海上風電勘探裝備研發(fā)與應(yīng)用

許啟云，牛美峰

（浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江杭州310014）

0 引言

海上擁有豐富的風能資源，且不占用寶貴的土地，具有可開發(fā)的資源儲量和未來市場空間十分巨大等獨特優(yōu)勢。近幾年來，全球海上風電發(fā)展較快，新增裝機年均增長率達31%以上。截至2015年全球海上風電新增裝機容量339.2萬kW，累計裝機容量為1214.1萬kW。其中德國新增裝機容量228.2萬kW、英國新增裝機容量56.6萬kW，緊隨其后的是中國和荷蘭。我公司自2005年涉及海上風電勘察以來，初始采取水電江河水上鉆探的經(jīng)驗，采用漂浮式平臺鉆探獲取的土試樣，經(jīng)室內(nèi)土工試驗獲得的物理力學指標成果，與發(fā)達的歐美國家采取靜探為主的勘探技術(shù)相比較，成果質(zhì)量明顯處于劣勢。為了提升海上勘察成果質(zhì)量，我公司于2014年初，自籌資金建造了適用于潮間帶、潮下帶，以及水深15 m以淺的海域的自升式勘探平臺［1-2］——“華東院1號”，并于2014年10月中旬在江蘇響水燕尾港正式下水投入使用。

由于“華東院1號”平臺主要適用于15 m水深的近岸和淺水區(qū)，15 m以上水深的其他海上鉆探，仍依賴傳統(tǒng)浮漂式勘探船進行作業(yè)。為進一步解決我公司海洋勘察業(yè)務(wù)在戰(zhàn)略定位、技術(shù)手段、勘察裝備、技術(shù)人才、內(nèi)部管理等方面存在的問題，改善和提高海上作業(yè)人員的生活環(huán)境和安全性，公司于2016年開始調(diào)研，2017年通過中電建物資采購平臺公開招標建造，為海上風電勘察量身定做了2艘實用性強、利用率高、功能齊全的35 m水深自升式勘探平臺［3-6］，該平臺于2018年3月正式投入運營。

1 平臺運維功能設(shè)計

為了使平臺運行維護成本可控，并與市場承接的海上風電鉆探單價相匹配，同時，平臺應(yīng)具有勘探、靜探、土工試驗、生活居住集一體的功能。對平臺的總體設(shè)計思路：一是把自升式平臺設(shè)計成非自航式鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，以降低平臺運維人員的費用［7-8］；二是平臺所需設(shè)備動力與勘探設(shè)備動力相整合，以降低鉆探設(shè)備的油料消耗；三是從海上鉆探作業(yè)裝備和人員安全考慮，新建平臺按水深35 m工況下，滿足7級抗風能力，或在水深20 m工況下，能滿足11級風自存能力進行設(shè)計［9-12］。

1.1 平臺主要技術(shù)參數(shù)

表1 、圖1為自升式平臺主要參數(shù)及原型照片。

表1 自升式平臺主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the jack-up platform

圖1 35 m水深自升式勘探平臺Fig.1 Self-elevating exploration platform for 35m water depth

1.2 平臺升降操控系統(tǒng)

以往的浮動式平臺，每月海上可鉆探作業(yè)時間在10 d左右，采用樁腿式升降平臺以后，可工作天數(shù)增加到15 d以上。為了多完成鉆孔，就必須充分利用好有效的工作天數(shù)。

國內(nèi)現(xiàn)有的樁腿式升降平臺可分為插銷式升降系統(tǒng)和齒輪齒條式升降系統(tǒng)。而海上鉆探受風浪潮諸多因素的影響，能否利用好有效的工作時間，將會直接影響鉆探的工效。為此，經(jīng)過對2種升降系統(tǒng)分別從額定升降速度、樁腿影響、操作難易程度、價格和交貨期間、設(shè)備壽命、固樁室的設(shè)置等綜合對比，在總造價費用增加不多、齒輪齒條式升降系統(tǒng)速度為36～72 m/h、而插銷式升降系統(tǒng)速度為12～18 m/h的情況下，選擇齒輪齒條式升降系統(tǒng)優(yōu)勢明顯。

齒輪齒條升降系統(tǒng)主要由升降機構(gòu)和升降電控系統(tǒng)組成，其中平臺升降系統(tǒng)還增設(shè)了多個安全預警系統(tǒng)，如大角度傾斜報警系統(tǒng)、故障實時顯示與查詢系統(tǒng)、操作備用系統(tǒng)等，確保了平臺使用的安全性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)了智能化操作目標。

平臺升降電控系統(tǒng)主要由動力系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)和安保系統(tǒng)3部分組成。動力系統(tǒng)負責為整個平臺液壓升降系統(tǒng)提供動力電源?？刂葡到y(tǒng)提供液壓升降系統(tǒng)的動力電機和液壓系統(tǒng)的控制。安保系統(tǒng)是整個設(shè)備的信息管理中心，并提供整個裝置的安全保護。

