深海底中深孔岩芯取样钻机的研制

第１４卷第１期　２０１６年２月　中国工程机械学报　ＣＨＩｂ【ＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　Ｖｏ１．１４　Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．２０１６　

深海底中深孔岩芯取样钻机的研制　

朱伟亚　，万步炎　，黄筱军　，邓代强　

（１．湖南科技大学海洋矿产资源探采装备与技术湖南省工程实验室，湖南湘潭４１１２０１　２．长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙４１００１２）　

摘要：深海岩芯取样钻机是开展海洋地质调查和海洋矿产资源勘探所必备的重大技术装备．２００３年我国研制成　功第１台深海浅地层岩芯取样钻机并连续多年成功应用；２００９年研发成功采用铠装光电复合缆向海底进行大　功率长距离输电和光纤通信的深海２米岩芯钻机．但该型钻机由于钻进深度有限，无法对深海热液硫化矿藏进　行勘探．本次研发的深海底中深孔岩芯取样钻机首次海试成功并取得样品．介绍了钻机的基本功能与结构、主要　技术指标、技术难点、海上试验情况等．深海底中深孔岩芯取样钻机的研制成功使我国在这一领域的技术水平得　到大大提升．　

关键词；海底钻机；资源勘探；海上试验　中图分类号：Ｐ　７１６．９　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７２—５５８１（２０１６）０１—００３８—０６　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　

ｃｏｒｅ－ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｄｒｉｌｌｓ　ｏｎ　ｍｅｄｉｕｍ—ａｎｄ　ｄｅｅｐ—ｈｏｌｅ　

ｆｏｒ　ａｂｙｓｓ　ｓｅａｆｌｏｏｒ　

ＺＨＵ　Ｗｅｉ—ｙａ　，ＷＡＮ　Ｂｕ—ｙａｎ　，ＨＵＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｊｕｎ　，ＤＥＮＧ　Ｄａｉ．ｑｉａｎｇ　

（Ｈｕｎａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｍｉｎｅｒａｌ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ　４１１２０１，Ｃｈｉｎａ；２　Ｃｈａｎｇｓｈａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００１２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ，ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｄｒｉｌｌ　ｓｅｃｕｒｅｓ　ａ　ｃｒｕｃｉａｌ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｎ　ｏｃｅａｎｉｃ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　ｍｉｎｅｒａｌ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ．Ｉｎ　２００３。ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｄｅｅｐ—ｓｅａ　ａｎｄ　ｓｈａｌｌｏｗ　ｓｔｒａｔａ　ｃｏｒｅ．ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｄｒｉｌｌ　ｗａｓ　

ｄｏｍｅｓｔｉｃａｌｌｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｉｎ　２００９。ｔｈｅ　２ｍ　ｄｅｅｐ—ｓｅａ　ｃｏｒｅ－ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｄｒｉｌｌ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ａｒｍｏｒｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｏ－　ｏｐｔｉｃａｌ　ｃａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｌｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｄｅｐｔｈ，ｔｈｅ　ｄｅｅｐ－ｓｅａ　ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ　ｓｕｌｆｉｄｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｓ　ｃａｎｎｏｔ　ｂｅ　ｅｘｐｌｏｒｅｄ　ｂｙ　ｔｈｉｓ　ｄｒｉｌ１．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ａ　

ｎｅｗ　ｃｏｒｅ—ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｄｒｉｌｌ　ｉｓ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｆｏｒ　ｏｆｆｓｈｏｒｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ，ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍａｊｏｒ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｉｍｐｅｒａｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｏｆｆｓｈｏｒｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，　ｔｈｉｓ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　ｌｅｖｅｌ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｅａ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｅａｆｌｏｏｒ　ｄｒｉｌｌ；ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ；ｏｆｆｓｈｏｒｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　

同陆地一样，海底地壳中蕴藏着极其丰富的矿　产资源，包括石油、天然气、多金属结核、富钴结壳、　

热液硫化物、天然气水合物、黏土矿物以及海洋生　物等，这些资源具有重大的经济价值．自２０世纪五　

六十年代以来，美、俄、英、法、德、日等都投入了巨　资进行国际海底区域资源调查，以谋求对世界海底　资源的再分配Ｅ１－２３．从２００５年起，我国大洋资源调　查工作的主要目标从大洋多金属结核和富钻结壳　转向海底热液硫化物．对于热液硫化矿必须使用海　

