HD-600型海洋鉆機(jī)的研制

歐陽志強(qiáng)，雷統(tǒng)平，周親宗，梁文成，陳法安，李明星

(1.衡陽中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司，湖南衡陽 421002；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 510230)

0 引言

海洋工程勘察已廣泛應(yīng)用在跨海大橋、碼頭、沿海核(火)電站、海底通訊光纜、海上風(fēng)力發(fā)電，填海造島、機(jī)場建設(shè)及民用建筑、電纜路由、海底輸油管道路由和海上石油平臺(tái)場址等海洋工程建設(shè)中。當(dāng)前，我國海洋工程勘察行業(yè)普遍存在的問題是缺少先進(jìn)的勘察設(shè)備和裝備完善的勘察船只，我國的海洋技術(shù)裝備落后于發(fā)達(dá)國家，勘察設(shè)備大多都需要從國外引進(jìn)。國內(nèi)海洋工程勘探鉆探設(shè)備主要是用陸地勘探用的立軸鉆機(jī)加上簡易的鉆塔改裝而成，由于陸地鉆探和海洋鉆探存在較大的差異，改裝設(shè)備施工效率低，適用性較差，存在很大的安全隱患。

海洋工程地質(zhì)勘探和陸地勘探最大區(qū)別是陸地鉆機(jī)與鉆孔是相對(duì)固定的，而海洋鉆探鉆機(jī)放在船上，孔位在海底，鉆機(jī)跟船隨波浪運(yùn)動(dòng)，鉆機(jī)與孔位相對(duì)位置是在不斷變化的，如何保證取心的連續(xù)性和巖心質(zhì)量，鉆進(jìn)的可靠性、安全性，如何適應(yīng)海上的各種施工環(huán)境是在設(shè)備研制中要重點(diǎn)考慮的。經(jīng)過長期在海洋工程勘察鉆探領(lǐng)域的積極探索，我們認(rèn)識(shí)到海洋工程勘察鉆探設(shè)備的設(shè)計(jì)要充分考慮以下八個(gè)方面的問題：①保證鉆探施工及工作人員的安全；②充分考慮鉆探工藝特性；③提高施工效率；④降低能耗及控制成本；⑤鉆機(jī)的操控性；⑥降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和改善工作環(huán)境；⑦提供備用方案及應(yīng)急處理措施；⑧整機(jī)配套及綜合功能的優(yōu)化。

目前海洋工程勘察鉆探設(shè)備較多采用四角管塔與陸地立軸鉆機(jī)的改裝組合，施工效率低，適用性較差，存在很大的安全隱患。同時(shí)，無法克服海洋鉆探由于波浪起伏造成鉆探平臺(tái)的升降，造成鉆機(jī)立軸的損壞；各個(gè)功能系統(tǒng)(包括給進(jìn)、回轉(zhuǎn)、提升、打撈)本身對(duì)于海洋工程勘察鉆探鉆進(jìn)的適應(yīng)性以及系統(tǒng)之間的匹配性也很難滿足。因此，我們必須打造自己的設(shè)備體系以滿足市場需求。在很長一段時(shí)期內(nèi)，國內(nèi)針對(duì)該領(lǐng)域?qū)Ｓ勉@探裝備的研究處于空白，國外起步較早，目前已基本成熟，與國外相比我國還存在較大差距。為了推進(jìn)海洋工程勘察技術(shù)的發(fā)展，通過與中交四船院廣泛交流和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在我公司研制的HD-300與HD-500海洋鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，研制了HD-600型海洋鉆機(jī)。

1 HD-600型海洋鉆機(jī)技術(shù)方案及創(chuàng)新點(diǎn)

1.1 技術(shù)方案

1.1.1 技術(shù)路線

針對(duì)海洋工程地質(zhì)勘探的工藝特點(diǎn)，形成我們海洋工勘鉆探設(shè)備的技術(shù)路線如下：

總體結(jié)構(gòu)型式為塔機(jī)分離，模塊化、散裝；主要驅(qū)動(dòng)方式(提升、回轉(zhuǎn))為液壓驅(qū)動(dòng)；主要鉆進(jìn)型式為頂部驅(qū)動(dòng)；主要控制方式為數(shù)字控制。

1.1.2 主要部件

鉆機(jī)主要部件包括：鉆塔、底座、液壓動(dòng)力頭、液壓系統(tǒng)、波浪補(bǔ)償系統(tǒng)、動(dòng)力站、沖擊卷揚(yáng)、泥漿泵、操縱臺(tái)等。

