钻取海洋之芯——海底钻机的研发与应用
钻取海洋之芯——海底钻机的研发与应用
海底地质钻探技术是开展海洋地质与环境科学研究、进行海洋矿产资源勘探以及海底工程地质勘察的必备技术手段，而海底钻机是海底地质钻探技术的重要技术装备之一，具有极大的发展潜力。
与钻探船相比较，海底钻机钻探具有以下三个方面的优势：一是其钻探钻进过程、取芯作业都是在海底完成，大大节约了经历海深过程中的岩芯管下放与打捞作业时间；二是海底钻机钻探作业时几乎不受母船和海况的影响，取芯率较高；三是海底钻机便于母船搭载和支持，需要的操作和保障人员较少，母船也可以同时支持其他作业任务，钻探取芯成本低。
随着深海资源勘探需求的增加和技术的不断进步，海底钻机将在更深水域、更复杂环境中发挥关键作用，推动深海科学研究与资源开发的深入发展。
图1 钻探船作业与海底钻机作业
海底钻机关键技术
液压动力技术
海底钻机普遍采用全液压动力头作为动力系统，通过液压传动实现钻进的两个核心动作：钻杆和钻具的回转以及给进。在深海环境中，每增加100m的深度，外部海水压力会增加约1MPa，这意味着在数千米的海底，压力可能高达数十兆帕。海底作业环境对液压系统提出了额外要求。首先是对液压元器件的选型需确保元器件能够在深海高压和高腐蚀环境下正常工作。其次在密封材料与结构设计上需要针对海水侵蚀和高压环境进行优化，确保长时间密封可靠性。然后是需设计专门的压力补偿系统，以平衡外部深海压力对液压系统的影响，这里包含两种设计思路：
（1）全封闭液压系统设计，确保液压系统全封闭并密封良好，保护系统的密封性和稳定性。
（2）系统需配备压力补偿装置，通过调节油箱内部液压油的压力，使其始终与外界海水的压力相等或略高，从而保证油箱内外受力平衡，避免油箱因压力差而受损。最后，在深海环境中，散热效率降低，需采用高效散热设计以确保系统稳定运行。
动力头与钻管接卸技术
动力头与钻管接卸存储系统由动力头、推进系统、钻管接卸存储系统组成，如图2所示，为海底钻机提供钻进动力，推动动力头和钻具向下给进，为提高钻深能力、存储钻探样本提供保障。动力头是海底钻机的核心组件之一，主要功能是为钻管提供可靠的旋转动力。作为钻管动力输入来源的关键装置，动力头通过液压驱动实现钻管的旋转运动，并结合推进系统完成钻具的轴向进给。为适应多种作业需求，钻进动力头通常集成通孔给水、绳索打捞、压力补偿、钻管拧卸等多项功能，是深海钻探设备自动化和高效化的技术保障。接卸存储系统通过钻管存储机构、钻管接卸装置的协同工作，完成钻管的存储、接卸和移管操作。对于海底钻机而言，当其钻深能力超过5m时，海底钻机必须提前将作业所需的钻杆和钻具存放在储管架中，并配备专用的移管机械手，用于实现钻杆和钻具的抓取、移动、接卸及存储。接卸存储系统需要满足自动化、高存储密度、高精度定位和高可靠性等要求，主要包括钻管存储机构、钻管接卸装置两个部分。
图2 动力头与钻管接卸系统
钻进取芯技术
海底钻机的钻进取芯技术主要包括提钻取芯和绳索取芯两种方案。提钻取芯结构简单，可靠性高，便于实现自动控制，广泛应用于浅孔和中深孔海底钻机，如华盛顿大学3米岩芯钻机、日本BMS钻机以及我国深海浅孔和中深孔钻机。然而，其缺点是随着钻进深度加深，辅助作业时间增加，提钻及下放过程可能损伤孔壁并引发卡钻，且易造成样品地层混淆。相比之下，绳索取芯在深孔钻探中优势显著，辅助作业时间短、效率高，对孔壁保护效果好且岩芯质量更高，应用绳索取心技术的海底钻机包括改造后的MeBo钻机及ROVDRILL钻机中的M50型和M80型。
图3 绳索取芯钻进过程示意图
由于海底作业环境特殊，钻机的钻杆和钻具在作业过程中无法补充或更换，因此海底钻机需提前将所需钻杆和钻具存放于储管架中，并配备移管机械手，实现钻杆的抓取、移动、接卸及存储。目前的大部分海底钻机的钻具夹持存储方案主要有以下几种：
（1）采用单层旋转钻具库，配备一个换杆机械手和钻杆夹持器，通过动力头的正反转完成丝扣连接或分离，如日本BMS钻机。
（2）钻机桅杆两侧配备单层旋转钻具库，每个库可容纳10根钻杆，并配备两对换杆机械手，协同钻杆夹具完成丝扣拧紧与拆卸，如英国RockDrill 2钻机。
（3）配置两个并列布置的双层旋转钻具库，通过机械手实现钻杆的存取与移动，如澳大利亚PROD钻机。
