淺談國內(nèi)海床CPT 裝備的短板與發(fā)展展望

梁春江LIANG Chun-jiang

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300457）

0 引言

中國電力發(fā)電量逐年增加，2020 年中國電力發(fā)電量為77790.6 億千瓦小時，同比增長3.7%，其中絕大部分依靠煤炭火力發(fā)電。盡快大力推進海上風(fēng)電項目，有利于提升綠色能源在我國的占比，緩解煤炭這種不可再生資源日益枯竭資源現(xiàn)狀。

海上風(fēng)電項目開發(fā)的難點一直縈繞在海床CPT 設(shè)備上，該設(shè)備主要用于風(fēng)電樁基的海床一下的地質(zhì)勘察，只有采集到準(zhǔn)確的CPT 數(shù)據(jù)，才能為后繼的樁基計算提供可靠的數(shù)據(jù)。

1 裝備現(xiàn)狀

我國目前主要應(yīng)用荷蘭 A.P. van den Berg Ingenieursburo bv 公司的鉆孔CPT、海床CPT。進口設(shè)備的數(shù)據(jù)采集成果滿足相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，設(shè)備本身運行穩(wěn)定。建在海床上的建筑物越來越多，水深也不斷增加。所以海底土體勘察設(shè)備也要求應(yīng)對深水作業(yè)的環(huán)境。荷蘭范登堡公司有著幾十年研發(fā)設(shè)計、和生產(chǎn)海洋CPT 設(shè)備的經(jīng)驗。Roson 系列海床CPT 是得益于這一經(jīng)驗所研發(fā)的深海床CPT 設(shè)備。這套鉆孔CPT 設(shè)備能夠在水深10-3000m（加上鉆井深度）進行工作。

目前已經(jīng)成為國內(nèi)和國際海洋工程勘察行業(yè)的普遍認(rèn)可的優(yōu)質(zhì)裝備，國產(chǎn)眾多廠家技術(shù)水平雖有所進步，但是在裝備的測量精度、穩(wěn)定性、國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對其認(rèn)可度等仍有很多的不足。

2 技術(shù)短板與發(fā)展展望

2.1 貫入能力

目前國內(nèi)的海床CPT 設(shè)備的測試深度不大于10m時，不小于50kN；測試深度大于10m 時，不大于100kN。海床下的地質(zhì)構(gòu)造錯綜復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)礫石、基巖等抗錐尖阻力遠超過100kN 的地層，當(dāng)現(xiàn)場遇到這種情況將無法獲取該地層的CPT 數(shù)據(jù)，行業(yè)慣用的現(xiàn)場處理方法只能使用其他鉆探設(shè)備鉆穿硬質(zhì)地層，然后再次施放海床CPT設(shè)備繼續(xù)采集硬質(zhì)地層以下的地層數(shù)據(jù)，或者是放棄該井位的cpt 數(shù)據(jù)的采集。

因原位測試數(shù)據(jù)的后繼的樁基計算的地層數(shù)據(jù)連續(xù)性的需求，海床CPT 設(shè)備的貫入力應(yīng)進一步提高到能夠穿透礫石、基巖，這就需要更大的液壓能量為CPT 探頭的錐尖提供不低于900kN 的向下壓力，同時也要求CPT 探頭的錐尖的材質(zhì)和抗阻力量程要有相應(yīng)的提高。

2.2 貫入方式

目前國內(nèi)的海床CPT 設(shè)備只采用沿著垂直于海平面向下的方向，借助液壓或電機驅(qū)動的動力貫入，系上世紀(jì)80年代歐美的早期技術(shù)。這種貫入方式嚴(yán)重依賴于貫入探桿，在作業(yè)中要求把一根根1m 長的探桿借助自鎖緊螺紋扣相互禁錮連接，組合成一個一個長8-40m 的連續(xù)的貫入探桿，并且嚴(yán)格要求探桿在入水前固定禁錮連接，如圖1 所示。

