海洋风电钻探与取土问题初析

张　琳，王振红，徐　建，葛建刚，韩柯柯，蒋媚娟

(浙江华东建设工程有限公司，浙江 杭州 310030)



海洋风电钻探与取土问题初析

张琳，王振红，徐建，葛建刚，韩柯柯，蒋媚娟

(浙江华东建设工程有限公司，浙江 杭州 310030)

摘要：通过对目前海洋风电勘察中钻探和取土技术的总结分析，介绍了海洋风电勘察钻探与取土过程中主要存在的问题，这些问题包括原状取样技术、钻探平台稳定性、深水钻探以及钻探效率等。最后探讨了海洋钻探与取土所需改进的方向。

关键词：海上钻探；取土；钻探平台

1概述

随着煤、石油等传统不可再生资源的消耗和逐渐减少，可再生资源在国民经济生活中的比重逐渐增大。海洋是人类社会可持续发展的重要基地，进行海洋工程建设和海洋开发具有深远的意义。我国拥有漫长的海岸线，海域资源丰富，可开发利用前景广阔。

风力发电是在水电、火电、核电之后崛起的新能源之一，是国家十二五规划重点扶持和大力发展的朝阳产业之一。目前我国陆地风能资源量为20多亿千瓦，海上风能资源量为5亿多千瓦。“十三五”期间，我国可再生能源，特别是以风电、太阳能为代表的新能源开发取得了相当大的成绩。目前，我国在风电装机、风电设备制造方面，都位居全球第一位。我国陆地资源有限，陆上风电受到很多限制，而海洋地域开阔，资源丰富，海洋风电建设已成为我国能源发展的重要手段之一。

风电勘察作为风电开发建设中的基础环节，对风机的安全运营和风机的后期稳定具有决定性的作用。在海洋风电勘察中，钻探和取土问题是风电勘察中最重要的两个问题，它对于确定风机基础问题至关重要。

2海洋风电勘察中钻探与取土现状

在已完成的众多海洋工程勘察中，除借鉴陆上钻探和取样技术的经验、方法外，还积累了大量的海上钻探经验，这些经验为我们下一步开展更大范围的海洋勘探开发打下了较好的基础[1-3]。

目前海洋风电勘察钻探中，钻机主要采用XY-2型钻机，其长×宽×高为2 150 mm×900 mm×1 690 mm，属中浅孔系列，机械传动、液压给进的立轴式岩心钻机。该钻机具有以下优点：钻机重量轻(不含动力机，重9 500 N)，可拆性好，机体可拆成八大零件，最大部件重量1 400 N；钻进效率高；功率消耗低；钻机可进行高速钻进。表1为XY-2型钻机的主要技术性能参数。海洋勘察孔深一般在100 m以内，钻机最大钻探深度一般远大于100 m，原因主要是由于套管下入土中较深，达5～10 m，可钻深度大，钻机牵引力大，可使套管较容易地从土中提出。

表1　岩心钻进深度表

一般将XY-2钻机固定在移动式平台的中部或一侧。移动式平台用兔子锚固定在海面，船头朝向潮流涨落潮方向，以防止船体横向受到潮流作用力。

风电勘察取土工具主要采用钻具进行，钻具壁厚3 mm，内径108 mm，长3 m。其取样效率高，但对土样扰动极大。考虑到海洋勘探的要求，采用目前常用的取土器进行原状取样在生产中是不可行的。因此，下一步需考虑如何在不降低钻探效率的前提下，采取原状样。

钻探船一般有单体船和双体船两种。单体船船体大，动力大，并配备起重设备，其抗风浪能力强，锚力大，钻机位于船体的一侧，能适应复杂海况条件下的钻探作业环境；双体船是由两条船拼装而成，中间用工字钢焊接，钻机位于两船中间靠前部位，稳定性好，但抗风浪能力稍差。

固定船体采用兔子锚(图1)，因锚较重，抛锚需借助交通船进行，一个钻探平台一般需抛4个锚，锚与船体轴线成40°角左右(抑或采用交叉锚，锚与船体轴线成30°左右)，锚上需栓浮标，以备起锚之用，锚绳长约100 m左右。钻探过程中，由于潮汐、风浪等的影响，锚绳松紧会有变化，应及时调整绞锚机，确保钻机立轴始终对正套管中心。

图1　兔子锚示意图

护壁泥浆采用植物胶与海水搅拌而成，但海水搅拌的泥浆与淡水相比稍差。因海水中NaCl含量高，挤压双电层现象严重，电动电位进一步降低，水化膜变得极薄，黏土颗粒发生聚结下沉，因此用海水搅拌的泥浆一般黏度和切力较低，失水量大，泥浆稳定性不好[4]。

3海洋风电勘察钻探与取土存在的问题

海洋风电勘察钻探和取土技术在借鉴陆上钻探与取土技术的基础上，积累了丰富的经验，并完成了大量的风电场区的勘察。但是海洋有自己独特的环境，与陆地甚至河流、湖泊等都存在着不同，作业受风浪、潮流、潮汐等影响大，可作业时间短[5-6]，因此要求作业效率高，尽快抓紧有限的时间完成现场作业。根据对已有海洋风电勘察钻探和取土技术的分析，以下4个问题是目前钻探和取土中常见的主要问题。

