廣東海上風電巖土勘察船只平臺技術研究

汪華安，王占華，鄭文成，周川，鄧錫斌

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東廣州 510663）

0 引言

“雙碳”背景下國家能源結構將加速演變，風電及光伏等清潔能源將是發(fā)展最快的電源類型，海上風電將進入快速穩(wěn)定開發(fā)期。

自2010 年起我國海上風電進行了大規(guī)模開發(fā)。江蘇、廣東、福建等地多個海上風電投產(chǎn)，現(xiàn)海上風電并網(wǎng)裝機容量已經(jīng)排名全球前三，僅次于英國和德國。隨著江蘇、廣東等地近岸海上風電開發(fā)完成，海上風電逐步向近海深水區(qū)開發(fā)并將大規(guī)模發(fā)展。

近海深水區(qū)海上風電涉及的海域距岸大于50 km，水深為40～80 m。和近岸海域相比，適配于深水區(qū)的風機基礎型式將更加多樣化，海洋巖土勘察技術要求也將提高，海洋巖土勘察船只平臺和設備要求趨于專業(yè)化，海洋勘察工藝和設備的改進升級已是必然。

1 廣東近海海洋特征

廣東海域隸屬南海，多屬于亞熱帶季風帶，風向有明顯的季節(jié)性變化，冬季盛行東北風，夏季盛行西南風。廣東海域近岸潮流均以帶有部分旋轉性質(zhì)的往復流為主，主軸基本平行于海岸線，海浪主要是由季風和熱帶氣旋引起，其分布和變化又主要受季風支配。東北季風期盛行東北向的浪和涌（50%以上），西南季風期則盛行西南向的浪和涌（50%以上）。東北季風期平均波高大于西南季風期。各海洋站觀測平均波高為0.6～1.3 m，最大波高為3.9～9.8 m，平均周期為3.5～5.8 s，最大周期為6.5～14.3 s。大部分風暴潮是由熱帶氣旋引起，主要集中于每年6月至10 月?；洊|海區(qū)風暴潮位為1.6～2.58 m，最大增水3.14 m；珠江口風暴潮位為2.00～3.63 m，最大增水2.50 m；粵西海區(qū)風暴潮位2.00～5.94 m，最大增水5.90 m［1］。

廣東海域海洋勘察窗口期主要集中于每年3 月至10 月，其中6 月至10 月受熱帶氣旋（臺風）影響，窗口期較3 月至5 月少。進入冬季后，受東北季風影響，窗口期大大減少。根據(jù)廣東省多個海上風電項目經(jīng)驗，ECMWF 推出的ERA5 再分析資料數(shù)據(jù)對廣東海域風浪要素具備較好的代表性，利用其評估海上勘察窗口期具有較好的適用性。以粵東某海上風電項目為例，利用ERA5 的中尺度數(shù)據(jù)進行分析。根據(jù)ERA5 再分析資料近20 年的有效波高、風速數(shù)據(jù)，篩選有效波高≤1.5 m，平均風速≤6級，周期≤8 s 的時刻，對冬季作業(yè)時間段（11 月至2 月）的窗口期進行逐月分析統(tǒng)計，如表1 和表2所示。

表1 窗口期（多年平均）統(tǒng)計分析Tab.1 Statistical analysis of operating window period（multi-year average）

表2 窗口期極值年份統(tǒng)計分析Tab.2 Statistical analysis on extremum years of operating window period

從表1 和表2 可知，冬季廣東海域平均連續(xù)72 h 作業(yè)期少，平均0.5 個/月，歷史極年情況下，最少持續(xù)多月未出現(xiàn)連續(xù)72 h作業(yè)窗口期，最多作業(yè)窗口期平均為2.25 個/月；冬季平均連續(xù)48 h 作業(yè)期相對較少，平均2個/月，歷史極年情況下，多月僅出現(xiàn)1 次48 h 作業(yè)期，最多作業(yè)窗口期平均為4 個/月；冬季平均連續(xù)24 h 作業(yè)窗口期相對較多，平均4.25 個/月，歷史極年情況下，每月出現(xiàn)1 次24 h作業(yè)窗口期，最多作業(yè)窗口期平均為6個/月。

