登上“梦想”号大洋钻探船，最引人注目的就是坐落在船体中央、高耸挺拔的巨大钻机——全球首台兼具油气钻探勘探和岩心钻取功能的液压举升钻机，也是“梦想”号大洋钻探船钻采系统的核心装备。
作为我国科研机构联合国际顶级油气钻机企业集智攻关的成果，“梦想”号大洋钻探船钻采系统最大的标签就是“全球领先”。除了“钻”“取”皆宜的钻机，它还集成了4种钻探模式和3种取心方式，最大钻深可达11000米。从此，“打穿地壳，进入地球深部”不再只是科学家们遥远的梦想。
“梦想”号在立项时就瞄准了两大任务，一是大洋钻探，二是深海资源勘探。然而，虽然同属钻井工程领域，但这两大任务的作业环境、任务目的和设备需求等不尽相同。一直以来，国际上都是采用不同的作业方案来完成。
在充分考量和论证后，“梦想”号的设计者们提出了一个大胆的想法：既然已有钻采系统无法同时满足深海资源勘探和大洋钻探需求，那我们就自主设计一个，推进深海探测钻探关键核心技术装备国产化。
这是一个毫无先例可以借鉴的领域，想把那么多功能集中在一台钻机上，难度可想而知。
首当其冲的是“缺人”。彼时，中国地质调查局广州海洋地质调查局几乎全员出动，但仍存在巨大的专业技术人员缺口。关键时刻，中国地质调查局当机立断协调全局优势力量确保项目顺利推进，勘探技术研究所、北京探矿工程研究所等多家局属单位借调专业技术人员加入项目组，许多国内油气装备企业也递来了合作“橄榄枝”。“参与‘梦想’号钻采系统的建造工作，我才真正理解什么是‘集中力量办大事’。”“梦想”号监造组钻采分组组长冯起赠感慨道。
接下来，设计方向又成了新的拦路虎。由于时间紧、任务重，为了保证后续的建造和应用少走弯路，必须从一开始就做好规划，对设计方案、技术路线的选择都要慎之又慎。为此，钻采分组深入全国钻井一线调研，访遍国内油气装备企业，召开了无数次专家咨询会。其间也有意见分歧的时候，他们就组织召开论证会，邀请院士专家现场点评分析方案，最终选出最优解。
根据“小吨位、多功能、模块化”的设计理念，“梦想”号需要以4万吨级船舶的级别去实现国际上2艘6万到8万吨级船舶或深海平台的功能，原本的研发设计复杂程度提高了一个台阶，各类难题接踵而至。为此，“梦想”号建造团队成立了钻机攻坚团队、高压泥浆攻坚团队、低压泥浆及散料攻坚团队、岩心传输系统攻坚团队等一系列专项攻坚团队，成功啃下了一块又一块硬骨头，让“梦想”号钻采系统一步步从蓝图变为触手可及的现实。
如果说，“梦想”号钻采系统最大的亮点是什么？答案无疑是创新集成4种钻探模式和3种取心方式。
据介绍，除了用于海洋油气开采的传统隔水管模式，“梦想”号钻采系统还具备水合物专用测试模式、传统无隔水管模式和无隔水管闭式循环模式，能满足深海资源勘探和大洋钻探取心的不同作业需求。
其中，传统隔水管模式是海洋油气开采的“标配”，通过隔水管把海底和钻探船连接起来。
水合物专用测试模式，顾名思义是为水合物试采专门设计的一种轻型隔水管系统，能减轻设备负担，降低钻探成本。
传统无隔水管模式由于没有隔水管的负重，钻杆可以达到更大的深度（水深最高可达8000米），适合深海钻探任务。
无隔水管闭式循环模式是钻采系统的一大技术革新点。传统无隔水管模式下加入的泥浆一般会直接排到海里，既污染环境又增加成本。“梦想”号钻采系统中配置了泥浆循环管线，通过水下泵将泥浆抽回到船上，再进行过滤等处理，实现泥浆循环利用。该模式具有成本低、污染小等特点，进一步拓宽了钻机的应用范围。
取心是大洋钻探研究中至关重要的环节。从海底取出的岩心就像是一部部记录着地球历史的“书籍”，包含着丰富的地质信息。
为了高效、完整取心，项目组可谓煞费苦心，集成了3种取心模式，可实现不同地层和岩体持续钻进取心。一是提钻取心，即把整根钻杆从钻孔中提出来，从而取出暂存在钻杆最底端的岩心。二是绳索取心，即通过钢丝绳从钻杆内取出岩心，虽然有很多限制条件且操作稍显繁琐，但由于不需要将整个钻杆拉出钻孔，从而节约了时间和成本，适合较深钻深的取心操作。三是气举反循环取心，通过往上部钻杆内注入空气，降低上部钻杆内的液体密度，使上部和下部液体产生密度差，这样上部的液体会往上“举”，带动下部的钻井液和岩心被“吸”上来。
同时，“梦想”号钻采系统还创新性引入模块化设计思路，根据不同任务搭载不同的任务模块，并可快速切换。这种设计赋予了“梦想”号神奇的“变形能力”，使其在面对复杂多变的任务需求时能够游刃有余。
无隔水管闭式循环模式
在“梦想”号所有数据中，“最大钻深11000米”可能是最令全球科学家激动的一个参数。
为什么是11000米？北京探矿工程研究所海洋地质钻探室主任阮海龙解释道，“打穿地壳、进入地球深部”是全球科学家的共同梦想。全球各处的地壳厚度有明显差异，陆地上通常厚一些，平均厚度可达33千米，海底相对薄一些，平均厚度只有6000米。科学家们普遍认为，大洋中脊是海底地壳的生成区域，也是海底地壳较薄的地区，适宜开展大洋钻探。“这个地方水深4000至5000米左右，地壳厚度是6000米左右，所以我们的目标定在了11000米。”
