波浪補(bǔ)償鉆探設(shè)備在海洋巖土工程勘察中的應(yīng)用

楊光 YANG Guang

（中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300459）

0 引言

鉆孔取樣是海洋地質(zhì)勘察的重要技術(shù)手段，具有勘察結(jié)果可靠性高、成孔速度快的優(yōu)點。但常規(guī)的鉆探設(shè)備容易受到海洋環(huán)境的擾動，從而改變海底原狀土。海浪補(bǔ)償鉆探設(shè)備利用液壓技術(shù)或者配重砝碼提高鉆具的穩(wěn)定性，能夠有效降低環(huán)境干擾因素對鉆探結(jié)果的影響程度，研究其在海洋巖土勘察中的應(yīng)用效果能夠促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

1 工程概況

國內(nèi)某跨海大橋工程全長為55km，作業(yè)區(qū)域受到潮汐水流的影響，夏季退潮時潮汐表面流速可達(dá)到1.53m/s，冬季潮汐底層平均流速為1.05m/s。該地區(qū)秋冬季為東北季風(fēng)，春夏季為東南季風(fēng)，整體海況較差。在工程勘察階段，為了提高探測結(jié)果的可靠性，決定采用海浪補(bǔ)償分離式液壓鉆探設(shè)備，獲取海床樣本。在此次研究過程中，選取局部海域作為鉆探區(qū)域，海底地層結(jié)構(gòu)為覆蓋層和巖石基層，海水深度在10～15m 之間，預(yù)計鉆孔深度可達(dá)到40m。

2 波浪補(bǔ)償鉆探設(shè)備工作原理

2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

海浪補(bǔ)償分離式液壓鉆機(jī)的動力模塊由柴油機(jī)、液壓泵、驅(qū)動裝置和控制箱組成，塔架作為工作模塊的主要載臺，安裝有滑輪和導(dǎo)軌，卷揚(yáng)機(jī)與驅(qū)動裝置相連接，由后者為卷揚(yáng)機(jī)提供動力，通過鋼絲繩控制動力頭，鋼絲繩經(jīng)由導(dǎo)軌和定滑輪組，控制波浪補(bǔ)償配重箱，進(jìn)而調(diào)節(jié)動力頭。

2.2 工作原理

在動力頭兩側(cè)安裝有導(dǎo)軌，導(dǎo)向鋼絲繩通過導(dǎo)軌，上端連接在鉆塔的液壓桿上，下端連接至鉆探平臺。在回轉(zhuǎn)作業(yè)中，先將導(dǎo)正鋼絲繩下端調(diào)整至鉆探平臺的孔口位置，并且由液壓桿向鋼絲繩施加作用力，使鋼絲繩達(dá)到緊繃狀態(tài)，在這一情況下，動力頭可保持穩(wěn)定，不發(fā)生轉(zhuǎn)動，鉆機(jī)生成的扭矩將全部集中于鉆具上[1]。動力頭的位置可隨著施工活動進(jìn)行調(diào)整，以改變鉆頭的行程（如圖1 所示）。

圖1 波浪補(bǔ)償鉆探設(shè)備作業(yè)示意圖

2.3 傳感器和反饋系統(tǒng)

2.3.1姿態(tài)傳感器

當(dāng)設(shè)備發(fā)生角速度變化時，陀螺儀內(nèi)部的轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生相應(yīng)的角動量變化，通過檢測這種變化，相關(guān)工作人員可以計算出設(shè)備的角速度。加速度計則是測量設(shè)備加速度的傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測設(shè)備的加速度變化，并提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，其計算公式為：

公式（1）中，θ 代表旋轉(zhuǎn)角度，（x，y，z）代表旋轉(zhuǎn)軸的坐標(biāo)，通過四元數(shù)的計算，能夠得到設(shè)備的姿態(tài)信息。陀螺儀和加速度計在設(shè)備姿態(tài)測量與控制方面的結(jié)合應(yīng)用，可以實現(xiàn)對設(shè)備姿態(tài)的實時、高精度監(jiān)測，保障工作人員對設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)控制。實際工作中，通過實時監(jiān)測設(shè)備的角速度以及加速度變化情況，計算設(shè)備的姿態(tài)信息，例如平臺俯仰、橫滾、偏航等數(shù)據(jù)。

2.3.2水動力學(xué)傳感器

流速計通過探測水流的速度和方向，幫助工作人員實時了解水下環(huán)境的變化，從而更好地調(diào)整自身的姿態(tài)，保持穩(wěn)定，流速計算公式為：

