波浪補償鉆探設備在海洋巖土工程勘察中的應用

楊光 YANG Guang

（中海油田服務股份有限公司物探事業部，天津 300459）

0 引言

鉆孔取樣是海洋地質勘察的重要技術手段，具有勘察結果可靠性高、成孔速度快的優點。但常規的鉆探設備容易受到海洋環境的擾動，從而改變海底原狀土。海浪補償鉆探設備利用液壓技術或者配重砝碼提高鉆具的穩定性，能夠有效降低環境干擾因素對鉆探結果的影響程度，研究其在海洋巖土勘察中的應用效果能夠促進相關技術的發展。

1 工程概況

國內某跨海大橋工程全長為55km，作業區域受到潮汐水流的影響，夏季退潮時潮汐表面流速可達到1.53m/s，冬季潮汐底層平均流速為1.05m/s。該地區秋冬季為東北季風，春夏季為東南季風，整體海況較差。在工程勘察階段，為了提高探測結果的可靠性，決定采用海浪補償分離式液壓鉆探設備，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域，海底地層結構為覆蓋層和巖石基層，海水深度在10～15m 之間，預計鉆孔深度可達到40m。

2 波浪補償鉆探設備工作原理

2.1 設備結構組成

海浪補償分離式液壓鉆機的動力模塊由柴油機、液壓泵、驅動裝置和控制箱組成，塔架作為工作模塊的主要載臺，安裝有滑輪和導軌，卷揚機與驅動裝置相連接，由后者為卷揚機提供動力，通過鋼絲繩控制動力頭，鋼絲繩經由導軌和定滑輪組，控制波浪補償配重箱，進而調節動力頭。

2.2 工作原理

在動力頭兩側安裝有導軌，導向鋼絲繩通過導軌，上端連接在鉆塔的液壓桿上，下端連接至鉆探平臺。在回轉作業中，先將導正鋼絲繩下端調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，使鋼絲繩達到緊繃狀態，在這一情況下，動力頭可保持穩定，不發生轉動，鉆機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行調整，以改變鉆頭的行程（如圖1 所示）。

圖1 波浪補償鉆探設備作業示意圖

2.3 傳感器和反饋系統

2.3.1姿態傳感器

當設備發生角速度變化時，陀螺儀內部的轉子會產生相應的角動量變化，通過檢測這種變化，相關工作人員可以計算出設備的角速度。加速度計則是測量設備加速度的傳感器，能夠實時監測設備的加速度變化，并提供相應的數據信息，其計算公式為：

公式（1）中，θ 代表旋轉角度，（x，y，z）代表旋轉軸的坐標，通過四元數的計算，能夠得到設備的姿態信息。陀螺儀和加速度計在設備姿態測量與控制方面的結合應用，可以實現對設備姿態的實時、高精度監測，保障工作人員對設備進行精準控制。實際工作中，通過實時監測設備的角速度以及加速度變化情況，計算設備的姿態信息，例如平臺俯仰、橫滾、偏航等數據。

2.3.2水動力學傳感器

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境的變化，從而更好地調整自身的姿態，保持穩定，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的參考依據。在復雜的水下環境中，平臺需要具備動態姿態補償功能。動態姿態補償是根據水流情況實時調整平臺姿態，確保鉆探裝置垂直進入地層。這樣可以有效降低水流對平臺的影響，提高作業的穩定性。

3 波浪補償鉆探設備在海洋巖土勘察中的應用效果

3.1 設備選型

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

表1 HD-600 型海洋工程鉆機和配套系統設計參數

3.2 海浪補償技術

3.2.1海浪的影響分析

從設備結構可知，海浪補償鉆探設備的載臺為工程船，在涌流和海流的作用下，工程船的穩定性會受到一定的擾動，進而影響巖土工程勘察的鉆孔施工活動。以工程船的橫搖運動為例，其對海浪補償控制系統的設計和研發都具有突出的影響，因為橫搖運動對船體穩定性影響最為突出。

為擴大本刊所載論文在國內外的學術影響，促進科技信息的廣泛交流，本刊已同意國內外有關檢索刊物、中國知網(CNKI)、萬方數據資源系統、中文科技期刊數據庫等摘引或轉載本刊所登論文。凡投寄我刊稿件，本刊將視為已許可上述出版物引用。本刊所付稿酬已包括上述出版物稿酬。

①靜水中的橫搖分析。船舶在靜水中也會產生橫搖作用，這一過程與海浪中的橫搖存在緊密的聯系。當船體的搖擺周期非常小時，其搖擺頻率較大，則船體的穩定性較差[2]。可見，提高搖擺周期的長度能夠增加船體的穩定性。在工程實踐中，通過設置配積的方式提高船體的穩定性。船舶橫搖的固有周期越大，其穩定性就越高，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，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，船體穩定性越高。

②海浪中的橫搖分析。當船舶在海洋中作業時，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，二者做相對運動。當兩個連續的波峰經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，船體將產生協搖效應，其搖擺程度愈發劇烈。為了避免出現該問題，要求T0/τe的計算結果在區間（0，0.7）或者T0/τe≥1.3。參數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。根據以上原理，當工程船因為協搖效應而進入劇烈搖擺狀態時，可通過改變航速或者航向來消除協搖[3]。

3.2.2海浪補償的實現原理

HD-600 型海洋工程鉆機屬于海浪補償鉆探設備，設計有專門的海浪補償裝置，其補償原理分為2 種，其一為重力式補償，如海浪補償配重箱；其二為液壓補償，兩種補償方式共同作用，由配重箱進行整體控制，液壓補償用于精細化的微調[4]。當鉆具進行鉆孔時，假設鉆柱的總重量為Q，鉆孔內的壓力為W，海浪補償裝置的液壓補償應該與之保持平衡，數學描述方法如下。