圖1 海床CPT 的貫入結(jié)構(gòu)

如此的龐然大物在海洋工程勘探船上進行收放要求有配套的收放裝置，一般采用使用探桿塔架的方式，如圖2所示。

圖2 探桿塔架

探桿塔架一方面作為CPT 探桿支撐結(jié)構(gòu)的起重載體，同時也作為拆裝CPT 探桿支撐結(jié)構(gòu)本身、拆裝CPT 探桿的操作平臺，因其體積、重量大巨大，對搭載船舶的重心影響很大，導(dǎo)致海床CPT 作業(yè)容易受海面天氣的影響，一般只能在5 級海況以內(nèi)安全作業(yè)。

這種傳統(tǒng)的貫入方式要求作業(yè)期間必須保證CPT 探頭的數(shù)據(jù)電纜穿入在探桿內(nèi)部，探桿既作為貫入摩擦力的載體，同時也作為CPT 探頭數(shù)據(jù)電纜的護管。設(shè)備的操作規(guī)程較為復(fù)雜，需要大量的人力支持，整體作業(yè)效率不高，并且作業(yè)風(fēng)險較高。

另外因該貫入方式的水下硬件結(jié)構(gòu)的探桿部分中心較高，必然要求底部的配種裙板要有足夠的重量才能降低水下設(shè)備結(jié)構(gòu)的整體重心，這也就導(dǎo)致了水下設(shè)備總體質(zhì)量較大，容易在坡度較大（傾斜角度超過4 度）的海床面上發(fā)生側(cè)滑，這也是海床CPT 的探桿頻發(fā)彎曲折斷的原因。

鑒于傳統(tǒng)的CPT 貫入方式會帶來諸多不變和安全風(fēng)險，目前國外的海床CPT 設(shè)備設(shè)備廠家一直在積極研究創(chuàng)新，積極探索一種設(shè)備本身簡單輕便、作業(yè)時又不嚴(yán)重影響船舶重心，同時能夠高效安全地進行作業(yè)的貫入方式，目前國外已經(jīng)基本上淘汰了通過適用CPT 探桿塔架的支撐結(jié)構(gòu)，而是改用了水下絞車裝載CPT 探桿的貫入方式將CPT 探桿緊密地固定裝在在水下CPT 絞車上，從而不再需要動輒數(shù)十米高的CPT 探桿支撐架，大大降低了CPT 探桿支撐結(jié)構(gòu)的重心，收放CPT 探桿不再使用人工調(diào)整螺紋扣，也沒有了必須在CPT 探桿下水前固定禁錮到位的要求，CPT 探桿的所有收放作業(yè)完全由絞車替代，如圖3 所示，絞車可以按照預(yù)定的程序或者水面的實時控制指令快速地進行CPT 探桿的收放，所有機械動作由絞車的機械手完成，每個動作精準(zhǔn)、高效。

圖3 水下絞車

國外水下CPT 絞車的應(yīng)用使得在進行海床CPT 作業(yè)時對海床的坡度要求大大降低，在同等的坡度角的海床上，發(fā)生側(cè)滑的概率大幅降低，從根本上保障了水下設(shè)備的安全。同時也不再需要笨重的CPT 探桿塔架，提高了搭載船舶本身的安全，對海面天氣的要求也沒有傳統(tǒng)的貫入方式苛刻。

目前國內(nèi)海床CPT 設(shè)備的貫入方式與國外相比相差大相徑庭，這一短板主要源自國內(nèi)CPT 設(shè)備廠家一味習(xí)慣于模仿國外的技術(shù)，但并未抓到真正的精髓，缺乏自主只是產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新。這一短板嚴(yán)重制約了國內(nèi)海床CPT 的裝備技術(shù)水平，應(yīng)成為主要追趕的短板，加大在貫入方式的創(chuàng)新和研發(fā)投入，征集機電行業(yè)的優(yōu)質(zhì)的技術(shù)人才力量重點公關(guān)，有望在5-10 年內(nèi)趕超國際一流水平。

