我國大洋鉆探船的建造需求和功能設(shè)計

楊磊 秦升杰 景春雷 李寶鋼 劉學(xué)勤 劉保華

摘要：為加快我國大洋鉆探船的設(shè)計和建造，填補國內(nèi)該領(lǐng)域的空白，保障我國對深海礦產(chǎn)資源的勘探和開發(fā)利用，文章概述世界主要大洋鉆探船的基本情況，分析我國建造大洋鉆探船的必要性和經(jīng)驗基礎(chǔ)，并提出我國大洋鉆探船的功能設(shè)計。研究結(jié)果表明：參與國際合作項目的大洋鉆探船主要包括美國“格羅瑪·挑戰(zhàn)者”號、“喬迪斯·決心”號和日本“地球”號;從開發(fā)利用深海礦產(chǎn)資源和深度參與國際海底事務(wù)的角度，我國對大洋鉆探船的需求迫在眉睫，且我國已在深水勘察船和鉆井船等的設(shè)計和建造方面積累了寶貴經(jīng)驗;我國大洋鉆探船的功能設(shè)計主要包括船型、總體布置、推進和定位方式、鉆探和巖芯采集系統(tǒng)以及船載實驗室等方面，應(yīng)參考其他相關(guān)和類似船舶，結(jié)合我國深海大洋勘探和開發(fā)利用的具體任務(wù)需求綜合設(shè)計。

關(guān)鍵詞：海洋礦產(chǎn)資源;鉆探船;大洋勘探;深海裝備;船舶工程

中圖分類號：P7153;P744文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1005-9857（2019）02-0068-05

Construction Requirements and Functional Design of China′s Ocean Drilling Vessels

YANG Lei1，QIN Shengjie1，JING Chunlei1，LI Baogang1，LIU Xueqin2，LIU Baohua1

（1National Deep Sea Center，Qingdao 266235，China;

2Marine Design and Research Institute of China，Shanghai 200011，China）

Abstract：In order to speed up the design and construction of China′s ocean drilling vessels，fill the gaps in this field，and ensure the exploration and exploitation of deepsea mineral resources in China，this paper outlined the basic situation of major ocean drilling vessels in the world，analyzed the necessity and experience basis of China′s construction of ocean drilling vessels，and put forward the functional design of China′s ocean drilling vessels.The results showed that the ocean drilling vessels involved in international cooperation projects mainly include “Glomar Challenger” and “JOIDES Resolution” contributed by United States and “Chikyu” contributed by Japan.From the perspective of exploiting and utilizing deepsea mineral resources and deeply participating in international seabed affairs，China′s demand for ocean drilling vessels is imminent，and China has already designed deepwater exploration vessels and drilling vessels.The function design of ocean drilling vessels in China mainly includes ship type，general layout，propulsion and positioning mode，drilling and core acquisition system and shipborne laboratory，etc.It should refer to other related and similar ships，and integrate with the specific task requirements of deepsea exploration and development and utilization in China.

Key words： Marine mineral resources，Drilling vessels，Ocean exploration，Deepsea equipment，Ship engineering

1國際合作項目的大洋鉆探船

深海鉆探計劃（DSDP，1968—1983年）、大洋鉆探計劃（ODP，1985—2003年）、綜合海洋鉆探計劃（IODP，2003—2013年）和國際大洋鉆探計劃（IODP，2013—2023年）[1]是為探索地球海洋深部而實施的國際合作項目，已累積取得巖芯超過40萬m，為板塊構(gòu)造理論、古海洋學(xué)和氣候演變規(guī)律等[2]科學(xué)的發(fā)展做出突出貢獻。

作為海洋深部取樣的唯一平臺，大洋鉆探船是不可或缺的裝備。美國、日本和歐洲國家等研發(fā)大洋鉆探船較早，技術(shù)力量雄厚，現(xiàn)已成功應(yīng)用鉆探船開展海底巖芯取樣和礦產(chǎn)資源勘探，其中美國“格羅瑪·挑戰(zhàn)者”號、“喬迪斯·決心”號和日本“地球”號3艘大洋鉆探船專門為國際合作項目服務(wù)。

