奋斗五号船钻探系统及其在海上风电场地质调查中的应用

廖天保

（中国地质调查局广州海洋地质调查局，广东广州510760）

随着全球能源供应持续紧张，世界各国都将发展新能源产业作为缓解能源供需矛盾的重要手段，其中风力发电相对其他新能源而言较为成熟，引起了世界各国的重视。随着陆上风力资源的大规模开发利用，海上风电因其具有风资源持续稳定、风速高、发电量大、不占用土地资源等优点[1]。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[2-5]。通过奋斗五号船的海上风电场工程勘察实践，在钻探工艺等关键技术问题上进行系列研究，形成了海上风电场钻探和取样技术。本文将对奋斗五号船钻探系统及其在海上风电场地质调查中的应用进行系统介绍，以供类似工程借鉴。

1 奋斗五号船简介

“奋斗五号”钻探船及自带的船载HGD-300型海洋钻机进行施工，“奋斗五号”钻探船如图1所示，其船舶及钻机主要技术参数如下：

图1 “奋斗五号”钻探船

（1）“奋斗五号”调查船。

建造地点：广州；总长：68.45m；型宽：10.00m；吃水：3.75m。

满载排水量：1091.61t；航速：12kn；主机类型、台数：8300ZC×2台。

主机功率：1100×2匹马力；发电机：200kW/台×2台；自持力：30d。

艏锚：特种大抓力锚（SMIC ST锚）：2个，锚重1.5t，锚绳长：800m。

艉锚：2个特种大抓力锚（SMIC ST锚）：锚重1.8t，锚绳长：1000m。

锚机：由液压控制；锚钢缆直径：艏锚∅28.0mm，艉锚∅32.5mm。

（2）船载海洋钻机系统。

钻机类型：HGD-300型；

取样深度：300m（含水深）；

（月池）通孔直径：1580mm；

孔口直径：1000~120mm；

钻机龙门高度：4500mm；

取样水深：5~150m；

最大起拔力：180kN；

钻塔高度：12m；

钻塔承载力：200kN；

卷扬机：分主卷扬和副卷扬；

拧管机：由液压控制,对钻杆自动进行拧、卸、紧扣；

泥浆循环系统：BW-320泵和BW-250泵各一台。配备备用BW-250泵一台。

（3）导航定位系统。采用SF-2050M DGPS接收机定位，菲蒙导航系统和HYPACK导航系统进行导航、数据采集及数据传输。

SF-2050M是一家美国公司生产的双频DGPS接收机，采用WCT（Wide Area Correction Transform）广域差分技术，通过StarFireTM网络提供GPS差分信号发布服务。StarFireTM差分信号通过Inmarsat同步卫星进行广播，能在南纬76°至北纬76°间任何地球表面提供同样精度的差分信号。SF2050M DGPS接收机能跟踪L1、L2、C/A、P1及P2码，标称精度为：水平位置15cm、垂直位置30cm。

（4）测深仪。ATLAS DESO-25测深仪2002年从德国ATLAS公司引进，由主机、匹配器、换能器、24VDC稳压电源组成。

相关参数如下：

发射功率：100W（210kHz）,600W（12kHz）；

测量范围：0~200m（210kHz）,0~5000m（12kHz）；

波束宽度：9°（210kHz）,15°（12kHz）；

脉冲宽度：38μs~2.3ms（210kHz）,167μs~18.7ms（12kHz）；

测 量 精 度：1.0cm±0.1%水 深 值（210kHz）,30.0cm±0.1%水深值（12kHz）。

2 海洋钻探施工步骤

2.1 钻探前的准备工作

在接到出海任务之后，“奋斗五号”钻探船开赴工区。到达第一钻探孔位时，导航仪开始定位，船长根据海水流向、潮汐、风力、风向、浪、涌等情况进行抛锚就位，同时下放海流计，在抛锚完成后24h内观察船舶移动情况和熟悉海流及潮汐规律。在此时间内，钻探人员做好岗前培训及开钻准备。

2.2 钻探方法及施工工艺

2.2.1 钻探方法

本着在原状土体获得原状岩芯的原则，本次勘察采用∅168mm套管进行海水隔离和钻孔导向，∅127mm套管进行泥浆循环及跟管钻进；用∅50mm钻杆进行钻探；以∅108mm的岩芯管及取土器进行取芯。具体施工方法如下：

钻探船抛锚定位完成后，在了解和熟悉工区的情况下，下入海水隔离套管接近海底时，进行第一回次的岩芯采取，第一回次采取岩芯结束后，再下入∅168mm套管到达第一回次钻孔孔底，然后进行标准贯入实验。原位测试结束后，再下入∅168mm套管到达标准贯入实验地层孔底，固定套管后，下入钻具对第一回次及原位测试的地层进行清孔，确定孔底干净后再进行第二回次的岩芯采取。如此循环钻进后，直到地层承载力较高时开始下入泥浆循环套管进行泥浆循环钻进。

在钻进过程中，现场地质技术人员同时开始进行以下工作：记录钻探班报、岩芯标识、地质编录、原状样采取、包装；导航人员对导航仪及海流计进行监控；船舶值班人员随时待命，以调整锚系。