3.1海洋钻探平台的稳定性问题

钻探平台可分为固定式(图2)和移动式(图3)，固定式主要有桩基式平台、重力式平台；移动式主要有自升式平台、沉浮式平台、浮式钻井船、半潜式平台。固定式平台稳定性好，受风浪、潮流、潮汐等影响较小，作业时间长，但安装过程繁杂，在海洋工程勘察中应用较少，多为石油钻井平台；移动式平台装拆方便，可随时移动，在海洋工程建设中应用广泛，但受风浪、潮流、潮汐等影响大，稳定性差。

在目前的海洋风电勘察中，钻探平台主要采用移动式平台，即利用渔船、工程船等拼装而成(图3)，平台稳定性受风浪、潮流、潮汐影响大，月作业时间短，须进一步探索适合海洋条件下高效、安全的钻探作业平台。

图2　固定式平台

图3　移动式平台

3.2孔壁的稳定性问题

护壁工艺关系到孔壁的稳定性及钻进效率。海洋钻探中，由于经常受到波浪、潮流以及地层压力的释放，造成钻杆与孔壁之间产生横向作用力，从而在地层，特别是在砂土层中，孔壁坍塌时有发生，从而导致在起下钻过程困难，影响钻探效率。因此，解决如何避免孔壁的坍塌，对于钻探效率和取土效果具有重要的促进作用。

3.3原状取样

海洋钻探由于受潮流、风浪、气候、潮汛等影响大，必须在短时间内尽可能多的完成工作量，提高工作效率，节约成本。考虑到以上因素，对淤泥质土、黏性土、砂土等均为钻具取样，其扰动较大，样品失真较大，不能很好地满足实验室要求，实验数据往往存在较大误差。

3.4表层取样

表层取样一直是海洋钻探中存在的一个盲区。表层土由于下套管的作用，使表层5～10 m的土样获得较少，对表层土样的研究较少，不能对地基从上到下有全面的了解。对于如何取得不受扰动的表层样，将对今后的风电勘察、路由调查等都具有重要的意义。

4海洋风电勘察中钻探与取土改进方向

随着海洋工程建设和海洋开发的进一步发展，目前在风电勘察中广泛采用的海洋钻探和取土技术满足不了未来工程建设的需要。根据分析，认为近期海洋钻探和取土技术应按以下4个方面改进。

4.1原状取土技术的开发

目前使用的各种原状取土器，在海洋环境下存在各种不足，不能满足海洋的复杂环境。对于未来如何既保证海洋钻探效率又满足原状样取样要求，有待于海洋工程工作者的进一步研究。

4.2稳定钻探平台的采用

在已完成和正在进行的风电勘察中，钻探平台为渔船拼装的双体船和较大的单体船，其在大潮汛等海况复杂的条件下工作稳定性较差，使孔壁倾斜、起下钻具困难。下一步应研究在不大幅增加经济成本的前提下，如何提高钻探平台的稳定性问题。

4.3深水钻探技术的发展

目前的海洋风电钻探中，适应水深一般在20 m以内，大于20 m水深的海域，钻探存在一定的困难。随着海洋工程建设的进一步发展，大于50 m水深的海域也将成为海洋工程建设的重点。如何通过改进目前的钻探技术来满足未来海洋钻探的需要，这也需要深入研究。

4.4钻探效率的提高

目前海洋风电勘察中，钻探效率受风浪、潮流、潮汐等影响较大，钻探效率较低，一方面大大提高了成本，另一方面延误工期。下阶段应开展海洋钻探效率的研究，以提高工作效率。

从长期发展来看，海洋钻探和取土技术，必将朝着智能化、数字化、可视化发展，这样才能为人类开发海洋提供全方位的技术支撑。

5结语

海洋风电勘察技术目前已日趋成熟，在完成大量的海洋风电勘察中积累了大量的实践经验。但是还存在诸如钻探效率低、土样扰动大、孔壁稳定等问题，这些问题有待于实践中的进一步完善和研究，以便为未来走向深水钻探及进入其他海洋领域打下了基础。

参 考 文 献

[1]刘俊雄,陈振银.八尺门特大桥详勘海上钻探辅助措施[J].探矿工程,2000(增刊1):54-56.

[2]李进令,孟庆宝,李新勇.海上工程勘察深孔施工技术[J].西部探矿工程,2003(7):125-129.

[3]窦玉玲,管志川,徐云龙.海上钻井发展综述与展望[J].海洋石油,2006(6):64-67.

[4]周庆礼,谭海军.海域工程地质钻探中泥浆循环工艺的应用[J].港工技术,2011,48(4):57-59.

[5]陈仁兰.近海海上钻探施工方法的探讨[J].西部探矿工程,2008(9):134-136.

[6]刘权富.浅海勘探的钻探工艺[J].探矿工程,2002(2):41-42.

收稿日期：2015-12-31

作者简介：张琳(1984—)，男，江苏高邮人，助理工程师，从事岩土工程勘察工作。

中图分类号：TU447

文献标志码：B

文章编号：1008-3707(2016)05-0035-03

Preliminary Analysis on the Problems about Testboringand Taking Soil Using the Ocean Wind Power

ZHANG Lin, WANG Zhenhong, XU Jian, GE Jiangang, HAN Keke, JIANG Meijuan