11“格羅瑪·挑戰(zhàn)者”號

“格羅瑪·挑戰(zhàn)者”號是1966年美國為DSDP專門新建的大洋鉆探船，也是DSDP唯一的專用鉆探船。該船長121 m、寬19 m，滿載排水量10 500 t，是世界首艘可在水深大于6 000 m的海底實施鉆探的船舶;配備動力定位系統(tǒng)，可在風(fēng)力9級時正常作業(yè);配置縱橫搖補償和升沉補償系統(tǒng)，保證船舶的縱搖和橫搖不超過9°。該船于1968—1983年共完成96個航次，在除北冰洋外的各大洋的624個站位鉆井1 112口，采用無隔水管鉆井方式，取得巖芯超過97萬m，創(chuàng)造多項深海鉆探記錄。該船目前已退役。

12“喬迪斯·決心” 號

“喬迪斯·決心”號于1985年成為ODP的專用鉆探船，現(xiàn)為IODP的專用鉆探船，至今已服役33年。該船長143 m、寬21 m，滿載排水量16 800 t，具備操作9 150 m鉆桿的能力，最大作業(yè)水深8 235 m。迄今為止，該船共完成165個航次，航程近54萬n mile，在905個站位鉆井2 500口。

“喬迪斯·決心”號采用傾斜式船首型式，滿載水線以上的部分較瘦削;兼具自航能力和動力定位能力;采用雙軸雙槳電力推進的方式，同時配備10臺550 kW的全回轉(zhuǎn)推力器和2臺550 kW的側(cè)推裝置，可在波高75 m、風(fēng)速60 kn和流速3 kn的環(huán)境條件下定位。由于建造年代較早，該船推力器數(shù)量較多、功率較低，在船舶動力定位性能方面不具優(yōu)勢;艉部螺旋槳雖功率較高，但在斜向環(huán)境條件下推力縮減較多，并不能充分發(fā)揮作用。該船采用無隔水管鉆井方式，無須下放防噴器組，對月池尺度的需求較小，采用直徑7 m的圓形月池，月池引起的阻力增加不大（應(yīng)在10%以內(nèi)）。鉆探和巖芯采集系統(tǒng)集中布置于船中后部，井架布置于船中部，鉆桿主堆場布置于井架后部，散料罐布置于船中部兩側(cè)，泥漿泵和泥漿池布置于月池后部的船體內(nèi)，同時配置2臺泥漿泵、6個泥漿池和8個散料罐。

13“地球”號

“地球”號于2007年開始執(zhí)行IODP科學(xué)考察航次，是世界首艘采用隔水管的大洋鉆探船。該船長210 m、寬38 m，型深162 m，滿載排水量57 500 t，具備操作10 000 m鉆桿的能力，最大作業(yè)水深2 500 m（具備升級至4 000 m的能力）[3]。

“地球”號采用斜直式船首型式，首柱在滿載水線以上的部分呈前伸形式，在滿載水線以下的部分保留垂直形式;兼具自航能力和動力定位能力;采用電力推進的方式，配備6臺4 200 kW的全回轉(zhuǎn)推力器，分2組呈“品”字形布置，首部3臺和尾部靠前1臺采用可伸縮形式，可在波高55 m、風(fēng)速58 kn和流速15 kn的環(huán)境條件下，滿足有利首向30°的定位要求。該船最大航速約12 kn，采用隔水管鉆井方式，須下放防噴器組，對月池尺度的需求較大，采用長219 m、寬12 m的長方形月池，月池引起的阻力增加較大。

2我國建造大洋鉆探船的必要性和經(jīng)驗基礎(chǔ)

