下电机及水下通信等一系列相对低价但非常重要的基础材料和元器件, 我国几乎全部依赖进口, 严重制约了深海技术的发展。

(7) 海洋科学、深海技术宣传力度不够。国民的海洋意识较为淡薄, 认知度较低, 对于深海技术的了解更是少之又少。中国作为拥有14亿人口的大国, 人们对于航天事业的发展相对较为了解, 而却忽视了海洋事业以及深海技术同航天事业的同等重要性。

3 深海技术与可持续发展的关系

深海技术为海底资源的开发和利用提供了支撑保障, 合理地开发和利用深海资源, 应该处理好深海技术与可持续发展之间的关系, 包括深海技术的自我可持续发展和深海技术对国民经济发展及人民生活的可持续发展两个层面的含义。

3.1 深海技术的自我可持续发展

深海技术的自我可持续发展, 意在建立一套合理的深海技术发展体制, 提高深海技术自我持续发展的能力和国际竞争力。发展深海技术产业, 建立开放的深海技术研发、深海资源勘察公共服务平台, 以平台为轴心辐射国内外深海科研单位。做到国内深海技术研发各单位之间的优势互补, 重视深海技术研发部门之间的科研成果衔接和拓展, 从而推动深海技术的不断向前可持续发展。

3.2 深海技术对国民经济发展及人民生活的可持续发展

人类生活随着资源的日渐匮乏, 合理地开发和利用深海资源已是必由之路。我国沿海省市陆地面积占全国总面积的13.4%, 却承载着40.2%相对富裕的人口, 创造出占全国62%的国民生产总值, 根本原因得益于富饶的海洋资源宝库。

我国对于浅海资源的开发和利用技术已经相对较为成熟, 而对于深海的探索才刚刚起步, 所以, 大力发展深海技术, 有效和合理地开发深海资源, 把我国建成海洋经济技术强国、缓解我国在发展中所面临的人口、资源和环境方面日益严重的压力, 对我国实现社会经济的可持续发展, 把我国建设成社会主义现代化强国, 具有重要的意义和不可替代的作用。我国建成海洋经济强国的关键在于用高新技术改造海洋传统产业, 通过深海技术的发展来带动整个海洋事业的发展。

4 我国深海技术发展的几点建议

(1) 国家应高度重视深海技术研发工作。面对深海技术领域人才缺乏和设备落后等不利现状, 应该加大投入、加强领导、加强协调搞会战, 像重视航天事业一样狠抓深海技术工作, 要有强有力的政策保障和财力支持。

(2) 21世纪是海洋世纪, 同时也是尊重人才重视人才的世纪。应该大力引进深海技术领域的国外高级人才, 加强深海技术创新团队的建设。紧跟国际深海技术的发展潮流, 同时要具备自主创新能力, 建设一批产、学、研相结合的研究基地, 从而保障我国深海技术可持续发展。

(3) 在大力支持和发展深海潜水机器人的基础上, 整合国内资源, 形成国家竞争优势, 提高我国参与国际竞争的整体实力, 以国家已批复建设的国家深海基地管理中心为公共服务平台, 服务于深海潜水器的维修、维护和保障工作, 形成深海潜水器的集中研究力量, 从而使得科研力量辐射全国乃至全世界。以“蛟龙”号潜水器为特色, 以大项目带动相关技术的发展, 攻克深海技术难关, 提升我国在海洋科技开发与成果转化、海洋生态环境保护和资源开发与可持续发展等方面的能力。

(4) 借“十一五”海洋领域所取得的成绩和发展势头, 在“十二五”开局的前几年, 国家应进一步加大对深海技术研究领域的投资力度, 掀起国内深海技术领域研究更高的热潮。

(5) 加强国际合作和交流, 特别对于深海载人潜水器等高精尖设备的研发及业务化运行, 更应该积极吸收国外的先进技术和经验。着重加强国内深海技术科研院所的交流, 做到优势互补、群策群力, 为我国深海事业的进一步发展而共同努力。

摘要：文章在分析国际深海资源发展趋势的基础上, 综述了近年来国内外在深海技术方面的研究发展现状;进一步阐述了发展深海技术、开发深海资源对于可持续发展战略的重要意义;最后对我国深海技术的发展提出了几点建议。

关键词：深海资源,深海技术,可持续发展

参考文献

[1]宋瑞祥.21世纪资源环境科学面临的挑战[J].中国人口.资源与环境, 2001, 11 (1) :3-7.

[2]顾瑞珍, 俞菁.2010中国可持续发展战略报告[R].北京:中国科学院, 2010.

[3]武卫政.大力发展深海高新技术:访国家海洋局局长孙志辉[N].人民日报, 2006-01-26.

[4]中国国际工程咨询公司.国家深海基地项目一期工程可行性研究报告[R].2008.

[5]刘淮.国外深海技术发展研究 (一) [J].船艇, 2006 (10) :6-18.

[6]刘淮.国外深海技术发展研究 (二) [J].船艇, 2006 (11) , 18-23.

[7]徐玉如, 庞永杰, 甘永, 等.智能水下机器人技术展望[J].智能系统学报, 2006, 1 (1) :9-16.

[8]HYAKUDOME T, TSUKIOKAS, YOSHIDA H, et al.Autonomous underwater vehicle for surveyingdeep ocean[C]∥Proceedings of the 2009 IEEEIn-ternational Conference on Industrial Technolo-gy.2009.

[9]MANLEY J E.Technology development for oceanexploration[J].MITS/IEEE TECHNO-OCEAN, 2004, 3 (9-12) :1 701-1 705.

[10]李润培.海洋工程技术发展现状与趋势[J].船舶经济贸易, 2002 (4) :18-20.

[11]吴自军, 周怀阳.刍议中国国际深海资源开发中长期发展战略[J].国际海底开发动态, 2004 (1) .

