淺談國(guó)內(nèi)海床CPT 裝備的短板與發(fā)展展望

梁春江LIANG Chun-jiang

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300457）

0 引言

中國(guó)電力發(fā)電量逐年增加，2020 年中國(guó)電力發(fā)電量為77790.6 億千瓦小時(shí)，同比增長(zhǎng)3.7%，其中絕大部分依靠煤炭火力發(fā)電。盡快大力推進(jìn)海上風(fēng)電項(xiàng)目，有利于提升綠色能源在我國(guó)的占比，緩解煤炭這種不可再生資源日益枯竭資源現(xiàn)狀。

海上風(fēng)電項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)一直縈繞在海床CPT 設(shè)備上，該設(shè)備主要用于風(fēng)電樁基的海床一下的地質(zhì)勘察，只有采集到準(zhǔn)確的CPT 數(shù)據(jù)，才能為后繼的樁基計(jì)算提供可靠的數(shù)據(jù)。

1 裝備現(xiàn)狀

我國(guó)目前主要應(yīng)用荷蘭 A.P. van den Berg Ingenieursburo bv 公司的鉆孔CPT、海床CPT。進(jìn)口設(shè)備的數(shù)據(jù)采集成果滿足相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，設(shè)備本身運(yùn)行穩(wěn)定。建在海床上的建筑物越來(lái)越多，水深也不斷增加。所以海底土體勘察設(shè)備也要求應(yīng)對(duì)深水作業(yè)的環(huán)境。荷蘭范登堡公司有著幾十年研發(fā)設(shè)計(jì)、和生產(chǎn)海洋CPT 設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)。Roson 系列海床CPT 是得益于這一經(jīng)驗(yàn)所研發(fā)的深海床CPT 設(shè)備。這套鉆孔CPT 設(shè)備能夠在水深10-3000m（加上鉆井深度）進(jìn)行工作。

目前已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)和國(guó)際海洋工程勘察行業(yè)的普遍認(rèn)可的優(yōu)質(zhì)裝備，國(guó)產(chǎn)眾多廠家技術(shù)水平雖有所進(jìn)步，但是在裝備的測(cè)量精度、穩(wěn)定性、國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)其認(rèn)可度等仍有很多的不足。

2 技術(shù)短板與發(fā)展展望

2.1 貫入能力

目前國(guó)內(nèi)的海床CPT 設(shè)備的測(cè)試深度不大于10m時(shí)，不小于50kN；測(cè)試深度大于10m 時(shí)，不大于100kN。海床下的地質(zhì)構(gòu)造錯(cuò)綜復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)礫石、基巖等抗錐尖阻力遠(yuǎn)超過(guò)100kN 的地層，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)遇到這種情況將無(wú)法獲取該地層的CPT 數(shù)據(jù)，行業(yè)慣用的現(xiàn)場(chǎng)處理方法只能使用其他鉆探設(shè)備鉆穿硬質(zhì)地層，然后再次施放海床CPT設(shè)備繼續(xù)采集硬質(zhì)地層以下的地層數(shù)據(jù)，或者是放棄該井位的cpt 數(shù)據(jù)的采集。

因原位測(cè)試數(shù)據(jù)的后繼的樁基計(jì)算的地層數(shù)據(jù)連續(xù)性的需求，海床CPT 設(shè)備的貫入力應(yīng)進(jìn)一步提高到能夠穿透礫石、基巖，這就需要更大的液壓能量為CPT 探頭的錐尖提供不低于900kN 的向下壓力，同時(shí)也要求CPT 探頭的錐尖的材質(zhì)和抗阻力量程要有相應(yīng)的提高。

2.2 貫入方式

目前國(guó)內(nèi)的海床CPT 設(shè)備只采用沿著垂直于海平面向下的方向，借助液壓或電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力貫入，系上世紀(jì)80年代歐美的早期技術(shù)。這種貫入方式嚴(yán)重依賴于貫入探桿，在作業(yè)中要求把一根根1m 長(zhǎng)的探桿借助自鎖緊螺紋扣相互禁錮連接，組合成一個(gè)一個(gè)長(zhǎng)8-40m 的連續(xù)的貫入探桿，并且嚴(yán)格要求探桿在入水前固定禁錮連接，如圖1 所示。

