汪華安，王占華，鄭文成，周川，鄧錫斌

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)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(jié)構(gòu)將加速演變，風(fēng)電及光伏等清潔能源將是發(fā)展最快的電源類型，海上風(fēng)電將進(jìn)入快速穩(wěn)定開發(fā)期。

自2010 年起我國海上風(fēng)電進(jìn)行了大規(guī)模開發(fā)。江蘇、廣東、福建等地多個海上風(fēng)電投產(chǎn)，現(xiàn)海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)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(fēng)電開發(fā)完成，海上風(fēng)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(fēng)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(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式將更加多樣化，海洋巖土勘察技術(shù)要求也將提高，海洋巖土勘察船只平臺和設(shè)備要求趨于專業(yè)化，海洋勘察工藝和設(shè)備的改進(jìn)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(fēng)帶，風(fēng)向有明顯的季節(jié)性變化，冬季盛行東北風(fēng)，夏季盛行西南風(fēng)。廣東海域近岸潮流均以帶有部分旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的往復(fù)流為主，主軸基本平行于海岸線，海浪主要是由季風(fēng)和熱帶氣旋引起，其分布和變化又主要受季風(fēng)支配。東北季風(fēng)期盛行東北向的浪和涌（50%以上），西南季風(fēng)期則盛行西南向的浪和涌（50%以上）。東北季風(fēng)期平均波高大于西南季風(fēng)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(fēng)暴潮是由熱帶氣旋引起，主要集中于每年6月至10 月。粵東海區(qū)風(fēng)暴潮位為1.6～2.58 m，最大增水3.14 m；珠江口風(fēng)暴潮位為2.00～3.63 m，最大增水2.50 m；粵西海區(qū)風(fēng)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(fēng)）影響，窗口期較3 月至5 月少。進(jìn)入冬季后，受東北季風(fēng)影響，窗口期大大減少。根據(jù)廣東省多個海上風(fēng)電項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，ECMWF 推出的ERA5 再分析資料數(shù)據(jù)對廣東海域風(fēng)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(fēng)電項(xiàng)目為例，利用ERA5 的中尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)ERA5 再分析資料近20 年的有效波高、風(fēng)速數(shù)據(jù)，篩選有效波高≤1.5 m，平均風(fēng)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(jìn)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(fēng)電巖土勘察現(xiàn)狀

根據(jù)調(diào)查研究，國內(nèi)海上風(fēng)電巖土勘察在潮汐帶多采用海陸兩棲勘察設(shè)備和笩式平臺搭配傳統(tǒng)立軸鉆機(jī)［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(jī)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(shè)備外，多采用改造海洋工程（貨）船搭接海洋鉆機(jī)。各類海洋勘察船只或平臺和海洋勘察設(shè)備的特點(diǎn)如下：

1）海陸兩棲勘察設(shè)備或笩式平臺和傳統(tǒng)立軸鉆機(jī)：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(jī)和CPTU設(shè)備：適用水深多為20 m 以內(nèi)，部分平臺設(shè)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(qiáng)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(jī)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(zhuǎn)運(yùn)時，受海況影響大，作業(yè)效率一般。

3）海洋工程（貨）船和鉆機(jī)設(shè)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(jī)設(shè)備時，適用1.5 m 內(nèi)浪涌，作業(yè)效率一般，若對鉆機(jī)設(shè)備和工作改進(jìn)，作業(yè)效率將有較大提高，如中交三航院自創(chuàng)雙卷揚(yáng)鉆機(jī)設(shè)備［4］；搭接具波浪補(bǔ)償功能海洋鉆機(jī)設(shè)備時，如HD500、HD600 和HD1000 海洋鉆機(jī)（有效補(bǔ)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(shè)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(fēng)向、涌浪等。船只搭配波浪補(bǔ)償?shù)你@探及CPTU 系統(tǒng)（有效補(bǔ)償范圍±1.5 m），可實(shí)施井下式CPTU和靜壓高質(zhì)量取樣。船只和設(shè)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(shè)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(fēng)電勘察。

按現(xiàn)行國家規(guī)范要求，國內(nèi)海上風(fēng)電依據(jù)風(fēng)機(jī)和升壓站基礎(chǔ)型式布設(shè)勘探孔，根據(jù)各項(xiàng)目技術(shù)要求，分別采用以鉆探取樣結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)為主、CPTU 為輔模式和采用以CPTU 為主、鉆探取樣為輔模式進(jìn)行勘察。前者模式實(shí)施對勘察船只、平臺及設(shè)備要求較低，可通過租賃海洋工程（貨）船或平臺搭接鉆機(jī)設(shè)備較易實(shí)現(xiàn)，CPTU 可采用海床式和井下交替式，為國內(nèi)海上風(fēng)電常規(guī)勘察模式；后者模式對勘察船只、平臺及設(shè)備要求高，需采用專業(yè)海洋勘察船只、平臺及設(shè)備實(shí)施，CPTU 實(shí)施采用井下交替式，為國外海上風(fēng)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(yīng)用。