深海平台发展 篇3

1 我国深海石油勘探的现状

国外的海洋石油工程业起步发展比较早, 目前国际上海洋石油工程业几乎被欧美日韩企业垄断, 相对来说我国在海洋石油工程勘探方面处于初级阶段, 与国际著名的海洋工程相比, 在规模、装备、技术和项目管理水平等方面都存在一定的差距经笔者总结, 现表述如下几点。

(1) 设备国产化程度低虽然我国在一些比较先进的油气工程装备方面己实现国产化, 但对工程装备的水平只停留在对基础零散件的制备上, 对于机器的配套组装技术还比较落后, 更不用说是对机器件的改造及设计了。机器设备的关键技术仍掌握在国外厂商的手中, 落后的技术水平和制造能力严重制约着深海石油规模的开发和勘探。据统计, 我国的海洋石油钻井平台的国产化率仅在30%左右, 70%的部分都是依靠国外厂商完成。国内自配套产品范围较窄, 性能和质量同国外有较大差距。此外海洋钻采装备的配套设备制造业严重落后, 关键的、主要的设备、部件全部依赖进口, 进口所用费用几乎占到设备建造费用的50%以上。

(2) 初步具备设计建造常规水深钻采装备的能力。一些关键设计建造技术还未能掌握, 在深水、超深水装备设计和建造上仍是空白。目前我国油气资源开发主要在200 m水深以下的海域, 深海平台技术研究尚处于起步阶段, 对于关键的技术仍然不能掌握, 还在研究试验阶段, 与世界先进的国家相比, 在技术上仍有很大的差距。要完成本国海域上深海资源的开发, 也不得不依靠国外的力量来合作开发。

(3) 海洋石油装备配套基础差、配套能力不足在石油钻采装备的配套基础方面我国无论从动力上、控制上及设备综合配套能力等多个方面与发达国家相比仍存在很大的差距。如在海洋钻井控制系统方面海洋钻井平台上使用的钻杆、隔水管、海洋水下设备自动输送、安装、起吊装置等, 国外使用历史均在10年以上, 而在我国至今仍处于分析研究阶段, 对一些装置的原理及结构仍不是很清楚。

以上是我国海洋石油工程建设中存在的问题, 这些问题直接影响我国深海石油开发的进度和能力, 在开采中应用国外的设备也使得大量的利益流向国外, 在一定程度上抑制了我国海洋工程的发展。

2 我国海洋石油装备发展展望

(1) 海洋平台装备发展展望随着现代高科技技术的发展, 石油的开采由陆地转移到海洋中, 在深海中为保证开采的安全性, 需要加大对科技力量的投入, 预计海洋钻井平台将会朝着可靠性、自动化方向发展。海洋开采与陆地相比, 环境恶劣复杂, 随时有风、浪等因素的影响, 故海洋油气能否顺利开发是以石油装备的可靠性为前提的。同时, 为了适应平台作业效率高效化的趋势, 降低工人的劳动强度及增加精确度, 海洋装备已向着自动化和智能化方向发展。新型的多功能海洋平台不仅具有钻井功能, 同时还具备修井、采油、生活和动力定位等多种功能。

(2) 海洋钻修井模块发展展望钻修机模块化设计已成为海洋钻修机产品设计的发展趋势, 当然也已经被各国工程技术人员所重视。目前海洋钻修井模块朝着高适应性、大功率及自动化控制等方向发展。我国海上油气田日益活跃的开发为海洋钻修机产业提供了广阔的发展空间, 未来我国海上油气田应根据实际装备条件、技术水平、作业费用等因素, 灵活选用合适的海洋钻修井机设备。我国海洋钻修井机产业应进一步提高海洋钻修井机装备的可靠性、先进性和经济性, 缩小与国外海洋钻修井机装备的差距。

(3) 海洋水下钻采装备技术发展展望海洋水下钻采装备主要包括海洋立管、水下井口、井控装置及海洋集输系统等。我国对于海洋水下装备的研究开发方面还处于初始阶段, 没有可实用的经验, 都要靠科研人员一步步的探索。虽然如此, 我国已初步具备了海洋水下装备的开发研制能力。在今后的5~10年内我国必将在海洋立管、钻井隔水管、水下防喷器等多个单元技术上取得重大突破, 同时也会在今后的10~20年全面实现海洋水下装置的国产化。

3 结语

近年来, 世界各国的石油科技都有了很大的发展, 我国的海洋石油勘探开发也进入了新的时代, 国家也加大了对海洋资源的勘探力度。当前我国虽然在海洋平台建造及技术研究方面做了大量工作, 取得了较好的成绩, 但是在海洋装备技术和开采水平方面与发达国家间还存在很大的差距。因此, 为早日让我国发展成世界海洋勘探石油装备的强国, 我们必须加快技术科研的步伐, 加大技术开发的力度。我们坚信经过几年的发展时间, 我国一定能够实现海洋石油工程行业的全面跨越式发展。

摘要：随着世界经济的发展, 能源需求不断增加。在市场需求压力和高油价的驱使下, 未来全球海洋油气勘探开发将继续较快增长, 投资不断增加, 海上油气产量继续增长, 勘探开采作业海域范围和水深不断扩大, 我国也加大了深海能源的勘探力度, 但与发达国家相比仍存在很大的差距。本文主要简述了我国深海石油工程行业的现状, 指出我国海洋石油装备技术与发达国家相比存在的差距或不足, 并结合当前实际, 从海洋平台装备、海洋钻修井装备、水下生产装备等3个方面, 对国内海洋石油装备技术的发展前景进行了展望。

关键词：深海石油勘探,海洋平台装备,海洋钻修井装备,水下生产装备,现状

参考文献

[1]廖谟圣, 杨本灵.世界石油设备发展的新特点及机遇与挑战[J].石油矿场机械, 2007, 36 (9) :126.

[2]黄悦华, 任克忍.我国海洋石油钻井平台现状与技术发展分析[J].石油机械, 200 7, 35 (9) :157-160.

[3]王定亚, 王进全.浅谈我国海洋石油装备技术现状及发展前景[J].石油机械, 20 09, 37 (9) :136-139.

[4]王传荣.世界海洋油气资源钻采设备发展现状与趋势[J].船舶物资与市场, 2006 (6) :213-215.

[5]王锦连.加快发展海洋工程装备做大做强我国船舶工业[R]“.世界海洋工程峰会.2009中国”, 2009, 6.