圖1 海床CPT 的貫入結(jié)構(gòu)

如此的龐然大物在海洋工程勘探船上進(jìn)行收放要求有配套的收放裝置，一般采用使用探桿塔架的方式，如圖2所示。

圖2 探桿塔架

探桿塔架一方面作為CPT 探桿支撐結(jié)構(gòu)的起重載體，同時(shí)也作為拆裝CPT 探桿支撐結(jié)構(gòu)本身、拆裝CPT 探桿的操作平臺(tái)，因其體積、重量大巨大，對(duì)搭載船舶的重心影響很大，導(dǎo)致海床CPT 作業(yè)容易受海面天氣的影響，一般只能在5 級(jí)海況以內(nèi)安全作業(yè)。

這種傳統(tǒng)的貫入方式要求作業(yè)期間必須保證CPT 探頭的數(shù)據(jù)電纜穿入在探桿內(nèi)部，探桿既作為貫入摩擦力的載體，同時(shí)也作為CPT 探頭數(shù)據(jù)電纜的護(hù)管。設(shè)備的操作規(guī)程較為復(fù)雜，需要大量的人力支持，整體作業(yè)效率不高，并且作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較高。

另外因該貫入方式的水下硬件結(jié)構(gòu)的探桿部分中心較高，必然要求底部的配種裙板要有足夠的重量才能降低水下設(shè)備結(jié)構(gòu)的整體重心，這也就導(dǎo)致了水下設(shè)備總體質(zhì)量較大，容易在坡度較大（傾斜角度超過(guò)4 度）的海床面上發(fā)生側(cè)滑，這也是海床CPT 的探桿頻發(fā)彎曲折斷的原因。

鑒于傳統(tǒng)的CPT 貫入方式會(huì)帶來(lái)諸多不變和安全風(fēng)險(xiǎn)，目前國(guó)外的海床CPT 設(shè)備設(shè)備廠家一直在積極研究創(chuàng)新，積極探索一種設(shè)備本身簡(jiǎn)單輕便、作業(yè)時(shí)又不嚴(yán)重影響船舶重心，同時(shí)能夠高效安全地進(jìn)行作業(yè)的貫入方式，目前國(guó)外已經(jīng)基本上淘汰了通過(guò)適用CPT 探桿塔架的支撐結(jié)構(gòu)，而是改用了水下絞車裝載CPT 探桿的貫入方式將CPT 探桿緊密地固定裝在在水下CPT 絞車上，從而不再需要?jiǎng)虞m數(shù)十米高的CPT 探桿支撐架，大大降低了CPT 探桿支撐結(jié)構(gòu)的重心，收放CPT 探桿不再使用人工調(diào)整螺紋扣，也沒(méi)有了必須在CPT 探桿下水前固定禁錮到位的要求，CPT 探桿的所有收放作業(yè)完全由絞車替代，如圖3 所示，絞車可以按照預(yù)定的程序或者水面的實(shí)時(shí)控制指令快速地進(jìn)行CPT 探桿的收放，所有機(jī)械動(dòng)作由絞車的機(jī)械手完成，每個(gè)動(dòng)作精準(zhǔn)、高效。

圖3 水下絞車

國(guó)外水下CPT 絞車的應(yīng)用使得在進(jìn)行海床CPT 作業(yè)時(shí)對(duì)海床的坡度要求大大降低，在同等的坡度角的海床上，發(fā)生側(cè)滑的概率大幅降低，從根本上保障了水下設(shè)備的安全。同時(shí)也不再需要笨重的CPT 探桿塔架，提高了搭載船舶本身的安全，對(duì)海面天氣的要求也沒(méi)有傳統(tǒng)的貫入方式苛刻。

目前國(guó)內(nèi)海床CPT 設(shè)備的貫入方式與國(guó)外相比相差大相徑庭，這一短板主要源自國(guó)內(nèi)CPT 設(shè)備廠家一味習(xí)慣于模仿國(guó)外的技術(shù)，但并未抓到真正的精髓，缺乏自主只是產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新。這一短板嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)海床CPT 的裝備技術(shù)水平，應(yīng)成為主要追趕的短板，加大在貫入方式的創(chuàng)新和研發(fā)投入，征集機(jī)電行業(yè)的優(yōu)質(zhì)的技術(shù)人才力量重點(diǎn)公關(guān)，有望在5-10 年內(nèi)趕超國(guó)際一流水平。

