廖天保

（中國地質調查局廣州海洋地質調查局，廣東廣州510760）

隨著全球能源供應持續(xù)緊張，世界各國都將發(fā)展新能源產業(yè)作為緩解能源供需矛盾的重要手段，其中風力發(fā)電相對其他新能源而言較為成熟，引起了世界各國的重視。隨著陸上風力資源的大規(guī)模開發(fā)利用，海上風電因其具有風資源持續(xù)穩(wěn)定、風速高、發(fā)電量大、不占用土地資源等優(yōu)點[1]。我國在風電裝機、風電設備制造方面，都位居全球第一位。我國陸地資源有限，陸上風電受到很多限制，而海洋地域開闊，資源豐富，海洋風電建設已成為我國能源發(fā)展的重要手段之一[2-5]。通過奮斗五號船的海上風電場工程勘察實踐，在鉆探工藝等關鍵技術問題上進行系列研究，形成了海上風電場鉆探和取樣技術。本文將對奮斗五號船鉆探系統(tǒng)及其在海上風電場地質調查中的應用進行系統(tǒng)介紹，以供類似工程借鑒。

1 奮斗五號船簡介

“奮斗五號”鉆探船及自帶的船載HGD-300型海洋鉆機進行施工，“奮斗五號”鉆探船如圖1所示，其船舶及鉆機主要技術參數如下：

圖1 “奮斗五號”鉆探船

（1）“奮斗五號”調查船。

建造地點：廣州；總長：68.45m；型寬：10.00m；吃水：3.75m。

滿載排水量：1091.61t；航速：12kn；主機類型、臺數：8300ZC×2臺。

主機功率：1100×2匹馬力；發(fā)電機：200kW/臺×2臺；自持力：30d。

艏錨：特種大抓力錨（SMIC ST錨）：2個，錨重1.5t，錨繩長：800m。

艉錨：2個特種大抓力錨（SMIC ST錨）：錨重1.8t，錨繩長：1000m。

錨機：由液壓控制；錨鋼纜直徑：艏錨?28.0mm，艉錨?32.5mm。

（2）船載海洋鉆機系統(tǒng)。

鉆機類型：HGD-300型；

取樣深度：300m（含水深）；

（月池）通孔直徑：1580mm；

孔口直徑：1000~120mm；

鉆機龍門高度：4500mm；

取樣水深：5~150m；

最大起拔力：180kN；

鉆塔高度：12m；

鉆塔承載力：200kN；

卷揚機：分主卷揚和副卷揚；

擰管機：由液壓控制,對鉆桿自動進行擰、卸、緊扣；

泥漿循環(huán)系統(tǒng)：BW-320泵和BW-250泵各一臺。配備備用BW-250泵一臺。

（3）導航定位系統(tǒng)。采用SF-2050M DGPS接收機定位，菲蒙導航系統(tǒng)和HYPACK導航系統(tǒng)進行導航、數據采集及數據傳輸。

SF-2050M是一家美國公司生產的雙頻DGPS接收機，采用WCT（Wide Area Correction Transform）廣域差分技術，通過StarFireTM網絡提供GPS差分信號發(fā)布服務。StarFireTM差分信號通過Inmarsat同步衛(wèi)星進行廣播，能在南緯76°至北緯76°間任何地球表面提供同樣精度的差分信號。SF2050M DGPS接收機能跟蹤L1、L2、C/A、P1及P2碼，標稱精度為：水平位置15cm、垂直位置30cm。

