广东海上风电岩土勘察钻机设备研究

邓锡斌，葛广林，徐志强

（1、中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 广州 510663；2、中国能源建设集团有限公司工程研究院 北京 100022）

0 引言

海上风电是新能源发展的前沿阵地，也是广东省可再生能源中最具规模化发展潜力的领域。根据《广东省海上风电发展规划（2017-2030年）（修编）》，全省规划海上风电场址23 个，其中近海浅水区（水深小于35 m）场址8 个，目前已全部进入建设或建成并网阶段，剩余15 个近海深水场址（水深大于35 m）正在开发或计划开发当中［1-2］，可以预见未来海上风电勘察的重心将会从近海浅水区向深水区转移［1］。

相较于近海浅水区场址，近海深水区场址对海况条件、作业窗口的要求更为苛刻，因此需要在有限的作业窗口内快速、高质量地完成勘察作业，实质上对勘察设备的性能和使用范围提出了更高的要求。目前广东地区海上风电多采用钻探取样，配以孔压静力触探模式进行勘察，选择合适的钻探及孔压静力触探设备对勘察作业尤为重要，因此有必要对工程钻机和孔压静力触探设备开展研究。

1 钻探设备

目前国内海洋工程勘察项目中常用的钻探设备主要有常规钻机和专业海洋钻机。

1.1 常规钻机

海洋勘察使用的常规钻机是指进行局部改造或不改造，通过固定于勘察平台或勘探船上进行作业的大马力陆地钻机，钻机类型主要为立轴式和常规动力头式［3-4］。

1.1.1 立轴式钻机

该钻机特点是有一段较长的立轴，用其带动钻具回转、实现给进并导正。海洋勘察使用的立轴式钻机钻深能力普遍小于200 m，采用钻杆链接回转取芯，岩芯直径40～150 mm，钻孔倾角75°～90°，回转器起拔能力可达200 kN，动力机功率一般介于20.0～73.5 kW，并配备卷扬机和泥浆泵［5］。目前已形成系列化，如XY型、HZ型等。

立轴式钻机具有造价低、操作简单、维修方便、可靠性高等优点，缺点是钻机不配备波浪补偿（即升降平衡补偿）装置［6］和绳索取芯装置，因此立轴式钻机在面对较差海况时无法高效、快速地完成作业。

1.1.2 常规动力头钻机

该钻机目前是海洋勘察的主流机型，主要特点是具有液压动力头式回转机构、长行程的给进系统、液压绞车组成的提升系统等，能实现无级调速，机械化程度高，配套器具齐全［7-9］。与立轴式钻机相比，该钻机配备了波浪补偿装置，补偿行程为±1.5 m，在有效补偿深度范围内使钻头始终紧贴泥面，防止波浪抬升导致钻具脱离泥面或者波浪下降导致钻具对钻机底盘产生反力，但该钻机不具备绳索取芯能力。该钻机已形成系列化，如HD 型、GXY 型等，图1 所示为HD300型动力头钻机。

图1 HD300型动力头钻机Fig.1 HD300 Power-head Drill

常规动力头钻机的优点是钻机功率较大、钻进能力和抗风浪能力较强，钻探效率较高；缺点是不具备绳索取芯能力，取样质量不如专业海洋钻机，作业深度受搭载船或平台控制，适用范围受限。

1.2 专业海洋钻机

随着近岸深水区风电场址的不断开发，专业海洋钻机越来越多地被应用到勘察作业中。专业海洋钻机的特点有：

⑴钻机系统采用浮动式动力头结构，具备波浪补偿能力，作业质量好。

⑵ 能根据不同的要求选用绳索取芯或回转取芯。绳索取芯的优点：①取芯器与钻具独立分离，钻具随船体升沉时不会影响正常锤击取芯作业；②具有较高的保真度和取芯率，样品扰动程度低；③钻进过程中不需提钻，大大提高了作业效率。

⑶钻机设有液压拧管机，能实现拧卸钻具的机械化。

⑷钻机系统动力强、工作效率高，大大节省了单孔的作业时间。

目前国内的专业海洋钻机（见图2）大多搭载在专业勘探船上，如“南海503”船、“海洋石油707”船［10］、“海洋石油708”船［11］、“海洋地质十号”船、“勘407”船、“滨海66”等，其主要钻机参数如表1所示。