深海平台发展 篇4

全世界海洋的总面积约为3.61亿平方千米, 占地球表面积的71%。同陆地一样, 海底地壳中蕴藏着极其丰富的矿产资源, 包括石油、天然气、多金属结核、富钴结壳、热液硫化物、海洋生物、天然气水合物以及黏土矿物等, 这些资源具有重大的经济价值和战略意义[1,2,3]。在陆地资源日趋枯竭的今天, 人类越来越重视海洋资源的开发和利用。通常海底矿体的埋藏深浅不一, 且形态与硬度等方面也有很大的差异。海底地壳表面多为松软、硬度较低的矿产, 而有些矿体如热液硫化物等, 其埋藏深度浅的达十多米, 深的可达几十甚至上百米, 并且其品位、矿物成分等沿深度方向变化很大。

海底取样装备是开展海洋地质及环境科学研究、进行海洋矿产资源勘探和海底工程地质勘察所必备的技术装备[4,5,6]。人类自1872年首次对海底进行取样以来, 随着各国对海洋资源的日益重视, 深海矿产资源岩芯探测取样技术与取样装备得到了快速发展。目前, 已开发了多种可用于海底矿石样品采集的技术和装备, 主要有:冲击式取样器、压入和射入式取样器、重力活塞式取样器、箱式取样器等。以上取样装备结构相对简单且大多属于非可控式取样器, 主要应用于疏松的海底地层, 钻入地层的深度难以准确控制。对于凸凹不平的海底地质状况, 其取芯难度较大。对于像热液硫化矿、富钴结壳这类与岩石共生、赋存于海山岩石上的海底矿藏, 大多数情况下需要使用海底岩芯取样钻机才能进行钻探取样。

海底岩芯取样钻机一般按其钻深能力分类:钻孔深度小于5m的统称为海底浅孔岩芯取样钻机, 钻孔深度在5~50m的统称为海底中深孔岩芯取样钻机, 而钻孔深度在50m及以上的统称为海底深孔岩芯取样钻机。世界各国的海底岩芯取样钻机既拥有许多共同点, 又由于国情背景和设计理念的不同呈现出多样性。基于此, 本文首先对世界深海岩芯探测取样技术与装备的发展历程进行梳理;然后, 分别对海底岩芯取样钻机中的稳定支撑及调平技术、取芯技术、钻杆钻具接卸存储技术、液压系统与压力平衡技术、光纤动力复合电缆供电与通讯技术、下放与回收技术等关键技术进行分析;最后, 分析和预测了深海矿产资源岩芯探测取样技术与装备的发展趋势。

1 深海岩芯探测取样技术与装备的发展历程

1.1 深海浅孔岩芯探测取样技术与装备

1986年美国华盛顿大学委托威廉姆逊公司 (Williamson and Associates) 研制了世界上首台海底岩芯取样钻机[7], 该岩芯取样钻机适用水深为5000m, 钻深能力为3m, 钻孔直径为60mm, 岩芯直径为33mm, 钻头类型为孕镶金刚石的岩芯钻头, 钻机外形尺寸为3m (三角形底座宽) ×5m (高) , 外形如图1所示。

华盛顿大学海底3m岩芯取样钻机的特点如下:在稳定支撑及调平技术方面, 装备有3根液压驱动的可伸缩支腿, 操作者可单独控制钻机的每一条支腿, 最多可在15°范围内将钻机底盘调平;在取芯技术方面, 采用提钻取芯技术方案;在液压系统与压力平衡技术方面, 采用回路液压系统, 该回路包括由一台单相电动机驱动的两台油泵、八功能双向多路控制阀和比例控制多路阀, 各钻进功能、调平支腿和视频摄像机云台均由液压驱动;在光纤动力复合电缆供电与通讯技术方面, 船上操作者通过铠装同轴电缆的传感器信号遥控操作钻机, 从而实时无级调节钻头的推进力、转速、冲洗水的压力等;在下放与回收技术方面, 利用托马斯调查船 (R/V Thomas Thompson) 上标准的铠装同轴电缆实现下放和回收作业。随后, 俄罗斯、日本等国家也相继研制出本国海底浅地层岩芯取样钻机, 并投入到深海矿产资源岩芯探测取样科考工作中。

由于受西方国家对我国的技术封锁, 我国海底岩芯取样钻机的研制起步较晚, 但是通过科研人员的不懈努力, 于2000年成功研制出我国第一台深海浅地层岩芯取样钻机[8,9], 该岩芯取样钻机适用水深为4000m, 钻深能力为0.7~2m, 取芯直径为60mm, 钻机的外形尺寸为1.8m (长) ×1.8m (宽) ×2.8m (高) , 外形如图2所示。

我国深海浅地层岩芯取样钻机的特点如下:在稳定支撑及调平技术方面, 采用4条液压支腿调平技术, 可在20°范围内将钻机底盘调平;在取芯技术方面, 采用提钻取芯技术方案, 岩芯保压装置采用弹簧加活塞结构, 取样管外部包裹保温材料、内部设有恒温调节装置, 从而对岩芯起到保温的作用;在液压系统与压力平衡技术方面, 采用全液压驱动设计, 可大范围调节钻进参数, 从而提高对各种岩石的适应性。深海浅地层岩芯取样钻机采用蓄电池、逆变器和220V浸油三相交流电机作为动力源, 迄今已在海底钻取富钴结壳岩芯800多个, 成为目前世界上同类产品中在深海海底实钻取芯次数最多的设备。此后, 我国深海浅孔岩芯取样钻机经过数次升级改进, 形成了多种型号的系列产品。与华盛顿大学海底3m岩芯取样钻机相比, 我国研制的深海浅地层岩芯取样钻机不仅在岩芯直径尺寸、支腿调平的范围等方面都有较大的提高, 而且实现了对岩芯的保温取样, 这样更有利于地质学家对该海底地质情况的研究。

1.2 深海中深孔岩芯取样技术与装备

1996年日本金属矿业事业团MMAJ (metal mining agency of Japan) 委托美国威廉姆逊公司设计制造了世界上首台海底中深孔岩芯取样钻机BMS (benthic multi-coring system) [10]。BMS钻机的作业水深为500~6000m, 钻深能力为20m, 岩芯直径为36.4 mm以上, 其外形尺寸为4.42m (长) ×3.6m (宽) ×5.48m (高) , 外形如图3所示。

