海洋風(fēng)電鉆探與取土問題初析

張　琳，王振紅，徐　建，葛建剛，韓柯柯，蔣媚娟

(浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310030)

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海洋風(fēng)電鉆探與取土問題初析

張琳，王振紅，徐建，葛建剛，韓柯柯，蔣媚娟

(浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310030)

摘要：通過對(duì)目前海洋風(fēng)電勘察中鉆探和取土技術(shù)的總結(jié)分析，介紹了海洋風(fēng)電勘察鉆探與取土過程中主要存在的問題，這些問題包括原狀取樣技術(shù)、鉆探平臺(tái)穩(wěn)定性、深水鉆探以及鉆探效率等。最后探討了海洋鉆探與取土所需改進(jìn)的方向。

關(guān)鍵詞：海上鉆探；取土；鉆探平臺(tái)

1概述

隨著煤、石油等傳統(tǒng)不可再生資源的消耗和逐漸減少，可再生資源在國民經(jīng)濟(jì)生活中的比重逐漸增大。海洋是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要基地，進(jìn)行海洋工程建設(shè)和海洋開發(fā)具有深遠(yuǎn)的意義。我國擁有漫長(zhǎng)的海岸線，海域資源豐富，可開發(fā)利用前景廣闊。

風(fēng)力發(fā)電是在水電、火電、核電之后崛起的新能源之一，是國家十二五規(guī)劃重點(diǎn)扶持和大力發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)之一。目前我國陸地風(fēng)能資源量為20多億千瓦，海上風(fēng)能資源量為5億多千瓦?！笆濉逼陂g，我國可再生能源，特別是以風(fēng)電、太陽能為代表的新能源開發(fā)取得了相當(dāng)大的成績(jī)。目前，我國在風(fēng)電裝機(jī)、風(fēng)電設(shè)備制造方面，都位居全球第一位。我國陸地資源有限，陸上風(fēng)電受到很多限制，而海洋地域開闊，資源豐富，海洋風(fēng)電建設(shè)已成為我國能源發(fā)展的重要手段之一。

風(fēng)電勘察作為風(fēng)電開發(fā)建設(shè)中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對(duì)風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)營和風(fēng)機(jī)的后期穩(wěn)定具有決定性的作用。在海洋風(fēng)電勘察中，鉆探和取土問題是風(fēng)電勘察中最重要的兩個(gè)問題，它對(duì)于確定風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)問題至關(guān)重要。

2海洋風(fēng)電勘察中鉆探與取土現(xiàn)狀

在已完成的眾多海洋工程勘察中，除借鑒陸上鉆探和取樣技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)、方法外，還積累了大量的海上鉆探經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)為我們下一步開展更大范圍的海洋勘探開發(fā)打下了較好的基礎(chǔ)[1-3]。

目前海洋風(fēng)電勘察鉆探中，鉆機(jī)主要采用XY-2型鉆機(jī)，其長(zhǎng)×寬×高為2 150 mm×900 mm×1 690 mm，屬中淺孔系列，機(jī)械傳動(dòng)、液壓給進(jìn)的立軸式巖心鉆機(jī)。該鉆機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：鉆機(jī)重量輕(不含動(dòng)力機(jī)，重9 500 N)，可拆性好，機(jī)體可拆成八大零件，最大部件重量1 400 N；鉆進(jìn)效率高；功率消耗低；鉆機(jī)可進(jìn)行高速鉆進(jìn)。表1為XY-2型鉆機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù)。海洋勘察孔深一般在100 m以內(nèi)，鉆機(jī)最大鉆探深度一般遠(yuǎn)大于100 m，原因主要是由于套管下入土中較深，達(dá)5～10 m，可鉆深度大，鉆機(jī)牽引力大，可使套管較容易地從土中提出。

表1　巖心鉆進(jìn)深度表

一般將XY-2鉆機(jī)固定在移動(dòng)式平臺(tái)的中部或一側(cè)。移動(dòng)式平臺(tái)用兔子錨固定在海面，船頭朝向潮流漲落潮方向，以防止船體橫向受到潮流作用力。

風(fēng)電勘察取土工具主要采用鉆具進(jìn)行，鉆具壁厚3 mm，內(nèi)徑108 mm，長(zhǎng)3 m。其取樣效率高，但對(duì)土樣擾動(dòng)極大。考慮到海洋勘探的要求，采用目前常用的取土器進(jìn)行原狀取樣在生產(chǎn)中是不可行的。因此，下一步需考慮如何在不降低鉆探效率的前提下，采取原狀樣。