公式（2）中，V 代表流速，（u，v，w）代表水流在三個坐標(biāo)軸上的分量。流速計通過檢測這些分量，計算水流速度和方向。

此外，流速計還可以評估水流對平臺的沖擊力，為平臺提供平衡姿態(tài)的參考依據(jù)。在復(fù)雜的水下環(huán)境中，平臺需要具備動態(tài)姿態(tài)補(bǔ)償功能。動態(tài)姿態(tài)補(bǔ)償是根據(jù)水流情況實時調(diào)整平臺姿態(tài)，確保鉆探裝置垂直進(jìn)入地層。這樣可以有效降低水流對平臺的影響，提高作業(yè)的穩(wěn)定性。

3 波浪補(bǔ)償鉆探設(shè)備在海洋巖土勘察中的應(yīng)用效果

3.1 設(shè)備選型

在此次研究中，選用HD-600 型海洋工程鉆機(jī)，該設(shè)備安裝在專用的勘探船上，鉆探系統(tǒng)的基本參數(shù)見表1。

表1 HD-600 型海洋工程鉆機(jī)和配套系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

3.2 海浪補(bǔ)償技術(shù)

3.2.1海浪的影響分析

從設(shè)備結(jié)構(gòu)可知，海浪補(bǔ)償鉆探設(shè)備的載臺為工程船，在涌流和海流的作用下，工程船的穩(wěn)定性會受到一定的擾動，進(jìn)而影響巖土工程勘察的鉆孔施工活動。以工程船的橫搖運(yùn)動為例，其對海浪補(bǔ)償控制系統(tǒng)的設(shè)計和研發(fā)都具有突出的影響，因為橫搖運(yùn)動對船體穩(wěn)定性影響最為突出。

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①靜水中的橫搖分析。船舶在靜水中也會產(chǎn)生橫搖作用，這一過程與海浪中的橫搖存在緊密的聯(lián)系。當(dāng)船體的搖擺周期非常小時，其搖擺頻率較大，則船體的穩(wěn)定性較差[2]?？梢?，提高搖擺周期的長度能夠增加船體的穩(wěn)定性。在工程實踐中，通過設(shè)置配積的方式提高船體的穩(wěn)定性。船舶橫搖的固有周期越大，其穩(wěn)定性就越高，固有周期的計算方法見式（3）。

式中：T0為船舶的固有搖擺周期；C 為代表船舶類型的系數(shù)，其取值范圍通常在0.76～0.85 之間；B 為船舶的寬度；GM為船舶重心高度與浮心高度之間的垂直距離，從公式可知，GM越小，搖擺周期越大，船體穩(wěn)定性越高。

②海浪中的橫搖分析。當(dāng)船舶在海洋中作業(yè)時，波浪的方向常常與船舶的航向存在一定的角度偏差，將該偏差值稱為波舷角，記為φ。船舶與海浪存在速度差、方向差，二者做相對運(yùn)動。當(dāng)兩個連續(xù)的波峰經(jīng)過船體上的同一點時，消耗的時間稱為波浪遭遇周期，記為τe。如果船舶的固有搖擺周期等于波浪遭遇周期，船體將產(chǎn)生協(xié)搖效應(yīng)，其搖擺程度愈發(fā)劇烈。為了避免出現(xiàn)該問題，要求T0/τe的計算結(jié)果在區(qū)間（0，0.7）或者T0/τe≥1.3。參數(shù)τe的計算方法為式（4）。

式中：λ 為海浪的波長；u 為海浪的波速；vs為船舶的速度。根據(jù)以上原理，當(dāng)工程船因為協(xié)搖效應(yīng)而進(jìn)入劇烈搖擺狀態(tài)時，可通過改變航速或者航向來消除協(xié)搖[3]。

3.2.2海浪補(bǔ)償?shù)膶崿F(xiàn)原理

HD-600 型海洋工程鉆機(jī)屬于海浪補(bǔ)償鉆探設(shè)備，設(shè)計有專門的海浪補(bǔ)償裝置，其補(bǔ)償原理分為2 種，其一為重力式補(bǔ)償，如海浪補(bǔ)償配重箱；其二為液壓補(bǔ)償，兩種補(bǔ)償方式共同作用，由配重箱進(jìn)行整體控制，液壓補(bǔ)償用于精細(xì)化的微調(diào)[4]。當(dāng)鉆具進(jìn)行鉆孔時，假設(shè)鉆柱的總重量為Q，鉆孔內(nèi)的壓力為W，海浪補(bǔ)償裝置的液壓補(bǔ)償應(yīng)該與之保持平衡，數(shù)學(xué)描述方法如下。