表1 代表性海洋钻机的主要参数Tab.1 Main Parameters of Representative Offshore Drilling Rigs

图2 “海洋地质十号”钻探及孔压静力触探系统Fig.2 Drilling and CPTU System of Haiyang Dizhi Shihao

与常规动力头钻机相比，专业海洋钻机具有勘探深度大、钻进效率高、抗风浪能力强、取样质量好、工作水深不受限等优点，缺点是对搭载的作业船要求高、数量少、成本高，应根据具体的项目情况合理选用。

2 孔压静力触探系统

目前国内应用于海上风电勘察的孔压静力触探系统类型主要有海床式、井下式和平台式3种［12-13］，其中海床式和井下式多搭载在勘探船上进行作业，而平台式则搭载在固定平台上进行作业。

2.1 海床式孔压静力触探

海床式孔压静力触探设备通过缆绳吊入海底，以自身的框架支撑系统稳定坐在海床上，再通过电力或者液压驱动探杆，使探头以匀速贯入被测海底土体中［13］。磐索科技研制的海床式孔压静力触探设备如图3所示。

图3 海床式孔压静力触探设备Fig.3 Equipment for Seabed CPTU

目前常用于近岸深水区的海床式孔压静力触探设备最大贯入力普遍为200 kN，个别可增加配重至250 kN，理论贯入深度可达100 m，实际贯入深度取决于地层软硬程度和反力装置［14-15］。目前海上风电常用的几款代表性海床式孔压静力触探设备主要参数如表2所示。

表2 常用的海床式孔压静力触探参数Tab.2 Commonly Used Sea-bed static sounding parameters

海床式孔压静力触探的优点：①贯入基准为海床面且基准唯一；②使用方便，可配合船只或平台进行试验，测试速度快、效率较高、操作简单；③可连续作业，触探路径和数据完整性好；④成本较低；⑤对施工船舶的吨位、吊放等要求较小；⑥不受涌浪起伏对施工船舶的影响。其缺点为：①反力有限，遇较硬底层时难以贯穿，试验深度受限；②海床面不平整时，基座和探杆容易发生倾斜，影响试验结果。

2.2 井下式孔压静力触探

井下式孔压静力触探是一种钻探和孔压静力触探相结合的系统，特点是探头从钻孔的底部贯入到土中，采用孔压静力触探+钻孔跟进的交替作业方式，可在任意深度范围内进行试验［16］，试验结果可提供半连续或连续的锥端阻力、侧摩阻力、孔隙水压力、探头倾斜度等随深度变化的剖面。

目前海上风电常用的井下式孔压静力触探设备主要搭载在专业勘探船上（见图2），与专业海洋钻机共用提升、井架等系统装置，钻具通过钻探船的波浪补偿和海底钳进行控制，以保证取样设备和孔压静力触探试验设备在作业时保持稳定不动。部分井下式孔压静力触探系统的相关参数如表3所示。

表3 部分井下式孔压静力触探设备参数Tab.3 Parameter Some Downhole CPTU Equipment

与海床式孔压静力触探系统相比，井下式孔压静力触探系统的优点：①能适应较硬地层，理论作业深度大；②依托船只作业时，作业效率高。其缺点：①作业时为分段作业，后期需对数据处理进行拼接处理；②由于钻探扫孔的扰动，分段作业开始时部分数据失真，数据连续性不如海床式；③对配套船只要求高，施工成本高；④可配套船只数量少。

2.3 平台式孔压静力触探

平台式孔压静力触探是指贯入设备安装在固定平台上，静探操作时探杆需要首先从平台甲板经过水层后才能贯入海底土体，静探操作的基准可取平台或者海床面，基准确立后即为唯一。

平台式孔压静力触探依托平台进行作业，适用水深与平台的作业水深密切相关。国内现有的勘察平台适用水深多在20 m以内，如江苏省水文地质工程地质勘察院自建的20 m平台在湛江海域某海上风电场，通过塔架和船只的配合，成功实现孔压静力触探的批量作业（见图4）。其余适用水深35 m、50 m、55 m 和58 m的勘察平台，如永强壹号、华东院2号、探海1号、凯旋海勘501、华东院306、三峡101 等，目前还未有批量作业的先例。平台式孔压静力触探的优点是：①贯入系统设备要求不高，技术门槛低；②作业平台稳定性好，静探路径和数据完整性好。其缺点为：①适用水深受平台结构控制；②平台移动过程中受天气、海况条件影响大，施工效率低；③施工成本高。

图4 某风电场20 m平台孔压静力触探设备Fig.4 Equipment for Platform CPTU

3 近海深水区钻机设备适应性分析

3.1 钻机系统适应性分析

立轴式钻机具有操作简便、成本低等优点，被广泛用于潮间带和近岸浅水区等水深较浅、海况条件相对较好的海上风电场址勘察，但近岸深水区场址水深普遍大于35 m，且海况变化快，作业窗口零碎，大于48 h的作业窗口小，立轴式钻机在设备功率、钻机速度和取样质量方面存在欠缺，无法满足使用要求。

