全球拥有广阔的海洋油气资源，为了满足世界经济发展对能源尤其是油气的日益增加的需求，随着近海油气勘探开发深入开展，可开发的探明储量日益减少，深水油气勘探开发已成为必然趋势。拥有深水装备和技术，将会在进军深水油气资源开发方面取得更大的主动权，包括深水工程地质勘查装备^[1]。深水工程地质勘查的目的是为深水油气田勘探、开发工程设施提供作业海区工程地质环境条件等基础资料。

与陆地相比，海洋油气勘探开发具有高风险性，这是由于海洋特殊的环境和恶劣的工程条件决定的。在海上施工中会遇到各种各样影响施工安全的致灾因素，海床上可能存在陡坎、隆起地形、海底麻坑等影响施工的异常地形地貌，或是沉船、光缆、特殊的生物群落等妨碍施工的障碍物，海底地层中可能存在浅层气、浅水流、天然气水合物、浅部活动断层、古河谷、底辟等影响施工安全的地质致灾因素。若是没有探测出这些影响施工的限制因素和潜在的致灾因素，将会危及钻井和油气生产等海上施工作业的安全。此外，需要调查海床底质和海底浅表地层的土力学性质，对工区的工程地质条件进行评价。

1 海洋工程地质勘查船功能和配置的主要设备

海洋工程地质勘查船是实施海洋工程勘查的专用工程船舶，用来探测工区潜在的地质致灾因素和影响施工的限制因素、评价工区的工程地质条件。从本质上来说，海洋工程勘查技术是一项保障安全、控制风险的技术，它可以最大限度地降低海洋油气勘探钻井及后续开发过程中的风险，保证海上油气勘探开发的安全进行。

深水工程地质勘查船应具备在300~3 000 m水深实施工程地质勘查的能力，是集成度和自动化程度高，作业功能复杂多样，能满足多学科、多手段综合工程勘查作业要求的多功能复合型深水作业装备。

海洋工程地质勘查船是海上油气勘探开发的“侦察兵”，用来探测海洋环境潜藏着的各种致灾风险，是海上施工的“安全守护神”。海洋工程地质勘查船在海洋油气勘探开发中的主要作用是在海洋钻井之前进行井场调查，在水下采气油井口、管汇等水下设施安装之前进行场地调查，在海底油气管道铺设前进行路由调查及在海底油气管道运营过程中进行定期的路由检测。除了服务于海洋油气勘探开发以外，海洋工程地质勘查船还可以用于包括海洋风力发电场在内的其它一切非油气海工结构物基础的勘查，用于国家基础性的海洋区域地质调查、地学科研性质的钻探等。为完成这些勘查任务，工程地质勘查船必须具备以下几个功能：

(1) 具备工程地质钻探功能。在一定的海洋环境情况下，以动力定位系统(DP-2)操作，满足300~3 000 m左右作业水深，具备200~300 m钻深作业能力，并达到钻探取心的目的和要求。

(2) 重力和振动等柱状取样，及表层取样功能。

(3) 原位静力触探(CPT)测试功能。

(4) 单波束测深和多波束测深功能。

(5) 深水浅剖功能。

(6) 现场样品测试功能。

(7) 具有“深拖”、AUV等深水集成探测设备的安装功能。

(8) 配置水下声学定位仪器。

(9) 足够的仪器设备安装空间；多台套多功能深水起吊设备；5 000 m或10 000 m深水绞车。

根据海洋工程地质勘查船(图 1)的主要功能和要求，需要配置以下设备：

(1) 工程地质钻机。根据作业需求配置相适应级别的钻机，及相适应的动态井架，满足作业水深、钻深作业能力；钻柱升沉补偿行程达到±2~3 m，以满足恶劣海况作业的需要。