2.3 CPT 探頭

2.3.1 抗屈服強度

國內(nèi)的CPT 探頭中的國產(chǎn)的CPT 探頭相比，其外形、功能、數(shù)據(jù)采集能力與進口的CPT 探頭幾乎一致，如圖4所示。但是錐尖的抗屈服強度差異較大，目前業(yè)內(nèi)普遍使用10 平方毫米的CPT 探頭，進口CPT 探頭可以承受不低于100kN 的貫入力，國產(chǎn)的CPT 探頭則需要使用15 平方毫米的探頭才能承受如此大的壓力。主要是因為CPT 探頭的錐尖的材質(zhì)技術(shù)的差距，這一短板在海床CPT、陸地鉆孔CPT 等機電類產(chǎn)品中普遍存在。

圖4 CPT 探頭

2.3.2 供電、通訊方式

國內(nèi)的CPT 探頭基本都需要配備外接供電、通訊用的接頭，接頭本身有著嚴(yán)格的水密要求，其制作工藝相當(dāng)復(fù)雜，一旦密封老化失效，海水將直接接觸供電電路，容易引起電氣故障。且在設(shè)備作業(yè)中因每個回次都需要將CPT探頭投入真空泵內(nèi)反復(fù)抽真空，這就導(dǎo)致必然會反復(fù)插拔接頭，容易出現(xiàn)接頭的磨損、損壞。同時還有與CPT 探頭的接頭對應(yīng)的數(shù)據(jù)電纜上的接頭也存在著同樣的問題，一旦接頭故障，將導(dǎo)致探頭、探頭數(shù)據(jù)電纜無法使用，相關(guān)的維護成本較高。

國外最新的CPT 探頭的已設(shè)計成內(nèi)置鋰電池，不再需要外部電源供電。數(shù)據(jù)通訊已大量采用藍牙、WIFI 等無線通訊技術(shù)，無需數(shù)據(jù)通訊接頭、數(shù)據(jù)電纜，從有纜到無纜，將CPT 探頭和數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)接口硬件簡化，這使得操作更加便捷高效，避免了繁瑣的反復(fù)插拔接頭的工作，無形中大幅提了作業(yè)效率，同時也徹底甩掉因接頭、數(shù)據(jù)電纜的固定消耗所帶來的成本。

無線CPT 探頭非常巧妙地集成了成熟的鋰電池技術(shù)和無線通訊技術(shù)，這更多的不是源自技術(shù)，而更應(yīng)該感謝其巧妙的技術(shù)架構(gòu)設(shè)計，是非常值得學(xué)習(xí)和借鑒的設(shè)計思維。

2.4 收方方式

海床CPT 設(shè)備的水下部分的體積重量都比較大，必然要求配備相應(yīng)的具有足夠載荷能力的起重設(shè)備用于收放。

國內(nèi)的海床CPT 的水下貫入單元與水面上的控制單元都采用有纜方式，如圖5 所示，吊車用于收放起重水下貫入單元的鋼絲繩，臍帶電纜絞車用于收放通訊臍帶電纜。

圖5 收放設(shè)備

此種收放方式要求起重鋼絲繩與通訊臍帶電纜必須同步收放，否則容易出現(xiàn)臍帶電纜拉斷或者纏繞起重鋼絲繩的問題，水下單元的起重設(shè)備與臍帶電纜絞車的的同步要求很高。

國外目前最先進的海床CPT 因其采用無纜的CPT 探頭進行貫入，無需臍帶電纜提供電力或通訊支持，所以整套設(shè)備結(jié)構(gòu)組成中減少了臍帶電纜和配套的絞車，水下單元的收放只需要鋼絲繩起重絞車單獨運行即可正常完成，在簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)的同時，大幅降低了設(shè)備投資成本，也降低了設(shè)備的操作難度和風(fēng)險。

