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海洋技术▏基于深海运载器的小型岩芯取样钻机发展现状分析
作者:润商客服    发布于:2019-08-16 09:52:56    文字:【】【】【
摘要: 占地球表面积71%的海洋蕴藏着丰富的重要战略资源,为国家经济发展和国防建设所必需。目前,陆上资源消耗严重,深海资源勘探迫在眉睫。随着深海高技术装备的迅猛发展,深海资源勘探进入了全面发展的阶段。我国在海外拥有超过16万km2的矿区,矿区包括多金属结核、富钴结壳和硫化物等,是经济发展和国防建设不可或缺的潜在矿产资源。然而,在大规模开采之前必须开展前期的取样分析,完成规模、储量、成分、前景、环境评估等工作,这就急需以“蛟龙号”为代表的深海运载装备具备水下岩芯取样探测能力。
      占地球表面积71%的海洋蕴藏着丰富的重要战略资源,为国家经济发展和国防建设所必需。目前,陆上资源消耗严重,深海资源勘探迫在眉睫。随着深海高技术装备的迅猛发展,深海资源勘探进入了全面发展的阶段。我国在海外拥有超过16万km2的矿区,矿区包括多金属结核、富钴结壳和硫化物等,是经济发展和国防建设不可或缺的潜在矿产资源。然而,在大规模开采之前必须开展前期的取样分析,完成规模、储量、成分、前景、环境评估等工作,这就急需以“蛟龙号”为代表的深海运载装备具备水下岩芯取样探测能力。
      2012年,我国首台深海载人潜水器“蛟龙号”成功完成了7062m全球同类作业型潜水器最深下潜试验,惊艳亮相全球舞台,并于2013~2017年在全球七大海区连续组织实施了4个试验性应用航次,获取了样品和数据,开创了深海资源高效勘探的新模式。
      深海岩芯取样是利用冲击、射入、钻机等方式,实现深海岩芯采集的技术,可分为钻机、切割锯、液压锤等多种,其中钻机是最常见的一种。由于钻机具备高效取样、造价便宜、易于操作等优点,已在国外内获得了广泛的发展和应用,是开展海洋岩芯取样探测及科学研究的关键性装备,通常根据钻取深度进行划分,分为浅孔(0~5m)、中深孔(5~50m)和深孔(大于50m)岩芯取样钻机。
      传统的岩芯钻机是一种大中型重装设备,通常依托于大型船舶进行布放和作业,作业工程中依靠铠装缆与母船保持电力、监控、操作等软硬电控制,是开展深海资源勘调查、取样和探测的重要装备。基于运载器的小型岩芯钻机通常由钻头、能源驱动系统、控制系统组成,有电力及液压两种动力方式,与传统钻机不同的是采用了轻量化设计,由于需搭载于运载器本体,其作业重量、作业功率、钻取深度均小于传统钻机,其主要优势在于可以利用运载器精确作业的优势实现特点区域的精细取样,获取高价值地质基础数据。

      尽管中国载人深潜取得了跨越式发展,但深海装备技术基础研究能力仍较为薄弱,运载器水下作业性能仍落后于美国Alvin和日本SHINKAI 6500载人潜水器,作业工具匮乏,能力受限。作者参与了2013~2017 年“蛟龙号”试验性应用海上作业任务,亲历了科学家对深海取芯作业的迫切需求,国内现有深海潜钻取样装备的研究与应用大多关注于基于船载的岩芯取样系统,对基于运载器的小型潜钻系统发展不够,很少在水下机器人上配置高效取芯作业系统。随着深海运载器大批量服役,有必要对深海运载器岩芯取样钻机的应用研究进行深入调研,以期为我国发展深海运载装备水下作业应用提供基础支撑。

      一、研究现状
      ⒈国外研究现状
      ⑴传统岩芯钻机
      目前美、日、德、俄等国开展了较多研究,研制了多种型号钻机,自20 世纪50 年代以来,已发展到了第四代。第一代海底岩芯取样钻机以浅海(小于500m)、低钻深(小于10m)、结构简单、自动化程度低为主要特点。同时,供能方式也是多种多样,有浮力型、气压型、压差型、燃料型、液压型、电池型、电驱型、电液组合型等。典型代表有俄罗斯北方地质勘探工程联合体研制的GBU-1.5型钻机。      第二代海底岩芯取样钻机的主要特点是:自动化程度得到了提高,同时可工作于深海海域。典型代表有英国地质调查局(BGS)研制的RockDrill-1 & RockDrill-2 和美国Williamson & Associates 开发的BMS-2(Benthic Multicoring System),如图2~图3所示。

