探討海上風(fēng)電場鉆探技術(shù)

肖斌

（福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司，福建福州 350108）

0 引言

海上鉆探工程是在作業(yè)區(qū)域內(nèi)搜索海床類型、分布特征和工程地質(zhì)特征，以分析和評估鉆探基礎(chǔ)的承載力，以及不利的工程地質(zhì)現(xiàn)象，確定影響基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和海底設(shè)施的安全性的有害地質(zhì)的因素。海上工程鉆探技術(shù)一直是海上構(gòu)筑物、海上建筑和海上采礦的重要基礎(chǔ)，并且一直是許多行業(yè)優(yōu)先考慮的方法。在對海上風(fēng)電場進(jìn)行調(diào)查后，需要有效、安全、可靠和經(jīng)濟(jì)的鉆探技術(shù)來滿足海洋工程建設(shè)和發(fā)展的需求[1]。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于中國福州某島的東北海岸，站點(diǎn)中心的位置距海岸約300m。擬建中的5臺(tái)風(fēng)力渦輪機(jī)的排列幾乎是筆直的，其方向幾乎與附近島嶼的海岸線平行?？辈熳鳂I(yè)區(qū)域理論最低潮水深一般介于10～15m，高度大約為-16.0～-12.5m，并且總體深度趨勢從西南向東北逐漸加深。其屬于近海，海底地形相對平緩，泥面多為沙質(zhì)。

2 海上鉆探技術(shù)

海上鉆探分為浮動(dòng)鉆探和架空鉆探，浮動(dòng)挖掘現(xiàn)場主要由筏、浮箱和油桶組成。鉆探框架的固定和鉆探孔的位置非常復(fù)雜，并且在施工過程中會(huì)受到海水、風(fēng)浪的上升和下降的影響。海底表面通常是塊狀或其他沉積物，很容易受到水流和水壓的影響，這些巖層和未擾動(dòng)的土壤樣品的滲透性測試相對嚴(yán)格，因?yàn)閹r心容易流失，因此確保井眼的質(zhì)量尤為重要。與大陸鉆探相比，由于受到水流、風(fēng)、浪和潮汐的影響，海上鉆井有著較小的工作面、鉆進(jìn)定位困難、施工困難和鉆探取芯困難等鉆探特性，在各種條件下進(jìn)行海上鉆探的難度是有很大差異性的，唯一的優(yōu)點(diǎn)是水源豐富[2]。

3 施工前的資料收集與分析

在建造之前，應(yīng)執(zhí)行以下數(shù)據(jù)收集任務(wù)，主要包括：①海上鉆探和施工區(qū)域的基本地質(zhì)數(shù)據(jù)。②通?？梢杂?～6級的風(fēng)速，7級以下的陣風(fēng)構(gòu)造相關(guān)的水文、氣象和海洋等數(shù)據(jù)，但是要根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際海況確定是否可以進(jìn)行構(gòu)造。③如果存在海底地下結(jié)構(gòu)、碼頭、沉船、管道和電纜等障礙物，應(yīng)避免上述障礙物或聯(lián)系有關(guān)部門再進(jìn)行施工。在對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，確定它們滿足水文和氣象建設(shè)的安全要求，而沒有影響結(jié)構(gòu)的因素，之后開始準(zhǔn)備海上鉆探施工。

4 海上風(fēng)電場鉆探平臺(tái)選擇

就海上鉆探的鉆探方法而言，其類似于陸地開挖，但自然條件與陸地條件大不相同，并且容易受到海浪、潮汐、藻類和海底地形的影響。離岸鉆探必須在鉆探平臺(tái)上完成，通常情況下，風(fēng)況高于6級時(shí)，海上鉆探比較困難。此外，每月兩次的大潮汛，其前后有3～4d不允許作業(yè)。通常，每月真正可以滿足海上鉆探條件的鉆探時(shí)間為7～10d。為了充分利用有限的工作日，安全、經(jīng)濟(jì)地提高工作效率，選擇合適的鉆探船是降低成本和提高效率的關(guān)鍵。