日本BMS钻机的特点如下:在稳定支撑及调平技术方面, 钻机的机架下端装有3个液压驱动伸缩支腿, 3个调平液压支腿的行程各为1m, 可在25°范围内将钻机调平。在取芯技术方面, 采用提钻取芯技术方案。在钻杆钻具接卸存储技术方面, 钻进时先由换杆机械手从旋转钻具库中取出一根空钻具置于动力头下方, 操作动力头使其转动, 实现钻杆与钻具丝扣连接;然后, 使动力头回转并下降, 使钻头钻入海底岩石;当动力头降至桅杆下端时, 由钻杆夹持器夹持钻具, 动力头反转卸开与钻具的丝扣连接。为了确保钻机在遇到卡钻事故时能安全返回船上, BMS钻机装备了声控弃钻装置, 可实现钻杆抛弃和钻机抛弃的双重安全事故逃生方案。在液压系统与压力平衡技术方面, BMS钻机采用全液压动力头结构设计, 调平支腿等均采用液压驱动方式。在光纤动力复合电缆供电与通讯技术方面, BMS钻机通过12 000m长铠装光电复合电缆连接水下钻机本体、水面控制与供电子系统, 钻机所需电力及控制信号通过铠装光纤动力复合电缆传输。在下放与回收技术方面, 由于BMS钻机没有采用专门的下放回收止荡装置, 所以其在机架外侧安装有橡胶缓冲器, 以避免下放回收时机架与船体刚性碰撞。

英国地质调查局BGS (british geological survey) 于2005年自行研制了海底中深孔岩芯取样钻机RockDrill 2[11], 它是目前世界上使用频率和钻孔成功率较高的一种海底中深孔岩芯钻机。RockDrill 2钻机适用水深为3100m, 单根取芯长度为1.5 m, 钻深能力为15 m, 岩芯直径为49mm, 外形如图4所示。

英国RockDrill 2钻机的特点如下:在稳定支撑及调平技术方面, 在机架对称的三边上装有由丝杆螺母机构驱动的三条调平支腿, 可在海底调平钻机;在取芯技术方面, 采用提钻取芯技术方案;在钻杆钻具接卸存储技术方面, 钻机的桅杆架位于机架的中心, 其两边各有一个单层的旋转钻具库, 每个旋转钻具库可提供10个钻杆容纳槽, 桅杆架前方装有两对换杆机械手, 同时负责两个旋转钻具库上钻杆钻具的存取及移位。RockDrill 2钻机携带机载彩色寻址摄像头, 可实时提供海底图像。为了使钻机在海底寻址时具有一定的机动能力, 在钻机下部机架内还安装了两个液压驱动的推进器。

我国在2008年初, 国家高技术研究发展计划 (863计划) 海洋技术领域启动了“深海底中深孔岩芯取样钻机的研制”重点项目, 目标是研制我国额定工作水深为1000~4000 m、岩芯直径为50mm、钻深能力达到20m的海底中深孔岩芯取样钻机, 我国中深孔岩芯取样钻机的外形尺寸为2m (长) ×2m (宽) ×4m (高) , 外形如图5所示。

我国海底中深孔岩芯取样钻机的特点如下:在稳定支撑及调平技术方面, 在钻机上装备有3根液压驱动的可伸缩调平支腿, 可在15°范围内将钻机调平。在取芯技术方面, 采用提钻取芯技术方案。在钻杆钻具接卸存储技术方面, 采用两个单排转盘式储管架, 分别存放钻杆和岩芯管, 每个储管架各附带一个机械手, 分别用于钻杆和岩芯管在孔口和储管架之间的移送和定位。当钻杆钻具接卸丝扣时, 在钻杆钻具夹具的配合下, 液压马达慢速正向或反向旋转, 同时配合以钻进动力头的慢速缓升或缓降, 实现钻杆钻具丝扣的拧或卸。此外, 该钻机还具备强力起拔、卸扣、液压及水压抛弃钻杆、声学弃钻四种事故安全逃生技术。在液压系统与压力平衡技术方面, 我国海底中深孔岩芯取样钻机采用全液压动力头结构设计, 同时采用了带有弹簧加压装置的皮囊式正压压力补偿器。在光纤动力复合电缆供电与通讯技术方面, 针对“大洋一号”科考船甲板配套设备的现状, 综合使用深海就地功率因素补偿技术、深海充油平衡式继电控制技术以及万米铠装光纤动力复合电缆高压供电。同时, 钻机的全部工作参数及状态信息, 包括多个海底摄像头彩色视频信号、钻进系统参数、液压系统参数、供电系统参数、钻机的姿态和离底高度等, 全部依靠机载传感器系统进行数据采集, 经机载计算机处理后通过万米光纤动力复合电缆向甲板操作计算机高速实时传递, 从而实现对钻机的实时控制。在下放与回收技术方面, 我国海底中深孔岩芯取样钻机利用母船上通用的铠装光纤电力复合电缆及绞车, 实现钻机的下放与回收。

1.3 深海深孔岩芯取样技术与装备

为探明深层地质的矿产资源的分布情况及海洋科学研究, 具备海深深度和钻进深度更深、岩芯直径更大、自动化程度及可靠性更高的海底深孔岩芯取样钻机应运而生。澳大利亚Benthic Geotech Pty Ltd公司委托美国威廉姆逊公司 (Williamson and Associates) 于2003年成功研制了世界上第一台海底深孔岩芯取样钻机PROD[12], PROD岩芯取样钻机最大作业水深为2000m, 最大钻深能力为125m, 沉积物压入式取芯直径为44 mm, 硬岩旋转钻进取芯直径为35mm, 钻机的外形尺寸为2.3m (长) ×2.3m (宽) ×5.8m (高) , 外形如图6所示。

澳大利亚PROD钻机的特点如下:在稳定支撑及调平技术方面, 钻机的机架底盘上装有三条油缸驱动展开式调平支腿, 可在海底实现钻机的调平。在取芯技术方面, 采用提钻取芯技术方案, 其第一代钻机PROD1虽然标称钻深能力强, 但由于提钻所需要的辅助作业时间太长, 事实上从未在海底实现过其标称的125m钻深, 并且其强大的钻深能力是以较小岩芯直径为代价的 (岩芯直径仅为35mm) , 这不利于取得高质量的岩芯样品。目前已经推出的第二代钻机PROD2和PROD3, 钻进深度减小到85m、岩芯直径加大到72mm。在钻杆钻具接卸存储技术方面, 由于钻具根数多, PROD钻机采用两个双层的旋转钻具库并列布置在机架一侧的布置方式, 两个旋转钻具库之间装有一对复合式 (直线伸缩+摆转移位) 换杆机械手, 用于钻杆钻具的存取和移位。在液压系统与压力平衡技术方面, PROD钻机采用全液压动力头结构设计, 应用油缸驱动调平支腿, 实现钻机的调平功能。PROD钻机通过光纤动力复合电缆连接水下钻机本体、水面控制与下放回收子系统两部分, 实现对钻机的供电、数据通讯及控制。在下放与回收技术方面, PROD钻机配备有专用下放回收装置, 用于避免与船体发生碰撞。