（4）采用两个单排转盘式储管架，分别存放钻杆和岩芯管组件，配备独立机械手和液压发动机，结合动力头实现丝扣的精准连接与分离，如中国深海中深孔钻机。通过储管架、机械手、夹具系统与液压动力系统的协同，可以实现海底钻机的高效存储与精准操作。
遥测遥控技术
海底钻机遥测遥控系统负责对海底钻机系统的下放回收、寻址着底、钻探取芯等操作，进行全程可视化监测以及手动、半自动、自动三种模式的操作控制。有别于陆地钻机系统，海底钻机遥测遥控系统有如下特殊性：
（1）海底钻机距母船操作人员数千米，要求海底钻机遥测遥控系统具备多路图像视频信号的高速实时处理与传输能力。
（2）机载液压控制阀、用电设备、强电供配电系统的操作控制，要求海底钻机遥测遥控系统还应具备众多开关量与模拟量的输入输出通道。
（3）海底钻机机载传感器数目繁多，要求其能够在耐海水腐蚀的同时具有较高的抗压能力（数十兆帕以上）。
依据功能划分,海底钻机遥测遥控系统主要包括甲板操作控制台、机载控制系统和光纤通信系统三个子系统，各部分均由相应的硬件和软件构成,如图4所示。甲板操作控制台主要采集的控制量包括高压大功率电源的三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等；同时负责对高压大功率电源的远程控制保护。机载控制系统是采用嵌入式系统构成的一个复杂的采集与控制系统,要求能够实现海底钻机本体各液压机械部件、强电系统及传感系统的可靠控制，完成海底钻探取芯任务。光纤通信系统即通过采用数千米脐带缆中的光纤实现甲板操作控制台和机载控制系统之间的长距离通讯，其脐带缆长度根据作业任务而定。
图4 遥测遥控系统
高压供变电技术
海底钻机供电方式经历了从电池供电向脐带缆供电的转变。电池供电主要适用于钻深小于2m的小型海底浅孔钻机，如我国及俄罗斯的浅孔钻机。而大中型海底钻机则依赖于脐带缆供电。脐带缆供电分为三相交流和直流供电两种模式，由于海底钻机设备对电压需求各异，三相交流供电因变电方便更为常用。三相交流供变电的电压选择影响整个钻机供变电系统。若选择低电压直接供电，会导致线路压降大、脐带缆发热严重；若选择高压供电，会增加脐带缆乃至整个钻机系统的绝缘要求。总的来看，高压三相交流输电能够减小负载变化时海底电源电压的波动幅度，并降低缆线发热。采用三相交流高压供电模式更适用于海底钻机，故较常见。高压供变电系统将母船电力通过脐带缆传输至海底钻机，经过一系列的升压、降压、稳压及保护措施，确保电力稳定且安全地供给至高压电机。在电机启动前，系统进行一系列预检，确保各部件处于正常工作状态；启动后，系统会实时监控电机运行状况，及时调整供电参数，以保障海底钻机的高效、稳定运行。国内外多种型号海底钻机均采用高压电机供变电系统。例如，MEBO、MEBO200均配备2台功率65kW的3000V高压电机；FUGRO钻机配备单台110kW的3300V高压电机；我国中深孔钻机也配备有3300V高压电机。
收放技术
收放系统是海底钻机的重要辅助设备，如图5所示，其可靠性对取样作业的安全性和效率具有重要影响。根据母船甲板的作业面积及配套设备的能力，下放回收设备可分为通用型和专用型两种。其中，通用设备对钻机尺寸有较大的限制。例如，我国“大洋一号”科考船上的通用设备允许钻机机身高度不超过4m。使用这种设备的典型海底钻机包括华盛顿大学的3m岩芯取样钻机、日本BMS钻机和我国深海中深孔钻机等。专用设备能够在甲板上倒放海底钻机，并通过A形架横躺姿势完成下放。这种设计不受A形架高度的限制，可允许钻机高度放宽至7～8m，澳大利亚的PROD钻机即采用了此类专用设备。
图5 海底钻机收放作业
海底表面通常并不平整，其地形地貌更为复杂，海底钻机无法在作业前进行地面平整。一般情况下，海底钻机在着底时会倾斜或不稳定，这需要依靠自身重量坐稳。为了保证钻具能够垂直进入地层并顺利取芯，海底钻机通常设计有可调节的动力支腿。这些支腿可用于调整底盘水平和提供稳定支撑。海底钻机的调平支腿根据驱动方式和结构特点，可分为三种形式：
(1)油缸驱动直接伸缩式，代表机型：日本BMS钻机、我国深海浅孔钻机。其特点是结构简单，调节幅度较小，适合重心低、稳定性好的钻机，不需要额外扩展接地区域。