考慮到項(xiàng)目鉆探區(qū)和沿海水域的海洋水文氣象條件，小平臺(tái)易受海浪影響，平臺(tái)穩(wěn)定性差，平臺(tái)過大，造價(jià)高。因此，需要根據(jù)以前的施工經(jīng)驗(yàn)來選擇噸位，以200t的單體工程船作為鉆探平臺(tái)，平臺(tái)的尺寸和噸位可以滿足施工和安全要求。由于鉆探平臺(tái)是單體船體，因此選擇在平臺(tái)的一側(cè)建造挖掘平臺(tái)，面積約為90m2。選擇9m長的平臺(tái)為了確保平臺(tái)的穩(wěn)定性，有6根20號(hào)的工字鋼，它們在工程船的一側(cè)增長到3m，在船的內(nèi)部增長到6m。工字鋼放置在2m處，在工字鋼和船的邊緣之間，焊接了一個(gè)直徑為16mm的圓鋼“U”形。工字鋼向外延伸的末端焊接有18號(hào)短槽鋼制以及船體。工作臺(tái)上覆蓋著10m長、9m寬的方形木材和5cm厚的木板。懸掛在工作臺(tái)上的沿海部分配備有1.20m或更高的安全欄桿，并具有安全網(wǎng)，配有噸位為50t的交通船[3]。

5 錨泊定位

為了確?？孜恢玫臏?zhǔn)確性，平臺(tái)船配備了5個(gè)鋸齒狀的鐵質(zhì)錨，其中一個(gè)主錨位于正面，4個(gè)側(cè)錨為“八”字形。側(cè)面錨索與主錨索之間的夾角為50°～55°，即可進(jìn)行錨固。如果可以稍微移動(dòng)其中一個(gè)錨，或者可以改變最大流向，以通過使平臺(tái)漂移來提高平臺(tái)和船舶的抗漂移性（風(fēng)向和速度方向可變）。

GPS全球定位系統(tǒng)用于鉆孔定位。沿設(shè)計(jì)的孔位置坐標(biāo)、錨索長度、水深和自由澆筑方向，首先計(jì)算錨位置坐標(biāo)，然后計(jì)算主前錨、左前錨或右前錨到鉆探船的預(yù)定錨位置。GPS定位器監(jiān)視孔的位置，確認(rèn)位置誤差小于2m，并將其放置在每條錨索上。配有鋼絲繩調(diào)節(jié)裝置，可以根據(jù)潮水漲落及時(shí)調(diào)節(jié)錨索。交通船向上游發(fā)送兩個(gè)橫向錨，沿著洋流航行到孔附近的泊位，而承運(yùn)人向下游發(fā)送兩個(gè)錨。通過監(jiān)視GPS定位器，將錨定器扭轉(zhuǎn)到預(yù)定的位置，誤差小于或等于2m。定位方式如圖1所示。

圖1 定位方式

6 施工作業(yè)程序

（1）固定鉆探船。首先，使用交通船定位和放置標(biāo)記，其次鉆探船進(jìn)入現(xiàn)場并錨定，最后進(jìn)行挖掘工作。

（2）測定孔位。由于不可能一次對所有孔進(jìn)行海上鉆探，因此需使用一個(gè)一個(gè)的鉆探方法來通過全站儀引導(dǎo)施工，并使用電動(dòng)機(jī)將工作管路拖至大致水位并將4個(gè)錨固器固定到工作管路上。下水后，當(dāng)工作線到參考點(diǎn)的距離滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，固定外殼并通過砸到淤泥表面的套管來穩(wěn)定船體[4]。為了防止強(qiáng)風(fēng)或船舶越過大海時(shí)發(fā)生的風(fēng)浪沖擊波引起的運(yùn)動(dòng)，工作線必須通過鋼絲繩固定在岸上。船到位后，立即擰緊錨索以移動(dòng)套管，并繼續(xù)進(jìn)行下一步。

（3）套管。套管的選擇對于海上鉆探項(xiàng)目非常重要，套管用于保護(hù)孔、防止溢出、穩(wěn)定孔壁以及穩(wěn)定鉆探船。水下套管比陸上套管難得多。受力很復(fù)雜，很難保證垂直度，因此，通過選擇合適的套管并安裝和保護(hù)套管非常重要。挖掘套管時(shí)，如果套管低于水面，要立即連接套管，不要卸下鉆具，并且不要抬起套管，以免其濺入水中。

