非开挖水平定向钻机在沉船打捞中的应用

案例沉船为 散 货 船，２００７ 年 ９ 月 因 与 某 大 型 集 装箱 船 相 撞 沉 没。 该 船 主 要 尺 度 Ｌｏａ１８２．３３ｍ × Ｂ２６．０４ｍ×Ｄ１５．７０ｍ，船舶总吨 ２０ ７００ 吨，空船 重 量 ７ ５６５ 吨 。 该 船 艏 、艉 在４ 号 货 舱 断 裂 分 为 两 段 ，船 艏 向为２２６°，艉向为 ２２６°，艏段正坐于海底淤陷深度为 ２米 左 右，艉 段 纵 倾 度 为 艉 倾 ０．５°，横 倾 度 为 左 倾 ２５°，最大淤埋深 度 在 １０ｍ 左 右 （如 图 ３）。 沉 船 处 高 潮 时 水 深 约１８ｍ，低 潮 时 水 深１７ｍ。 潮 汐 为 较 为 规 则 的 半 日 潮 ，潮 流 基 本 为 往 复 流 ，流 速 ０．６ 节 。
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科技和产业 第１３卷 第７期
现以 ２０ ７００ 吨 级 沉 船 打 捞 工 程 为 例，对 定 向 钻 机 在 沉 船 打 捞 中 穿 引 打 捞 钢 丝 工 艺 进 行 介 绍 ，分 析 施 工工艺现状及存在问题。 ２．４．１ 工 程 背 景
定向 钻 的 基 本 工 作 原 理 为：由 液 压 系 统 提 供 的 压力通过钻杆 作 用 在 钻 头 上，当 推 进 力 大 于 土 壤 作 用在钻头和钻 杆 表 面 的 阻 力 时，便 可 以 挤 压 土 壤 在 地下成孔。为减 小 定 向 钻 机 所 受 到 的 阻 力，将 钻 头 做成特定的形 状，同 时 从 钻 头 和 钻 杆 上 的 喷 嘴 中 喷 出润滑液来疏松和固定土壤 。 ［３］
摘要：以打捞工程为例，介绍了使用非开挖水平定向钻机在 沉 船 打 捞 中 穿 引 打 捞 钢 丝 的 关 键 技 术。 沉 船 打 捞 过 程 中 将 打捞钢丝穿引过沉船底部是一个非常重要的环节，从打捞工 程 的 应 用 情 况 来 看，非 开 挖 定 向 钻 机 穿 引 打 捞 钢 丝 技 术 作 业精度高、速度快，符合工程要求。该技术的引进缩短了打捞 工 程 中 穿 引 打 捞 钢 丝 的 时 间，穿 引 打 捞 钢 丝 定 位 精 确，减 少 潜 水 员 水 下 高 强 度 作 业 ，对 打 捞 工 程 的 快 速 作 业 、打 捞 技 术 的 提 升 意 义 十 分 重 大 。 关 键 词 ：打 捞 工 程 ；沉 船 ；定 向 钻 机 ；打 捞 钢 丝 中 图 分 类 号 ：Ｕ６７６．６ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１６７１－１８０７（２０１３）０７－０１３６－０４
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非开挖水平定向钻机在沉船打捞中的应用
图 １ 水 下 人 工 穿 引 打 捞 钢 丝 作 业
１－ 高 压 水 管 ；２－ 潜 水 供 气 管 ；３－ 潜 水 员 ；４－ 攻 泥 器
提升意义十分重大。将定向钻机应用到打捞工程中 主要有以下技术优点：
４）回 拖 。 定 向 钻 机 回 拖 力 取 决 于 钻 杆 直 径 、管 道 长 度 及 弯 曲 程 度 、土 壤 力 学 性 能 和 泥 浆 润 滑 的 加 入 等 特征及其它因素 。 ［８］ 陆地施工需要扩孔，回拖力 相 对 较 大 。 在 穿 引 打 捞 钢 丝 作 业 中 ，钻 杆 回 拖 的 钢 丝 直 径 不到钻杆直径的一 半，无 需 进 行 扩 孔 作 业，从 实 际 施 工情况看只要钻杆能够穿越船底就能将牵引钢丝拖 回。 ２．３ 在 沉 船 打 捞 中 应 用 技 术 ２．３．１ 技 术 原 理
