廣東海上風電巖土勘察鉆機設(shè)備研究

鄧錫斌，葛廣林，徐志強

（1、中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司 廣州 510663；2、中國能源建設(shè)集團有限公司工程研究院 北京 100022）

0 引言

海上風電是新能源發(fā)展的前沿陣地，也是廣東省可再生能源中最具規(guī)?；l(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。根據(jù)《廣東省海上風電發(fā)展規(guī)劃（2017-2030年）（修編）》，全省規(guī)劃海上風電場址23 個，其中近海淺水區(qū)（水深小于35 m）場址8 個，目前已全部進入建設(shè)或建成并網(wǎng)階段，剩余15 個近海深水場址（水深大于35 m）正在開發(fā)或計劃開發(fā)當中［1-2］，可以預(yù)見未來海上風電勘察的重心將會從近海淺水區(qū)向深水區(qū)轉(zhuǎn)移［1］。

相較于近海淺水區(qū)場址，近海深水區(qū)場址對海況條件、作業(yè)窗口的要求更為苛刻，因此需要在有限的作業(yè)窗口內(nèi)快速、高質(zhì)量地完成勘察作業(yè)，實質(zhì)上對勘察設(shè)備的性能和使用范圍提出了更高的要求。目前廣東地區(qū)海上風電多采用鉆探取樣，配以孔壓靜力觸探模式進行勘察，選擇合適的鉆探及孔壓靜力觸探設(shè)備對勘察作業(yè)尤為重要，因此有必要對工程鉆機和孔壓靜力觸探設(shè)備開展研究。

1 鉆探設(shè)備

目前國內(nèi)海洋工程勘察項目中常用的鉆探設(shè)備主要有常規(guī)鉆機和專業(yè)海洋鉆機。

1.1 常規(guī)鉆機

海洋勘察使用的常規(guī)鉆機是指進行局部改造或不改造，通過固定于勘察平臺或勘探船上進行作業(yè)的大馬力陸地鉆機，鉆機類型主要為立軸式和常規(guī)動力頭式［3-4］。

1.1.1 立軸式鉆機

該鉆機特點是有一段較長的立軸，用其帶動鉆具回轉(zhuǎn)、實現(xiàn)給進并導正。海洋勘察使用的立軸式鉆機鉆深能力普遍小于200 m，采用鉆桿鏈接回轉(zhuǎn)取芯，巖芯直徑40～150 mm，鉆孔傾角75°～90°，回轉(zhuǎn)器起拔能力可達200 kN，動力機功率一般介于20.0～73.5 kW，并配備卷揚機和泥漿泵［5］。目前已形成系列化，如XY型、HZ型等。

立軸式鉆機具有造價低、操作簡單、維修方便、可靠性高等優(yōu)點，缺點是鉆機不配備波浪補償（即升降平衡補償）裝置［6］和繩索取芯裝置，因此立軸式鉆機在面對較差海況時無法高效、快速地完成作業(yè)。

1.1.2 常規(guī)動力頭鉆機

該鉆機目前是海洋勘察的主流機型，主要特點是具有液壓動力頭式回轉(zhuǎn)機構(gòu)、長行程的給進系統(tǒng)、液壓絞車組成的提升系統(tǒng)等，能實現(xiàn)無級調(diào)速，機械化程度高，配套器具齊全［7-9］。與立軸式鉆機相比，該鉆機配備了波浪補償裝置，補償行程為±1.5 m，在有效補償深度范圍內(nèi)使鉆頭始終緊貼泥面，防止波浪抬升導致鉆具脫離泥面或者波浪下降導致鉆具對鉆機底盤產(chǎn)生反力，但該鉆機不具備繩索取芯能力。該鉆機已形成系列化，如HD 型、GXY 型等，圖1 所示為HD300型動力頭鉆機。

圖1 HD300型動力頭鉆機Fig.1 HD300 Power-head Drill

常規(guī)動力頭鉆機的優(yōu)點是鉆機功率較大、鉆進能力和抗風浪能力較強，鉆探效率較高；缺點是不具備繩索取芯能力，取樣質(zhì)量不如專業(yè)海洋鉆機，作業(yè)深度受搭載船或平臺控制，適用范圍受限。