常规动力头钻机通过配置大功率发动机和波浪补偿装置，提升了钻进与取芯效率，但缺少绳索取芯设备，取芯质量无法有效提高，且作业深度勘探船和平台限制。目前常规动力头钻机除被应用于滨海潮间带和近海浅水区场址外，也被应用于部分近海深水区场址，但随着吸力筒等新型基础不断被采用，对勘察和取样质量要求更高，常规动力头钻机难以完全满足要求。在深水区使用时，需注意需要时刻关注海况变化，尽量将作业安排在海况条件稳定且连续的窗口期。

专业海洋钻机配备大功率发动机、波浪补偿和绳索取芯装置，具有适水深度大、工作效率高、取芯质量好等优点，能在短时间内高质量完成钻探任务，满足深水区海况条件变化快、作业窗口短的工况，适合近岸深水区场址，但专业海洋钻机大多搭载专业勘察船，后者国内数量少，且使用成本较高，暂无法大规模应用。

3.2 孔压静力触探系统适应性分析

海床式孔压静力触探因难以穿越较硬土层，故其探测深度有限，普遍不大于70 m，遇密实土层时深度更小，因此海床式孔压静力触探在深水区使用时，通常用于吸力筒基础、浮式基础等基础埋深较浅的场址勘察，当使用桩基础时，应根据土层情况、设计桩长等综合判定勘探深度是否能满足桩基础的设计要求。

井下式孔压静力触探能适应各种土层，作业深度大，能满足风电场各种基础型式的要求，且作业效率高、工期短，能满足深水区多变的海况和较短的作业窗口。但对配套船只的要求高，建议使用前应落实船只档期，合理安排作业计划。

平台式孔压静力触探受限于平台的作业深度，目前多在20 m 水深范围内的潮间带和近岸浅水区有应用，对于深水区无应用先例。考虑到目前国内平台的最大适水深度仅为58 m（三峡101），且平台虽有自动力，但定位和移动受海况影响大，不能满足深水区场址的水深条件和复杂多变的海况条件，因此不建议在深水区采用平台式孔压静力触探进行作业。

3.3 对比分析

根据目前国内风电场勘察中使用的钻机和孔压静力触探设备的情况，从海况适应能力、作业深度、作业效率和经济性等方面进行粗略比较，如表4、表5所示。

表4 常规钻机与专业海洋钻机对比分析Tab.4 Comparative Analysis of Conventional Drilling Rig and Professional Offshore Drilling Rig

从表4 和表5 可以看出，专业海洋钻机和井下式孔压静力触探更能适应广东近海深水区风电场的勘察作业，但由于其需要搭载专业勘探船，勘察成本高，因此有必要新造或改造适用于海上风电勘察的小型或中型专业勘探船。同时若中小型专业勘探船得到大规模应用，勘察成本下降，可提高勘察质量的同时推动国内与国外海洋勘察技术接轨前行。

表5 海床式、井下式和平台式孔压静力触探对比分析Tab.5 Comparative Analysis of Seabed，Dowmhole and Platform CPTU

4 结语

⑴立轴式钻机在被应用于滨海潮间带和近海浅水区作业，但其效率和质量难以满足深水区作业要求；常规动力头钻机不具备绳索取芯能力，作业深度受搭载船或平台控制，适用范围受限，在深水区作业需要进行必要的改造，并选择合适的作业窗口；专业海洋钻机勘探深度大、钻进效率高、抗风浪能力好、取样质量好、工作水深不受限，能满足近岸深水区的勘察要求，但成本高，应根据具体的项目情况合理选用。

⑵平台式孔压静力触探设备适水深度和作业深度较浅，不适用于近岸深水区勘察作业；海床式孔压静力触探设备试验深度受限，基座和探杆容易发生倾斜，适用于吸力筒基础、浮式基础等基础埋深较浅的场址勘察；井下式孔压静力触探能适应较硬地层，作业深度大，效率高，适用于各种基础型式的海上风电场址勘察。

随着海上风电向近海深水区的开发和国内海洋勘察技术的发展，采取专业海洋钻机和井下式孔压静力触探设备，能有效保证项目实施质量，并有利于海洋勘察工作效率的提高。相应的，其与合适的专业海洋勘察船的搭配研究，也将进一步推动国内海上风电勘察技术的进步。