(2) 取样器。配备随钻取样器、重力取样器、振动取样器、取样器辅助支架等设备，所配置的取样器能够进行深水海底取样、长柱状样的取心。

(3) 孔内CPT设备。

(4) 单波束、多波束测试设备。至少应配置多波束测深系统两套，深水多波束测深系统，测量深度满足500~10 000 m；浅水多波束测深系统，测量深度满足20~600 m；配置单波束测量系统两套，分别满足1 000 m和10 000 m水深的测量要求。

(5) 配置深水浅剖设备一套，所配设备满足6 000m水深的测量要求。

(6) 配备绞车系统，包括万米深拖绞车、3 000 m电缆等绞车，及相应的导向装置、液压动力单元和集成系统等。

(7) 配备一定起重能力的吊机。

(8) 配一个承载50 t以上的可拆式A架，用于深拖等各种绞车作业。

(9) 建立规范的样品储藏室和大实验室，其中样品储藏室满足-18℃的样品储藏；大实验室满足土工实验、单波束测深、多波束测深、高分辨率地震等作业需要和仪器的摆放。

2 海洋工程地质勘查技术

海洋工程地质勘查船在实施海洋工程勘查时，主要有两大类技术：一是以工程地质钻探技术为基础，进行地质取样、地质原位测试等的海洋工程地质勘查技术；二是以高分辨率多道地震、多波束测深、旁侧声呐、浅地层剖面为主要手段的海洋工程物探技术。

2.1 海洋工程地质勘查技术

海洋工程地质勘查的主要目的是调查海床的地质类型和海底浅表地层土的力学性质，对各类平台锚泊系统或支撑桩腿的基础，或水下设施的基础进行地质勘查，分析和评价其稳定性，保证平台基础和水下设施的安全。

海洋工程地质勘查手段主要包括^[2]：地质取样(sampling)和原位测试(in-situ test)两类。地质取样是通过取样器取出一定深度的泥土样品，然后在室内进行专门的土工试验，以获得海底土层的土力学参数；原位测试则是将力学传感器置于一钢杆的前端，在力的驱动下，贯人海底土层中，通过测量传感器上受到土体的阻力等来直接获得土体的土力学参数。原位测试最大的优点是，它能较准确的测出自然状态下土体的物理力学参数。图 2中所示依次(从左至右)为抓斗取样器、箱式取样器、重力取样器和振动取样器。

2.1.1 工程地质钻井(geotechnical drilling)

工程地质钻井需要专门配置工程地质钻探系统，其类似用于海洋油气钻井装备的钻井船，为了保证钻探过程中对土层的扰动尽可能的小，要采用全取心的回旋钻进方式，并采用特殊的开放式钻头。

钻机系统是深水工程勘查船上最重要的设备之一^[3]，所配置的钻机应具有适应300~3 000 m水深、取样深度100~200 m的能力。钻机主传动采用交流变频电驱动技术及液压盘式刹车技术；基盘绞车和取样绞车采用液压驱动；顶驱采用交流变频电动机驱动和液压控制技术；管子处理装置采用机器人控制技术；司钻房采用双人操作控制设计，主司钻主要操作钻井绞车和顶驱补偿装置等，副司钻主要操作管子处理设备，司钻房配备一体化仪表技术。提升系统设备、控制系统、大通径顶驱、补偿系统、管子处理系统和钻井液及散料系统设备均应用于此。

虽然与深水工程勘查船钻机配套的钻井提升系统与常规钻机有所类似，但其没有下套管工况，确定最大钩载时应综合考虑取样钻井时最大钻柱重力、顶驱和升沉补偿装置的重力、船体升沉产生的动载、基盘绞车张紧载荷和取样绞车钩载等，要参照钻机标准进行计算确定。

2.1.2 海底取样(seabed sampling)

海底取样是直接将取样设备置于海床上后，从海底表面向下贯人土体中，取出样品。按其取样深度，可将其分为表层取样和柱状取样两种。表层取样只是获得表层的一薄层土底，主要用来辨别海底底质；柱状取样能获得一定深度的连续样品，可以用来进行更一步的土工实验，以得出更多的土力学参数。