（4）鉆進(jìn)組合及鉆進(jìn)技術(shù)。主要在套管周圍考慮孔的組裝和鉆孔技術(shù)，但是在鉆孔時(shí)殼體經(jīng)常被損壞，并且套管容易被自來水搖動(dòng)，套管和鉆孔增加。鉆進(jìn)的組合非常重要，因?yàn)楣ぞ叩南鄬\(yùn)動(dòng)很容易損壞套管。

7 海上風(fēng)電勘探取樣技術(shù)

（1）淺層取樣。對于海底地質(zhì)研究項(xiàng)目，由于孔深度較淺，在用于風(fēng)電鉆探平臺(tái)設(shè)置錨點(diǎn)位置和鉆探采樣時(shí)，可能導(dǎo)致鉆探效率低的問題。通常，選擇一些取土設(shè)備以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和安全的目標(biāo)。例如蚌式和箱式采泥器，適用于海床淺層采樣，采樣效果可達(dá)到90%以上。它通常用于海洋表層沉積物調(diào)查、工程地質(zhì)調(diào)查、地球物理驗(yàn)證調(diào)查、礦物勘探、生物和地球化學(xué)調(diào)查以及其他項(xiàng)目[5]。蚌式采泥器如圖2所示。

圖2 蚌式采泥器

（2）改進(jìn)型原狀取土器。根據(jù)海上風(fēng)電勘測的實(shí)際情況，將通過研究和解決導(dǎo)致上下鉆桿工作量多的許多輔助工作，以提高工作效率，并根據(jù)實(shí)際情況解決短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的問題。針對各種樣品開發(fā)取土方法。

8 安全管理措施

（1）施工避讓措施。根據(jù)船舶各種規(guī)范體系進(jìn)行操作和施工，加強(qiáng)施工現(xiàn)場設(shè)施和人員的管理，徹底防范臺(tái)風(fēng)、火災(zāi)和爆炸事故，大勇于承擔(dān)事故責(zé)任。觀察周圍環(huán)境，以確保執(zhí)行規(guī)定船舶和人員的安全。安裝錨定蓋并在晚上選擇錨定燈，配備無繩電話和對講機(jī)，及時(shí)與地面指揮部聯(lián)系。注意施工中的安全，戴安全帽，不要穿拖鞋[6]。

（2）防火。在獲得有關(guān)部門負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)之前，不得在船上進(jìn)行電、氣焊和其他熱處理作業(yè)，并確保附近沒有易燃易爆材料。離開現(xiàn)場之前，需要檢查安全性嚴(yán)禁同時(shí)進(jìn)行焊接和噴漆，禁止焊接壓力容器，例如鋼瓶和油管。隔離氧氣，乙炔等，不要靠近火源，如果高溫、冷卻易燃?xì)怏w，使用后密封，佩戴安全罩機(jī)械泵倉庫，物料倉庫電池禁止吸煙。

（3）防滑措施。防止出現(xiàn)甲板和人行道上的油脂或滑泥，一旦發(fā)現(xiàn)，要及時(shí)解決。如果過道和甲板上沒有欄桿，則必須安裝固定繩[7]。

（4）應(yīng)急措施。發(fā)生緊急情況時(shí)，項(xiàng)目經(jīng)理是應(yīng)急指揮中心的總司令，后勤保障小組的負(fù)責(zé)人是應(yīng)急小組的負(fù)責(zé)人，也是應(yīng)急的總司令，制定具體措施，然后船員按照規(guī)定執(zhí)行命令。

9 結(jié)語

海上鉆探不同于陸上鉆探，受浪潮、風(fēng)和其他海洋環(huán)境因素的影響較大，不可避免地造成了各種意想不到的困難和挑戰(zhàn)。在整個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)過程中，需要不斷改進(jìn)和創(chuàng)新鉆探技術(shù)，并逐一解決遇到的問題，總結(jié)出適用于海上鉆探的先進(jìn)施工技術(shù)方法。