      第三代海底岩芯取样钻机在第二代基础上进行了大幅改进,在新技术带动下基本实现了自动化智能控制,具备智能操作、诊断与监测能力,同时可实现5~50m的中深钻取芯能力。典型代表有:澳大利亚的PROD、德国的MeBo、美国的ACS 和ROVDrill,以及加拿大的CRD100等,如图4和图5所示。


      第四代海底岩芯取样钻机开展了50m以上的大深钻研究,增加了高度智能化模块设计。2005年,挪威机器人钻井系统组件公司对原ADF海底钻机(Autonomous Drilling Floor)进行了四代改装,研制一套钻进深度超过600m的大型深层海底钻探系统: Seabed Drilling Rig,如图6和图7所示。

      ⑵深海运载器小型岩芯取样钻机
      随着深海运载装备广泛应用,依托运载器精细作业特点,多类型基于深海运载器的岩芯取样装置得到了快速发展,是目前发展的热点技术。目前以美国、日本为代表的深海载人潜水器开展了大量运载器岩芯取样钻机的研究和应用发展工作。
      作为全球应用最为先进的美国Alvin号早在1991年就完成了HSTR岩芯取样钻机的研制工作,并完成了海试应用,在热液区成功钻取了硫化物岩芯。该取芯器采用单管设计,最大取芯直径为3cm,长度35cm。此外,HSTR取芯器还随MBARI研究所的ROV(Ventana)在1992年成功取得火成岩岩石样品。图8为HSTR 取芯器的系统组成示意图。

      在HSTR取芯器基础上,MBARI研究所Stakes等对电力系统、切割装置、导轨框架进行了优化设计,研制成功了4000m级MCS取样器,可实现四管取样,经过多次改进完成了多次下潜取样,2003年成功在Juan de Fuca海底获得裸露基岩的样品。2007年,这套装置移交给WHOI研究所,如图9所示,经过改装后用在Jason2 ROV上,并作为UNSOL开放共享的重要装置之一。

      Phoenix International公司研制一套可搭载在Nereus II ROV上的取芯器,如图10所示,取芯长度能够达到1.5m,取芯直径60mm,作业水深2400m,能在45°斜坡上取芯。

      在大深度岩芯取芯器方面,1995年美国Harbor Branch海洋研究所Dan G White等采用了液压缸伸缩动力方式加顶部自动机械锁死与应急抛载机构的设计,完成了7000m级Harbor Branch取芯器的研究(图11),并搭载于Magellan ROV完成了多次海上试验,取得了丰富的成果。

      此外,英、法、俄等国也开展了深海运载器岩芯取芯器的研制及应用工作,如CONSUB 号(英)、STI号(法)和APTYC 号(俄)等载人潜水器均开展了配套小型岩芯取芯器研制,并完成了海上作业。其中俄罗斯的APTYC号载人潜水器配套开发的小型取芯器最为著名,该装置总长约1m,总重不超过35kg,取芯直径约2cm,最大取芯长度约15cm,可一次钻取5块岩芯,配备有高强度金刚石钻头,钻机转速高达1000r/min,具备高效作业能力,在VII-X级岩石上钻取8cm岩芯最快仅需10min。
      综上,经大量调研,国外深海运载器配套小型岩芯取芯器具体情况如表1所示。

      ⒉国内研究现状
      ⑴传统岩芯取样钻机
      相对于国外,我国岩芯钻机方面发展相对落后,直到2003年,在国家“863”计划支持下,万步炎教授等开展了首台浅地层岩芯取样系统的研制工作,2004年开展了海试应用(图12),该装备具备水下0.5~2m地层钻深能力。

      在首台浅地层岩芯取样系统研制及应用基础上,2008年,在国家“863”计划重点项目支持下,又开展了钻深20m的中深孔钻机系统的研制,如图13所示,该系统预期作业深度为1000~4000m,取芯直径5cm,在2010年底完成了海试,该系统采用全液压动力方案,对功力结构设计和提钻取芯方式进行了全新优化,加装了机械手辅助操作功能,能够利用机械手操作实现水下钻杆的自动加接。

