陳浩文，王林清*，王 偲，于彥江，田烈余，殷國(guó)樂

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075）

0 引言

海洋蘊(yùn)藏了豐富的油氣、天然氣水合物和固體礦物等能源資源，同時(shí)也是解決生命起源、地球演化、氣候變化等重大科學(xué)問題的前沿研究領(lǐng)域。海洋鉆探是獲取海底地層信息最直觀準(zhǔn)確的方法，也是海洋資源勘查開發(fā)最主要的手段之一［1］。隨著海洋鉆探不斷向深海挺近，深海環(huán)境下的鉆探作業(yè)面臨諸多挑戰(zhàn)：由于孔隙壓力與破裂壓力余量較小，必須采用多層套管體系，可鉆水深和井深極限受多種因素制約［2-3］；開路鉆井工況下泥漿直接排海，污染海洋環(huán)境等。無隔水管泥漿回收技術(shù)（Riserless Mud Recovery，以下簡(jiǎn)稱RMR）作為新興的鉆井技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在開路鉆井工況下進(jìn)行泥漿回收循環(huán)再利用，具有安全環(huán)保、簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)和降低鉆探風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)［4］。

2001 年，挪威AGR 公司基于巖屑輸送系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)了RMR 技術(shù)，最初僅用于淺水油氣鉆井，主要用來解決復(fù)雜海底條件和淺層地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等鉆井難題，保障表層井眼的順利鉆進(jìn)［5］。隨著鉆井技術(shù)和裝備性能日益進(jìn)步，RMR 也從淺水走向深海，最大應(yīng)用水深達(dá)1419 m［6］。截止目前，RMR 技術(shù)已在國(guó)外成功應(yīng)用超過300 口井，其工藝方法及相關(guān)設(shè)備發(fā)展較為成熟（見表1），已成為一種高效、安全、環(huán)保的深海鉆井技術(shù)，其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括可實(shí)現(xiàn)海底“零排放”、降低泥漿和錄井成本、降低淺層作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、增加表層套管下入深度、避免鉆領(lǐng)眼等。

表1 RMR 鉆井記錄Table 1 RMR drilling records

目前國(guó)內(nèi)尚無RMR 技術(shù)工程應(yīng)用，仍處于跟蹤研究階段?，F(xiàn)階段我國(guó)海洋資源勘探開發(fā)主要集中在淺海區(qū)域，同時(shí)由表1 可知目前RMR 技術(shù)主要用于400 m 水深以淺。為發(fā)展我國(guó)無隔水管泥漿回收鉆井技術(shù)，推動(dòng)海洋鉆探發(fā)展，基于我國(guó)目前技術(shù)現(xiàn)狀，遵循由淺入深原則，優(yōu)先設(shè)計(jì)研發(fā)400 m 級(jí)RMR 系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

400 m 級(jí)RMR 系統(tǒng)搭載“海洋地質(zhì)十號(hào)”船進(jìn)行海試，因此基于海試船鉆探系統(tǒng)、基盤收放系統(tǒng)、電力通訊系統(tǒng)及常規(guī)鉆探工況等因素，制定本套系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)指標(biāo)如表2 所示。

表2 400 m 級(jí)RMR 系統(tǒng)參數(shù)Table 2 System parameters of 400m RMR

RMR 技術(shù)在鉆井過程中不使用隔水管，而采用單獨(dú)的管線作為泥漿上返的通道，通過泥漿舉升泵將海底井口吸入模塊內(nèi)的泥漿泵送至甲板面固控系統(tǒng)，完成水下井內(nèi)泥漿的回收利用［7］。本系統(tǒng)的總體方案如圖1 所示，主要由泥漿舉升泵，吸入模塊、海底基盤、泥漿上返管線、弱電控制系統(tǒng)、強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、臍帶纜及絞車等組成。由于海試船不具備ROV 水下作業(yè)條件，故采用吸入模塊及泥漿舉升泵集成于海底基盤設(shè)計(jì)，避免水下連接作業(yè)。海底基盤通過海試船的基盤收放系統(tǒng)從月池下放，泥漿上返管線連接海底基盤上的泥漿舉升泵，最終從月池返回甲板面。