由上述分析，冬季廣東海域連續(xù)72 h 作業(yè)窗口期少且不穩(wěn)定出現(xiàn)，48 h 作業(yè)窗口期相對較少，常規(guī)狀況為2個/月，24 h作業(yè)窗口期相對較多。

2 國內(nèi)海上風電巖土勘察現(xiàn)狀

根據(jù)調(diào)查研究，國內(nèi)海上風電巖土勘察在潮汐帶多采用海陸兩棲勘察設備和笩式平臺搭配傳統(tǒng)立軸鉆機［2-3］；在沿海及近海淺水區(qū)多采用液壓自升降鉆井平臺或海洋工程（貨）船搭配傳統(tǒng)立軸鉆機和孔壓靜力觸探（Piezocone penetration Test，CPTU）；近海深水區(qū)除采用專業(yè)海洋勘察船只設備外，多采用改造海洋工程（貨）船搭接海洋鉆機。各類海洋勘察船只或平臺和海洋勘察設備的特點如下：

1）海陸兩棲勘察設備或笩式平臺和傳統(tǒng)立軸鉆機：適用潮間帶和0.8 m 內(nèi)涌浪，受潮汐影響，作業(yè)效率較低。

2）液壓自升降鉆井平臺搭接陸地鉆機和CPTU設備：適用水深多為20 m 以內(nèi)，部分平臺設計適用水深為35 m 和40 m，如華東2 號、華東3 號平臺和永強11號平臺，個別適用水深55 m，如?？?號平臺、華東306 平臺和三峽101 平臺；鉆探平臺多為無動力平臺，個別帶有自動力和DP-1 動力定位系統(tǒng)，如華東306 平臺和三峽101 平臺。平臺搭接吊臂、傳統(tǒng)立軸鉆機和CPTU 系統(tǒng)。鉆探平臺升起時，可不受波浪影響作業(yè)，但平臺升降及其拖帶轉運時，受海況影響大，作業(yè)效率一般。

3）海洋工程（貨）船和鉆機設備：根據(jù)船只類型和大小用于沿?；蚪Ｗ鳂I(yè)。搭接傳統(tǒng)立軸鉆機設備時，適用1.5 m 內(nèi)浪涌，作業(yè)效率一般，若對鉆機設備和工作改進，作業(yè)效率將有較大提高，如中交三航院自創(chuàng)雙卷揚鉆機設備［4］；搭接具波浪補償功能海洋鉆機設備時，如HD500、HD600 和HD1000 海洋鉆機（有效補償范圍±1.5 m）等［5-6］，適用2.0 m內(nèi)涌浪，作業(yè)效率較高。

4）海洋專業(yè)勘察船只設備：適用于近海各類水深作業(yè)，具DP2動力定位系統(tǒng)，可快速定位并較好適配風向、涌浪等。船只搭配波浪補償?shù)你@探及CPTU 系統(tǒng)（有效補償范圍±1.5 m），可實施井下式CPTU和靜壓高質(zhì)量取樣。船只和設備適用2.0 m內(nèi)波浪，作業(yè)效率高，為常規(guī)海洋勘察船的2 倍。國內(nèi)該類海洋勘察船只和設備資源少，多用于油氣等資源勘探和海洋科考，較少用于海上風電勘察。

按現(xiàn)行國家規(guī)范要求，國內(nèi)海上風電依據(jù)風機和升壓站基礎型式布設勘探孔，根據(jù)各項目技術要求，分別采用以鉆探取樣結合標準貫入試驗為主、CPTU 為輔模式和采用以CPTU 為主、鉆探取樣為輔模式進行勘察。前者模式實施對勘察船只、平臺及設備要求較低，可通過租賃海洋工程（貨）船或平臺搭接鉆機設備較易實現(xiàn)，CPTU 可采用海床式和井下交替式，為國內(nèi)海上風電常規(guī)勘察模式；后者模式對勘察船只、平臺及設備要求高，需采用專業(yè)海洋勘察船只、平臺及設備實施，CPTU 實施采用井下交替式，為國外海上風電勘察主流模式，在我國華東地區(qū)和廣東近海深水區(qū)業(yè)已廣泛應用。