1.2 專業(yè)海洋鉆機

隨著近岸深水區(qū)風電場址的不斷開發(fā)，專業(yè)海洋鉆機越來越多地被應(yīng)用到勘察作業(yè)中。專業(yè)海洋鉆機的特點有：

⑴鉆機系統(tǒng)采用浮動式動力頭結(jié)構(gòu)，具備波浪補償能力，作業(yè)質(zhì)量好。

⑵ 能根據(jù)不同的要求選用繩索取芯或回轉(zhuǎn)取芯。繩索取芯的優(yōu)點：①取芯器與鉆具獨立分離，鉆具隨船體升沉時不會影響正常錘擊取芯作業(yè)；②具有較高的保真度和取芯率，樣品擾動程度低；③鉆進過程中不需提鉆，大大提高了作業(yè)效率。

⑶鉆機設(shè)有液壓擰管機，能實現(xiàn)擰卸鉆具的機械化。

⑷鉆機系統(tǒng)動力強、工作效率高，大大節(jié)省了單孔的作業(yè)時間。

目前國內(nèi)的專業(yè)海洋鉆機（見圖2）大多搭載在專業(yè)勘探船上，如“南海503”船、“海洋石油707”船［10］、“海洋石油708”船［11］、“海洋地質(zhì)十號”船、“勘407”船、“濱海66”等，其主要鉆機參數(shù)如表1所示。

表1 代表性海洋鉆機的主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of Representative Offshore Drilling Rigs

圖2 “海洋地質(zhì)十號”鉆探及孔壓靜力觸探系統(tǒng)Fig.2 Drilling and CPTU System of Haiyang Dizhi Shihao

與常規(guī)動力頭鉆機相比，專業(yè)海洋鉆機具有勘探深度大、鉆進效率高、抗風浪能力強、取樣質(zhì)量好、工作水深不受限等優(yōu)點，缺點是對搭載的作業(yè)船要求高、數(shù)量少、成本高，應(yīng)根據(jù)具體的項目情況合理選用。

2 孔壓靜力觸探系統(tǒng)

目前國內(nèi)應(yīng)用于海上風電勘察的孔壓靜力觸探系統(tǒng)類型主要有海床式、井下式和平臺式3種［12-13］，其中海床式和井下式多搭載在勘探船上進行作業(yè)，而平臺式則搭載在固定平臺上進行作業(yè)。

2.1 海床式孔壓靜力觸探

海床式孔壓靜力觸探設(shè)備通過纜繩吊入海底，以自身的框架支撐系統(tǒng)穩(wěn)定坐在海床上，再通過電力或者液壓驅(qū)動探桿，使探頭以勻速貫入被測海底土體中［13］。磐索科技研制的海床式孔壓靜力觸探設(shè)備如圖3所示。

圖3 海床式孔壓靜力觸探設(shè)備Fig.3 Equipment for Seabed CPTU

目前常用于近岸深水區(qū)的海床式孔壓靜力觸探設(shè)備最大貫入力普遍為200 kN，個別可增加配重至250 kN，理論貫入深度可達100 m，實際貫入深度取決于地層軟硬程度和反力裝置［14-15］。目前海上風電常用的幾款代表性海床式孔壓靜力觸探設(shè)備主要參數(shù)如表2所示。

表2 常用的海床式孔壓靜力觸探參數(shù)Tab.2 Commonly Used Sea-bed static sounding parameters

海床式孔壓靜力觸探的優(yōu)點：①貫入基準為海床面且基準唯一；②使用方便，可配合船只或平臺進行試驗，測試速度快、效率較高、操作簡單；③可連續(xù)作業(yè)，觸探路徑和數(shù)據(jù)完整性好；④成本較低；⑤對施工船舶的噸位、吊放等要求較??；⑥不受涌浪起伏對施工船舶的影響。其缺點為：①反力有限，遇較硬底層時難以貫穿，試驗深度受限；②海床面不平整時，基座和探桿容易發(fā)生傾斜，影響試驗結(jié)果。

2.2 井下式孔壓靜力觸探

井下式孔壓靜力觸探是一種鉆探和孔壓靜力觸探相結(jié)合的系統(tǒng)，特點是探頭從鉆孔的底部貫入到土中，采用孔壓靜力觸探+鉆孔跟進的交替作業(yè)方式，可在任意深度范圍內(nèi)進行試驗［16］，試驗結(jié)果可提供半連續(xù)或連續(xù)的錐端阻力、側(cè)摩阻力、孔隙水壓力、探頭傾斜度等隨深度變化的剖面。