總之，整套升降系統(tǒng)，集數(shù)字化、自動化、智能化為一體，實現(xiàn)了樁腿的精準控制，從而大大降低了作業(yè)強度，改善了作業(yè)環(huán)境。

2 平臺勘探區(qū)域布置

2.1 勘探場區(qū)設(shè)置

當前國內(nèi)海上軟土地基以單樁基礎(chǔ)和群樁墩臺基礎(chǔ)為主，也就是海上風電樁塔要打入地基一定深度，且要在滿足基礎(chǔ)沉降要求的土層。同時，樁的入土長度又能滿足約束樁水平位移的要求。如單樁風機，往往需要結(jié)合水下地層地貌等情況，布置2個鉆孔；如果采取群樁墩臺基礎(chǔ)，就需要結(jié)合地層地貌布置2～3個鉆孔。

因此為了充分利用平臺甲板的有效空間，在長寬29 m×12 m面積中規(guī)劃出18 m×12 m的勘探工作場區(qū)，并在適當部位布設(shè)2個1 m×1 m月池，供鉆孔取樣和靜力觸探雙孔作業(yè)［13-14］，來提升勘察報告的成果資料。圖2為雙孔機位布設(shè)的勘探作業(yè)場景。

圖2 平臺雙機位布置結(jié)構(gòu)Fig.2 Layout of the two drilling slots on the platform

2.2 平臺土工試驗室

為了確保海上鉆孔獲得的土工試樣的質(zhì)量，保持試樣的天然濕度，防止水分流失和運輸途中的擾動，使取樣質(zhì)量等級滿足巖土體物理力學性質(zhì)試驗的要求，在自升式平臺上專門設(shè)置了用于常規(guī)土工試驗的試驗室。該試驗室測試項目：含水率、密度、液限、塑限、直剪、三軸壓縮等，確保了土力學試驗的準確性。平臺土工試驗室如圖3所示。

圖3 平臺土工試驗室Fig.3 Platform geotechnical laboratory

2.3 其它功能設(shè)置［15］

（1）為解決平臺鉆探器具的吊裝，專門在平臺甲板上配置了5 t＠10 m克令吊。

（2）通過大揚程軟管絞車，直接從海里取水，以滿足平臺鉆進用水。

（3）利用平臺74 kW應(yīng)急發(fā)電機，來承擔白天2臺套勘探設(shè)備鉆探作業(yè)時的動力用電。

3 平臺實踐應(yīng)用

兩艘平臺自2018年3月正式投入運營以來，2018在浙江東部沿海經(jīng)歷了8號臺風（摩羯）、10號臺風（安比）、12號臺風（云雀）、14號臺風（瑪莉亞）等多個臺風的考驗，經(jīng)受住了最高12級臺風的襲擊和在舟山海域樁腿入泥超過10 m深度的考驗。截至2020年5月，2艘平臺在浙江、江蘇、廣東、山東等20余個水深10～33 m之間、孔深在40～120 m之間的海上風電勘察項目中應(yīng)用。共完成靜力觸探鉆探孔432個，取樣鉆孔157個，與浮動式勘探平臺相比較，平臺工作自持力得到明顯提高，每月無效工作天數(shù)明顯減少，平臺的雙機位設(shè)計，若按50%工效提升估算，相當于以往1艘自升式平臺1年的完成工作量，其功效提高優(yōu)勢明顯。

綜上所述，當前投入使用的2艘35 m水深海上勘探平臺，事先通過了精心的規(guī)劃設(shè)計，使平臺具有集科學鉆探、工程勘探、地質(zhì)調(diào)查、原位測試、土工試驗于一體的功能，從而保障了海上勘探質(zhì)量和安全，改善了作業(yè)人員工作生活環(huán)境，在海洋勘探裝備的創(chuàng)新性、先進性和海洋勘探技術(shù)等方面，在同行業(yè)中均達到了國內(nèi)領(lǐng)先的地位。

4 結(jié)語

（1）本平臺在擬建設(shè)計階段，對整個平臺功能進行整體規(guī)劃設(shè)計，使平臺具有鉆探、靜力觸探雙孔同時作業(yè)的能力。另在平臺內(nèi)設(shè)有土工試驗室，從而使平臺具備綜合勘探、試驗一體化的功能，提升了勘探施工的質(zhì)量，為我公司對外承接海洋工程勘察任務(wù)提升了競爭力。

（2）平臺的雙機位設(shè)計，功效提高優(yōu)勢明顯，增加工效達到50%，平臺達到了設(shè)計目的和預期目標的要求。

（3）本平臺可以滿足7級風以下海況環(huán)境下海上勘探作業(yè)，甚至在小潮汛內(nèi)可以不進行避潮，與浮動式平臺相比，有效工作天數(shù)明顯增加。

（4）本平臺的投入使用，大大改善了海上作業(yè)人員的工作生活環(huán)境，提升了作業(yè)期間的安全性，海上人身設(shè)備安全得到了有效的保障。