2.5 最大工作水深

目前國內(nèi)的海床CPT 設(shè)備的最大工作水深：3000m。

我國領(lǐng)海的最大水深超過3000，目前的技術(shù)短板嚴(yán)重限制了海床CPT 設(shè)備的工作區(qū)域，成為我國的深水開發(fā)戰(zhàn)略的技術(shù)瓶頸。

國外的海床CPT 設(shè)備的最大工作水深早已突破6000m，但是對中國實行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖和出口限制。

密封工藝：進口海床CPT 設(shè)備的廠家，如：A.P. van den Berg Ingenieursbur、Geomil Equipment 等 公 司 的 海 床CPT 的深水耐壓艙都是用僅有1 道密封圈的密封工藝，而國內(nèi)的水下密封艙目前主要使用多道密封圈的密封工藝。

材質(zhì)：進口海床CPT 設(shè)備深水耐壓艙主要使用高強度鋁合金材質(zhì)，抗屈服強度遠高于國內(nèi)的同等體積和壁厚的耐壓艙，而且質(zhì)量小很多。

要采集到超過3000m 水深的海床CPT 數(shù)據(jù)，就要求有相應(yīng)的能夠承受不低于30MPa 海水壓力的水下密封艙，特別是對水下液壓系統(tǒng)的密封件、壓力補償系統(tǒng)的抗水壓能力要求都要有相應(yīng)的提高。

2.6 設(shè)備搭載能力

目前國內(nèi)的海床CPT 設(shè)備主要搭載標(biāo)配的CPT 探頭、十字剪切裝置，除此之外還有水下攝像設(shè)備、水深傳感器等附帶的搭載設(shè)備，這些附帶的搭載設(shè)備豐富了海床CPT 設(shè)備的數(shù)據(jù)采集能力，但海床下的地質(zhì)數(shù)據(jù)關(guān)系甚微，且數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量相較于專業(yè)的ROV 搭載的水下設(shè)備，因海床CPT 的水下單元與海床相對固定，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)范圍非常有限，存在采集的數(shù)據(jù)范圍、質(zhì)量不高。

鑒于海床CPT 設(shè)備本身主要用于勘察海底地質(zhì)，其設(shè)備原理主要是通過對機械能、液壓能、電能等的能量轉(zhuǎn)化來最終采集海床下地質(zhì)地層數(shù)據(jù)。目前國內(nèi)的海床CPT設(shè)備存在著熱衷于其他小型的傳感器的傾向，偏離了地質(zhì)設(shè)備的主要功能和業(yè)務(wù)，其設(shè)備搭載應(yīng)用應(yīng)主要圍繞采集海床下地質(zhì)地層數(shù)據(jù)進行深入開發(fā)。

針對對海床下地質(zhì)地層數(shù)據(jù)的主要勘察手段為使用聲學(xué)設(shè)備，如淺地層剖面儀等，因該類設(shè)備的聲學(xué)頻率、波長等參數(shù)經(jīng)過針對性的調(diào)校，普遍可以采集到優(yōu)質(zhì)的地質(zhì)地層數(shù)據(jù)，目前主要搭載在AUV、ROV 上，根調(diào)研，國外的CPT 設(shè)備廠家正在研發(fā)能夠搭載該類聲學(xué)設(shè)備的新產(chǎn)品，一旦技術(shù)有所突破，將能夠彌補海床CPT 設(shè)備對地層勘察的原理方法單一短板，同時能夠大幅提升海床CPT 設(shè)備的地質(zhì)地層數(shù)據(jù)采集能力。

3 結(jié)語

國內(nèi)海床CPT 設(shè)備在風(fēng)電市場開發(fā)的腳步不斷提速的大背景下，對該類設(shè)備技術(shù)功能進一步的提高的呼聲日益高漲，通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新，在不久的將來下一代的新型海床CPT 設(shè)備將能夠突破技術(shù)封鎖，能夠完全滿足海洋工程勘察的全面需求。