2.3 CPT 探頭

2.3.1 抗屈服強(qiáng)度

國(guó)內(nèi)的CPT 探頭中的國(guó)產(chǎn)的CPT 探頭相比，其外形、功能、數(shù)據(jù)采集能力與進(jìn)口的CPT 探頭幾乎一致，如圖4所示。但是錐尖的抗屈服強(qiáng)度差異較大，目前業(yè)內(nèi)普遍使用10 平方毫米的CPT 探頭，進(jìn)口CPT 探頭可以承受不低于100kN 的貫入力，國(guó)產(chǎn)的CPT 探頭則需要使用15 平方毫米的探頭才能承受如此大的壓力。主要是因?yàn)镃PT 探頭的錐尖的材質(zhì)技術(shù)的差距，這一短板在海床CPT、陸地鉆孔CPT 等機(jī)電類產(chǎn)品中普遍存在。

圖4 CPT 探頭

2.3.2 供電、通訊方式

國(guó)內(nèi)的CPT 探頭基本都需要配備外接供電、通訊用的接頭，接頭本身有著嚴(yán)格的水密要求，其制作工藝相當(dāng)復(fù)雜，一旦密封老化失效，海水將直接接觸供電電路，容易引起電氣故障。且在設(shè)備作業(yè)中因每個(gè)回次都需要將CPT探頭投入真空泵內(nèi)反復(fù)抽真空，這就導(dǎo)致必然會(huì)反復(fù)插拔接頭，容易出現(xiàn)接頭的磨損、損壞。同時(shí)還有與CPT 探頭的接頭對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)電纜上的接頭也存在著同樣的問(wèn)題，一旦接頭故障，將導(dǎo)致探頭、探頭數(shù)據(jù)電纜無(wú)法使用，相關(guān)的維護(hù)成本較高。

國(guó)外最新的CPT 探頭的已設(shè)計(jì)成內(nèi)置鋰電池，不再需要外部電源供電。數(shù)據(jù)通訊已大量采用藍(lán)牙、WIFI 等無(wú)線通訊技術(shù)，無(wú)需數(shù)據(jù)通訊接頭、數(shù)據(jù)電纜，從有纜到無(wú)纜，將CPT 探頭和數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)接口硬件簡(jiǎn)化，這使得操作更加便捷高效，避免了繁瑣的反復(fù)插拔接頭的工作，無(wú)形中大幅提了作業(yè)效率，同時(shí)也徹底甩掉因接頭、數(shù)據(jù)電纜的固定消耗所帶來(lái)的成本。

無(wú)線CPT 探頭非常巧妙地集成了成熟的鋰電池技術(shù)和無(wú)線通訊技術(shù)，這更多的不是源自技術(shù)，而更應(yīng)該感謝其巧妙的技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，是非常值得學(xué)習(xí)和借鑒的設(shè)計(jì)思維。

2.4 收方方式

海床CPT 設(shè)備的水下部分的體積重量都比較大，必然要求配備相應(yīng)的具有足夠載荷能力的起重設(shè)備用于收放。

國(guó)內(nèi)的海床CPT 的水下貫入單元與水面上的控制單元都采用有纜方式，如圖5 所示，吊車用于收放起重水下貫入單元的鋼絲繩，臍帶電纜絞車用于收放通訊臍帶電纜。

圖5 收放設(shè)備

此種收放方式要求起重鋼絲繩與通訊臍帶電纜必須同步收放，否則容易出現(xiàn)臍帶電纜拉斷或者纏繞起重鋼絲繩的問(wèn)題，水下單元的起重設(shè)備與臍帶電纜絞車的的同步要求很高。

國(guó)外目前最先進(jìn)的海床CPT 因其采用無(wú)纜的CPT 探頭進(jìn)行貫入，無(wú)需臍帶電纜提供電力或通訊支持，所以整套設(shè)備結(jié)構(gòu)組成中減少了臍帶電纜和配套的絞車，水下單元的收放只需要鋼絲繩起重絞車單獨(dú)運(yùn)行即可正常完成，在簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)的同時(shí)，大幅降低了設(shè)備投資成本，也降低了設(shè)備的操作難度和風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 最大工作水深