式中：PL為液壓補(bǔ)償?shù)膲毫Γ籄p為液壓補(bǔ)償裝置中液壓缸活塞的面積；參數(shù)Q=q×L，其中q 為準(zhǔn)鉆柱的單位長度重量，L 為鉆柱的總長度。根據(jù)式（6）可推導(dǎo)出補(bǔ)償壓力PL的計算表達(dá)式，如式（6）。

如果采用海浪補(bǔ)償配重箱+液壓補(bǔ)償?shù)姆绞?，可由配重箱分?dān)一部分液壓[5]。海浪補(bǔ)償裝置的主要功能是通過液壓調(diào)節(jié)，提高鉆具的穩(wěn)定性。當(dāng)船體發(fā)生搖擺時，該裝置能夠及時感知并計算出搖擺的幅度和頻率。然后通過液壓系統(tǒng)對鉆具進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，使鉆具能夠跟隨船體的搖擺進(jìn)行自我調(diào)整，始終保持穩(wěn)定的姿態(tài)。通過這種方式將船體搖擺對鉆探作業(yè)的影響能降到最低，從而保證作業(yè)的順利進(jìn)行。

3.3 海浪補(bǔ)償鉆探設(shè)備工程勘察應(yīng)用效果

3.3.1應(yīng)用效果對比

①工程效率對比。針對目標(biāo)鉆探區(qū)域，分別采用傳統(tǒng)鉆機(jī)和HD-600 型海浪補(bǔ)償鉆機(jī)開展鉆孔勘察作業(yè)，當(dāng)鉆孔深度均為60m 時，傳統(tǒng)鉆機(jī)耗時約為2d，而海浪補(bǔ)償鉆探設(shè)備總耗時僅為11.5h，顯著地提高了勘察工作的效率[6]。在海洋鉆探工作中，海浪補(bǔ)償分離式鉆機(jī)展現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢。研究人員觀察該類型鉆機(jī)在實際工作中的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)這款鉆機(jī)的動力頭具有較大的活動空間，這保證了鉆頭能夠在各種復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行鉆探作業(yè)，提高鉆探效率以及魯棒性。在面對潮汐作用時，相關(guān)工作人員通過調(diào)節(jié)動力頭的高度，有效地消除潮汐對鉆探過程的影響，在很大程度上保證了鉆探工作的連續(xù)性與穩(wěn)定性，避免了因潮汐變化而導(dǎo)致鉆探作業(yè)被迫中斷。此外，搭載了海浪補(bǔ)償技術(shù)是這款鉆機(jī)的另一個優(yōu)勢。在海洋環(huán)境中，船體往往會受到海浪的推力，導(dǎo)致船體無法保持長時間的穩(wěn)定，在這種惡劣的環(huán)境下，普通鉆機(jī)的作業(yè)效果將大打折扣，而采用了海浪補(bǔ)償技術(shù)的分離式鉆機(jī)，卻能夠在這種環(huán)境下保持正常工作。當(dāng)船體受到海浪擾動時，海浪補(bǔ)償系統(tǒng)會自動進(jìn)行調(diào)整，使鉆機(jī)始終處于平穩(wěn)的工作狀態(tài)。這樣不僅避免了因船體不穩(wěn)而導(dǎo)致的鉆探作業(yè)中斷，還降低了因海浪擾動對鉆探精度的影響。

②取樣質(zhì)量對比。鉆探勘察的目的是獲取海底一定深度內(nèi)的巖土樣本，再根據(jù)樣本分析海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而為制定施工方案提供可靠的依據(jù)[7]。表2 為海浪補(bǔ)償鉆機(jī)與普通鉆機(jī)對目標(biāo)區(qū)域的取樣結(jié)果，從數(shù)據(jù)可知，與常規(guī)鉆探方法相比，海浪補(bǔ)償鉆探設(shè)備的取樣質(zhì)量大幅改善。按照從上到下的順序，目標(biāo)勘察區(qū)域的地層結(jié)構(gòu)為淤泥質(zhì)夾砂、淤泥質(zhì)土、黏土、粉質(zhì)黏土，各層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提升幅度達(dá)到了26%～89%，三軸UU 抗剪強(qiáng)度的提升幅度達(dá)到了24%～74%。原因在于海浪補(bǔ)償技術(shù)提高了鉆具的穩(wěn)定性，而常規(guī)鉆具受到海浪及船體搖擺的影響，干擾了土層取樣的穩(wěn)定性，改變了原狀土[8]。