底深孔或中深孑Ｌ岩芯取样钻机进行钻探取样．　迄今为止，国际上多个国家已经拥有深海深孔　

岩芯钻机．美国Ｓｅａｆｌｏｏｒ　Ｇｅｏｓｅｒｖｉｃｅｓ　Ｉｎｃ．研制出第　

二代采用绳索取芯方式的ＲｏｖＤｒｉｌｌ　Ｍ５０海底深孔　钻机，钻孔深度５５　ｍ；目前正在研制第三代海底深　

基金项目：国家“八六三”高技术发展计划海洋技术领域重点资助项目（２００７ＡＡ０９１３００）；湖南省教育厅资助项目（１２Ｃ０１０７）　作者简介：朱伟亚（１９７７一），男，工程师．Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｎｋｊｄｘｚｗｙ＠１６３．ＣＯｒｎ

　第１期　周奇才，等：基于拓扑优化和骨架提取的杆系结构设计方法　３９　

孔钻机ＲｏｖＤｒｉｌｌ　Ｍ８０，钻孑Ｌ深度将达到８０　ｍ．日本　

金属矿业事业团拥有一台２０　ｍ深海岩心钻机系统　

ＢＭＳ．澳大利亚Ｂｅｎｔｈｉｃ　ＧｅｏＴｅｃｈ　Ｐｔｙ，Ｌｔｄ．联合美　国威廉姆逊公司研制的深海钻机Ｐｏｒｔａｂｌｅ　Ｒｅｍｏｔｅｌｙ　Ｏｐｅｒａｔｅｄ　Ｄｒｉｌｌ（ＰＩ　Ｄ）钻深１００　ｍ．德国　