从船底向下探出11000米，这必然是一个大工程。通过创新技术装备、优化工艺流程，钻采分组不仅实现了设定目标，还将综合钻探效率、硬岩钻进能力提升了40%以上。
“我们采用的是全球第三代油缸液压举升式超深水钻机，特点是速度快，结构紧凑，安全性高。”提起这台钻机的优势，“梦想”号监造组钻采分组副组长田烈余如数家珍。
速度快是因为采用油缸直接举升/下放，最大可以达到2.6米/秒，大幅节约了起钻和下钻的时间。尤其是在遇到硬岩地层需要频繁更换钻头时，这种提升效果更加明显。此外，井口配套了自动化工具，如铁钻工、动力卡瓦、液压吊卡等，也可以更好地匹配快速起下钻作业。
结构紧凑是因为省去了传统钻机绞车、天车、游车等大型设备，同时把补偿系统集成在举升系统里面，节省了钻台的空间。
安全性高是因为增加了大量智能判断、互锁和自动化管理等辅助系统，可以有效减少人为误操作和误判，大幅提高工作过程中的安全性。
“好马还得配好鞍。现在，我们正在给‘梦想’号钻采系统配套各种量身定制的工具，包括更适合在高温高压环境下工作的钻头、钻杆等。”阮海龙补充道，“我们最终的目的可不是把钻头钻下去，更要把岩心快速、完整地取上来。”
“有了‘梦想’号，我们对我国大洋钻探事业的未来也有了更多期待、更多底气。”在采访了解“梦想”号钻采系统的过程，不止一位专家发出这样的感慨。
的确，“梦想”号钻采系统大幅提升了我国深海进入、深海探测、深海开发的能力。拥有这样一套系统，就像是拥有了一把打开“莫霍面”、探索地球深部的钥匙。我们期待这把钥匙在未来大放异彩，船凭壮志巡沧海，钻破万米解乾坤。
“梦想”号是我国自主设计建造的首艘大洋“梦想”号，拥有“续航里程15000海里”“海上连续工作120天”“11000米钻探能力”等多个“超能力”，其满载排水量更是达到“42600吨”。
一般来说，要建造这样一艘大船怎么也要花上五六年的时间。然而“梦想”号于2020年5月完成初步设计，2021年11月启动建造，仅用两年多便实现了主体贯通下水，历时三年便正式建成入列。我们的“大国工匠”们是怎样一步一步建造这艘海洋地质调查的“神兵利器”的呢？
全船建造模式由分到整。建造团队把“梦想”号共划分了3个巨型总段、17个总段、280个分段，并分艏、艉两个巨型总段同时进行分区域建造。首次实现了7000吨巨型总段通过浮驳的方式异地转运，利用液压小车移动对接的方式进行整船合拢。这样的建造模式，大大减少了船舶整体的建造周期，为后续的设备安装调试、管路系统安装、电缆敷设等工程作业创造了有利条件。
精细化安装钻采关键设备。“梦想”号配备了全球首台兼具油气钻探和岩心钻取功能的液压举升钻机。该套钻机由我国科研机构联合国际顶级油气钻机企业共同研制，其安装方案也是“量身定制”。“梦想”号的上建部分是像搭乐高一样一段一段搭载的，而钻探设备的安装贯穿了钻台搭载的全过程。因此，在钻台搭载前后，均制定了详细的安装方案。通过大量计算，建造团队分析出最优的钻台合拢焊接顺序，以及提前确定在钻台总组时要加放的防变形量及精度补偿量。正是每一个环节的精细化落实，建造团队实现了整个箱式钻台的成功搭建。
层层敷设电缆线路。电缆好比船舶的“神经网络”，控制着全船的所有“运动”。“梦想”号敷设的电缆长度约1200公里，是同等大小的箱散船的10倍以上。此外，主船体被分为3个巨型总段，在总段合拢的时候要把一根根的“神经”精准接上，施工难度可谓呈几何倍数级增长。空间狭小、舱室复杂、设备多样等困难都是施工期间要克服的困难。工程技术人员会事先统计好所有电缆的数量、直径、敷设方向等信息，全船统筹考虑设计，最大限度预留电缆布置空间，根据区域划分图科学布置电缆路径。在实际施工时，工人把密集的电缆上下一层一层地进行敷设，最多的时候，要用到11层电缆托架才能把该区域的电缆铺好。
精巧运用模块化设计。月池机器上放的钻台区域空间有限，在这有限的空间里却要安装大量的钻采关键设备和管线，一般的方案是行不通的。建造团队针对钻采系统的4种钻探模式巧妙地分别建模，并对不同模式下的主要钻采设备进行单元模块化设计，实现了单元模块在切换作业模式时的快速组装和调试。
消防设备全船覆盖。“梦想”号配备了高压水雾系统，在实验室区域增加了七氟丙烷气体灭火系统，为实验室区域的众多高精尖实验设备的安全运行保驾护航。钻井及尾部燃烧臂区域均设置了水喷淋系统，为复杂的钻采作业区域提供消防保障。
“梦想”号建造团队创新突破了我国高新技术船舶建造技术工艺，坚持模块设计、精准计算、精细安装、保障安全。在建造团队的不懈努力下，“梦想”号已经正式入列，我国自主的超深水钻探装备设计建造技术体系进一步构建。
【作者单位：胡琳，广州海洋地质调查局；章茵、陈萍，中国地质图书馆（中国地质调查局地学文献中心）】
来源：中国矿业报
作者：潘冰