隨著國內(nèi)海上風電技術的發(fā)展，以及海上風電項目投資的控制，國內(nèi)海上風電勘察要求趨于采用CPTU 輔以鉆孔取樣模式實施巖土勘察，各風機和海上升壓站均采用井下交替式CPTU，伴隨用海水水深增加和海底地層性質(zhì)變差，勘察深度由70 m增加至90～120 m。目前，國內(nèi)僅南海503、海油707［7］、海油708、海油709 船和海洋地質(zhì)十號船配備具波浪補償?shù)木率紺PTU 設備，可在國內(nèi)近海海域廣泛實施井下交替式CPTU。華東地區(qū)因第四系沉積層厚度大，海況較好，水深較淺，該地區(qū)海上風電常采用升降式平臺搭接陸上鉆機及CPTU 實施井下交替式CPTU。廣東沿海受限于海況變化大，水深較深，常采用專業(yè)海洋勘察船只設備實施CPTU。

3 海洋巖土勘察船只平臺技術方案

考慮廣東近海深水區(qū)海上風電開發(fā)規(guī)劃和廣東海況變化大且窗口期短等特征，適用廣東近海深水區(qū)的海洋勘察自升式鉆井平臺少且費用造價高，運行維護年費用高昂，平臺作業(yè)機動性較差，即便自動力平臺往返工區(qū)，仍需拖船托運，相隔周期長的兩作業(yè)窗口期，需長時在海域待命，平臺補給存在困難。另外，平臺升降過程中，如海底地層復雜或操控不當，腿靴易發(fā)生刺穿而引發(fā)平臺傾覆事故［8-9］。

基于上述原因，廣東近海深水區(qū)海上風電巖土勘察首選采用專業(yè)海洋勘察船只搭配海洋勘察設備。綜合廣東海域特征和海上風電勘察特點，專業(yè)海洋勘察船只設備建設思路如下：

1）海洋勘察船只：分為沿海航區(qū)、近海航區(qū)和無限制航區(qū)船只，沿海航區(qū)船只適用離岸20 n mile內(nèi)海域，近海航區(qū)船只適用離岸200 n mile 內(nèi)海域，無限制航區(qū)船只不限制海域使用。海洋十號、海油707、海油708 和海油709 等均為不限制船只。國內(nèi)海上風電為近海工程，海洋勘察船只可選用近?？辈齑?，考慮人員配置和節(jié)省費用，可選用500～3 000 t 總噸位船只，船上人員根據(jù)船只大小配備，并應滿足《中華人民共和國船舶最低安全配員規(guī)則》。船只依據(jù)海洋巖土勘察功能建設，除月池、動力驅動區(qū)、生活居住區(qū)、油料和生活用水等儲備區(qū)外，搭建土工試驗室、船體甲板主要布設鉆探系統(tǒng)并堆放材料，設置操控室、吊臂或機械手臂等，鉆井系統(tǒng)置于甲板中部，保證設備穩(wěn)定和安全使用。

2）海洋勘察設備：可采用波浪補償鉆機系統(tǒng)搭配井下式CPTU，有效波浪補償為±1.5 m，適用2.0 m 高浪涌作業(yè)。鉆機系統(tǒng)搭配繩索鉆探取芯，配備十多噸重的海底基盤，除可較大提高鉆探效率、利用靜壓或單動雙層管高質(zhì)量取樣外，還可利用搭接井下式CPTU 采集系統(tǒng)，全孔或部分交替式實施CPTU，保證原位試驗的可靠性和準確性。