海底取样器主要有抓斗取样器、箱式取样器、重力取样器和振动取样器等。抓斗取样器原理非常简单，即直接将液压抓斗通过缆绳放入水下，接触到海床后，直接在海床表面抓出一小部分土体；箱式取样器是一个底部开口的铁箱，释放到海底获取样品后，通过机械装置将开口封闭；重力取样器是依靠取样器配置的重块以自由落体方式的向下冲击力，将取样管贯人海底地层中获得底质土样；振动取样器是在取样管利用自身重力压人地层后，启动振动马达将取样管贯人海底地层中。

海底取样的取样深度从几米至数十米不等，除取样器本身性能外，海底底质也直接影响最终的取样深度。海底取样的极限深度约为30 m。

2.1.3 海床上的原位测试(seabed in-situ test)

原位测试技术主要有静力触探(penetration test)和剪切测试(shear test)两大类：通常使用的是静力触探，静力触探是直接将传感器以一定速率插入土体中；而剪切测试则是以将传感器以旋转的方式钻人土体中。在进入土层的过程中，传感器测量出其前端受的阻力、侧壁所受的摩擦力、地层中的孔隙水压力等，进而得出土层的相关土力学参数。静力触探按其使用的传感器形状，可分为锥形触探(cone)、T形触探(T-bar)和球形触探(ball)；剪切测试主要是十字板试验(vane test)。在这些原位测试方法中，最常用的是锥形静力触探(cone penetration test)，即常称的CPT技术。海底原位测试的方式达不到所需研究的地层深度时，需要采用工程地质钻探。

2.1.4 孔中取样(down-hole sampling)

在钻入一定深度后，将取样器下人孔底进行取样。孔中取样一般为压人式取样、锤击式取样和绳索跟管取样。

2.2 海洋工程物探技术

海洋工程物探调查的主要目的是：对目的海床进行清查，确定海床上有无海底光缆、电缆、油气管道等人工构建物，有无沉船，有无特殊的生物群落等；测量工区的海底地形地貌；探测海底浅部地层内有无影响安全的地质灾害因素等。

海洋工程物探利用的基本上都是声学设备。为了获得海底及其以下数百米深度内的完整声学剖面，一般同时使用几种具有不同频率的声波系统。工程物探的声学探测手段主要有：通过多波束测深系统获得水深地形数据；通过声呐获得海底地貌形态；通过浅层剖面获得浅部(数十米)地层声学剖面；通过高分辨率二维地震获得海底以下数百米地层声学数据。

(1) 多波束测深：海底水深测量是工程调查中一项基础性调查工作，用以了解调查区水深及其变化，编绘水深地形图及声呐影像图，为海底地貌研究和其他地球物理调查成果的解释提供参考资料。

(2) 旁扫声呐：海底地貌及障碍物探测主要采用侧扫声呐系统进行海底扫描，以获得海底地貌形态和海底障碍物声学影像，了解海底浊积体、海底蠕动、海底滑坡、海底冲沟、海底断裂沟和海底麻坑等异常地貌形态。旁扫声呐系统基本原理是通过声波的反射强度得到海底的声学影像。

(3) 浅地层剖面：利用浅地层剖面仪系统探测海底以下数十米深度范围内的声学剖面，根据剖面中反射波的结构和波组特征、反射界面的反射强度、连续性及其接触关系进行地质解释和分析研究，获得海底下浅部地层的结构、分布特征和地层性质；根据反射剖面的结构形态识别异常地层，判断其产生地质灾害的可能。同时结合地形和地貌特征，分析工区海底及其浅部潜在地质灾害的活动性、规模、发育特征和危害性。结合地质柱状取样或工程地质钻探资料，进行工程地质分层，推断各类土层的结构特性及变化规律，判断各土层对水下设施稳定性的影响。