21必要性

深海礦產(chǎn)資源豐富，其中多金屬硫化物、多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)核等礦藏對人類生產(chǎn)和生活具有重要意義。對于國際海底區(qū)域，國際海底管理局遵循“誰有能力誰開發(fā)”的原則[4]，因此許多國家紛紛申請礦區(qū)進行勘探和開采。多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)核屬于二維礦藏[5]，而多金屬硫化物屬于分布于海底以下的三維礦藏[6]，須通過鉆探取樣才可確切地探明儲量，而大洋鉆探船是該階段至關(guān)重要的裝備。

美國先后建造“格羅瑪·挑戰(zhàn)者”號和“喬迪斯·決心”號大洋鉆探船進行海底鉆探取樣，取得眾多創(chuàng)新成果和重大發(fā)現(xiàn)，奠定其深?？茖W(xué)技術(shù)的世界領(lǐng)先地位。日本通過建造“地球”號大洋鉆探船，已執(zhí)行多次IODP任務(wù)，并培養(yǎng)了一大批深?？萍脊ぷ髡?。Nautilus公司利用DP Hunter鉆探船對巴布亞新幾內(nèi)亞專屬經(jīng)濟區(qū)的多金屬硫化物礦藏進行巖芯鉆探取樣。澳大利亞礦業(yè)公司也租用DP Hunter鉆探船在其新西蘭專屬經(jīng)濟區(qū)對多金屬硫化物礦藏進行勘探。目前發(fā)達國家對海洋固體礦產(chǎn)資源的開發(fā)已從地質(zhì)資源調(diào)查階段進入勘探取樣階段，并即將進入商業(yè)化開采階段[7]，而我國仍處于地質(zhì)資源調(diào)查階段。

我國自1998年開始參與ODP，首次對南海進行大洋鉆探即取得巖芯5 460 m，并取得氣候演變周期性規(guī)律等重大成果。之后我國多次參加ODP和IODP航次，取得亞洲季風(fēng)變遷和南海盆地演變等多項成果，同時培養(yǎng)和壯大了人才隊伍，在國際大洋勘探領(lǐng)域的影響力也逐漸提升。但目前我國不是ODP和IODP的成員，只能以“參與成員”的身份參加相關(guān)航次，得到的活動機會和研究報告較少，在國際合作中處于次要地位，其根本原因是我國沒有自己的大洋鉆探船和相應(yīng)設(shè)備。目前我國正大力發(fā)展深海科學(xué)技術(shù)，對大洋鉆探船的需求迫在眉睫，應(yīng)盡快設(shè)計建造并投入使用。

22經(jīng)驗基礎(chǔ)

我國自20世紀(jì)70年代開始進行海洋礦產(chǎn)資源勘探，由于沒有大洋鉆探船，主要利用科考船和潛水器，包括“大洋一號”“海洋六號”和“海洋18號”科考船以及“蛟龍”號載人潛水器、“海龍”號ROV和“潛龍”號AUV等。為滿足海洋礦產(chǎn)資源勘探的需求，國內(nèi)機構(gòu)積極開展大洋鉆探船的設(shè)計和建造，積累了寶貴的經(jīng)驗。

“海洋石油708”號是中國海洋石油集團有限公司所屬的深水工程勘察船，具有探測天然氣水合物、大洋濁流沉積和淺層高壓水等的功能，具備在3 000 m 水深實施工程地質(zhì)勘察（鉆孔）和工程地質(zhì)特性測試（CPT）的能力。該船總長105 m、寬234 m，型深96 m，設(shè)計吃水74 m，排水量11 900 t，井架高33 m，大鉤載荷225 t，定員90人，具備操作3 200 m鉆桿的能力。該船的經(jīng)濟航速13 kn，最大航速145 kn，尾部配置2臺全回轉(zhuǎn)推力器，首部配置1臺伸縮式推力器和2臺管隧式推力器，5臺推力器共同實現(xiàn)動力定位，可在波高3 m、風(fēng)力7級和流速2 kn的環(huán)境條件下定位。該船采用無隔水管鉆井方式，無須下放防噴器組，對月池尺度的需求較小，采用長74 m、寬7 m的方形月池，根據(jù)經(jīng)驗，月池引起的阻力約15%。鉆探和巖芯采集系統(tǒng)布置于船中部，鉆桿堆場布置于井架后部，堆場后部配置1臺抓管機。