式中：PL為液壓補償的壓力；Ap為液壓補償裝置中液壓缸活塞的面積；參數Q=q×L，其中q 為準鉆柱的單位長度重量，L 為鉆柱的總長度。根據式（6）可推導出補償壓力PL的計算表達式，如式（6）。

如果采用海浪補償配重箱+液壓補償的方式，可由配重箱分擔一部分液壓[5]。海浪補償裝置的主要功能是通過液壓調節，提高鉆具的穩定性。當船體發生搖擺時，該裝置能夠及時感知并計算出搖擺的幅度和頻率。然后通過液壓系統對鉆具進行相應調節，使鉆具能夠跟隨船體的搖擺進行自我調整，始終保持穩定的姿態。通過這種方式將船體搖擺對鉆探作業的影響能降到最低，從而保證作業的順利進行。

3.3 海浪補償鉆探設備工程勘察應用效果

3.3.1應用效果對比

①工程效率對比。針對目標鉆探區域，分別采用傳統鉆機和HD-600 型海浪補償鉆機開展鉆孔勘察作業，當鉆孔深度均為60m 時，傳統鉆機耗時約為2d，而海浪補償鉆探設備總耗時僅為11.5h，顯著地提高了勘察工作的效率[6]。在海洋鉆探工作中，海浪補償分離式鉆機展現出了強大的優勢。研究人員觀察該類型鉆機在實際工作中的表現，發現這款鉆機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雜環境下進行鉆探作業，提高鉆探效率以及魯棒性。在面對潮汐作用時，相關工作人員通過調節動力頭的高度，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性與穩定性，避免了因潮汐變化而導致鉆探作業被迫中斷。此外，搭載了海浪補償技術是這款鉆機的另一個優勢。在海洋環境中，船體往往會受到海浪的推力，導致船體無法保持長時間的穩定，在這種惡劣的環境下，普通鉆機的作業效果將大打折扣，而采用了海浪補償技術的分離式鉆機，卻能夠在這種環境下保持正常工作。當船體受到海浪擾動時，海浪補償系統會自動進行調整，使鉆機始終處于平穩的工作狀態。這樣不僅避免了因船體不穩而導致的鉆探作業中斷，還降低了因海浪擾動對鉆探精度的影響。

②取樣質量對比。鉆探勘察的目的是獲取海底一定深度內的巖土樣本，再根據樣本分析海底地質結構，從而為制定施工方案提供可靠的依據[7]。表2 為海浪補償鉆機與普通鉆機對目標區域的取樣結果，從數據可知，與常規鉆探方法相比，海浪補償鉆探設備的取樣質量大幅改善。按照從上到下的順序，目標勘察區域的地層結構為淤泥質夾砂、淤泥質土、黏土、粉質黏土，各層無側限抗壓強度的提升幅度達到了26%～89%，三軸UU 抗剪強度的提升幅度達到了24%～74%。原因在于海浪補償技術提高了鉆具的穩定性，而常規鉆具受到海浪及船體搖擺的影響，干擾了土層取樣的穩定性，改變了原狀土[8]。

表2 海浪補償鉆探設備與普通鉆探設備的取樣結果對比

3.3.2存在的問題

在實際應用過程中，發現海浪補償分離式液壓鉆機存在一定的局限性，導致施工準備階段需要花費較長的時間，問題表現如下。①海浪補償裝置操作繁瑣困難。對于海浪補償配重箱，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，而配重箱質量增加或者減小都呈現出跳躍性的特點，由此導致海浪補償裝置不易實現調平[9]。另外，當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，增加了設備的安全風險。對于液壓補償系統，其對人工操作降低了要求，主要由裝置根據重力變化自行調節[10]。但液壓系統調節存在滯后性，此時，雖然采取了海浪補償措施，但仍然會擾動土層。②鉆機安裝時間較長。海浪補償分離式液壓鉆機重量大、結構復雜、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。而普通鉆機重量輕，結構較為簡單，因而安裝時間更短[11]。

3.3.3改進措施

①針對海浪補償裝置的改進措施。從海浪補償裝置操作困難的分析過程可知，無論是液壓補償，還是海浪補償配重箱，其調平過程都較為困難[12]。建議針對鉆具設置一個電子稱重系統，實時掌握鉆具的重量變化，再根據鉆具重量的測量結果，設置配重或者液壓系統的壓力，從而實現精準調平[13]。另外，海浪補償配重箱需要以人工方式設置砝碼，從而改變配重的質量，為了降低配重的跳躍性，可增加質量較小的小砝碼，以提高靈活性[14]。②其他改進措施。海浪補償分離式液壓鉆機主要依靠電控系統進行控制，因而設計有較多的電子元件，海上環境較為復雜，存在一定的進水風險，因此，應該提高操作平臺的密封性，防止降雨、風浪導致電子元器件進水、短路[15]。

4 研究結論

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

5 結語

在海洋巖土工程勘察中，常規的鉆探設備會受到海浪和船體搖擺的干擾，導致鉆探過程經常中斷，采樣質量也相對較低。海浪補償鉆探設備為鉆具設置了液壓補償或者配重砝碼，當設備進入工作狀態后，通過補償措施，提高鉆具的穩定性，其采樣過程對海底原狀土的改變程度較小，因而勘察結果更為可靠。針對海浪補償裝置不易實現調平的問題，可增設電子稱量裝置，為補償措施提供量化依據。