定 向 钻 机 安 装 在 工 程 船 上 ，钻 杆 通 过 导 向 管 架 钻 入海底，进行绕过沉船穿越（如图 ２）。 穿 过 沉 船 后 钻 头 在 沉 船 另 外 一 侧 出 泥 线 ，从 工 程 船 上 接 高 压 气 到 钻 杆，将有气泡从沉船 另 外 一 侧 出 泥 线 的 钻 头 冒 出，潜 水 员 按 着 气 泡 找 到 钻 头 并 连 接 细 钢 丝 绳 到 钻 头 ，回 拖 钻 杆 将 细 钢 丝 绳 引 过 船 底 ，细 钢 丝 再 牵 引 打 捞 钢 丝 过 沉船。 ２．３．２ 钻 机 钻 进 推 力 及 回 拖 力 计技术是将石油工业的定向钻进技 术和传统的管线施工方法结合在一起［１］，因其非 开 挖 技术，在一定曲率半 径 范 围 内 绕 开 障 碍 物、穿 越 长 度 长、深 度 深 等 优 点［２］，受 到 建 筑、市 政、石 油 等 多 个 行 业的青睐。
２）定向钻机钻 进 路 线 可 以 是 直 线、曲 线，也 可 以 根据行进路线 上 的 障 碍 情 况 改 变 钻 进 路 线，这 符 合 水下穿孔的工作要求。
３）准 确 性 高 。 在 有 障 碍 或 水 下 穿 越 施 工 中 ，定 向 钻 机 钻 头 中 探 头 使 用 有 缆 式 导 向 系 统 ，探 头 通 过 钻 杆 中电线将信号传给 控 制 台，监 测 钻 孔 的 水 平 位 置、深 度和其它参数，对钻进路线进行纠偏 。 ［７］
第 １３ 卷 第 ７ 期 ２０１３年 ７月
科 技 和 产 业
Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．７
Ｊｕｌｙ， ２０１３
非开挖水平定向钻机在沉船打捞中的应用
张 伟，周绪强，娄 睿
（烟台打捞局 救捞工程处，山东 烟台 ２６４０１２）
Ｎ ＝３ Ｎ摩擦 ＝３×Ｇｗ ×Ｇ ×μ 在使用定向钻机进行沉船打捞穿引打捞钢丝以 来，钻 杆 穿 越 长 度 均 未 超 过 １００ｍ。 以 穿 越 长 度 １００ｍ，钻 杆 直 径 ５０ｍｍ，摩 擦 系 数 取 最 不 利 情 况 （０．４５＋０．１５）为 例 ，计 算 钻 机 推 力 ： Ｎ ＝３ Ｎ摩擦 ＝３×Ｇｗ ×Ｇ ×μ ＝３×３．１４×０．０２５２ ×１００×７．８× （７．８－ １．０２５）／７．８×０．６＝２．４Ｔ 计算 结 果 显 示：当 穿 越 长 度 １００ｍ，钻 杆 直 径 ５０ｍｍ，摩 擦 系 数 ０．６，储 备 系 数 ３ 倍 时，钻 机 所 需 推 拉力 为 ２．４Ｔ，目 前 市 场 上 定 向 钻 机 均 可 满 足 使 用 要 求。 ２．４ 海 上 施 工 应 用
随 着 我 国 经 济 发 展 和 航 运 业 兴 旺 ，造 船 技 术 和 能 力 的 不 断 提 高 ，海 上 运 输 行 业 发 展 迅 速 也 导 致 船 舶 事 故 频 繁 发 生 。 事 故 发 生 后 如 何 快 速 、安 全 的 完 成 沉 船 打 捞 作 业 成 为 关 键 ，而 沉 船 打 捞 过 程 中 将 打 捞 钢 丝 穿 引过沉船底部是一个非常重要的环节。