目前國(guó)內(nèi)的海床CPT 設(shè)備的最大工作水深：3000m。

我國(guó)領(lǐng)海的最大水深超過(guò)3000，目前的技術(shù)短板嚴(yán)重限制了海床CPT 設(shè)備的工作區(qū)域，成為我國(guó)的深水開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的技術(shù)瓶頸。

國(guó)外的海床CPT 設(shè)備的最大工作水深早已突破6000m，但是對(duì)中國(guó)實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖和出口限制。

密封工藝：進(jìn)口海床CPT 設(shè)備的廠家，如：A.P. van den Berg Ingenieursbur、Geomil Equipment 等 公 司 的 海 床CPT 的深水耐壓艙都是用僅有1 道密封圈的密封工藝，而國(guó)內(nèi)的水下密封艙目前主要使用多道密封圈的密封工藝。

材質(zhì)：進(jìn)口海床CPT 設(shè)備深水耐壓艙主要使用高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)，抗屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)的同等體積和壁厚的耐壓艙，而且質(zhì)量小很多。

要采集到超過(guò)3000m 水深的海床CPT 數(shù)據(jù)，就要求有相應(yīng)的能夠承受不低于30MPa 海水壓力的水下密封艙，特別是對(duì)水下液壓系統(tǒng)的密封件、壓力補(bǔ)償系統(tǒng)的抗水壓能力要求都要有相應(yīng)的提高。

2.6 設(shè)備搭載能力

目前國(guó)內(nèi)的海床CPT 設(shè)備主要搭載標(biāo)配的CPT 探頭、十字剪切裝置，除此之外還有水下攝像設(shè)備、水深傳感器等附帶的搭載設(shè)備，這些附帶的搭載設(shè)備豐富了海床CPT 設(shè)備的數(shù)據(jù)采集能力，但海床下的地質(zhì)數(shù)據(jù)關(guān)系甚微，且數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量相較于專業(yè)的ROV 搭載的水下設(shè)備，因海床CPT 的水下單元與海床相對(duì)固定，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)范圍非常有限，存在采集的數(shù)據(jù)范圍、質(zhì)量不高。

鑒于海床CPT 設(shè)備本身主要用于勘察海底地質(zhì)，其設(shè)備原理主要是通過(guò)對(duì)機(jī)械能、液壓能、電能等的能量轉(zhuǎn)化來(lái)最終采集海床下地質(zhì)地層數(shù)據(jù)。目前國(guó)內(nèi)的海床CPT設(shè)備存在著熱衷于其他小型的傳感器的傾向，偏離了地質(zhì)設(shè)備的主要功能和業(yè)務(wù)，其設(shè)備搭載應(yīng)用應(yīng)主要圍繞采集海床下地質(zhì)地層數(shù)據(jù)進(jìn)行深入開(kāi)發(fā)。

針對(duì)對(duì)海床下地質(zhì)地層數(shù)據(jù)的主要勘察手段為使用聲學(xué)設(shè)備，如淺地層剖面儀等，因該類設(shè)備的聲學(xué)頻率、波長(zhǎng)等參數(shù)經(jīng)過(guò)針對(duì)性的調(diào)校，普遍可以采集到優(yōu)質(zhì)的地質(zhì)地層數(shù)據(jù)，目前主要搭載在AUV、ROV 上，根調(diào)研，國(guó)外的CPT 設(shè)備廠家正在研發(fā)能夠搭載該類聲學(xué)設(shè)備的新產(chǎn)品，一旦技術(shù)有所突破，將能夠彌補(bǔ)海床CPT 設(shè)備對(duì)地層勘察的原理方法單一短板，同時(shí)能夠大幅提升海床CPT 設(shè)備的地質(zhì)地層數(shù)據(jù)采集能力。

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)海床CPT 設(shè)備在風(fēng)電市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的腳步不斷提速的大背景下，對(duì)該類設(shè)備技術(shù)功能進(jìn)一步的提高的呼聲日益高漲，通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新，在不久的將來(lái)下一代的新型海床CPT 設(shè)備將能夠突破技術(shù)封鎖，能夠完全滿足海洋工程勘察的全面需求。