表2 海浪補(bǔ)償鉆探設(shè)備與普通鉆探設(shè)備的取樣結(jié)果對比

3.3.2存在的問題

在實際應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)海浪補(bǔ)償分離式液壓鉆機(jī)存在一定的局限性，導(dǎo)致施工準(zhǔn)備階段需要花費較長的時間，問題表現(xiàn)如下。①海浪補(bǔ)償裝置操作繁瑣困難。對于海浪補(bǔ)償配重箱，鉆具的重量隨著鉆柱長度的增加而不斷變化，并且這種變化具有漸變的特點，而配重箱質(zhì)量增加或者減小都呈現(xiàn)出跳躍性的特點，由此導(dǎo)致海浪補(bǔ)償裝置不易實現(xiàn)調(diào)平[9]。另外，當(dāng)配重和動力頭的重量存在差異時，動力頭會突然下降或者升高，增加了設(shè)備的安全風(fēng)險。對于液壓補(bǔ)償系統(tǒng)，其對人工操作降低了要求，主要由裝置根據(jù)重力變化自行調(diào)節(jié)[10]。但液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)存在滯后性，此時，雖然采取了海浪補(bǔ)償措施，但仍然會擾動土層。②鉆機(jī)安裝時間較長。海浪補(bǔ)償分離式液壓鉆機(jī)重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組件較多，在安裝時需要較大的工程載體，其安裝時間通常在7d 左右。而普通鉆機(jī)重量輕，結(jié)構(gòu)較為簡單，因而安裝時間更短[11]。

3.3.3改進(jìn)措施

①針對海浪補(bǔ)償裝置的改進(jìn)措施。從海浪補(bǔ)償裝置操作困難的分析過程可知，無論是液壓補(bǔ)償，還是海浪補(bǔ)償配重箱，其調(diào)平過程都較為困難[12]。建議針對鉆具設(shè)置一個電子稱重系統(tǒng)，實時掌握鉆具的重量變化，再根據(jù)鉆具重量的測量結(jié)果，設(shè)置配重或者液壓系統(tǒng)的壓力，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)平[13]。另外，海浪補(bǔ)償配重箱需要以人工方式設(shè)置砝碼，從而改變配重的質(zhì)量，為了降低配重的跳躍性，可增加質(zhì)量較小的小砝碼，以提高靈活性[14]。②其他改進(jìn)措施。海浪補(bǔ)償分離式液壓鉆機(jī)主要依靠電控系統(tǒng)進(jìn)行控制，因而設(shè)計有較多的電子元件，海上環(huán)境較為復(fù)雜，存在一定的進(jìn)水風(fēng)險，因此，應(yīng)該提高操作平臺的密封性，防止降雨、風(fēng)浪導(dǎo)致電子元器件進(jìn)水、短路[15]。

4 研究結(jié)論

①海浪補(bǔ)償鉆探設(shè)備能夠通過海底鉆孔活動采集地質(zhì)樣本，再通過分析樣本，掌握海底的地層結(jié)構(gòu)、地層厚度，為海上工程項目提供可靠的地質(zhì)資料信息。②與常規(guī)的鉆機(jī)相比較，海浪補(bǔ)償鉆探設(shè)備能夠顯著提高鉆孔效率，從2 天壓縮至11.5 小時左右，其采樣質(zhì)量也明顯高于普通鉆機(jī)，尤其是在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、三軸UU 抗剪強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)上。根本原因在于海浪補(bǔ)償技術(shù)提高了鉆具的穩(wěn)定性，避免環(huán)境擾動對采樣質(zhì)量的影響。③海浪補(bǔ)償鉆探設(shè)備通過液壓方式或者配重方式進(jìn)行補(bǔ)償，但兩種方式的調(diào)平都較為困難，可通過設(shè)置電子稱量裝置，實時檢測鉆具重量，為配重設(shè)計或者液壓控制提供量化的依據(jù)。④海浪補(bǔ)償鉆探設(shè)備需要安裝在噸位較大的工程船上，船體受到海浪的干擾，容易出現(xiàn)橫搖、縱搖、協(xié)搖，影響了鉆探設(shè)備的穩(wěn)定性。采取海浪補(bǔ)償措施后，可在較大程度上降低以上干擾因素的影響程度。

5 結(jié)語

在海洋巖土工程勘察中，常規(guī)的鉆探設(shè)備會受到海浪和船體搖擺的干擾，導(dǎo)致鉆探過程經(jīng)常中斷，采樣質(zhì)量也相對較低。海浪補(bǔ)償鉆探設(shè)備為鉆具設(shè)置了液壓補(bǔ)償或者配重砝碼，當(dāng)設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)后，通過補(bǔ)償措施，提高鉆具的穩(wěn)定性，其采樣過程對海底原狀土的改變程度較小，因而勘察結(jié)果更為可靠。針對海浪補(bǔ)償裝置不易實現(xiàn)調(diào)平的問題，可增設(shè)電子稱量裝置，為補(bǔ)償措施提供量化依據(jù)。