泥漿舉升泵分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)海底泥漿的舉升；吸入模塊主要作用為暫存上返泥漿、井口內(nèi)泥漿的液位識(shí)別、視頻監(jiān)控，泥漿導(dǎo)出等；泥漿上返管線主要提供舉升泥漿的上返通道；弱電控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收傳感器傳輸數(shù)據(jù)，分析并自動(dòng)控制如變頻器等系統(tǒng)執(zhí)行部件；強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)為水下泵提供電力驅(qū)動(dòng)，變頻控制等。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)

2.1 泥漿舉升泵

作為RMR 系統(tǒng)的核心部件，泥漿舉升泵負(fù)責(zé)為水下井口返出泥漿回流至鉆探船提供動(dòng)力。鉆井時(shí)，井口返回的泥漿是由固相地層巖石碎屑與液相鉆井液組成的固液兩相流體。工業(yè)中常用的流體輸送泵達(dá)19 種之多，如離心泵、盤片泵、軸流泵、柱塞泵等等，但不是所有泵都適宜于工程施工。參照行業(yè)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)，并根據(jù)輸送介質(zhì)含固相顆粒的特性和泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不同類型泵的優(yōu)缺點(diǎn)見表3［8］。

綜合分析泥漿中固相顆粒的通過性、泥漿性質(zhì)與泵結(jié)構(gòu)可靠性、尺寸質(zhì)量、后期維護(hù)、工作效率和成本等因素，在3 種泵型中最終選擇離心泵（蝸殼泵）作為泥漿舉升泵。

水下鉆探作業(yè)時(shí)，地層巖屑一般粒徑范圍為5 mm 左右，體積濃度＜10%；依據(jù)地質(zhì)鉆探常用泵量，結(jié)合海試鉆井船的泥漿泵能力，確定RMR 系統(tǒng)泥漿舉升泵設(shè)計(jì)流量為50 m3/h。取作業(yè)泥漿密度為1200 kg/m3，海水密度近似為1030 kg/m3，泥漿舉升泵揚(yáng)程計(jì)算如下［9-10］：

泵的揚(yáng)程需滿足“沿程壓降+凈舉升高度≤最小揚(yáng)程”這一最低要求。其中沿程壓降是泥漿沿著管路輸送時(shí)由于摩擦產(chǎn)生的壓力損失，單位壓力損失即為水力坡度Jm；凈舉升高度為船舶甲板與海面間的凈空高度（氣隙）。

水力坡度Jm的計(jì)算公式為：

式中：Cv——流量系數(shù)；ρs—顆粒密度，kg/m3；ρdf——鉆井液密度，kg/m3；ρsw——海水密度，kg/m3；Δ——管道粗糙度，取值0.30；D——管道內(nèi)徑，mm；Re——雷諾數(shù)；g——重力加速度，取9.8 m/s2；Vm——實(shí)際提升速度，m/s；Wgt——顆粒群臨界沉降速度，m/s；

計(jì)算出水力坡度后Jm后，即可計(jì)算泵的最小揚(yáng)程：

式中：L——管道長(zhǎng)度，m；Hag——船舶的氣隙，m。

將相關(guān)參數(shù)代入上述公式，最后計(jì)算得出揚(yáng)程H=88.5 m，取90 m。依據(jù)揚(yáng)程進(jìn)行舉升泵其他關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)結(jié)果如表4 所示。

依據(jù)設(shè)計(jì)方案開展對(duì)泥漿舉升泵樣機(jī)的研制加工，考慮到葉輪及導(dǎo)殼受巖屑沖蝕，選用耐腐防腐的2507 雙相不銹鋼，水下電機(jī)等其他附件選用316L不銹鋼，電機(jī)選用濕式充油式電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)水下壓力補(bǔ)償平衡。舉升泵及水力葉輪如圖2、圖3 所示。