（4）測深儀。ATLAS DESO-25測深儀2002年從德國ATLAS公司引進，由主機、匹配器、換能器、24VDC穩(wěn)壓電源組成。

相關參數如下：

發(fā)射功率：100W（210kHz）,600W（12kHz）；

測量范圍：0~200m（210kHz）,0~5000m（12kHz）；

波束寬度：9°（210kHz）,15°（12kHz）；

脈沖寬度：38μs~2.3ms（210kHz）,167μs~18.7ms（12kHz）；

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

2 海洋鉆探施工步驟

2.1 鉆探前的準備工作

在接到出海任務之后，“奮斗五號”鉆探船開赴工區(qū)。到達第一鉆探孔位時，導航儀開始定位，船長根據海水流向、潮汐、風力、風向、浪、涌等情況進行拋錨就位，同時下放海流計，在拋錨完成后24h內觀察船舶移動情況和熟悉海流及潮汐規(guī)律。在此時間內，鉆探人員做好崗前培訓及開鉆準備。

2.2 鉆探方法及施工工藝

2.2.1 鉆探方法

本著在原狀土體獲得原狀巖芯的原則，本次勘察采用?168mm套管進行海水隔離和鉆孔導向，?127mm套管進行泥漿循環(huán)及跟管鉆進；用?50mm鉆桿進行鉆探；以?108mm的巖芯管及取土器進行取芯。具體施工方法如下：

鉆探船拋錨定位完成后，在了解和熟悉工區(qū)的情況下，下入海水隔離套管接近海底時，進行第一回次的巖芯采取，第一回次采取巖芯結束后，再下入?168mm套管到達第一回次鉆孔孔底，然后進行標準貫入實驗。原位測試結束后，再下入?168mm套管到達標準貫入實驗地層孔底，固定套管后，下入鉆具對第一回次及原位測試的地層進行清孔，確定孔底干凈后再進行第二回次的巖芯采取。如此循環(huán)鉆進后，直到地層承載力較高時開始下入泥漿循環(huán)套管進行泥漿循環(huán)鉆進。

在鉆進過程中，現場地質技術人員同時開始進行以下工作：記錄鉆探班報、巖芯標識、地質編錄、原狀樣采取、包裝；導航人員對導航儀及海流計進行監(jiān)控；船舶值班人員隨時待命，以調整錨系。

2.2.2 鉆探工藝

（1）此次工程地質勘察擬在第四紀地層及全風化層采用硬質合金鉆進，基巖類地層采用金剛石鉆進。利用回轉、壓入、錘擊、卡料卡取法進行取芯，同時用泥漿沖孔護壁及跟管護壁的鉆探工藝。

（2）軟土類地層利用取土器采用壓入法取芯；粘土及砂土類地層利用?108mm的巖芯管采用干鉆法取芯；砂類地層利用取砂器采用錘擊法取芯；基巖采用金剛石鉆頭采用卡料卡取法取芯；即時校正鉆具和孔深，孔深誤差不得大于0.5%。

（3）在軟土及粘土類地層利用海水作為循環(huán)液；砂土混層類地層利用濃度較小的泥漿作為循環(huán)液；飽和砂層利用濃度較高的泥漿作為循環(huán)液。

（4）通過以下工藝預防孔斜：在下入海水隔離套管時，應隨時調整錨位，保證套管垂直；當鉆孔孔底超出泥漿循環(huán)套管底部時，每一回次下入鉆具時都應以鉆具自重的壓力回轉下入；加壓鉆進及取芯時，控制鉆壓。

（5）開鉆前利用測深儀進行水深測量，然后在海水隔離套管內利用水砣進行水深校正，用以獲得開鉆時的準確水深；在鉆進過程中，準確測量鉆具長度，每回次進行潮汐校正，通過計算獲得精確的地層深度。

（6）鉆孔記錄隨著鉆進工作及時進行，按回次記錄，按巖性分層。編錄內容必須包括各回次頂部和底部的巖性描述、鉆孔結構、施工情況等?，F場編錄要統(tǒng)一表格，用鉛筆填寫，字體端正，不涂改；描述要準確，簡明扼要，日期、孔位、坐標、鉆機類型等。

3 海洋地質鉆探實踐

本次海上風電場項目位于惠東縣南面海域，屬于近海風電場。場址區(qū)域水深在30~40m。屬亞熱帶氣候，常年濕熱，雨量充沛，年平均氣溫24℃，最低氣溫10℃，最高氣溫35℃。5~8月盛行西南季風，8~10月份雨量集中，有臺風暴雨侵襲。