中國船舶工業(yè)集團公司第七○八研究所聯(lián)合國內(nèi)高校和船廠，于2010年承擔(dān)國家工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研項目，完成擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的3 000 m水深鉆井船的總體方案開發(fā)，并通過DNV船級社的審查。

2011年9月，上海船廠船舶有限公司與華彬集團旗下的OPUS OFFSHORE公司簽署2+2艘1 500 m水深鉆井船EPC建造合同[7]，這是國內(nèi)首個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)并負(fù)責(zé)完整建造的鉆井船項目，由七○八研究所負(fù)責(zé)基本設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計，由上海船廠負(fù)責(zé)船體建造、鉆井等重要設(shè)備采購和全船設(shè)備安裝調(diào)試等。該項目首制船已于2016年交付。

3我國大洋鉆探船的功能設(shè)計

我國可參考國外大洋鉆探船和其他類似船舶，結(jié)合我國深海礦區(qū)的位置、水深和環(huán)境條件等因素，合理設(shè)計大洋鉆探船的船型、總體布置、推進和定位方式、鉆探和巖芯采集系統(tǒng)以及船載實驗室等，為后期建造提供指導(dǎo)。

31船型

目前主流大洋鉆探船的船型主要包括傾斜式船首和斜直式船首：①傾斜式船首型式在滿載水線以上的部分較瘦削，具有縱搖運動幅度小、波浪中阻力增加少和甲板面積大的優(yōu)點，但在滿載水線以下切去較多，使輕載水線的長度縮短，從而降低輕載狀態(tài)下的航行速度;②斜直式船首型式在滿載水線以上的部分呈前伸形式，在滿載水線以下的部分保留垂直形式，具有縱搖運動幅度小和甲板面積大的優(yōu)點，同時還兼顧滿載和輕載狀態(tài)下的航行快速性。我國大洋鉆探船的傅汝德數(shù)應(yīng)在02以下，阻力成分中興波阻力占比較小，因而可采用斜直式船首型式。

32總體布置

我國大洋鉆探船的總體布置主要包括鉆探和巖芯采集系統(tǒng)、船載實驗室、生活區(qū)、動力和電力系統(tǒng)以及動力定位系統(tǒng)等區(qū)域，尤其是鉆探和巖芯采集系統(tǒng)以及船載實驗室的布置，須充分考慮作業(yè)流程的需求。①鉆探和巖芯采集系統(tǒng)集中布置于船中后部，其中井架布置于具有更好運動性能的船中部，便于實施鉆探作業(yè);②船載實驗室布置于船首部的住艙與船中部的鉆探和巖芯采集系統(tǒng)之間的區(qū)域，實驗室后部與鉆探和巖芯采集系統(tǒng)相鄰，從而縮短巖芯輸運的距離，便于對采集的巖芯及時開展實驗研究;③生活區(qū)主要布置于主甲板和中間甲板，其中住艙布置于船首部，與船載實驗室相鄰，便于人員出入，且住艙的層高、面積和采光須滿足《2006年海事勞工公約》的要求;④機艙布置于船尾部，遠(yuǎn)離實驗室和生活區(qū)，降低噪音和排煙對實驗室和生活區(qū)的影響。

33推進和定位方式

建造年代較早的“喬迪斯·決心”號推力器數(shù)量較多、功率較低，而現(xiàn)代大洋鉆探船多配置6臺大功率全回轉(zhuǎn)推力器。我國大洋鉆探船應(yīng)兼具自航能力和動力定位能力，推進和定位系統(tǒng)可采用全回轉(zhuǎn)推力器和管隧式推力器相結(jié)合的方式，實現(xiàn)無級變速航行和原地回轉(zhuǎn)功能，動力定位等級為DP-2。