2005年德国不来梅大学Marum海洋环境科学研究中心成功研制了海底深孔岩芯取样钻机MeBo[13], 其适用水深小于2000m, 最大钻深能力为50m, 沉积物压入式取芯直径为84mm, 硬岩旋转钻进取芯直径为74mm (带套管) , 硬岩旋转钻进取芯直径为80mm (不带套管) , 其外形尺寸为2.3m×2.6m (支腿收回时) ×6.6m (高) , 外形如图7所示。

德国MeBo钻机的结构与澳大利亚PROD钻机十分相似, 只是钻深能力较PROD钻机钻深能力弱 (50 m) , 但MeBo钻机取芯直径较大 (80mm) , 大的取芯直径可有效保证岩芯样品的质量, 但大的岩芯直径也是以大的钻机质量 (10t) 和大的功耗 (130kW) 为代价的, 受到现有光纤动力复合电缆承载能力和供电能力以及母船甲板配套设备能力的限制, 致使其适用水深不超过2000m。MeBo钻机首台样机也采用提钻取芯技术, 但2007至2011年间MeBo钻机进行了绳索取芯技术改造并取得了成功, 使之成为世界上首台采用自动遥控绳索取芯技术的海底深孔岩芯取样钻机。经过绳索取芯技术改造后, MeBo钻机钻深深度也从50m加大到了70m, 其取芯效率得到显著提高。

美国SEAFLOOR GEOSERVICES公司委托PERRY SLINGSBY SYSTEMS公司于2006年成功研制了世界上最新一代海底岩芯取样钻机———ROVDRILL钻机[14]。该钻机分为基本型、M50型和M80型。其中基本型的工作水深为3000 m, 最大钻深为18 m, 岩芯直径为55.6mm;M50型工作水深为2200m, 最大钻深为55m, 岩芯直径为70mm;M80型工作水深与配套带缆遥控水下机器人ROV (remotely operated vehicle) 相同, 最大钻深能力为80m (可扩展到160m) , 岩芯直径为76mm。

美国ROVDRILL钻机与其他海底岩芯取样钻机不同, 其本身没有配备液压动力及供电、通讯系统, 它必须依附于强力作业型ROV系统, 借助于ROV系统的液压动力及供电、通讯功能而工作。

为紧跟国际先进的海底岩芯取样钻机研制的步伐, 2012年初在国家高技术研究发展计划 (863计划) 的支持下, 我国启动了“海底60m多用途钻机系统技术开发与应用研究”项目, 开始研制额定工作水深为1000~4000m, 岩芯直径为50mm, 钻深达到60m的海底深孔岩芯取样钻机系统。

2 深海岩芯探测取样钻机的关键技术

2.1 稳定支撑及调平技术

由于海底表面并不是平整的, 特别在热液硫化矿区, 海底地形地貌更是复杂。而且, 海底岩芯取样钻机不能像陆地钻机那样, 进场前先人工平整场地, 再通过地脚螺栓与地面固定。以现有的海底地形探测与定位手段, 可以事先测量并选定海底岩芯取样钻机着陆点较大尺度范围 (不小于10m) 的地形地貌, 但着陆点小尺度的微地形则需要钻机近底后通过寻址摄像信号目测确定。通常情况下钻机着底后都是倾斜及不稳定的, 这就需要依靠其自身的重量在海底坐稳。为了保证钻具能够垂直钻入海底地层, 海底岩芯取样钻机一般都设计了动力可调的支腿, 利用这些支腿起到底盘调平和稳定支撑的作用。对于具有钻杆接卸功能的海底岩芯取样钻机, 还要求机身在整个取芯过程中不发生明显的侧向滑移或机身姿态角的改变, 否则在钻具提出孔口后, 下一根钻具就有可能找不到原孔位或不能顺利放回原孔内。

海底岩芯取样钻机所使用的调平支腿形式可分为三种:油缸驱动直接伸缩式, 如日本BMS钻机、我国深海浅地层岩芯取样钻机;液压马达驱动丝杆螺母机构向外伸展式, 如英国RockDrill 2钻机、我国海底中深孔岩芯取样钻机;油缸驱动向外伸展式, 如澳大利亚PROD钻机、德国MeBo钻机。在以上三种调平支腿形式中, 油缸驱动直接伸缩式支腿的结构相对简单, 但调节幅度较小, 适用于本身重心较低、稳定性好, 不需要再向外扩展接地区域以增加钻机稳定性的海底岩芯取样钻机。液压马达驱动丝杆螺母机构向外伸展式支腿的调节幅度、扩展接地区域的能力、结构复杂程度、重量等方面都较油缸驱动直接伸缩式大一些。油缸驱动向外伸展式支腿不仅调节幅度大, 且能够大幅度扩展接地区域以增加钻机稳定性, 但结构较复杂, 而且整个支腿支撑部分的体积大、质量大。

2.2 取芯技术

海底岩芯取样钻机的取芯技术有两种方案:即提钻取芯方案和绳索取芯方案。提钻取芯方案的结构相对简单、设计难度较小、对传感器个数和精度要求相对较低, 同时, 提钻取芯方案可靠性高、机构便于实现自动控制, 因此在海底浅孔、中深孔岩芯取样钻机中应用广泛, 如华盛顿大学海底3m岩芯钻机、我国深海浅地层岩芯取样钻机、日本BMS钻机、英国RockDrill 2钻机、我国海底中深孔岩芯取样钻机、澳大利亚PROD钻机等。同时, 改造前的MeBo钻机以及ROVDRILL钻机中的基本型也采用提钻取芯方案。然而, 提钻取芯方案的缺点是: (1) 每钻2~3m就需要将全部钻杆钻具提出钻孔, 然后再放回孔底继续钻进, 提放钻杆钻具所需要的辅助作业时间较长, 并且钻孔越深, 辅助作业时间越长; (2) 每次提放钻具都会对孔壁有破坏作用, 如果地层复杂, 岩石不完整则极易造成卡钻等孔内事故, 且孔越深这种危险越大; (3) 每次将钻具提出孔外后, 上部孔壁岩石可能掉落孔底, 使得该岩石下次再次被取芯, 这样就容易造成样品地层混淆, 样品纯洁性得不到保证。