2.3 深水工程地质勘查技术特点

深水工程地质勘查技术与常规的浅水区在仪器设备、船舶和技术方法上都有较大差异。深水工程勘查对船舶的要求比浅水区高得多，所用的技术也要复杂得多。

2.3.1 深水工程地质勘查的特殊性

深水钻探、取样以及原位测试设备也比浅水区要复杂得多。深水钻机造价巨大。在地质钻井过程中，船舶需要保持在一定的位置，浅水区一般采用锚泊的方式；而深水区需要船舶装备动力定位系统。深水取样和原位测试设备的体积、重量均较大，对绞车功率、缆绳张力均有较高要求，同时较大的水深对缆绳长度也有较高要求，船舶需要装备万米绞车。此外，水下设备还需要能耐高压。

2.3.2 深水工程物探的特殊性

浅水区的工程物探采用船载或浅拖的方式，利用各种物探设备对海底的地形、地貌及海底以下地层存在的各种灾害因素进行勘查；而深水区进行工程物探时，则需将各种物探设备搭载到深拖拖体或AUV(水下自主机器人)中，以贴近海底的方式进行勘查，通过这样的方式才能在深水区获取高分辨率、高信噪比的调查数据。

2.3.3 深水导航定位的特殊性

深水作业时，无论是物探设备、还是工程勘查设备，其水下设备的定位都要采用以USBL(超短基线)为核心的声学定位系统或是惯导系统。

2.3.4 深水勘查船舶的特殊性

深水区进行工程勘查时，对船舶的要求也要远远高于浅水区。深水海域的海况条件比浅水区差得多，船舶必须要具有较强的抗风浪能力，船舶需要有较大吨位。

此外各个深水勘查设备对船舶也提出了相应的要求，包括深水勘查船需配有精度较高的动力定位系统，需配备多台套、多用途的万米深水绞车系统，具备足够安装地质取样设备、原位测试设备和海底深潜组合式探测系统(Deeptow、ROV)等设备的空间，足够的仪器室和作业甲板面积，深水设备多为大型设备，需要安装“A”字架及配套绞车等。

3 深水工程地质勘查船对船舶的技术要求

深水工程地质勘查船的关键技术主要从三个方面加以关注，船舶性能、海洋物探装备和钻探装备。对于船舶性能要求主要从动力配备、动力定位系统、船体稳性和耐波陛方面重点考虑。

3.1 动力和推进器配备

深水工程地质勘查船上配备的所有机械设备均为优质船用设备，尽可能的标准化以方便维修和减少备件库存。系统及设备的布置操作安全，易于接近和方便检查和维修。所有系统及组成满足相关规范、规则要求的环境条件下工作。

为满足所有设备和系统的工作，所配的主柴油发电机组满足有效的船级社规范，证书按船级社规范要求和船舶入级符号要求提供。船舶内主电站的设置需要满足船舶钻探作业、动力定位和船舶内部各项工作和生活的需要。

主机发动机采用压缩空气起动、燃料采用0.1%硫含量的船用柴油。主机发电机冷却方式为空气/淡水，发电机内部是水冷的闭合空冷回路，发电机轴带风机强制通风。

发电机的阻抗应尽可能小，以降低谐波损失和短路电流。多台主发电机可以任意组合长期并联运行。每台发电机应该配备报警系统并与机舱监测报警系统相连。设置从主配电板上遥控控制的类似Woodward(或同等级的)电子调速系统，电子调速器应能调节每台发电柴油机的转速，使发电机的转速调节满足有关规范/规则的要求。发电柴油机应提供滑油压力过低、水温过高报警功能，并提供滑油压力过低、水温过高以及超速自动停车功能，输出报警至报警系统。发电机组应通过电站管理装置控制并有接口至机舱监测报警系统。