鉆探船一般有單體船和雙體船兩種。單體船船體大，動(dòng)力大，并配備起重設(shè)備，其抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，錨力大，鉆機(jī)位于船體的一側(cè)，能適應(yīng)復(fù)雜海況條件下的鉆探作業(yè)環(huán)境；雙體船是由兩條船拼裝而成，中間用工字鋼焊接，鉆機(jī)位于兩船中間靠前部位，穩(wěn)定性好，但抗風(fēng)浪能力稍差。

固定船體采用兔子錨(圖1)，因錨較重，拋錨需借助交通船進(jìn)行，一個(gè)鉆探平臺(tái)一般需拋4個(gè)錨，錨與船體軸線成40°角左右(抑或采用交叉錨，錨與船體軸線成30°左右)，錨上需栓浮標(biāo)，以備起錨之用，錨繩長(zhǎng)約100 m左右。鉆探過程中，由于潮汐、風(fēng)浪等的影響，錨繩松緊會(huì)有變化，應(yīng)及時(shí)調(diào)整絞錨機(jī)，確保鉆機(jī)立軸始終對(duì)正套管中心。

圖1　兔子錨示意圖

護(hù)壁泥漿采用植物膠與海水?dāng)嚢瓒?，但海水?dāng)嚢璧哪酀{與淡水相比稍差。因海水中NaCl含量高，擠壓雙電層現(xiàn)象嚴(yán)重，電動(dòng)電位進(jìn)一步降低，水化膜變得極薄，黏土顆粒發(fā)生聚結(jié)下沉，因此用海水?dāng)嚢璧哪酀{一般黏度和切力較低，失水量大，泥漿穩(wěn)定性不好[4]。

3海洋風(fēng)電勘察鉆探與取土存在的問題

海洋風(fēng)電勘察鉆探和取土技術(shù)在借鑒陸上鉆探與取土技術(shù)的基礎(chǔ)上，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并完成了大量的風(fēng)電場(chǎng)區(qū)的勘察。但是海洋有自己獨(dú)特的環(huán)境，與陸地甚至河流、湖泊等都存在著不同，作業(yè)受風(fēng)浪、潮流、潮汐等影響大，可作業(yè)時(shí)間短[5-6]，因此要求作業(yè)效率高，盡快抓緊有限的時(shí)間完成現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。根據(jù)對(duì)已有海洋風(fēng)電勘察鉆探和取土技術(shù)的分析，以下4個(gè)問題是目前鉆探和取土中常見的主要問題。

3.1海洋鉆探平臺(tái)的穩(wěn)定性問題

鉆探平臺(tái)可分為固定式(圖2)和移動(dòng)式(圖3)，固定式主要有樁基式平臺(tái)、重力式平臺(tái)；移動(dòng)式主要有自升式平臺(tái)、沉浮式平臺(tái)、浮式鉆井船、半潛式平臺(tái)。固定式平臺(tái)穩(wěn)定性好，受風(fēng)浪、潮流、潮汐等影響較小，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，但安裝過程繁雜，在海洋工程勘察中應(yīng)用較少，多為石油鉆井平臺(tái)；移動(dòng)式平臺(tái)裝拆方便，可隨時(shí)移動(dòng)，在海洋工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛，但受風(fēng)浪、潮流、潮汐等影響大，穩(wěn)定性差。

在目前的海洋風(fēng)電勘察中，鉆探平臺(tái)主要采用移動(dòng)式平臺(tái)，即利用漁船、工程船等拼裝而成(圖3)，平臺(tái)穩(wěn)定性受風(fēng)浪、潮流、潮汐影響大，月作業(yè)時(shí)間短，須進(jìn)一步探索適合海洋條件下高效、安全的鉆探作業(yè)平臺(tái)。

圖2　固定式平臺(tái)

圖3　移動(dòng)式平臺(tái)

3.2孔壁的穩(wěn)定性問題

護(hù)壁工藝關(guān)系到孔壁的穩(wěn)定性及鉆進(jìn)效率。海洋鉆探中，由于經(jīng)常受到波浪、潮流以及地層壓力的釋放，造成鉆桿與孔壁之間產(chǎn)生橫向作用力，從而在地層，特別是在砂土層中，孔壁坍塌時(shí)有發(fā)生，從而導(dǎo)致在起下鉆過程困難，影響鉆探效率。因此，解決如何避免孔壁的坍塌，對(duì)于鉆探效率和取土效果具有重要的促進(jìn)作用。

