奮斗五號船鉆探系統及其在海上風電場地質調查中的應用

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緊張，世界各國都將發展新能源產業作為緩解能源供需矛盾的重要手段，其中風力發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模開發利用，海上風電因其具有風資源持續穩定、風速高、發電量大、不占用土地資源等優點[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及其在海上風電場地質調查中的應用進行系統介紹，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。

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；

泥漿循環系統：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。采用SF-2050M DGPS接收機定位，菲蒙導航系統和HYPACK導航系統進行導航、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差分信號發布服務。StarFireTM差分信號通過Inmarsat同步衛星進行廣播，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穩壓電源組成。

相關參數如下：

發射功率：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。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。如此循環鉆進后，直到地層承載力較高時開始下入泥漿循環套管進行泥漿循環鉆進。

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液；砂土混層類地層利用濃度較小的泥漿作為循環液；飽和砂層利用濃度較高的泥漿作為循環液。

（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。現場編錄要統一表格，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]

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

（1）過往船只。作業工區處于航道范圍，過往大型商船、貨輪比較多，其航向、航速比較穩定，作業中遇到時，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，由于奮斗五號船的后甲板空間較小，作業前開展崗位培訓，在開展作業時一定嚴格按照規范操作，無關人員禁止進入后甲板作業區域，避免出現人員損傷事故發生。

（3）惡劣天氣影響。海域易受低氣壓天氣影響，作業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的正常施工。