      10m和20m海底中深钻机的成功研制助推了我国大洋资源勘探、储量规模评估等工作。随着我国大洋勘探任务的逐步实施,多次利用“大洋一号”船舶开展了深海资源勘探作业,完成了深海富钴结壳、多金属结核、多金属硫化物等矿产资源的勘探任务,在太平洋和印度洋1000~3000m海域完成了超过1000个取芯样,成果显著。
      在上述浅层、中深层钻机系统研制基础上,2012年,国家“863”计划又立项支持了钻深达60m的钻机系统研究项目(图14“海牛号”)。该钻机系统是我国第三代海底钻机的典型代表,配备有多种水下探测传感器,具备地层土工力学阻力、孔隙水压力及温度探测能力,采用了最新的绳索取芯技术方案,可实现软硬不同地层的取芯能力,201年在南海成功完成了海试,引起了国内外热烈反响。

      ⑵深海运载器小型岩芯取样钻机
      2007年长沙矿院发明了一种深海多金属硫化物矿体大容量取样器,为海底矿物的原位采集打下了技术基础。2010年哈尔滨工程大学张波等开展了一种1000m级小型水下电动切割装置的研究工作(图15),但未实现产业化应用。席俊杰等提出一种通过涡轮加压提供钻进动力的表层取样钻机设计设想,通过涡轮旋转,产生推动力完成钻具的进给,其基本结构见图16,该设计较为创新,但较难解决深海动力、能源、密封及微地形钻机稳定性等问题,未付诸应用。
      了钻深达60m的钻机系统研究项目(图14“海牛号”)。该钻机系统是我国第三代海底钻机的典型代表,配备有多种水下探测传感器,具备地层土工力学阻力、孔隙水压力及温度探测能力,采用了最新的绳索取芯技术方案,可实现软硬不同地层的取芯能力,201年在南海成功完成了海试,引起了国内外热烈反响。

      2012年,以“蛟龙号”为代表的载人潜水器的巨大成功带动了岩芯取样技术的发展。立项之初,长沙矿院同步开展了“蛟龙号”配套岩芯取样工具的研究工作,但由于该钻机设计机构复杂、造价及维护成本较高、设备重量过大,无法便捷地搭载到潜器,尚未付诸实际应用。
      2014年,在国家海洋公益专项支持下,国家深海基地管理中心联合山东大学拓普液压公司研制了一套适合于“蛟龙号”使用的小型浅地层表层取芯钻机(图17),并在太平洋富钴结壳海域软质地层中成功实现了海试应用,但其取芯较短,有待于后续优化。杨磊等对PDC钻头和硬质合金两种材料的钻头的刃角和后倾角与功耗进行了实验分析,并对钻头结构进行了优化,表层取样直径可以达到14mm。但设备整体取芯效率不高,且在取芯过程中机械手需时刻保持钻具垂直进给,整体取芯效率和所取表层的体积有限。
      mso-font-kerning:1.0000pt;" >的钻机系统研究项目(图14“海牛号”)。该钻机系统是我国第三代海底钻机的典型代表,配备有多种水下探测传感器,具备地层土工力学阻力、孔隙水压力及温度探测能力,采用了最新的绳索取芯技术方案,可实现软硬不同地层的取芯能力,201年在南海成功完成了海试,引起了国内外热烈反响。

      我国4500m级“海马号”ROV 配套研制了一套海底轻型富钴结壳表层钻机系统(图18),工作水深4500m,取样尺寸为40×300mm,整机重量为65kg,并在大洋36航次成功实现了海试应用。

      ⒊深海岩芯取样钻机总结
      综合国内外研究现状论述,传统的岩芯取样钻机已发展了50 余年,至今已经发展到了第四代,尤其随着DSDP(国际深海钻探计划)、ODP(国际大洋钻探计划)、IODP(综合大洋钻探计划)等国际钻探专项计划的实施,深海钻机获得了前所未有的发展。
      基于中国大洋科考应用的认识(“大洋一号”的传统岩芯钻机及“蛟龙号”潜水器岩芯取样钻机等应用),传统岩芯取样钻机与运载器岩芯取样装置各有特点,优势互补,具体总结如下。
      ⑴传统钻机具有大钻深、大钻径、大功率的特点,能够获取大量岩芯样品,是大洋钻探的主要技术装备。然而,该钻机通常属于大中型重装设备,需要船载平台对其进行布放及作业,系统结构复杂,对海况、船舶、人员等具有较高要求,因此作业及维护成本较高。与此同时,由于水下定位及导航存在误差,该型钻机坐底钻探精度有限。
      ⑵相对于传统岩芯钻机,运载器岩芯钻机通常搭载于运载器作业平台,具有结构简单、小巧轻便的特点,依靠运载器进行坐底或机械手夹持作业。由于运载器可以实现定点精确作业,因此该型钻机能够实现定点精细取样,获取的岩芯样品科学价值极高,但受制于平台限制,其取芯量较少,取芯效率较低。

