逐梦深蓝——“梦想”号大洋钻探船钻采系统揭秘
逐梦深蓝——“梦想”号大洋钻探船钻采系统揭秘
2024年11月17日，中国自主设计建造的首艘大洋钻探船“梦想”号在广州正式入列。这艘承载着科学家“打穿地壳、进入地球深部”科学梦想的巨轮，标志着中国在深海进入、深海探测、深海开发上迈出了重要一步，是建设海洋强国、科技强国取得的又一重大成果。
图1 “梦想”号（新京报）
钻采系统的核心装备
登上“梦想”号大洋钻探船，最引人注目的就是坐落在船体中央、高耸挺拔的巨大钻机——全球首台兼具油气钻探勘探和岩心钻取功能的液压举升钻机。作为“梦想”号大洋钻探船钻采系统的核心装备，它集成了4种钻探模式和3种取心方式，最大钻深可达11000米。
钻探模式
传统隔水管模式：这是海洋油气开采的“标配”，通过隔水管把海底和钻探船连接起来，确保钻井过程顺畅且有足够的保护措施。隔水管可以通过钻井液的循环增加钻井的安全性和效率。
可燃冰专用测试模式：可燃冰（天然气水合物）是一种新型能源，其开采过程安全、环保、可控。使用传统隔水管进行试采显得过于笨重且成本高，因此“梦想”号专门设计了一种轻型隔水管系统，能减轻设备负担，降低钻探成本。
传统无隔水管模式：钻杆直接暴露在海水中，并从海底往下钻探。由于没有隔水管的负重，钻杆可以达到更大的深度（水深最高可达8000米），适合深海钻探任务。在钻进海底时，需要加入特殊的泥浆（钻井液），起到冷却钻头、润滑钻具和带走钻出的岩屑等作用。
无隔水管闭式循环模式：这是钻采系统的一大技术革新点。传统无隔水管模式下加入的泥浆一般会直接排到海里，既污染环境又增加成本。而“梦想”号钻采系统中配置了泥浆循环管线，通过水下泵将泥浆抽回到船上，再进行过滤等处理，实现泥浆循环利用。这种模式具有成本低、污染小等特点，进一步拓宽了钻机的应用范围。
取心方式
提钻取心：把整根钻杆从钻孔中提出来，从而取出暂存在钻杆最底端的岩心。这是一种很直接的取心方法。
绳索取心：通过一根钢丝绳从钻杆内取出岩心，不需要将整个钻杆拉出钻孔。虽然操作稍显繁琐，但节约了时间和成本，适合较深钻深的取心操作。
气举反循环取心：通过往上部钻杆内注入空气，降低上部钻杆内的液体密度，使上部和下部液体产生密度差，这样上部的液体会往上“举”，带动下部的钻井液和岩心被“吸”上来。
钻采系统的技术创新
模块化设计理念
“梦想”号采用了“模块化”设计理念，攻克多项世界级技术难题，以“小吨位”实现“多功能”。该船钻采系统国际领先，可根据不同任务搭载不同的任务模块，并可快速切换。这种设计赋予了“梦想”号神奇的“变形能力”，使其在面对复杂多变的任务需求时能够游刃有余。
图2 “梦想”号（海外网）
三级动力定位系统
“梦想”号配备了三级动力定位系统（DP-3），这是其能够保持稳定的关键。动力定位系统因其不依赖抛锚或系缆、部署和撤离迅速、对水深不敏感等优点，被广泛应用在深海油气开发、潜水作业、海底管道和电缆敷设及科学考察等方面。
在“梦想”号上，动力定位控制系统中的传感器、位置参考系统和控制器均采用冗余设计，动力和辅助系统分布在三个防火分隔区域。这样设计的优势是，任何单个舱室的动力系统一旦发生故障，其他舱室的依然能发挥作用。
“梦想”号安装了6套位置参考系统，分别基于卫星和声呐等两类不同的工作原理，包括3套差分全球卫星定位系统、1套北斗卫星定位系统、2套超短基线声呐定位系统。所有系统的位置测量精度都达到分米级别，并不受作业区域的影响，任何一套位置参考系统都能满足定位要求，大大提升了动力定位系统的可靠性。
闭环电网技术
为了保障电力供给的稳定，“梦想”号采用了闭环电网技术，即将多个中压配电板首尾互联，形成一个环形的供电网络。与传统的分段电网相比，闭环电网可减少运行发电机的数量，提高发电机效率，还能减少发电机运行时间，降低维护成本。此外，闭环电网还具有容量大、抗冲击能力强、可靠性高、使用灵活的特点。