34鉆探和巖芯采集系統(tǒng)

目前大洋鉆探船主要包括無隔水管和隔水管2種鉆井方式。①“喬迪斯·決心”號采用無隔水管鉆井方式，優(yōu)點是無須攜帶大量立管和防噴裝置，避免占用鉆探船的甲板空間和裝載量，將船舶尺度控制在較小范圍，從而降低整船的建造和運行費用;缺點是鉆探深度較淺，一般在1 000 m以下，低于73 m不能鉆探，且在地質(zhì)較厚區(qū)域鉆探的風(fēng)險較大。②“地球”號采用隔水管鉆井方式，具備在各種水深鉆探的能力，有效克服無隔水管鉆井方式的缺點;但須攜帶大量立管和防噴裝置，導(dǎo)致船舶尺度較大——“地球”號的排水量和運行費用分別是“喬迪斯·決心”號的34倍和3倍。我國南海和西南印度洋多金屬硫化物礦區(qū)以及西太平洋等海域的水深在2 500 m以上，建議大洋鉆探船采用無隔水管鉆井方式，將排水量控制在“地球”號和“喬迪斯·決心”號之間，在不成倍提高建造和運行費用的前提下，保證能夠在各海域鉆探取樣。同時，可研發(fā)“非立管泥漿返回系統(tǒng)”[8]，從而控制船舶尺度以及降低建造和運行成本。

“喬迪斯·決心”號的鉆柱運動補償系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的游車型，我國大洋鉆探船可考慮采用更先進、補償精度更高的天車型鉆柱運動補償系統(tǒng)（主動與被動相融合）或主動絞車補償系統(tǒng)。

船體內(nèi)的泥漿系統(tǒng)可根據(jù)鉆表層鉆井作業(yè)和修井作業(yè)的需求進行規(guī)劃，須配置高壓泥漿泵系統(tǒng)、低壓泥漿池系統(tǒng)、散裝泥漿和水泥系統(tǒng)、配漿系統(tǒng)以及高壓固井系統(tǒng)等，以便在非科學(xué)考察時用于海洋石油開采的鉆表層鉆井、修井、堵井、棄井和完井等作業(yè)。

堆場設(shè)計可參考“喬迪斯·決心”號，分別在船首部和船尾部布置小堆場和大堆場，其中小堆場放置巖芯取芯工具等，大堆場放置鉆桿和套管等，還可考慮在大堆場設(shè)置類似海洋鉆井的管子輸送系統(tǒng)。

35船載實驗室

船載實驗室包括物理、化學(xué)和生物分析室，科學(xué)儀器間以及巖芯收集、處理和存儲區(qū)等，面積約1 200 m2。根據(jù)功能的不同，將各實驗室分別布置于橋樓甲板、巖芯甲板和首樓甲板，其中物理實驗室和化學(xué)實驗室位于不同層甲板，鉆臺和巖芯位于同層甲板。船載實驗室的配置和布置應(yīng)充分考慮我國科學(xué)家的實驗需求和習(xí)慣。

4結(jié)語

本研究根據(jù)對國際合作項目大洋鉆探船的調(diào)研，簡要分析我國大洋鉆探船的建造需求和功能設(shè)計，具體設(shè)計要根據(jù)任務(wù)和用戶的需求等綜合考慮。目前我國正大力發(fā)展深?？茖W(xué)技術(shù)，對大洋鉆探船的需求迫在眉睫。功能齊全、設(shè)備先進和布局合理的大洋鉆探船是我國深海礦產(chǎn)資源勘探和開發(fā)利用的重要技術(shù)支撐平臺，盡快建造并投入使用，對加快建設(shè)海洋強國具有重要意義。

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