与提钻取芯方案相比, 绳索取芯方案的主要优势体现在当钻孔深度较深时, 辅助作业时间相对短且作业效率高, 同时对孔壁的护壁作用较好, 岩芯质量较好等方面。目前世界上采用绳索取芯方案的海底岩芯取样钻机有经过绳索取芯技术改造的MeBo钻机以及ROVDRILL钻机中的M50型和M80型。但是绳索取芯方案的结构复杂, 因此设计难度大、可靠性低。此外, 在岩石破碎程度高或岩石研磨性高的地层, 绳索取芯方案的优势也难以体现。

2.3 钻杆钻具接卸存储技术

对于海底岩芯取样钻机而言, 当钻孔深度大于5m时, 大多需要采取分段取芯技术。正是由于海底钻机特殊的作业环境 (其钻杆钻具中途无法补充或更换) , 使得大型海底岩芯取样钻机必须将完孔所需的全套钻杆钻具都事先储存在钻机的储管架上, 同时配备移管机械手用于钻杆接卸存储时钻杆钻具的抓取和移位。此外, 在钻进动力头下方还需由一个旋转动力卡盘和数个固定卡盘组成的钻杆钻具夹具, 用于钻杆丝扣的拧卸。如日本BMS钻机设有一个单层的旋转钻具库, 换杆机械手负责从旋转钻具库中抓取和移动钻杆, 同时应用钻杆夹持器夹持钻具, 最后, 运用钻进动力头正反转运动连接或卸开钻具的连接丝扣。英国RockDrill 2钻机桅杆架两边各有一个单层的旋转钻具库, 每个旋转钻具库可提供10个钻杆容纳槽, 桅杆架前方装有两对换杆机械手, 分别负责两个旋转钻具库上钻杆钻具的抓取及移位, 在钻杆钻具夹具的配合下拧卸钻杆的丝扣。我国海底中深孔岩芯取样钻机采用两个单排转盘式储管架, 分别存放钻杆和岩芯管组件, 每个储管架各附带一个机械手, 分别用于钻杆和岩芯管在孔口和储管架之间的移动, 在钻杆钻具夹具的互相配合下, 液压马达慢速正向或反向旋转, 同时配合以钻进动力头的慢速缓升或缓降功能, 实现钻杆钻具丝扣的拧或卸。澳大利亚PROD钻机采用两个双层的旋转钻具库, 并列布置在机架的一侧。两个旋转钻具库之间装有一对复合式 (直线伸缩+摆转移位) 换杆机械手, 用于钻杆钻具的移动和存取。

海底岩芯取样钻机在钻探作业过程中可能发生卡钻事故。当发生卡钻时, 钻机和母船将被锚固于钻探点而难以脱离。此外, 在钻探过程中如果突发供电、通讯、控制或液压系统等故障, 且短期内故障不能消除, 钻机将无法收回已经深入孔内很长的一根或多根钻杆, 这也将导致钻机整机难以回收上船, 这时, 必须有可靠的技术途径使得孔内钻杆能与钻机相脱离, 以确保钻机能安全回收。这种海底岩芯取样钻机在海底钻进作业中遇到卡钻等事故时钻杆与钻机、钻机与铠装光纤动力复合电缆自动分离的技术又称之为逃生技术。例如日本BMS钻机装备了声控弃钻装置, 可实现钻杆抛弃和钻机抛弃的双重安全事故逃生方案。我国海底中深孔岩芯取样钻机具备强力起拔、卸扣、液压及水压抛弃钻杆、声学弃钻四种事故安全逃生方案。

2.4 液压系统与压力平衡技术

基于减小体积、质量、便于自动控制等方面的考虑, 海底岩芯取样钻机基本都采用全液压动力头, 即实现钻进的两个基本动作:钻杆钻具的回转和进给。相对其他类型钻机而言, 全液压动力头型钻机具有功率重量比大、结构紧凑、传动平稳、操纵简便以及易于实现全自动控制等一系列优点[15,16,17]。由于相似性较高, 陆地全液压动力头型钻机液压系统的设计技巧基本可以全部应用于海底岩芯取样钻机液压系统的设计中, 包括液压回路设计、工作参数选择计算、系统及元器件分析等。但在液压元器件选型、密封材料与结构选择、深海压力补偿、油箱及系统散热设计、自动控制方式以及设计中需要考虑的各种因素的重要性排序等方面差异很大[18,19]。

海深每增加100m, 压力即增大约1MPa, 在数千米的海底将有高达数十兆帕的压力。为使深海液压系统不被如此高的外部海水压力压垮, 并且能够正常工作, 海底岩芯取样钻机必须采取压力平衡措施。压力平衡措施通常包括以下两方面的内容: (1) 无论采用开式或闭式液压系统, 始终保持液压系统全封闭和密封, 同时系统内部应充满液压油。在下水前系统内部液压油中仅允许存在少量气泡, 且气泡的总体积应在压力补偿装置的补偿能力范围内。 (2) 采用压力补偿装置, 使系统油箱内的液压油始终具有与外界海水相等 (或略高) 的压力, 以保证系统油箱壁内外受力平衡。事实上, 不仅深海机电设备的液压系统, 而且包括各种强弱电元器件、液压控制阀体、各种传感器等, 如果其壳体或安装容器不足以抵抗外部海水的压力, 都应采取压力补偿措施。因此, 在海底岩芯取样钻机设计时必须考虑各零部件及密封件的变化以及所用机械电子部件的压力补偿问题[20,21,22]。

2.5 光纤动力复合电缆供电与通讯技术

铠装光纤动力复合电缆具有承载、供电和通讯三种功能。海底岩芯取样钻机下放海底、或者从海底回收是依靠铠装光纤动力复合电缆实现的, 铠装复合电缆将钻机与母船上的绞车相连接, 绞车转动带动铠装复合电缆收放而实现钻机下放和回收, 这也要求铠装光纤动力复合电缆具有较大的抗拉强度和疲劳强度。