然而，闭环电网中可能会出现的短路、接地和发电机故障等问题，将影响其他配电板和发电机的正常运行。为了避免上述情况发生，“梦想”号闭环电网采用了先进的计算机综合保护系统和高级发电机保护技术，实现了对电网及发电机故障点的精准判断和快速切除。
先进的推进系统
“梦想”号拥有几组特殊的推进器：3个尾部全回转推进器、3个首部可伸缩式推进器、1个首侧推进器。这使得“梦想”号像一辆拥有“蟹行模式”的汽车，依靠自身动力就可以实现停进或开出码头的泊位，而不需要小拖船帮忙。
新型连体式双月池
“梦想”号采用长首楼船型，在舯部区域建有新型连体式双月池。这既可以满足4种钻探模式的作业条件，又比传统单月池减少了航行阻力。月池正上方配备有全球最先进的新一代液压举升钻机，装机功率小、能耗低，而且钻探效率高、补偿能力强、响应速度快，可显著提高综合钻探能力。
图3 举升系统（中国地质调查）
钻采系统的应用与功能
多功能实验室
“梦想”号不仅是科考船、钻探船，更是一个海上移动的“国家实验室”。船上建有基础地质、古地磁、无机地化、有机地化、微生物、海洋科学、天然气水合物、地球物理、钻探技术九大功能实验室，总面积超过3000平方米。这些实验室配置了全球首套船载岩芯自动传输存储系统，可满足海洋领域全学科研究需求。
智慧大脑
“梦想”号还配有智慧大脑，先进的综合信息化系统可实时汇聚分析2万余个监测点数据，实现作业全过程智能监测、实验智能协同、人员健康智能保障、船岸智能融合。
钻探能力
“梦想”号钻采系统大幅提升了我国深海进入、深海探测、深海开发的能力。拥有这样一套系统，就像是拥有了一把打开“莫霍面”、探索地球深部的钥匙。通过创新技术装备、优化工艺流程，“梦想”号不仅实现了11000米的钻探能力，还将综合钻探效率、硬岩钻进能力提升了40%以上。
图4 无隔水管闭式循环模式（中国地质调查）
深海资源勘探
“梦想”号在立项时就瞄准了两大任务：一是大洋钻探，二是深海资源勘探。这两大任务的作业环境、任务目的和设备需求等不尽相同。然而，“梦想”号的设计者们通过自主创新，成功地将这两大功能集成在一艘船上，推进了深海探测钻探关键核心技术装备的国产化。
国际合作与交流
“梦想”号不仅是中国海洋科考船舶建造历史上的重要里程碑，也是国际海洋合作的舞台。它汇聚了全球科学智慧，为推进中国式现代化、推动构建人类命运共同体作出更大贡献。
钻采系统的建造历程
“梦想”号的建造历程充满了挑战与创新。该船于2020年5月完成初步设计，2021年11月启动建造，仅用两年多便实现了主体贯通下水，历时三年便正式建成入列。
全船建造模式由分到整，建造团队把“梦想”号共划分了3个巨型总段、17个总段、280个分段，并分艏、艉两个巨型总段同时进行分区域建造。在建造过程中，中国地质调查局广州海洋地质调查局几乎全员出动，但仍存在巨大的专业技术人员缺口。关键时刻，中国地质调查局协调全局优势力量确保项目顺利推进，多家局属单位借调专业技术人员加入项目组，许多国内油气装备企业也递来了合作“橄榄枝”。
展望未来
“梦想”号的正式入列，将为中国深海资源勘探、关键技术装备研发提供重大平台支持，对加快建设海洋强国、推动构建人类命运共同体具有重要意义。未来，“梦想”号不仅将在中国海洋科考进程中发挥关键作用，更将在全球海洋探索中承担重任。
通过“梦想”号，我们期待能够打开“莫霍面”、探索地球深部，为全人类认识海洋、保护海洋和开发海洋共同梦想的实现贡献力量。这把探索地球深部奥秘的“钥匙”，将在未来大放异彩，船凭壮志巡沧海，钻破万米解乾坤。
致谢：中国地质调查局、新京报、新黄河、海外网、腾讯网等，百度及微信等网络媒体。