目前海上風電常用的井下式孔壓靜力觸探設(shè)備主要搭載在專業(yè)勘探船上（見圖2），與專業(yè)海洋鉆機共用提升、井架等系統(tǒng)裝置，鉆具通過鉆探船的波浪補償和海底鉗進行控制，以保證取樣設(shè)備和孔壓靜力觸探試驗設(shè)備在作業(yè)時保持穩(wěn)定不動。部分井下式孔壓靜力觸探系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 部分井下式孔壓靜力觸探設(shè)備參數(shù)Tab.3 Parameter Some Downhole CPTU Equipment

與海床式孔壓靜力觸探系統(tǒng)相比，井下式孔壓靜力觸探系統(tǒng)的優(yōu)點：①能適應(yīng)較硬地層，理論作業(yè)深度大；②依托船只作業(yè)時，作業(yè)效率高。其缺點：①作業(yè)時為分段作業(yè)，后期需對數(shù)據(jù)處理進行拼接處理；②由于鉆探掃孔的擾動，分段作業(yè)開始時部分數(shù)據(jù)失真，數(shù)據(jù)連續(xù)性不如海床式；③對配套船只要求高，施工成本高；④可配套船只數(shù)量少。

2.3 平臺式孔壓靜力觸探

平臺式孔壓靜力觸探是指貫入設(shè)備安裝在固定平臺上，靜探操作時探桿需要首先從平臺甲板經(jīng)過水層后才能貫入海底土體，靜探操作的基準可取平臺或者海床面，基準確立后即為唯一。

平臺式孔壓靜力觸探依托平臺進行作業(yè)，適用水深與平臺的作業(yè)水深密切相關(guān)。國內(nèi)現(xiàn)有的勘察平臺適用水深多在20 m以內(nèi)，如江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院自建的20 m平臺在湛江海域某海上風電場，通過塔架和船只的配合，成功實現(xiàn)孔壓靜力觸探的批量作業(yè)（見圖4）。其余適用水深35 m、50 m、55 m 和58 m的勘察平臺，如永強壹號、華東院2號、探海1號、凱旋?？?01、華東院306、三峽101 等，目前還未有批量作業(yè)的先例。平臺式孔壓靜力觸探的優(yōu)點是：①貫入系統(tǒng)設(shè)備要求不高，技術(shù)門檻低；②作業(yè)平臺穩(wěn)定性好，靜探路徑和數(shù)據(jù)完整性好。其缺點為：①適用水深受平臺結(jié)構(gòu)控制；②平臺移動過程中受天氣、海況條件影響大，施工效率低；③施工成本高。

圖4 某風電場20 m平臺孔壓靜力觸探設(shè)備Fig.4 Equipment for Platform CPTU

3 近海深水區(qū)鉆機設(shè)備適應(yīng)性分析

3.1 鉆機系統(tǒng)適應(yīng)性分析

立軸式鉆機具有操作簡便、成本低等優(yōu)點，被廣泛用于潮間帶和近岸淺水區(qū)等水深較淺、海況條件相對較好的海上風電場址勘察，但近岸深水區(qū)場址水深普遍大于35 m，且海況變化快，作業(yè)窗口零碎，大于48 h的作業(yè)窗口小，立軸式鉆機在設(shè)備功率、鉆機速度和取樣質(zhì)量方面存在欠缺，無法滿足使用要求。

常規(guī)動力頭鉆機通過配置大功率發(fā)動機和波浪補償裝置，提升了鉆進與取芯效率，但缺少繩索取芯設(shè)備，取芯質(zhì)量無法有效提高，且作業(yè)深度勘探船和平臺限制。目前常規(guī)動力頭鉆機除被應(yīng)用于濱海潮間帶和近海淺水區(qū)場址外，也被應(yīng)用于部分近海深水區(qū)場址，但隨著吸力筒等新型基礎(chǔ)不斷被采用，對勘察和取樣質(zhì)量要求更高，常規(guī)動力頭鉆機難以完全滿足要求。在深水區(qū)使用時，需注意需要時刻關(guān)注海況變化，盡量將作業(yè)安排在海況條件穩(wěn)定且連續(xù)的窗口期。

專業(yè)海洋鉆機配備大功率發(fā)動機、波浪補償和繩索取芯裝置，具有適水深度大、工作效率高、取芯質(zhì)量好等優(yōu)點，能在短時間內(nèi)高質(zhì)量完成鉆探任務(wù)，滿足深水區(qū)海況條件變化快、作業(yè)窗口短的工況，適合近岸深水區(qū)場址，但專業(yè)海洋鉆機大多搭載專業(yè)勘察船，后者國內(nèi)數(shù)量少，且使用成本較高，暫無法大規(guī)模應(yīng)用。