根据规范要求，船舶设1台停泊/应急发电机组用于停泊或应急状态下提供电力给相关辅助设备。

全船配备2套全回转推进器，安装在船尾部，2套隧道式侧向推推进器，及可伸缩式全回转推进器。根据船级社规范，主推进器采用定距桨，可360°旋转。螺旋桨的设计考虑在船舶运行状态下具备最小的空泡效应和最佳的效率。推进系统的设计应使推进效率达到最优化。在轻载和满负荷状态下，推进系统可在额定转速下发出100%功率。推进装置应可在驾驶室遥控操作，并与船舶DP系统和JOYSTICK系统有接口连接。根据船级社要求，在主推进器舱有应急控制，推进装置与机舱综合监测报警系统相连。

主推进电动机：主推进电动机应该在轻载和满负荷状态下，通过调节转速推进电动机可在额定转速下发出100%功率。电动机应能抵御从变频器电压失真而产生的额外热源。

主推进电动马达变频器：推进马达的电源来自变频器，主配电板和三相水冷变压器。推进器采用固定螺距螺旋桨。变频器应为水冷型，在起动前由独立低压供电来预充磁。

3.2 动力定位系统

海洋工程地质勘查船的动力定位系统可按船级社DP-2船级符号的要求进行配置。动力定位系统主要是由动力与推进器系统、测量系统和自动化控制系统构成。动力与推进器系统负责为船舶提供足够的电力和有效的机动性。动力系统由主发电机和先进的电站管理设备组成。推进器提供抵御外力作用和提高机动性的动力。动力定位船舶的操纵性能十分优越，可原地掉头。一般海况下，即使一台电力推进系统和一台侧推器同时出现故障，也能保持动力定位功能和船舶操纵性(即具有一定的冗余度)。

测量系统是指获得船舶相应运行参数的传感器系统^[4]，主要有：

船艏向传感器(Heading Sensors)：动态定位系统的核心任务是保持船艏向和船位，船艏向的航向基准一般由电罗经提供。

位置参照传感器(Position Reference Sensors)：根据DP作业的环境及所需的定位精度要求，可以选择多种位置参照系统。一般DP.2级作业时要求最少同时使用三个以上的位置参照传感器，一艘动力定位船舶的实际构成：一套DGPS，这是专为DP系统配置的高精度差分全球定位仪，通过卫星获得该船的准确位置；一套激光雷达(Laser Fanbeam)，包括电源、显示器、扫描仪(Scanner)等一套声音位置参考系统(Acoustic Position Reference Systems)，根据海底信标(水听器hydrophones)产生的信号计算出船的位置和海底参考点。位置参考传感器的精度直接影响DP系统的定位精度。

风向风速仪(Wind Sensors)：DP系统中一般接人两个以上的风向风速仪，以获得风的方向和速度。

垂向基准传感器VRU(Vertical Reference Units)或MRU(Motion Reference Unit)：VRU可用来实时测量船舶垂直方向的变化值；MRU不仅可实时测量纵摇和横摇值，还能监测船舶在涌浪中的垂荡运动，是对船舶三维运动的实时监测。自动化控制系统一般包括信号处理及控制单元，它的主要功能是根据预先设定的算法接收、处理并发出各种对推进器的控制信号，对抗船舶及海洋平台所受到的风浪、海流和惯性等外力影响，使其保持所希望固定或所需要变化到的位置及舷向。

动力定位系统主要的组成部分包括：计算机控制单元、操作站、电罗经、风速风向仪、运动参考单元、DGPS、DPGS差分信号解码器(SPOTBEAM)、高精度声学定位系统(HiPAP)、Radius位置参照系统、TAUT WIRE(张绳系统)、不问断电源(UPS)、报警打印机等。