海底岩芯取样钻机在海底工作时, 钻机通过铠装光纤动力复合电缆与母船连接, 并通过该电缆获得电力供给。然而, 在远距离供电过程中会出现沿程损耗、电缆发热等一系列问题, 从而导致输电效率和能力降低。为此, 如何减少铠装光纤动力复合电缆在长距离输电过程中的沿程损耗、如何在海底环境条件下对各用电设备进行继电控制、如何提高海底岩芯取样钻机的电功率因素以减少光纤动力复合电缆的发热, 已经成为国内外相关学者的重要研究课题。

海底岩芯取样钻机工作时与母船上操作人员的距离在数千米以上, 钻机的全部工作参数及状态信息, 包括多个海底摄像头彩色视频信号、钻进系统参数、液压系统参数、供电系统参数、钻机的姿态以及离底高度等, 全部依靠传感器系统进行数据采集, 经机载计算机处理后向甲板操作计算机实时高速传递。同时, 操作人员对钻机下达的操作指令也需要通过该光纤动力复合电缆向机载计算机传输。由于海底岩芯取样钻机的各种传感器、监控摄像头数量多, 且精度和实时性要求高[23], 使得深海长距离光纤通信技术、高效的视频压缩编解码技术、机载机械控制系统和嵌入式系统低功耗等技术越来越显得重要。

2.6 下放与回收技术

下放回收系统是海底岩芯取样钻机的重要配套设备, 可靠的下放回收系统能极大地提高海底岩芯取样作业的安全性和作业效率[24,25,26,27]。特别是对于质量较大的海底岩芯取样钻机, 设计可靠性高的下放回收系统更是不可忽略的环节。受母船甲板作业面积、配套装备水平和能力的影响, 下放回收设备可分为通用下放回收设备和专用下放回收设备两种。在同一母船上通用下放回收设备对海底岩芯取样钻机的高度有很大的限制。如我国“大洋一号”科考船上的通用下放回收装备, 其允许海底岩芯取样钻机机身高度不超过4.0m。如果采用专用下放回收设备, 则可将钻机倒放在母船甲板上, 并以横躺的姿势通过A形架, 在这种情况下钻机高度就可不受母船A形架有效通过高度的限制, 钻机高度可以放宽到7~8m。但专用下放回收设备对甲板作业面积、配套装备水平和能力要求较高。使用通用下放回收设备的海底岩芯取样钻机有华盛顿大学海底3m岩芯取样钻机、日本BMS钻机、我国海底中深孔岩芯取样钻机等。配备专用下放回收设备的海底岩芯取样钻机有澳大利亚PROD钻机。

在下放回收技术研究方面, 陈育喜等[28]通过对脐带在绞车上的受力状态、牵引绞车和储存绞车对脐带缆的驱动力与力矩的分析, 得出了绞车的驱动功率, 并设计了一款双绞车脐带缆下放回收系统。邓智勇等[29]、张浩立等[30]设计了一套新型恒张力收放及自动排缆的脐带缆绞车装置, 该装置利用两端带锥度的压紧轮结构, 保证脐带缆在卷筒上自动换向及整齐排布, 从而实现高精度和多级的脐带缆恒张力保护。胡火焰等[31]通过研究风浪对下放回收装置的影响, 设计了基于风浪影响的下放回收装置的液压系统, 该液压系统可对升沉运动进行有效补偿, 以减小钢缆上的交变载荷。徐昱等[32]应用动力学分析软件ADAMS建立了深海系统下放回收装置的虚拟样机, 对深海采矿作业集矿机的下放过程进行了仿真分析, 为装置的设计、相关设备的选择以及下放回收作业提供理论参考。

3 深海矿产资源岩芯探测取样技术与装备发展趋势

深海矿产资源岩芯探测取样技术作为一个国家综合科技实力的体现, 在海洋矿产资源开发和利用竞争日趋激烈的今天, 越来越受到各国的重视, 图8描绘了世界上几个重要国家的海底岩芯取样钻机发展趋势。从图8可见, 为了满足不断探索深海资源科学考察的需求, 海底岩芯取样钻机钻孔深度越来越深:海底岩芯取样钻机已经从最初钻深能力为3m的华盛顿大学海底钻机发展到钻深能力为160m的ROVDRILL钻机中的M80型钻机, 并朝着钻深能力更大的方向发展。我国海底岩芯取样钻机从最初的浅地层钻机 (钻深能力为0.7~2m) , 发展到中深孔钻机 (钻深能力为20m) , 并正在研制深孔钻机 (钻深能力为60m) , 但总体落后于世界先进水平15年左右。随着人类更加清晰和丰富地了解海底资源的渴望越来越强烈, 海底岩芯取样钻机钻深能力将不断深化, 深海岩芯取样技术与装备也将表现出以下几个特征。

3.1 大型化

随着海底岩芯取样钻机的钻深能力的需求进一步加大, 海底岩芯取样钻机将配备数量更多的钻杆以及驱动钻杆钻进的更大功率电机和传动系统。同时, 为了满足其他的海洋科考要求, 钻机还会配备相应的多种考察设备, 从而使得钻机向着更加大型化的方向发展。从海底岩芯取样钻机的发展过程同样可以看出这一发展趋势:美国华盛顿大学的海底3m岩芯取样钻机的质量为1.8t, 我国深海浅地层岩芯取样钻机质量为2.8t, 日本BMS钻机质量为4.8t, 英国海底中深孔岩芯取样钻机“RockDrill 2”质量为4t, 我国深海底中深孔钻机质量约为4t, 澳大利亚PROD钻机质量约为10t, 德国MeBo钻机质量约为10t。由此可以看出, 大尺寸、大质量的海底岩芯取样钻机才可能满足更深的海底矿产资源的勘探调查及海洋科学研究工作的要求, 因此, 大型化将是深海矿产资源岩芯探测取样装备的发展方向之一。

