海上风电勘探装备研发与应用

2021-09-25许启云牛美峰

钻探工程 2021年9期

许启云，牛美峰

（浙江华东建设工程有限公司，浙江杭州310014）

0 引言

海上拥有丰富的风能资源，且不占用宝贵的土地，具有可开发的资源储量和未来市场空间十分巨大等独特优势。近几年来，全球海上风电发展较快，新增装机年均增长率达31%以上。截至2015年全球海上风电新增装机容量339.2万kW，累计装机容量为1214.1万kW。其中德国新增装机容量228.2万kW、英国新增装机容量56.6万kW，紧随其后的是中国和荷兰。我公司自2005年涉及海上风电勘察以来，初始采取水电江河水上钻探的经验，采用漂浮式平台钻探获取的土试样，经室内土工试验获得的物理力学指标成果，与发达的欧美国家采取静探为主的勘探技术相比较，成果质量明显处于劣势。为了提升海上勘察成果质量，我公司于2014年初，自筹资金建造了适用于潮间带、潮下带，以及水深15 m以浅的海域的自升式勘探平台［1-2］——“华东院1号”，并于2014年10月中旬在江苏响水燕尾港正式下水投入使用。

由于“华东院1号”平台主要适用于15 m水深的近岸和浅水区，15 m以上水深的其他海上钻探，仍依赖传统浮漂式勘探船进行作业。为进一步解决我公司海洋勘察业务在战略定位、技术手段、勘察装备、技术人才、内部管理等方面存在的问题，改善和提高海上作业人员的生活环境和安全性，公司于2016年开始调研，2017年通过中电建物资采购平台公开招标建造，为海上风电勘察量身定做了2艘实用性强、利用率高、功能齐全的35 m水深自升式勘探平台［3-6］，该平台于2018年3月正式投入运营。

1 平台运维功能设计

为了使平台运行维护成本可控，并与市场承接的海上风电钻探单价相匹配，同时，平台应具有勘探、静探、土工试验、生活居住集一体的功能。对平台的总体设计思路：一是把自升式平台设计成非自航式钢质结构，以降低平台运维人员的费用［7-8］；二是平台所需设备动力与勘探设备动力相整合，以降低钻探设备的油料消耗；三是从海上钻探作业装备和人员安全考虑，新建平台按水深35 m工况下，满足7级抗风能力，或在水深20 m工况下，能满足11级风自存能力进行设计［9-12］。

1.1 平台主要技术参数

表1 、图1为自升式平台主要参数及原型照片。

表1 自升式平台主要参数Table 1 Main parameters of the jack-up platform

图1 35 m水深自升式勘探平台Fig.1 Self-elevating exploration platform for 35m water depth

1.2 平台升降操控系统

以往的浮动式平台，每月海上可钻探作业时间在10 d左右，采用桩腿式升降平台以后，可工作天数增加到15 d以上。为了多完成钻孔，就必须充分利用好有效的工作天数。

国内现有的桩腿式升降平台可分为插销式升降系统和齿轮齿条式升降系统。而海上钻探受风浪潮诸多因素的影响，能否利用好有效的工作时间，将会直接影响钻探的工效。为此，经过对2种升降系统分别从额定升降速度、桩腿影响、操作难易程度、价格和交货期间、设备寿命、固桩室的设置等综合对比，在总造价费用增加不多、齿轮齿条式升降系统速度为36～72 m/h、而插销式升降系统速度为12～18 m/h的情况下，选择齿轮齿条式升降系统优势明显。

齿轮齿条升降系统主要由升降机构和升降电控系统组成，其中平台升降系统还增设了多个安全预警系统，如大角度倾斜报警系统、故障实时显示与查询系统、操作备用系统等，确保了平台使用的安全性和稳定性，实现了智能化操作目标。

平台升降电控系统主要由动力系统、遥控系统和安保系统3部分组成。动力系统负责为整个平台液压升降系统提供动力电源。控制系统提供液压升降系统的动力电机和液压系统的控制。安保系统是整个设备的信息管理中心，并提供整个装置的安全保护。

总之，整套升降系统，集数字化、自动化、智能化为一体，实现了桩腿的精准控制，从而大大降低了作业强度，改善了作业环境。

2 平台勘探区域布置

2.1 勘探场区设置

当前国内海上软土地基以单桩基础和群桩墩台基础为主，也就是海上风电桩塔要打入地基一定深度，且要在满足基础沉降要求的土层。同时，桩的入土长度又能满足约束桩水平位移的要求。如单桩风机，往往需要结合水下地层地貌等情况，布置2个钻孔；如果采取群桩墩台基础，就需要结合地层地貌布置2～3个钻孔。

因此为了充分利用平台甲板的有效空间，在长宽29 m×12 m面积中规划出18 m×12 m的勘探工作场区，并在适当部位布设2个1 m×1 m月池，供钻孔取样和静力触探双孔作业［13-14］，来提升勘察报告的成果资料。图2为双孔机位布设的勘探作业场景。

图2 平台双机位布置结构Fig.2 Layout of the two drilling slots on the platform

2.2 平台土工试验室

为了确保海上钻孔获得的土工试样的质量，保持试样的天然湿度，防止水分流失和运输途中的扰动，使取样质量等级满足岩土体物理力学性质试验的要求，在自升式平台上专门设置了用于常规土工试验的试验室。该试验室测试项目：含水率、密度、液限、塑限、直剪、三轴压缩等，确保了土力学试验的准确性。平台土工试验室如图3所示。

图3 平台土工试验室Fig.3 Platform geotechnical laboratory

2.3 其它功能设置［15］

（1）为解决平台钻探器具的吊装，专门在平台甲板上配置了5 t＠10 m克令吊。

（2）通过大扬程软管绞车，直接从海里取水，以满足平台钻进用水。

（3）利用平台74 kW应急发电机，来承担白天2台套勘探设备钻探作业时的动力用电。

3 平台实践应用

两艘平台自2018年3月正式投入运营以来，2018在浙江东部沿海经历了8号台风（摩羯）、10号台风（安比）、12号台风（云雀）、14号台风（玛莉亚）等多个台风的考验，经受住了最高12级台风的袭击和在舟山海域桩腿入泥超过10 m深度的考验。截至2020年5月，2艘平台在浙江、江苏、广东、山东等20余个水深10～33 m之间、孔深在40～120 m之间的海上风电勘察项目中应用。共完成静力触探钻探孔432个，取样钻孔157个，与浮动式勘探平台相比较，平台工作自持力得到明显提高，每月无效工作天数明显减少，平台的双机位设计，若按50%工效提升估算，相当于以往1艘自升式平台1年的完成工作量，其功效提高优势明显。

综上所述，当前投入使用的2艘35 m水深海上勘探平台，事先通过了精心的规划设计，使平台具有集科学钻探、工程勘探、地质调查、原位测试、土工试验于一体的功能，从而保障了海上勘探质量和安全，改善了作业人员工作生活环境，在海洋勘探装备的创新性、先进性和海洋勘探技术等方面，在同行业中均达到了国内领先的地位。