圖2 泥漿舉升泵Fig.2 Mud lift pump

圖3 舉升泵水力葉輪Fig.3 Hydraulic impeller in lift pump

2.2 吸入模塊與海底基盤研發(fā)

吸入模塊用于海底井口緩沖井下上返的泥漿，然后通過泥漿舉升泵將泥漿輸送回鉆井船。海底基盤用于集成安裝水下設(shè)備，根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)，吸入模塊、泥漿舉升泵、水下電子儀器等需安裝于海底基盤之上。RMR 系統(tǒng)海底基盤參照海試船現(xiàn)有基盤外形設(shè)計(jì)，基盤頂部設(shè)計(jì)有三個(gè)收放滑輪，基盤絞車鋼纜通過三個(gè)滑輪，控制基盤的下放與起升。在基盤頂部轉(zhuǎn)向滑輪對(duì)角處，設(shè)計(jì)有180°旋轉(zhuǎn)彎頭作為預(yù)留泥漿上返管線接口，旋轉(zhuǎn)彎頭上部連接泥漿上返管線，下部連接泥漿舉升泵出口，泥漿上返管線在水中會(huì)隨洋流及涌浪波動(dòng)，旋轉(zhuǎn)彎頭可以防止上返管線大角度彎折損傷［11-13］，如圖4 所示。

2.3 弱電控制系統(tǒng)

弱電控制系統(tǒng)主要功能為RMR 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)分析、人工操作、執(zhí)行控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。弱電控制系統(tǒng)可收集水下傳感器返回?cái)?shù)據(jù)，自動(dòng)分析判斷工況，并發(fā)送指令至RMR 系統(tǒng)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；同時(shí)還具有遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能，方便操作人員介入控制等［14-17］?？刂葡到y(tǒng)架構(gòu)如圖5 所示，主要包括甲板控制系統(tǒng)和水下測(cè)控單元等。其中甲板控制系統(tǒng)包括工作站、甲板通訊機(jī)、視頻刻錄及分配器、控制器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及UPS 等設(shè)備，主要功能為接受水下測(cè)控單元傳輸?shù)男畔?，處理?shù)據(jù)并發(fā)送相應(yīng)指令給甲板泥漿泵、泥漿舉升泵及放噴管線等執(zhí)行設(shè)備。水下測(cè)控系統(tǒng)包括攝像頭和照明燈等視頻單元，以及液位識(shí)別傳感器、深度+溫度傳感器、高度+姿態(tài)傳感器、氣測(cè)傳感器組等檢測(cè)單元，主要功能為采集水下圖像、泥漿液位信息、深度、高度、溫度及姿態(tài)等信息，為甲板控制系統(tǒng)提供控制依據(jù)。

圖5 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.5 Hardware architecture diagram of the control system

3 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)各關(guān)鍵部件研制完成以后，于中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所中試基地開展了陸地聯(lián)機(jī)調(diào)試，以檢驗(yàn)系統(tǒng)各項(xiàng)功能性是否達(dá)正常，整套系統(tǒng)是否達(dá)到搭載海試船開展海試要求。

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)設(shè)備主要包括弱電控制集裝箱、海底基盤、泥漿上返管線、強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等，如圖6 所示。本次聯(lián)機(jī)調(diào)試先后開展關(guān)鍵部件打壓測(cè)試、電控系統(tǒng)拷機(jī)測(cè)試、泥漿液位識(shí)別試驗(yàn)、流量調(diào)節(jié)試驗(yàn)，自動(dòng)控制試驗(yàn)、水下監(jiān)控測(cè)試等，試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，滿足海試要求。

圖6 系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試Fig.6 System joint debugging