3.3原狀取樣

海洋鉆探由于受潮流、風(fēng)浪、氣候、潮汛等影響大，必須在短時(shí)間內(nèi)盡可能多的完成工作量，提高工作效率，節(jié)約成本?？紤]到以上因素，對(duì)淤泥質(zhì)土、黏性土、砂土等均為鉆具取樣，其擾動(dòng)較大，樣品失真較大，不能很好地滿足實(shí)驗(yàn)室要求，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往存在較大誤差。

3.4表層取樣

表層取樣一直是海洋鉆探中存在的一個(gè)盲區(qū)。表層土由于下套管的作用，使表層5～10 m的土樣獲得較少，對(duì)表層土樣的研究較少，不能對(duì)地基從上到下有全面的了解。對(duì)于如何取得不受擾動(dòng)的表層樣，將對(duì)今后的風(fēng)電勘察、路由調(diào)查等都具有重要的意義。

4海洋風(fēng)電勘察中鉆探與取土改進(jìn)方向

隨著海洋工程建設(shè)和海洋開發(fā)的進(jìn)一步發(fā)展，目前在風(fēng)電勘察中廣泛采用的海洋鉆探和取土技術(shù)滿足不了未來工程建設(shè)的需要。根據(jù)分析，認(rèn)為近期海洋鉆探和取土技術(shù)應(yīng)按以下4個(gè)方面改進(jìn)。

4.1原狀取土技術(shù)的開發(fā)

目前使用的各種原狀取土器，在海洋環(huán)境下存在各種不足，不能滿足海洋的復(fù)雜環(huán)境。對(duì)于未來如何既保證海洋鉆探效率又滿足原狀樣取樣要求，有待于海洋工程工作者的進(jìn)一步研究。

4.2穩(wěn)定鉆探平臺(tái)的采用

在已完成和正在進(jìn)行的風(fēng)電勘察中，鉆探平臺(tái)為漁船拼裝的雙體船和較大的單體船，其在大潮汛等海況復(fù)雜的條件下工作穩(wěn)定性較差，使孔壁傾斜、起下鉆具困難。下一步應(yīng)研究在不大幅增加經(jīng)濟(jì)成本的前提下，如何提高鉆探平臺(tái)的穩(wěn)定性問題。

4.3深水鉆探技術(shù)的發(fā)展

目前的海洋風(fēng)電鉆探中，適應(yīng)水深一般在20 m以內(nèi)，大于20 m水深的海域，鉆探存在一定的困難。隨著海洋工程建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，大于50 m水深的海域也將成為海洋工程建設(shè)的重點(diǎn)。如何通過改進(jìn)目前的鉆探技術(shù)來滿足未來海洋鉆探的需要，這也需要深入研究。

4.4鉆探效率的提高

目前海洋風(fēng)電勘察中，鉆探效率受風(fēng)浪、潮流、潮汐等影響較大，鉆探效率較低，一方面大大提高了成本，另一方面延誤工期。下階段應(yīng)開展海洋鉆探效率的研究，以提高工作效率。

從長(zhǎng)期發(fā)展來看，海洋鉆探和取土技術(shù)，必將朝著智能化、數(shù)字化、可視化發(fā)展，這樣才能為人類開發(fā)海洋提供全方位的技術(shù)支撐。

5結(jié)語

海洋風(fēng)電勘察技術(shù)目前已日趨成熟，在完成大量的海洋風(fēng)電勘察中積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。但是還存在諸如鉆探效率低、土樣擾動(dòng)大、孔壁穩(wěn)定等問題，這些問題有待于實(shí)踐中的進(jìn)一步完善和研究，以便為未來走向深水鉆探及進(jìn)入其他海洋領(lǐng)域打下了基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉俊雄,陳振銀.八尺門特大橋詳勘海上鉆探輔助措施[J].探礦工程,2000(增刊1):54-56.

[2]李進(jìn)令,孟慶寶,李新勇.海上工程勘察深孔施工技術(shù)[J].西部探礦工程,2003(7):125-129.

[3]竇玉玲,管志川,徐云龍.海上鉆井發(fā)展綜述與展望[J].海洋石油,2006(6):64-67.

[4]周慶禮,譚海軍.海域工程地質(zhì)鉆探中泥漿循環(huán)工藝的應(yīng)用[J].港工技術(shù),2011,48(4):57-59.

[5]陳仁蘭.近海海上鉆探施工方法的探討[J].西部探礦工程,2008(9):134-136.

[6]劉權(quán)富.淺海勘探的鉆探工藝[J].探礦工程,2002(2):41-42.

收稿日期：2015-12-31

作者簡(jiǎn)介：張琳(1984—)，男，江蘇高郵人，助理工程師，從事巖土工程勘察工作。

中圖分類號(hào)：TU447

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1008-3707(2016)05-0035-03

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