(2)液压马达驱动丝杆螺母机构向外伸展式，代表机型如英国RockDrill 2钻机、我国深海中深孔钻机。其特点是调节幅度和扩展接地区域能力较强，适合复杂地形，但结构复杂、质量较大。
(3)油缸驱动向外伸展式，代表机型如澳大利亚PROD钻机、德国MeBo钻机。其特点是调节幅度大，能够显著扩展接地区域，提高钻机稳定性，但体积和质量较大，结构复杂。
“海牛号”海底钻机系统组成
海底钻机系统是一种高度集成的海洋工程设备，作为一种关键性技术装备，设计用于在深海环境中开展复杂的勘探作业。它广泛应用于海底资源开发、科学研究以及地质勘探等领域，具有强大的适应性和高效性。海底钻机系统由水上和水下两大部分构成，主要涉及以下四个部分：海底钻机本体、遥测遥控系统、高压供变电系统和收放系统。
海底钻机本体是海底钻机系统的核心组成部分，也可被视为关键装备。其结构设计和合理配置直接影响钻探作业的成败。海底钻机本体通常由以下部分构成：机架、液压动力系统、动力头钻进机构、钻杆的接卸和存储装置以及绳索取芯装置，如图6所示。
图6 海底钻机本体
遥测遥控系统：海底钻探作业的一个显著特点是海底钻机与母船上的操作人员之间通常有数千米的距离，操作人员无法直接用肉眼观察钻机的工作过程和效果。因此，在钻机上安装多个深海摄像头，实时捕捉并传输各个关键部位的视频图像，显示在操作人员面前。同时与多类传感器信息结合，这些视频信号与传感器信号配合能够帮助操作人员判断钻机的作业效果，如图7所示。
图7 遥测遥控系统
高压供变电系统：海底钻机通常工作于数千米深的海底，一般通过脐带缆从支持母船甲板提供电力，其脐带缆的长度可能达到数千米甚至一万多米，因此，常见的电力输送模式为长距离三相交流输电模式。为了提高脐带缆在长距离输电中的效率，与陆地输电系统类似，主要的措施是提高输电电压。但三相交流输电系统的功率因数较低，而作为感性负载的异步电动机对功率因数的影响较大，它消耗了大部分无功功率。为了解决这一挑战，海底电机的功率因数就地补偿技术有效地缓解了高压供变电系统功率因数较低的情况。通过这一技术，脐带缆电力沿程损耗和发热显著降低，水下电压波动趋于平稳，脐带缆的实际供电能力得到了显著提升。
收放系统：在实际作业过程中，由于海况的变化，钻机在入水或回收到母船时，可能会发生碰撞或偏移，导致海底钻机无法顺利回收，甚至可能威胁到海底钻机和母船的整体安全。因此，对于大中型海底钻机通常会配备专用的收放系统，一般由液压动力系统、控制系统、海洋绞车、母船A形架、收放装置以及铠装脐带缆等组成。
海上应用与展望
在海洋矿产资源调查领域，海底浅孔钻机多年来持续在太平洋、印度洋等国际海域广泛应用，已完成多座国际海底矿山的普查勘探。在海底工程地质勘察领域，“海牛号”海底钻机系统在我国某海域采用独创的深海底低扰动高品质工程地质取样技术，圆满完成了我国首个深水(1500m)天然气田的海底工程地质钻探取芯任务。该任务共计完成15个站位24个钻孔，作业水深1300～1700m，共获得900米高品质低扰动岩芯样品，其中5个钻孔实际取芯深度达到82.5m，这是世界上首次采用海底钻机全程取芯钻探深度超过80m，岩芯质量优良扰动小，平均取芯率达87.15%。
图8 海底浅孔钻机第100次取样作业
未来，为满足深海油气勘探、海底地质科学研究等需求，海底钻机必须朝着更深的孔深、更大钻孔直径、更多功能以及海底模块化组装等方向发展，这相当于将大型钻井平台搬到海底。全海深(最大水深约11000m)因其独特的洋壳板块地质结构、极端深渊环境以及丰富的生物群落，成为全球海洋研究的热点。特别是水深在8000～11000m之间的海底深渊，迄今仍是人类深海钻探技术尚未攻克的领域。因此，开展全海深的海底深渊地质钻探及相关科学研究，也将成为世界海洋地质钻探史上的重要里程碑。
本文刊载 / 《桥梁》杂志
2024年 第6期 总第122期
作者 / 万步炎
作者单位 / 湖南科技大学海洋矿产资源探采装备与安全技术国家地方联合工程实验室
自然资源部海底地质钻探装备工程技术创新中心
海洋资源探采技术与装备湖南省重点实验室
编辑 / 王硕
美编 / 赵雯
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