      ⑶综上,传统岩芯钻机与运载器岩芯钻机可实现深海岩芯取样的优势互补。传统钻机作为主要钻探设备实现大规模、大面积钻探,获取区域数据;运载器岩芯钻机则可在区域数据已知的基础上进行精确钻探,获取高价值点域的岩芯样品,获得重大科学发现,两者结合实现深海科考的完整技术钻探体系。
      二、关键技术
      深海地域广阔,地形环境复杂,岩芯取样钻机既要考虑自身钻取稳定性、高效性等技术需要,又要考虑与深海运载器匹配性、安全性、可操作性等作业需要,因此需要突破微地形匹配、微钻压控制、专用钻头设计、钻取工艺参数优化等关键技术难点。
      ⒈对海底微地形的自适应技术
      深海领域地形条件极其复杂,人类对深海的认识极其有限,无法实现100%的精准坐底,这就需要岩芯取样钻机具备对深海微地形的适应能力,针对不同的地形情况,使钻头以合适的角度起钻,并能与岩石面紧密接触,使钻进过程顺利完成。
      ⒉微钻压控制及专用钻头设计技术
      研究表明,运载器搭载的岩芯取芯器的钻进压力极其微小,大约只有300~400N,远不及陆上传统地质岩芯取样钻机3000N以上钻压力,因此微钻压的控制技术直接影响取芯效率,是钻取的关键技术。同时,由于深海运载器在水下作业时间极其有限,需要岩芯取样钻机能在微小钻压条件下实现快速钻取作业。现阶段由于国内外尚未实现深海领域的大规模钻取作业,因此现有标准的取芯钻头无法满足深海作业要求,急需开展深海运载专用取芯钻头设计,研制具备高效、高地质适应性、低功耗的专用金钻头。
      ⒊岩芯钻进参数与运载器作业匹配技术
      岩芯钻机最终取样成功与否关键依托于潜水器平台优势,利用潜水器自身装备配合完成水下取芯,必须将微地形起伏、机械手操作姿态、基岩软硬度、岩芯钻机功率与转速、钻压控制等非线性随机性强的参数进行系统融合,开展钻取过程的优化试验研究,这是能否成功完成应用实施的关键技术。
      ⒋紧急抛载技术
      为保证运载器(尤其是载人潜水器)作业安全,钻机在水下作业时会存在卡钻、缠绕等紧急安全事故。为保证乘员及装备的安全,必须考虑紧急抛载设计,考虑采用液压切割或者电爆螺栓爆破等方式将钻机与潜水器本体进行分离,确保潜水器本体安全返航。
      三、结语
      随着国家“海洋强国战略”的深入实施,三龙装备体系逐渐明晰,以“蛟龙号”为代表的载人潜水器、“海龙号”为代表的缆控无人潜水器、“潜龙号”为代表的无人自主潜水器面临前所未有的发展机遇。随着深海运载器的规模应用,岩芯取样需求倍增,与之配套的岩芯钻机就是其中需加快发展的关键技术装备之一。未来还需要在微地形匹配、微钻压下高效钻取、专用钻头设计、钻取工艺参数优化等关键技术方面努力。与此同时,随着计算机技术及人工智能技术的发展,利用人工智能技术开展钻机的自主控制、智能化监控、多模式智能决策钻进是未来重要的发展方向;利用深度学习技术实现深海钻机的智能故障诊断与容错控制也是未来重要的发展方向。
      充分利用好深海运载器的技术优势,开展运载器配套岩芯取样钻机的水下取芯探测,可为我国大洋科学调查、资源探测提供一线原位样品,获取宝贵的实验数据,为发展我国深海探测技术、为实现“海洋强国”战略提供技术支撑。

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