工程地質鉆探技術要求如下：

（1）鉆探和取樣（18個鉆孔，孔深≥85m/孔）：①鉆探人員必須嚴格按照鉆孔任務書要求和鉆探技術規(guī)程要求進行鉆探，終孔需經地質人員同意；②全斷面取芯，土層每回次進尺不大于2m，砂土每回次進尺不大于1.5m，破碎巖層不大于1m；鉆機最大鉆探能力須不小于100m；基巖埋深淺地段（85m以內）鉆孔若揭露巖層，則進入中風化巖不小于15m。③取樣須保證樣品質量，減少土試樣的擾動。其中：淤泥等軟土采用薄壁取土器，粘性土采用三重管回轉取土器，砂土采用環(huán)刀取砂器。取樣數量需滿足鉆孔任務書和地質人員的要求，并按現場要求分批送回實驗室。④鉆進深度、巖土分層深度的量測誤差范圍應為±0.05m。分層準確，班報表記錄清楚完整；⑤采取的土樣應及時蠟封；所采取的巖芯應全部按順序放進巖芯箱，及時編寫巖芯牌，并蓋好防止日曬雨淋。⑥巖芯須待地質人員拍照、編錄后，經地質人員同意后方能處理。

（2）鉆探的巖芯采取率應符合下列規(guī)定：①在堅硬完整的巖層中，巖芯采取率不應小于85%；②在強風化、破碎的巖層中，巖芯采取率不應小于65%；③在粘性土地層中，不應小于85%；④砂土類地層中，不應小于65%；⑤碎石土類不應小于50%；如在取芯過程中出現連續(xù)3個回次打空的情況，該鉆孔終孔后，船舶移動2m，對該空白地層進行補取。

“奮斗五號”鉆探船鉆孔數據如表1所示。

表1 “奮斗五號”鉆探船鉆孔數據

4 安全風險應對措施[6-10]

根據調查區(qū)的自然地理情況及以往在該海區(qū)調查作業(yè)的經驗，對鉆探作業(yè)制定了安全風險的應對措施如下：

（1）過往船只。作業(yè)工區(qū)處于航道范圍，過往大型商船、貨輪比較多，其航向、航速比較穩(wěn)定，作業(yè)中遇到時，對方一般對呼叫等溝通的回應緩慢，消極應對，難以讓其轉向避讓，危及我船航行或作業(yè)安全。施工時，需要密切注意過往船只，防止任何船只靠近調查船。測線作業(yè)時駕駛臺需要加強瞭望，遇到緊急情況，提前做好避讓工作。

（2）地質鉆探。本航次將開展地質鉆探作業(yè)，由于奮斗五號船的后甲板空間較小，作業(yè)前開展崗位培訓，在開展作業(yè)時一定嚴格按照規(guī)范操作，無關人員禁止進入后甲板作業(yè)區(qū)域，避免出現人員損傷事故發(fā)生。

（3）惡劣天氣影響。海域易受低氣壓天氣影響，作業(yè)時需要考慮熱帶風暴、臺風和風暴潮的影響，緊急情況下需要采取應急措施。出航后，密切關注天氣變化，提前做好避風的準備工作。

5 結語

實踐證明，奮斗五號船鉆探系統(tǒng)圓滿的完成了海上風電場鉆探取芯任務。

（1）本次勘察成功地采用了?168mm套管進行海水隔離和鉆孔導向，?127mm套管進行泥漿循環(huán)及跟管鉆進；用?50mm鉆桿進行鉆探；以?108mm的巖芯管及取土器進行取芯。

（2）奮斗五號船鉆探系統(tǒng)能適應不同類型的復雜地層的取芯工作。

（3）針對海洋鉆探作業(yè)風險，奮斗五號船制定的應對措施保證了奮斗五號船鉆探作業(yè)的正常施工。