浅谈国内海床CPT 装备的短板与发展展望

2022-02-21梁春江LIANGChunjiang

价值工程 2022年4期

关键词：探杆海床绞车

梁春江LIANG Chun-jiang

（中海油田服务股份有限公司，天津 300457）

0 引言

中国电力发电量逐年增加，2020 年中国电力发电量为77790.6 亿千瓦小时，同比增长3.7%，其中绝大部分依靠煤炭火力发电。尽快大力推进海上风电项目，有利于提升绿色能源在我国的占比，缓解煤炭这种不可再生资源日益枯竭资源现状。

海上风电项目开发的难点一直萦绕在海床CPT 设备上，该设备主要用于风电桩基的海床一下的地质勘察，只有采集到准确的CPT 数据，才能为后继的桩基计算提供可靠的数据。

1 装备现状

我国目前主要应用荷兰 A.P. van den Berg Ingenieursburo bv 公司的钻孔CPT、海床CPT。进口设备的数据采集成果满足相关国际标准规范的要求，设备本身运行稳定。建在海床上的建筑物越来越多，水深也不断增加。所以海底土体勘察设备也要求应对深水作业的环境。荷兰范登堡公司有着几十年研发设计、和生产海洋CPT 设备的经验。Roson 系列海床CPT 是得益于这一经验所研发的深海床CPT 设备。这套钻孔CPT 设备能够在水深10-3000m（加上钻井深度）进行工作。

目前已经成为国内和国际海洋工程勘察行业的普遍认可的优质装备，国产众多厂家技术水平虽有所进步，但是在装备的测量精度、稳定性、国际工业标准规范对其认可度等仍有很多的不足。

2 技术短板与发展展望

2.1 贯入能力

目前国内的海床CPT 设备的测试深度不大于10m时，不小于50kN；测试深度大于10m 时，不大于100kN。海床下的地质构造错综复杂，经常出现砾石、基岩等抗锥尖阻力远超过100kN 的地层，当现场遇到这种情况将无法获取该地层的CPT 数据，行业惯用的现场处理方法只能使用其他钻探设备钻穿硬质地层，然后再次施放海床CPT设备继续采集硬质地层以下的地层数据，或者是放弃该井位的cpt 数据的采集。

因原位测试数据的后继的桩基计算的地层数据连续性的需求，海床CPT 设备的贯入力应进一步提高到能够穿透砾石、基岩，这就需要更大的液压能量为CPT 探头的锥尖提供不低于900kN 的向下压力，同时也要求CPT 探头的锥尖的材质和抗阻力量程要有相应的提高。

2.2 贯入方式

目前国内的海床CPT 设备只采用沿着垂直于海平面向下的方向，借助液压或电机驱动的动力贯入，系上世纪80年代欧美的早期技术。这种贯入方式严重依赖于贯入探杆，在作业中要求把一根根1m 长的探杆借助自锁紧螺纹扣相互禁锢连接，组合成一个一个长8-40m 的连续的贯入探杆，并且严格要求探杆在入水前固定禁锢连接，如图1 所示。

图1 海床CPT 的贯入结构

如此的庞然大物在海洋工程勘探船上进行收放要求有配套的收放装置，一般采用使用探杆塔架的方式，如图2所示。

图2 探杆塔架

探杆塔架一方面作为CPT 探杆支撑结构的起重载体，同时也作为拆装CPT 探杆支撑结构本身、拆装CPT 探杆的操作平台，因其体积、重量大巨大，对搭载船舶的重心影响很大，导致海床CPT 作业容易受海面天气的影响，一般只能在5 级海况以内安全作业。

这种传统的贯入方式要求作业期间必须保证CPT 探头的数据电缆穿入在探杆内部，探杆既作为贯入摩擦力的载体，同时也作为CPT 探头数据电缆的护管。设备的操作规程较为复杂，需要大量的人力支持，整体作业效率不高，并且作业风险较高。

另外因该贯入方式的水下硬件结构的探杆部分中心较高，必然要求底部的配种裙板要有足够的重量才能降低水下设备结构的整体重心，这也就导致了水下设备总体质量较大，容易在坡度较大（倾斜角度超过4 度）的海床面上发生侧滑，这也是海床CPT 的探杆频发弯曲折断的原因。

鉴于传统的CPT 贯入方式会带来诸多不变和安全风险，目前国外的海床CPT 设备设备厂家一直在积极研究创新，积极探索一种设备本身简单轻便、作业时又不严重影响船舶重心，同时能够高效安全地进行作业的贯入方式，目前国外已经基本上淘汰了通过适用CPT 探杆塔架的支撑结构，而是改用了水下绞车装载CPT 探杆的贯入方式将CPT 探杆紧密地固定装在在水下CPT 绞车上，从而不再需要动辄数十米高的CPT 探杆支撑架，大大降低了CPT 探杆支撑结构的重心，收放CPT 探杆不再使用人工调整螺纹扣，也没有了必须在CPT 探杆下水前固定禁锢到位的要求，CPT 探杆的所有收放作业完全由绞车替代，如图3 所示，绞车可以按照预定的程序或者水面的实时控制指令快速地进行CPT 探杆的收放，所有机械动作由绞车的机械手完成，每个动作精准、高效。

图3 水下绞车

国外水下CPT 绞车的应用使得在进行海床CPT 作业时对海床的坡度要求大大降低，在同等的坡度角的海床上，发生侧滑的概率大幅降低，从根本上保障了水下设备的安全。同时也不再需要笨重的CPT 探杆塔架，提高了搭载船舶本身的安全，对海面天气的要求也没有传统的贯入方式苛刻。