4 設(shè)備海試

海試主要對(duì)自主研發(fā)的RMR 系統(tǒng)開展樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證相關(guān)理論基礎(chǔ)是否正確，檢驗(yàn)系統(tǒng)各項(xiàng)功能性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題和不足，為后期優(yōu)化升級(jí)提出科學(xué)合理的解決方案。本次海試搭載于海洋地質(zhì)十號(hào)調(diào)查船，航次HYDZ10-202202，試驗(yàn)海域?yàn)橹袊?guó)南海，分別在海洋地質(zhì)碼頭、102.6 m 水深、384.7 m 水深、93.01 m 水深、29.31 m 水深開展5 次試驗(yàn)，全流程驗(yàn)證RMR 系統(tǒng)技術(shù)可行性及設(shè)備各項(xiàng)功能性，海試時(shí)間總計(jì)12 d。

4.1 系統(tǒng)作業(yè)流程試驗(yàn)

本次試驗(yàn)主要在海洋地質(zhì)碼頭及102.6 m 水深開展，主要檢驗(yàn)設(shè)備下放回收流程是否合理，同時(shí)系統(tǒng)各項(xiàng)功能是否正常，以及設(shè)備耐壓及運(yùn)行穩(wěn)定性，為深水試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

整個(gè)試驗(yàn)過程主要分為基盤下放、管纜協(xié)同下放、基盤坐底、基盤回收、管纜協(xié)同回收五部分。設(shè)備下放階段，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的作業(yè)流程，先將海底基盤下放至月池（圖7），上電查看攝像頭、照明燈、高度計(jì)、姿態(tài)儀、深度計(jì)等工作是否正常，檢查供電通訊是否暢通，并在整個(gè)下放流程中保持上電通訊，進(jìn)行水下信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。檢查無誤后，繼續(xù)下放基盤，并同步隨動(dòng)下放臍帶纜、泥漿上返管線及動(dòng)力纜，直至基盤坐底。

圖7 海底基盤置于月池內(nèi)Fig.7 The base of the seabed is placed in the lunar pool

在設(shè)備回收階段，先上提海底基盤，同時(shí)協(xié)同回收臍帶纜、動(dòng)力纜和泥漿上返管線，避免速度過快將管纜破壞?；P從水下將要進(jìn)入月池內(nèi)時(shí)，需保證所有管纜均保持繃直狀態(tài)，防止基盤進(jìn)入月池時(shí)損傷管纜，整個(gè)過程通過基盤搭載的水下攝像頭觀察（圖8），最終所有水下設(shè)備均成功回收（圖9）。

圖8 水下管纜狀態(tài)Fig.8 Status of underwater pipe cables

4.2 液位識(shí)別試驗(yàn)

本次試驗(yàn)主要在384.7 m 水深開展，主要檢驗(yàn)所研發(fā)的液位識(shí)別技術(shù)是否可行。吸入模塊內(nèi)泥漿液位高度數(shù)據(jù)對(duì)于RMR 系統(tǒng)舉升泵量控制至關(guān)重要。由于水下吸入模塊內(nèi)上返的泥漿與外部海水相互混合，傳統(tǒng)的液位識(shí)別技術(shù)無法準(zhǔn)確識(shí)別泥漿液位，在此研發(fā)專用液位識(shí)別技術(shù)。

液位傳感器置于吸入模塊內(nèi)部。試驗(yàn)開始時(shí)，隨著吸入模塊內(nèi)部泥漿的不斷注入，液位識(shí)別傳感器讀數(shù)也隨之發(fā)生明顯的變化（圖10），其中下透光為吸入模塊最下端傳感器讀數(shù)，隨著泥漿上升，其讀數(shù)最先發(fā)生變化；中透光為吸入模塊中間傳感器讀數(shù)，隨著泥漿上升，其讀數(shù)次之發(fā)生變化；上透光為吸入模塊最下端傳感器讀數(shù)，隨著泥漿上升，其讀數(shù)最后發(fā)生變化。各傳感器讀數(shù)通過與水下視頻監(jiān)控比對(duì)，試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

圖10 液位識(shí)別傳感器變化趨勢(shì)Fig.10 The change trend recognized by the liquid level sensor

4.3 自動(dòng)控制試驗(yàn)