动力定位系统采用联合操纵手柄(JOYSTICK)进行操作。联合操纵手柄系统由JOYSTICK嵌入式操作面板、JOYSTICK控制器单元、两翼便携式操作面板、两翼便携式操作面板接线盒组成。JOYSTICK具有的操作模式为联合操纵模式、自动艏向模式、自动舵模式、物探航迹模式。动力定位系统软件所有的模式和功能，应满足本船主要作业功能的要求，如工程地质钻探/取样、高分辨率地震调查、深水浅剖、海底取样等。

3.3 船舶耐波性和稳性 3.3.1 船舶耐波性

深水海洋工程地质勘查船具备多种作业功能，并配置了多种专业设备，这些功能和设备的配置对船体的耐波性能有很高的要求，若船体在零航速时的耐波性不好，会直接影响这些设备的作业安全和作业效率。良好的耐波性保证了大型设备如钻机系统和直升飞机平台等的正确选型和作业的安全性，同时也对结构设计提供有效的依据。

3.3.2 船舶稳性^[5]

保证船舶的完整稳性，除了常规的航行装载工况，该船船舶还有钻井作业工况需要校核完整稳性。对于钻井工况，在300~3 000 m水深作业时，钻机系统顶驱所持有的最大钻杆重量时，其重量重心应放在顶驱作业可移动到达的最高点，同时在作业甲板上还应装载有适当的其他作业设备，这样就可以大大提高了船舶完整稳性的要求。

对于破舱稳性，该类船舶的破舱稳性应满足新生效的MSC.266(84)决议《特种用途船舶安全规则》2008^[4](简称SPS 2008)，并取得所要人级船级社的相应船级符号。其破舱稳性是按生效的MSC.194(80)和MSC.216(82)的要求来计算和校核的。因为SPS 2008与被替代的IMO.534 (13)《特种用途船舶安全规则》相比较，破舱稳性的算法和理念完全不一样，这样就对特种用途船的分舱提出了更高的要求。与以往设计的该类型海洋工程作业船舶相比，为了满足新的破舱稳性要求，在船中附近采用了一些左右连通的空舱，以调整破损后的浮态，来提高残存概率和分舱指数。

4 几点认识

深水工程地质勘查船的技术涉及船舶技术、海洋石油物探技术和钻井技术及装备，是一项综合的技术集成，属海洋石油工程的重大装备。通过对深水工程勘查船的论述，此项装备和技术的优势还在国外，我国的水平与之相比还有一定的差距，尤其在船舶设计和先进装备配套方面。

(1) 海洋石油勘探开发活动与船舶工程技术密切关联性

深水工程勘查船的技术除了满足海洋地质工程勘查要求之外，还有很多先进的理念和技术，例如船舶舒适性的要求、环保节能方面的技术和特种作业设备的选型等。海洋工程装备的发展对海洋油气的发展起到了基础性的支持，保障了海洋油气开发企业强有力的快速发展。但工程船舶的关键技术还掌握在国外的相关公司，我国还处于探索和努力追赶的路上，要想跨人到国际水平还有很多工作要做，无论设计理念、设计技术和产品配套。

(2) 海洋工程地质所用的钻井装备设计和研发

海洋钻井装备不仅包括常规的起升、旋转以及钻井液处理等装备，还包括众多能够满足海洋环境的装备。如升沉补偿装置，我国在这方面的设计和研究还很滞后。要想在深水钻井装备市场占有一定的份额，升沉补偿技术是必须克服的瓶颈。另外，铁钻工和管子处理工具等一系列自动化工具也是今后开发的一个重点^[3]。

(3) 深水海洋工程地质勘查船的设备配套技术

设备配套的高低是衡量深水工程地质勘查船技术水平的一个重要指标，尤其是配备精度较高的动力定位系统的等级是否适合，代表着整体技术水平；另外配备多台套、多用途的万米深水绞车系统、具备足够安装地质取样设备、原位测试设备，呈现出作业能力强的表现；足够的仪器室和作业甲板面积，安装“A”字架及配套绞车、起重设备等，能否成为深水服务的标志。以上这些都是评价深水工程地质勘查船性能的技术指标。