1.2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1.2.1 液壓波浪補(bǔ)償系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要部件為蓄能器、液壓油缸、滑輪組以及拉力計(jì)等。通過各部件的連接，使機(jī)械能、液壓能和氣壓能能夠?qū)崟r(shí)轉(zhuǎn)換，從而使系統(tǒng)消除海浪上下起伏對(duì)海洋鉆探的影響，可極大提高海洋鉆探的質(zhì)量。同時(shí)，可根據(jù)地層的軟硬和海浪高度對(duì)鉆進(jìn)壓力及波浪補(bǔ)償行程進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.2.2 頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)

該系統(tǒng)由頂部馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉆柱，并沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)，通過絞車控制實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)功能。該技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了提供強(qiáng)拉和大扭矩回轉(zhuǎn)的復(fù)合動(dòng)作，增加了給進(jìn)行程，減輕了鉆探施工勞動(dòng)強(qiáng)度，推動(dòng)鉆探施工工藝模式上的不斷創(chuàng)新。

1.2.3 全數(shù)字化控制系統(tǒng)

采用全數(shù)字化控制技術(shù)，通過可編程邏輯控制器(PLC)和電、液及各種傳感器一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速、鉆壓、泥漿泵壓力和流量及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控，通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了海洋勘探的可視化、智能化。

1.2.4 模塊化設(shè)計(jì)

整機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)施工工藝的需要增減或更換功能模塊，能夠適應(yīng)各種作業(yè)環(huán)境。

1.2.5 適用地層

可用于海洋沉積淤泥地層、黏土地層、砂質(zhì)黏土、粉砂層、砂層、砂礫巖及基巖地層鉆進(jìn)。鉆機(jī)能滿足各種地層中不同鉆進(jìn)取樣工藝的需要。

1.2.6 抗腐蝕性能

為了避免海洋氣候及海水的腐蝕性，泥漿泵采用了陶瓷缸套，鉆塔及各種重要部件采用特殊工藝進(jìn)行了防銹處理，使整機(jī)在海洋環(huán)境下更耐用。

2 主要技術(shù)參數(shù)

鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 HD-600型海洋鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

表1 (續(xù))

3 HD-600鉆機(jī)使用情況

2016年12月，首臺(tái)新型海洋工程勘察鉆機(jī)通過廠內(nèi)實(shí)驗(yàn)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求后交付用戶單位中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，在海南三亞、?？?、三沙，福建和廣東深圳等海域施工進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)。歷時(shí)一年多，累計(jì)工作量超萬米(圖1)。

圖1 首臺(tái)HD-600海洋鉆機(jī)三亞施工現(xiàn)場

從目前的使用情況來看，HD-600型海洋工程勘察鉆機(jī)適應(yīng)環(huán)境范圍廣，成孔質(zhì)量高，施工效率有了較大的提升。產(chǎn)品的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)設(shè)備先進(jìn)，采用數(shù)字化和智能化控制，可靠性高，輔助時(shí)間短，施工效率高；

(2)具有波浪補(bǔ)償功能，減少了鉆探事故，提高了勘察質(zhì)量，這也是傳統(tǒng)的鉆機(jī)所不具備的功能；

(3)鉆機(jī)采用液壓傳動(dòng)，集中控制，鉆桿的扭矩和轉(zhuǎn)速能在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變化；

(4)模塊化結(jié)構(gòu)，安裝快捷，運(yùn)輸方便。操控性能便捷，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了勞動(dòng)環(huán)境、提高了安全性和舒適度；

(5)動(dòng)力頭活動(dòng)空間大，可以自由上下升降，大大方便了井口的作業(yè)；

(6)沖擊卷揚(yáng)采用汽車變速箱，速度范圍寬，提升能力強(qiáng)，可選擇的檔位多，可很好的適應(yīng)各種復(fù)雜的海上工況；

(7)管路連接采用快速接頭插接為主，減少液壓油漏油的可能性，可較好的解決因流失造成環(huán)境污染的問題。

從工地反應(yīng)的情況來看，也存在著一些問題：

(1)由于海洋環(huán)境的特殊性，液壓油缸活塞桿等部分液壓元件容易銹蝕，從而造成油缸密封件漏油；

(2)動(dòng)力站的噪音偏大，需要降噪減震；

(3)波浪補(bǔ)償靈敏性需要進(jìn)一步提高；

(4)降低管路油管規(guī)格，增強(qiáng)管路的互換性。

針對(duì)客戶反饋的問題，我們將在下一階段逐步改進(jìn)、解決。