2.2.2 钻探工艺

（1）此次工程地质勘察拟在第四纪地层及全风化层采用硬质合金钻进，基岩类地层采用金刚石钻进。利用回转、压入、锤击、卡料卡取法进行取芯，同时用泥浆冲孔护壁及跟管护壁的钻探工艺。

（2）软土类地层利用取土器采用压入法取芯；粘土及砂土类地层利用∅108mm的岩芯管采用干钻法取芯；砂类地层利用取砂器采用锤击法取芯；基岩采用金刚石钻头采用卡料卡取法取芯；即时校正钻具和孔深，孔深误差不得大于0.5%。

（3）在软土及粘土类地层利用海水作为循环液；砂土混层类地层利用浓度较小的泥浆作为循环液；饱和砂层利用浓度较高的泥浆作为循环液。

（4）通过以下工艺预防孔斜：在下入海水隔离套管时，应随时调整锚位，保证套管垂直；当钻孔孔底超出泥浆循环套管底部时，每一回次下入钻具时都应以钻具自重的压力回转下入；加压钻进及取芯时，控制钻压。

（5）开钻前利用测深仪进行水深测量，然后在海水隔离套管内利用水砣进行水深校正，用以获得开钻时的准确水深；在钻进过程中，准确测量钻具长度，每回次进行潮汐校正，通过计算获得精确的地层深度。

（6）钻孔记录随着钻进工作及时进行，按回次记录，按岩性分层。编录内容必须包括各回次顶部和底部的岩性描述、钻孔结构、施工情况等。现场编录要统一表格，用铅笔填写，字体端正，不涂改；描述要准确，简明扼要，日期、孔位、坐标、钻机类型等。

3 海洋地质钻探实践

本次海上风电场项目位于惠东县南面海域，属于近海风电场。场址区域水深在30~40m。属亚热带气候，常年湿热，雨量充沛，年平均气温24℃，最低气温10℃，最高气温35℃。5~8月盛行西南季风，8~10月份雨量集中，有台风暴雨侵袭。

工程地质钻探技术要求如下：

（1）钻探和取样（18个钻孔，孔深≥85m/孔）：①钻探人员必须严格按照钻孔任务书要求和钻探技术规程要求进行钻探，终孔需经地质人员同意；②全断面取芯，土层每回次进尺不大于2m，砂土每回次进尺不大于1.5m，破碎岩层不大于1m；钻机最大钻探能力须不小于100m；基岩埋深浅地段（85m以内）钻孔若揭露岩层，则进入中风化岩不小于15m。③取样须保证样品质量，减少土试样的扰动。其中：淤泥等软土采用薄壁取土器，粘性土采用三重管回转取土器，砂土采用环刀取砂器。取样数量需满足钻孔任务书和地质人员的要求，并按现场要求分批送回实验室。④钻进深度、岩土分层深度的量测误差范围应为±0.05m。分层准确，班报表记录清楚完整；⑤采取的土样应及时蜡封；所采取的岩芯应全部按顺序放进岩芯箱，及时编写岩芯牌，并盖好防止日晒雨淋。⑥岩芯须待地质人员拍照、编录后，经地质人员同意后方能处理。

（2）钻探的岩芯采取率应符合下列规定：①在坚硬完整的岩层中，岩芯采取率不应小于85%；②在强风化、破碎的岩层中，岩芯采取率不应小于65%；③在粘性土地层中，不应小于85%；④砂土类地层中，不应小于65%；⑤碎石土类不应小于50%；如在取芯过程中出现连续3个回次打空的情况，该钻孔终孔后，船舶移动2m，对该空白地层进行补取。

“奋斗五号”钻探船钻孔数据如表1所示。

表1 “奋斗五号”钻探船钻孔数据

4 安全风险应对措施[6-10]

根据调查区的自然地理情况及以往在该海区调查作业的经验，对钻探作业制定了安全风险的应对措施如下：

（1）过往船只。作业工区处于航道范围，过往大型商船、货轮比较多，其航向、航速比较稳定，作业中遇到时，对方一般对呼叫等沟通的回应缓慢，消极应对，难以让其转向避让，危及我船航行或作业安全。施工时，需要密切注意过往船只，防止任何船只靠近调查船。测线作业时驾驶台需要加强瞭望，遇到紧急情况，提前做好避让工作。

（2）地质钻探。本航次将开展地质钻探作业，由于奋斗五号船的后甲板空间较小，作业前开展岗位培训，在开展作业时一定严格按照规范操作，无关人员禁止进入后甲板作业区域，避免出现人员损伤事故发生。

（3）恶劣天气影响。海域易受低气压天气影响，作业时需要考虑热带风暴、台风和风暴潮的影响，紧急情况下需要采取应急措施。出航后，密切关注天气变化，提前做好避风的准备工作。

5 结语

实践证明，奋斗五号船钻探系统圆满的完成了海上风电场钻探取芯任务。

（1）本次勘察成功地采用了∅168mm套管进行海水隔离和钻孔导向，∅127mm套管进行泥浆循环及跟管钻进；用∅50mm钻杆进行钻探；以∅108mm的岩芯管及取土器进行取芯。

（2）奋斗五号船钻探系统能适应不同类型的复杂地层的取芯工作。

（3）针对海洋钻探作业风险，奋斗五号船制定的应对措施保证了奋斗五号船钻探作业的正常施工。