隨著國內(nèi)海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，以及海上風(fēng)電項(xiàng)目投資的控制，國內(nèi)海上風(fēng)電勘察要求趨于采用CPTU 輔以鉆孔取樣模式實(shí)施巖土勘察，各風(fēng)機(jī)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(bǔ)償?shù)木率紺PTU 設(shè)備，可在國內(nèi)近海海域廣泛實(shí)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(fēng)電常采用升降式平臺搭接陸上鉆機(jī)及CPTU 實(shí)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(shè)備實(shí)施CPTU。

3 海洋巖土勘察船只平臺技術(shù)方案

考慮廣東近海深水區(qū)海上風(fēng)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(fèi)用造價高，運(yùn)行維護(hù)年費(fèi)用高昂，平臺作業(yè)機(jī)動性較差，即便自動力平臺往返工區(qū)，仍需拖船托運(yùn)，相隔周期長的兩作業(yè)窗口期，需長時在海域待命，平臺補(bǔ)給存在困難。另外，平臺升降過程中，如海底地層復(fù)雜或操控不當(dāng)，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(fēng)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(shè)備。綜合廣東海域特征和海上風(fēng)電勘察特點(diǎn)，專業(yè)海洋勘察船只設(shè)備建設(shè)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(fēng)電為近海工程，海洋勘察船只可選用近?？辈齑唬紤]人員配置和節(jié)省費(fèi)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(yīng)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(shè)，除月池、動力驅(qū)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(yàn)室、船體甲板主要布設(shè)鉆探系統(tǒng)并堆放材料，設(shè)置操控室、吊臂或機(jī)械手臂等，鉆井系統(tǒng)置于甲板中部，保證設(shè)備穩(wěn)定和安全使用。

2）海洋勘察設(shè)備：可采用波浪補(bǔ)償鉆機(jī)系統(tǒng)搭配井下式CPTU，有效波浪補(bǔ)償為±1.5 m，適用2.0 m 高浪涌作業(yè)。鉆機(jī)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(shí)施CPTU，保證原位試驗(yàn)的可靠性和準(zhǔn)確性。

3）DP 定位系統(tǒng)：其利用計算機(jī)軟件對采集到的周圍的環(huán)境因素如水流、風(fēng)速、風(fēng)向、海浪等，根據(jù)位置參照系統(tǒng)（GPS、羅經(jīng)等）進(jìn)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(shè)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(yīng)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(fēng)電勘察船只設(shè)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(shí)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(shù)方案確定海洋勘察船只設(shè)備對粵東某海上風(fēng)電和粵西某近海深水區(qū)海上風(fēng)電勘察勘探孔進(jìn)行實(shí)施，其實(shí)施情況概述如下：

粵東某海上風(fēng)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(yàn)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(bǔ)償井下交替式CPTU 設(shè)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(fēng)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(yàn)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(bǔ)償海洋鉆機(jī)設(shè)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(fēng)場區(qū)勘探孔實(shí)施情況充分說明，采用專業(yè)勘察船只搭配波浪補(bǔ)償鉆機(jī)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(xiàng)目勘察進(jìn)度，降低勘察成本。

5 結(jié)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(fēng)電首選采用海洋勘察船只搭配海洋勘察設(shè)備實(shí)施巖土工程勘察，即具有較大靈活性，宜可保證項(xiàng)目實(shí)施安全。

2）海洋勘察船應(yīng)依據(jù)海洋巖土勘察功能建設(shè)，搭建土工試驗(yàn)室，并布設(shè)月池、動力驅(qū)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(yīng)置于甲板中部，保證設(shè)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(jì)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(shè)備可采用波浪補(bǔ)償鉆機(jī)系統(tǒng)搭配井下式CPTU，有效波浪補(bǔ)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(yàn)的可靠準(zhǔn)確。

5）利用本論文推薦的專業(yè)海洋勘察船只設(shè)備實(shí)施海洋巖土勘察作業(yè)，可實(shí)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(shù)先進(jìn)，與國外先進(jìn)海洋勘察方法相匹配。

6）多個海上風(fēng)電勘察實(shí)踐證明，按本文提出的海洋巖土勘察平臺建設(shè)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(xiàng)目勘察進(jìn)度，降低勘察成本。