本次試驗(yàn)主要在384.7 m 水深開展，主要檢驗(yàn)系統(tǒng)在泥漿液位非平衡狀態(tài)下，使用自動(dòng)控制系統(tǒng)，查看控制系統(tǒng)能否按照實(shí)際的液位值，自動(dòng)控制強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的供電頻率，從而改變泥漿舉升泵量，最終實(shí)現(xiàn)吸入模塊內(nèi)泥漿液位的動(dòng)態(tài)平衡。在此過程先通過人工干預(yù)分別模擬井涌工況（圖11a）、井漏工況（圖11b），再進(jìn)入系統(tǒng)自動(dòng)控制狀態(tài)。試驗(yàn)表面系統(tǒng)能夠根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)控制舉升泵流量，最終保證泥漿液位穩(wěn)定在吸入模塊內(nèi)部預(yù)設(shè)高度（圖11c）。

圖11 井下工況Fig.11 Downhole working condition

4.4 全面鉆進(jìn)下RMR 試驗(yàn)

本試驗(yàn)在各水深均開展，主要檢驗(yàn)RMR 系統(tǒng)對(duì)于含巖屑高固相泥漿的舉升能力，泥漿舉升泵對(duì)于巖屑的通過性以及固控系統(tǒng)凈化能力。開展本次試驗(yàn)時(shí)，先啟動(dòng)甲板泥漿泵進(jìn)行泥漿注入，同時(shí)開啟RMR 系統(tǒng)開始泥漿舉升回收純泥漿。然后開啟鉆機(jī)進(jìn)行鉆探，此時(shí)回收含巖屑泥漿，兩次回收的泥漿具有明顯的區(qū)別，如圖12 所示。最后將回收的泥漿接入固控系統(tǒng)，開始持續(xù)泥漿回收凈化循環(huán)過程，如圖13。通過試驗(yàn)表明，RMR 系統(tǒng)能夠舉升高固相泥漿，期間未發(fā)生堵塞，具有良好的通過性；同時(shí)所研固控系統(tǒng)能夠?qū)⑶宄酀{中的固相顆粒，處理后的泥漿達(dá)到循環(huán)使用的要求。

圖12 不同工況泥漿對(duì)比Fig.12 Comparison of mud under different working conditions

圖13 泥漿凈化Fig.13 Mud purification

5 結(jié)論與建議

（1）400 m 級(jí)無隔水管泥漿回收系統(tǒng)的成功研發(fā)與海試，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)在海洋鉆探無隔水管泥漿回收技術(shù)領(lǐng)域“從0 到1”的突破。攻克了泥漿液位識(shí)別、海底泥漿舉升、閉環(huán)自動(dòng)控制、深海動(dòng)力與通訊傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，有效解決了隔水管鉆井中成本高、泥漿循環(huán)壓力大及開路鉆井中泥漿消耗量大、海水污染等諸多難題，達(dá)到核心裝備完全國(guó)產(chǎn)化替代，進(jìn)一步完善了我國(guó)深海鉆探裝備體系。

（2）通過海試發(fā)現(xiàn)所研RMR 系統(tǒng)也存在不足之處，如系統(tǒng)設(shè)備眾多，作業(yè)流程較為繁瑣；液位識(shí)別精度還有待提高；自動(dòng)控制算法還有待優(yōu)化等。在后期的工作中將針對(duì)上述問題進(jìn)行完善改進(jìn)。

（3）本次所研RMR 系統(tǒng)適用水深為400 m，對(duì)于未來深海鉆探來說還有待提高。結(jié)合深海鉆探需求，中期目標(biāo)瞄準(zhǔn)2000 m 水深目標(biāo)，遠(yuǎn)期目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)4000 m 水深，在泥漿舉升系統(tǒng)、泥漿上返立管系統(tǒng)、深海大功率高壓輸能技術(shù)等方面持續(xù)攻關(guān)，力爭(zhēng)構(gòu)建擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深海無隔水管閉路循環(huán)鉆井技術(shù)及裝備體系。