3）DP 定位系統(tǒng)：其利用計算機軟件對采集到的周圍的環(huán)境因素如水流、風速、風向、海浪等，根據(jù)位置參照系統(tǒng)（GPS、羅經(jīng)等）進行匯總計算后不斷控制調(diào)整船舶或者平臺上的各個推力器的大小和方向，從而使得船舶或者平臺保持事先設定的位置。在使用過程中可快速自動定位和航向自動保持，較常規(guī)勘察船只可節(jié)約4～6 h 拋錨定位時間，DP 定位系統(tǒng)可劃分為DP1、DP2、DP3 三個等級，越高等級的定位系統(tǒng)其安全性越高，價格也相應越貴。具體條件下，船只搭接DP2級定位系統(tǒng)可滿足海洋勘察要求。

按上述思路搭建海上風電勘察船只設備，在廣東可有效利用冬季海洋24～48 h 的短窗口期作業(yè)，實現(xiàn)短窗口期完成單個80～90 m深的勘探孔。

4 海洋巖土勘察適用性分析

利用上述技術方案確定海洋勘察船只設備對粵東某海上風電和粵西某近海深水區(qū)海上風電勘察勘探孔進行實施，其實施情況概述如下：

粵東某海上風電距岸25～31 km，水深34～40 m，作業(yè)時間為2020 年3 月至5 月，試驗孔深80 m 和120 m，利用具有DP2定位系統(tǒng)的專業(yè)海洋勘察船，采用±1.5 m 波浪補償井下交替式CPTU 設備（繩索升降），配備11 t重的海底基盤，完成80 m和120 m孔深用時分別為18 h和36 h。

粵西某近海深水區(qū)海上風電距岸65～75 km，水深43～48 m，作業(yè)時間為2021 年1 月至3 月，試驗孔深90 m，利用不具DP 定位系統(tǒng)的專業(yè)海洋勘察船，采用±1.5 m 波浪補償海洋鉆機設備，鉆井系統(tǒng)搭配繩索鉆探取芯，錘擊和單動雙層管取樣，勘察船在2.0 m 內(nèi)波浪情況下有效作業(yè)，完成90 m 用時為38～42 h。

上述風場區(qū)勘探孔實施情況充分說明，采用專業(yè)勘察船只搭配波浪補償鉆機系統(tǒng)搭配井下式CPTU，利用繩索取芯和海底基盤，可充分利用海洋24～48 h 作業(yè)窗口期，有效提高勘探效率，保證項目勘察進度，降低勘察成本。

5 結論

1）針對廣東海況變化大且窗口期短的特征，廣東近海深水區(qū)海上風電首選采用海洋勘察船只搭配海洋勘察設備實施巖土工程勘察，即具有較大靈活性，宜可保證項目實施安全。

2）海洋勘察船應依據(jù)海洋巖土勘察功能建設，搭建土工試驗室，并布設月池、動力驅動區(qū)、生活居住區(qū)、油料和生活用儲備區(qū)、泥漿攪拌區(qū)等，海洋鉆探系統(tǒng)應置于甲板中部，保證設備穩(wěn)定和安全使用。

3）海洋勘察船可選用近海航區(qū)船只，具備經(jīng)濟條件時，可選用無限制航區(qū)船只并搭配DP2動力定位系統(tǒng)。

4）海洋勘察設備可采用波浪補償鉆機系統(tǒng)搭配井下式CPTU，有效波浪補償不小于±1.5 m，可適用2.0 m 高浪涌作業(yè)。鉆井系統(tǒng)搭配繩索鉆探取芯，配備十多噸重的海底基盤，較大提高鉆探效率，保證高質(zhì)量取樣和原位試驗的可靠準確。

5）利用本論文推薦的專業(yè)海洋勘察船只設備實施海洋巖土勘察作業(yè)，可實現(xiàn)全孔繩索鉆探取芯、全孔靜壓取樣、全孔井下式CPTU 和全孔交替式取樣及CPTU，技術先進，與國外先進海洋勘察方法相匹配。

6）多個海上風電勘察實踐證明，按本文提出的海洋巖土勘察平臺建設方案，可充分利用海洋24～48 h 等短作業(yè)窗口期，有效提高勘探效率，保證項目勘察進度，降低勘察成本。