水下人工穿 引打捞钢 丝 技 术 已 经 有 几 十 年 的 应 用 历 史，水 深 在 ３０米以浅和海底地质比较理想的情况 下 是 一 项 比 较 成熟的技术，但是易 受 水 下 作 业 环 境 限 制，对 潜 水 员 来说作业强度大，因 此，施 工 中 往 往 要 花 费 非 常 多 的 时 间 来 完 成 这 道 工 序 ，对 打 捞 作 业 造 成 了 很 大 的 不 利 影响。其作业时间可能占据整个打捞工程时间一半 以上，而且往往 直 接 关 系 到 工 程 的 成 败。 如 何 快 速、 安全、有效的穿引打 捞 钢 丝 以 及 时 对 沉 船 进 行 打 捞， 成为了当务之急。
水 平 定 向 钻 机 在 地 下 管 线 施 工 中 技 术 成 熟 ，在 沉 船打捞工程中应用尚处于起步阶段。非开挖技术应 用到沉船打捞，对打 捞 工 程 的 快 速 作 业、打 捞 技 术 的
收 稿 日 期 ：２０１３－０４－３０ 作 者 简 介 ：张 伟 （１９８１— ），男 ，吉 林 蛟 河 人 ，烟 台 打 捞 局 救 捞 工 程 处 ，工 程 师 ，硕 士 ，从 事 沉 船 打 捞 工 作 。
Ｎ摩擦 ＝ Ｐ ×μ 其中： Ｐ ———入泥钻杆水中重量； μ ———钻杆与海底泥的摩擦系数， 由 于 钻 进 过 程 是 在 水 下 进 行 ，钻 杆 在 水 中 重 量 减 轻 ，根 据 舰 船 在 水 中 重 量 与 空 气 中 重 量 计 算 公 式 ： 水中重量＝ Ｇｗ ×空气中重量， 即ｐ ＝ Ｇｗ ×Ｇ 其中：Ｇｗ ＝ （ＳＧ －γ）／ＳＧ Ｇｗ ———水中重量折减系数； Ｇ ———钻杆空气中重量； ＳＧ ———材料的比重； γ ———水的相对密度。 ∴ Ｎ摩擦 ＝ Ｇｗ ×Ｇ ×μ μ的取值根据海底泥质同大小在 ０．０５～０．４５ 不 等 ，若 沉 船 淤 陷 超 过 １ｍ，系 数 取 值 时 增 加 ０．１５［４］。 为 保 证 施 工 顺 利 进 行 ，在 选 择 机 型 时 按 ３ 倍 储 备 系 数 来 计 算 ，则 钻 机 所 需 的 推 拉 力 ：
１）定 向 钻 机 具 有 穿 越 长 度 长 、深 度 深 等 优 点 。 定 向 钻 机 可 进 行 跨 越 穿 越 ，在 进 行 河 流 和 湖 泊 的 长 距 离 穿 越 作 业 施 工 中 有 突 出 表 现 ，首 例 定 向 钻 机 穿 越 河 流 施工是１９７１ 年 在 美 国 加 利 福 尼 亚 的 沃 森 威 尔 市 附 近［５］，２００２年３月罗宾 斯 水 平 定 向 钻 机 在 南 京 附 近 首次进行长江穿越作业，穿越长度为 １ ６８８ｍ，穿越最 大深度距地面５２ｍ，创造穿越施工新记录 。 ［６］
施工钻机的选择由钻机推进力的性能指标来决 定 ，而 该 指 标 由 拖 拉 牵 引 钢 丝 过 沉 船 底 的 回 拖 力 来 确
图 ２ 定 向 钻 机 穿 引 打 捞 钢 丝 施 工 布 置 图
注 ：１－ 定 向 钻 机 ；２－ 导 向 管 架 ；３－ 钻 杆
定，在打捞作业施工中一般采用 Ф２８ｍｍ 钢丝 作为 牵 引钢丝，而钻 杆 直 径 以 Ф５０ｍｍ 计，钻 杆 自 身 回 拖 力 已 大 于 牵 引 钢 丝 产 生 的 回 拖 力 ，考 虑 钻 机 推 进 力 的 影 响因素只需考虑钻杆的影响即可。钻杆与海底泥的 摩擦力为：
２ 水 平 定 向 钻 机 在 沉 船 打 捞 中 的 应 用
２．１ 传 统 穿 引 打 捞 钢 丝 作 业 的 方 法 及 工 艺 在使用定向钻机进行穿引沉船打捞钢丝作业以