3.2 多用途化

一机多用, 即一台钻机既能取硬岩岩芯也能取沉积物样品, 还可以实施静力触探 (cone penetration testing, CPT) 作业、天然气水合物取样以及通过配备多种孔内原位测量仪器来获取更多的矿产资源信息, 同时, 具备多种海底地层适应能力:从极软的深海沉积物到非常坚硬的海底玄武岩等都可以实施岩芯取样。例如, 日本金属矿业事业团BMS钻机不仅可以对海底热液矿床、石灰岩等软岩进行岩芯取样, 而且还可以对玄武岩、石英岩、安山岩等硬岩进行岩芯取样;澳大利亚PROD钻机不仅可以对硬岩进行岩芯取样, 而且具备沉积物压入式取芯、海底CPT测量、海底现场天然气水合物分析等多种功能;德国MeBo钻机, 既可取硬岩岩芯, 也可取沉积物芯, 同时还具备部分孔内原位探测能力;美国ROVDRILL钻机可进行旋转硬岩取芯、压入式沉积物取芯及CPT作业。深海岩芯取样钻机通过与带缆遥控水下机器人 (remotely operated vehicle, ROV) 技术融合, 采用ROV操控方式, 可以非常方便地集成化各种取样设备和工具。这种可执行多种调查作业的海底岩芯取样钻机可以极大地节省海底资源调查的时间和成本。未来的海底岩芯取样钻机不再仅仅是简单的取样器, 它将成为具有能执行多种海底作业功能的综合体。

3.3 智能化

随着光纤动力复合电缆在深海岩芯取样钻机上的应用, 水面部分的甲板操作控制台可通过光纤动力复合电缆与水下部分的机载控制及传感器系统进行长距离光纤通信, 包括钻进系统参数、液压系统参数、供电系统参数、各机构工作状态、钻机的姿态、离底高度以及多个海底摄像头彩色视频信号等经机载计算机处理后通过万米光纤动力复合电缆向甲板操作计算机实时高速传递数据;通过视频和相关信息, 对海底岩芯取样钻机的操作进行实时监视与控制, 从而实现钻机从下放、寻址着底、钻机取样到回收全作业过程都实现自动化和可视化;为了增强海底岩芯取样钻机适应复杂多变的海底环境和地质条件能力, 提高海底岩芯取样钻机的工作效率、缩短工作时间、降低取样成本, 钻机寻址着底、支腿的稳定支撑及调平等复杂性作业将实施自适应控制, 特别是在钻进过程中, 根据不同岩层条件优化控制钻机的旋转扭矩、钻头推进力、冲洗水压力、钻头的转速, 实现智能高效钻进;同时, 随着海底岩芯取样钻机用途多样化, 必然配备更多的装置和设备, 多种装备同时作业, 必须对整个钻机系统进行智能控制, 实现各种装备协调高效作业。

3.4 专业化和便利化

通过配备专用的移动式甲板配套装备, 如移动式电缆绞车、操作控制室、升沉补偿装置等, 使得海底岩芯取样钻机的作业更加专业化和便利化, 缩短海底岩芯取样的辅助作业时间。如澳大利亚PROD岩芯取样钻机之所以被称之为“便携式”, 是因为其整机系统, 包括整个水面控制与下放回收子系统以及水下钻机本体, 全部实现了“集装箱化”。专用光电复合电缆及绞车、水面供电系统和甲板操作控制室都安装布置在几个标准船用集装箱内, 使用时也无需取出, 只需将其集装箱体固定在母船甲板上, 作为工作间使用即可。水下钻机本体和专用下放回收装置在装运时也整体安放于标准船用集装箱内, 上船后再从集装箱内取出。采用这种方式, 使得钻机系统的运输、吊装、以及在母船上部署使用、撤退下船等都非常方便灵活, 从而实现“便携”的目的。英国海底中深孔岩芯取样钻机RockDrill 2与澳大利亚PROD海底岩芯取样钻机一样, 整机系统实现集装箱“便携化”, 钻机整个系统安放于5~6个标准船用集装箱内, 这样极大地方便了运输。这种实现专业化和便利化的深海岩芯取样钻机将成为未来深海探测装备的首选。

3.5 高保真

深海资源的勘探开发、深海生物地球化学循环以及海洋基础科学等方面的研究, 均需要获得直接有关深海资源赋存的各种自身及环境信息的高质量保真样品。不同的海底资源种类适用于不同的取样装备, 每种取样技术对取样样品的影响又各不相同, 这些影响包括样品的尺寸、结构和应力的改变等。非保真取样方式获取的取样样品不能保持取样样品在取样点原位的环境条件, 特别是压力条件, 这将导致嗜压型微生物的死亡, 还有化学梯度的改变、变价离子氧化态的改变以及有机组份分解等, 使得取样样品不能很好地用于海底资源、海底深部生物圈及其对生物地球化学循环的影响等方面的研究[33,34,35]。为了更好地满足深海资源的勘查开发、深海生物地球化学循环以及海洋基础科学等多方面的研究, 迫切需要获得直接的有关深海赋存的各种自身及环境信息的高质量保真样品[36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46]。因此, 高保真取样必将成为海底资源取样技术的重要发展方向之一。

4 结语

海底岩芯取样装备是开展海洋地质及环境科学研究、进行海洋矿产资源勘探和海底工程地质勘察所必备的技术手段。随着海洋资源科学考察向更深海域扩展、向更深地层钻进, 深海岩芯取样装备将朝着大型化、智能化、高保真方向发展, 相关技术需要创新甚至更新换代, 从而不断提高海底作业可靠性、取样效率和取样品质, 满足深海高效、高品质取样需求。深海高压低温的作业环境, 岩芯取样装备将面临许多科学问题有待研究, 例如:高压地层钻进岩石破碎机理, 高压低温环境下液压元件与系统行为, 海底复杂环境机电液系统智能控制, 岩芯原位取样环境保真控制与保持, 等等。这些问题的研究不仅有利于提高海底岩芯取样装备可靠性和工作效率, 而且也为其他深海海底作业机械装备的设计制造提供理论依据, 这对于我国赶上世界海底岩芯取样先进技术水平、加速海洋科学研究和资源开发、建设海洋强国具有重要的现实意义和战略意义。

摘要：海底岩芯取样钻机是开展海洋地质及环境科学研究、进行海洋矿产资源勘探和海底工程地质勘察所必备的关键技术装备。首先对世界深海岩芯探测取样技术与装备的发展历程进行了梳理, 重点介绍了目前世界上几种典型的海底岩芯取样钻机性能、结构和技术特点;然后, 分别对海底岩芯取样钻机中的稳定支撑及调平技术、取芯技术、钻杆钻具接卸存储技术、液压系统与压力平衡技术、光纤动力复合电缆供电与通讯技术、下放与回收技术等关键技术进行了分析;最后, 分析和预测了深海矿产资源岩芯探测取样技术与装备的发展趋势——将朝着大型化、多用途化、智能化、专业化和便利化以及高保真取样方向发展。

关键词：深海,矿产资源,海底钻机,岩芯探测取样

参考文献