不莱梅大学研制出海底深孔钻机ＭｅＢｏ，其适用水　深２０００　ｍ，钻孔深度５０　ｍ．英国ＢＧＳ最新研制的　

１５　ｍ深海岩芯钻机ＲｏｃｋＤｒｉｌｌ　２，适用水深３１００　ｍ，　钻深１５　ｍ．国内于２０００年开始研制轻型深海海底　

浅地层岩芯钻机，２００３年第一台样机研制成功．　

２００９年，利用铠装光电复合缆供电的２　ｍ孔岩芯取　样钻机研制成功．　本课题组在“八六三”高技术发展计划的资助　

下，研制了国内首台深海底中深孔岩芯取样钻机．　该型钻机钻深加大到２０　ｍ，在浅孔钻机的基础上采　

用了多项新技术．系统工程样机搭载“大洋一号”船　在南海进行了海上试验并取得成功．　

钻机的基本功能与结构　

整套系统延续了光电复合缆供电的深海２　ｍ　岩芯钻机的结构模块，在空间位置上分为３个部　分：下放至海底进行钻探取芯作业的海底钻机本　

体、固定安装在船尾绞车间的甲板强电供配电子系　统、以及位于船上操作控制室的甲板通讯与计算机　

操作控制子系统．钻机本体与甲板强电供配电子系　

统及甲板通讯与计算机操作控制子系统之间通过　万米光纤动力复合缆连接．甲板强电供配电子系统　为钻机本体提供受到安全保护的高压三相动力电，　

并通过电缆绞车滑环和电缆输送至钻机本体，钻机　本体和甲板强电供配电子系统均受甲板通讯与计　

算机操作控制子系统的统一检测控制．如按专业技　

术分类，则可分为机械、高压强电供变电和电子监　控等３个子系统．　

图１钻机本体立体概念设计图　Ｆｉｇ．１　Ｄｅｓｉｇｎ　ｇｒａｐｈｉｃｓ　ｏｆｃｏｒｅ　ｄｒｉｌｌ　１．１机械子系统　

机械子系统是构成海底钻机本体的主要部分，　实现钻机在水下钻探取芯的各项基本功能，它包含　

机架及支腿系统、钻进机构、钻杆钻具及其存储接　卸机构、液压动力系统４个部分．　

１．１．１　机架及支腿系统　机架由底盘、下框架、上框架和支腿等组成，构　成钻机基座及外框架，能够容纳钻机内部各部件并　

为其提供安装基础，同时具有合适的强度，可提供　

防碰撞保护．　

深海深孔钻机需确保钻具垂直钻人海底地层，　以便获得能够真实代表矿石物化性质与埋藏深度　

之间关系的岩芯＿２］．世界上所有的深海深孔钻机都　

装备有数条支腿，这些支腿不仅要为钻机在海底提　

供稳定支撑，还要提供钻机底盘调平功能．机架前　

方两侧的拐角处和机架正后方的中央，分别安装有　３个由液压马达一丝杆螺母机构驱动的桁架式可伸　

缩调平支腿，与液压油缸驱动相比，具有自锁、调节　

速度快、占用高度尺寸短、重量轻、成本低等诸多优　

点．３条支腿的调节由控制系统根据系统控制仓内　姿态传感器的测量值经过计算分别向各条支腿的　

驱动马达控制阀给出指令．　

１．１．２钻进机构　钻进机构由带油缸驱动钢丝绳倍程推进机构　

的中心桅杆、带钻杆应急抛弃和强力卸扣功能的钻　

进动力头及其滑轨滑架、钻孔冲洗与冷却机构等组　

成，钻进机构的功能包括拧卸钻杆钻具上部丝扣、　以合适的转速和压力驱动钻杆钻具钻入岩石、冲洗　

钻头钻出的岩屑并冷却钻头、在发生卡钻事故时抛　

弃钻杆以保证钻机安全回收．　中心桅杆竖直安装于机架的中心位置，是钻机　

的主要承力部件．位于中心桅杆内部的油缸驱动钢　

丝绳倍程推进机构带动钻进动力头沿滑轨上升或　下降，其行程为油缸行程的两倍．施加给钻进动力　

头的下向推进力的可调范围为０～８　ｋＮ，上向拔芯　

力则最大可达到４０　ｋＮ，除可确保拔断岩芯外，还具　有处理一般卡钻事故的能力．　

钻进动力头由滑架、装于滑架上的主液压马　

达、轴承箱、螺纹退扣机构和钻杆抛弃机构等组成．　

在液压系统控制下，主液压马达具有高速正转和慢　速正反向旋转功能．液压马达的最大扭矩可达２００　

Ｎ・ｍ，转速由恒功率油泵输出流量控制自动无级　

调节．与推进系统的低压缓升或缓降功能相配合，　

液压马达的慢速正反向旋转功能可以接卸钻杆丝　扣．由于钻机功率的限制，液压马达扭矩不足以拧　

松钻杆丝扣，为此设计了由专用油缸推动的螺纹退　扣机构，可产生强大的反转扭矩．与钻进动力头集　

成于一体的水压驱动的钻杆抛弃机构在紧急情况　下可以将孔内钻杆与钻进动力头脱开，从而安全回　

收钻机　引．　钻孔冲洗机构可提供工作压力为２～５　Ｍｐａ、　

流量５０　Ｌ・ｒａｉｎ１的压力水，实现对钻孑Ｌ的润滑、排　渣和冷却．　

本钻机钻进机构的设计与国内外任何一种深海　钻机均不同，特别是油缸驱动钢丝绳倍程推进机构、　

与钻进动力头集成于一体的螺纹退扣机构及水压驱　动钻杆抛弃机构，是本钻机的主要创新点之一．　

１．１．３　钻杆钻具及其存储接卸机构　本机构是机械子系统的关键技术之一，也是设　

计的重点和难点．本钻机共有２０根钻管组件，如果　

采用双排或多排储管架，一个储管架就可提供２０　个储管位，陆地钻机就经常采用双排或多排储管　

架，日本ＢＭＳ深海钻机也采用了单个具有３３个储　管位的双排储管架．但双排或多排储管架具有结构　

复杂、定位精度差、可靠性不够高的特点，难以满足　深海钻机对可靠性的要求．　

如图２所示，本钻机采用两个单排转盘式储管　架，分别存放钻杆和岩芯管组件．每个储管架各附　

有两只立轴同步摆动式双机械手，分别用于钻杆和　岩芯管在孑Ｌ口和储管架之间的移送和定位．两个转　

盘式储管架均采用油缸驱动、带离合器控制正反　转、油缸驱动锥形插销精确定位．钻进动力头下部　

双卡盘分别用于夹持套管和钻杆并与机械手配合　拧卸钻杆下部丝扣．钻杆上部丝扣则通过上述与钻