3.2 孔壓靜力觸探系統(tǒng)適應(yīng)性分析

海床式孔壓靜力觸探因難以穿越較硬土層，故其探測深度有限，普遍不大于70 m，遇密實土層時深度更小，因此海床式孔壓靜力觸探在深水區(qū)使用時，通常用于吸力筒基礎(chǔ)、浮式基礎(chǔ)等基礎(chǔ)埋深較淺的場址勘察，當使用樁基礎(chǔ)時，應(yīng)根據(jù)土層情況、設(shè)計樁長等綜合判定勘探深度是否能滿足樁基礎(chǔ)的設(shè)計要求。

井下式孔壓靜力觸探能適應(yīng)各種土層，作業(yè)深度大，能滿足風電場各種基礎(chǔ)型式的要求，且作業(yè)效率高、工期短，能滿足深水區(qū)多變的海況和較短的作業(yè)窗口。但對配套船只的要求高，建議使用前應(yīng)落實船只檔期，合理安排作業(yè)計劃。

平臺式孔壓靜力觸探受限于平臺的作業(yè)深度，目前多在20 m 水深范圍內(nèi)的潮間帶和近岸淺水區(qū)有應(yīng)用，對于深水區(qū)無應(yīng)用先例。考慮到目前國內(nèi)平臺的最大適水深度僅為58 m（三峽101），且平臺雖有自動力，但定位和移動受海況影響大，不能滿足深水區(qū)場址的水深條件和復雜多變的海況條件，因此不建議在深水區(qū)采用平臺式孔壓靜力觸探進行作業(yè)。

3.3 對比分析

根據(jù)目前國內(nèi)風電場勘察中使用的鉆機和孔壓靜力觸探設(shè)備的情況，從海況適應(yīng)能力、作業(yè)深度、作業(yè)效率和經(jīng)濟性等方面進行粗略比較，如表4、表5所示。

表4 常規(guī)鉆機與專業(yè)海洋鉆機對比分析Tab.4 Comparative Analysis of Conventional Drilling Rig and Professional Offshore Drilling Rig

從表4 和表5 可以看出，專業(yè)海洋鉆機和井下式孔壓靜力觸探更能適應(yīng)廣東近海深水區(qū)風電場的勘察作業(yè)，但由于其需要搭載專業(yè)勘探船，勘察成本高，因此有必要新造或改造適用于海上風電勘察的小型或中型專業(yè)勘探船。同時若中小型專業(yè)勘探船得到大規(guī)模應(yīng)用，勘察成本下降，可提高勘察質(zhì)量的同時推動國內(nèi)與國外海洋勘察技術(shù)接軌前行。

表5 海床式、井下式和平臺式孔壓靜力觸探對比分析Tab.5 Comparative Analysis of Seabed，Dowmhole and Platform CPTU

4 結(jié)語

⑴立軸式鉆機在被應(yīng)用于濱海潮間帶和近海淺水區(qū)作業(yè)，但其效率和質(zhì)量難以滿足深水區(qū)作業(yè)要求；常規(guī)動力頭鉆機不具備繩索取芯能力，作業(yè)深度受搭載船或平臺控制，適用范圍受限，在深水區(qū)作業(yè)需要進行必要的改造，并選擇合適的作業(yè)窗口；專業(yè)海洋鉆機勘探深度大、鉆進效率高、抗風浪能力好、取樣質(zhì)量好、工作水深不受限，能滿足近岸深水區(qū)的勘察要求，但成本高，應(yīng)根據(jù)具體的項目情況合理選用。

⑵平臺式孔壓靜力觸探設(shè)備適水深度和作業(yè)深度較淺，不適用于近岸深水區(qū)勘察作業(yè)；海床式孔壓靜力觸探設(shè)備試驗深度受限，基座和探桿容易發(fā)生傾斜，適用于吸力筒基礎(chǔ)、浮式基礎(chǔ)等基礎(chǔ)埋深較淺的場址勘察；井下式孔壓靜力觸探能適應(yīng)較硬地層，作業(yè)深度大，效率高，適用于各種基礎(chǔ)型式的海上風電場址勘察。

隨著海上風電向近海深水區(qū)的開發(fā)和國內(nèi)海洋勘察技術(shù)的發(fā)展，采取專業(yè)海洋鉆機和井下式孔壓靜力觸探設(shè)備，能有效保證項目實施質(zhì)量，并有利于海洋勘察工作效率的提高。相應(yīng)的，其與合適的專業(yè)海洋勘察船的搭配研究，也將進一步推動國內(nèi)海上風電勘察技術(shù)的進步。