目前国内海床CPT 设备的贯入方式与国外相比相差大相径庭，这一短板主要源自国内CPT 设备厂家一味习惯于模仿国外的技术，但并未抓到真正的精髓，缺乏自主只是产权的创新。这一短板严重制约了国内海床CPT 的装备技术水平，应成为主要追赶的短板，加大在贯入方式的创新和研发投入，征集机电行业的优质的技术人才力量重点公关，有望在5-10 年内赶超国际一流水平。

2.3 CPT 探头

2.3.1 抗屈服强度

国内的CPT 探头中的国产的CPT 探头相比，其外形、功能、数据采集能力与进口的CPT 探头几乎一致，如图4所示。但是锥尖的抗屈服强度差异较大，目前业内普遍使用10 平方毫米的CPT 探头，进口CPT 探头可以承受不低于100kN 的贯入力，国产的CPT 探头则需要使用15 平方毫米的探头才能承受如此大的压力。主要是因为CPT 探头的锥尖的材质技术的差距，这一短板在海床CPT、陆地钻孔CPT 等机电类产品中普遍存在。

图4 CPT 探头

2.3.2 供电、通讯方式

国内的CPT 探头基本都需要配备外接供电、通讯用的接头，接头本身有着严格的水密要求，其制作工艺相当复杂，一旦密封老化失效，海水将直接接触供电电路，容易引起电气故障。且在设备作业中因每个回次都需要将CPT探头投入真空泵内反复抽真空，这就导致必然会反复插拔接头，容易出现接头的磨损、损坏。同时还有与CPT 探头的接头对应的数据电缆上的接头也存在着同样的问题，一旦接头故障，将导致探头、探头数据电缆无法使用，相关的维护成本较高。

国外最新的CPT 探头的已设计成内置锂电池，不再需要外部电源供电。数据通讯已大量采用蓝牙、WIFI 等无线通讯技术，无需数据通讯接头、数据电缆，从有缆到无缆，将CPT 探头和数据采集单元的数据接口硬件简化，这使得操作更加便捷高效，避免了繁琐的反复插拔接头的工作，无形中大幅提了作业效率，同时也彻底甩掉因接头、数据电缆的固定消耗所带来的成本。

无线CPT 探头非常巧妙地集成了成熟的锂电池技术和无线通讯技术，这更多的不是源自技术，而更应该感谢其巧妙的技术架构设计，是非常值得学习和借鉴的设计思维。

2.4 收方方式

海床CPT 设备的水下部分的体积重量都比较大，必然要求配备相应的具有足够载荷能力的起重设备用于收放。

国内的海床CPT 的水下贯入单元与水面上的控制单元都采用有缆方式，如图5 所示，吊车用于收放起重水下贯入单元的钢丝绳，脐带电缆绞车用于收放通讯脐带电缆。

图5 收放设备

此种收放方式要求起重钢丝绳与通讯脐带电缆必须同步收放，否则容易出现脐带电缆拉断或者缠绕起重钢丝绳的问题，水下单元的起重设备与脐带电缆绞车的的同步要求很高。

国外目前最先进的海床CPT 因其采用无缆的CPT 探头进行贯入，无需脐带电缆提供电力或通讯支持，所以整套设备结构组成中减少了脐带电缆和配套的绞车，水下单元的收放只需要钢丝绳起重绞车单独运行即可正常完成，在简化设备结构的同时，大幅降低了设备投资成本，也降低了设备的操作难度和风险。

2.5 最大工作水深

目前国内的海床CPT 设备的最大工作水深：3000m。

我国领海的最大水深超过3000，目前的技术短板严重限制了海床CPT 设备的工作区域，成为我国的深水开发战略的技术瓶颈。

国外的海床CPT 设备的最大工作水深早已突破6000m，但是对中国实行严格的技术封锁和出口限制。

密封工艺：进口海床CPT 设备的厂家，如：A.P. van den Berg Ingenieursbur、Geomil Equipment 等公司的海床CPT 的深水耐压舱都是用仅有1 道密封圈的密封工艺，而国内的水下密封舱目前主要使用多道密封圈的密封工艺。

材质：进口海床CPT 设备深水耐压舱主要使用高强度铝合金材质，抗屈服强度远高于国内的同等体积和壁厚的耐压舱，而且质量小很多。

要采集到超过3000m 水深的海床CPT 数据，就要求有相应的能够承受不低于30MPa 海水压力的水下密封舱，特别是对水下液压系统的密封件、压力补偿系统的抗水压能力要求都要有相应的提高。

2.6 设备搭载能力

目前国内的海床CPT 设备主要搭载标配的CPT 探头、十字剪切装置，除此之外还有水下摄像设备、水深传感器等附带的搭载设备，这些附带的搭载设备丰富了海床CPT 设备的数据采集能力，但海床下的地质数据关系甚微，且数据采集的质量相较于专业的ROV 搭载的水下设备，因海床CPT 的水下单元与海床相对固定，导致采集的数据范围非常有限，存在采集的数据范围、质量不高。

鉴于海床CPT 设备本身主要用于勘察海底地质，其设备原理主要是通过对机械能、液压能、电能等的能量转化来最终采集海床下地质地层数据。目前国内的海床CPT设备存在着热衷于其他小型的传感器的倾向，偏离了地质设备的主要功能和业务，其设备搭载应用应主要围绕采集海床下地质地层数据进行深入开发。

针对对海床下地质地层数据的主要勘察手段为使用声学设备，如浅地层剖面仪等，因该类设备的声学频率、波长等参数经过针对性的调校，普遍可以采集到优质的地质地层数据，目前主要搭载在AUV、ROV 上，根调研，国外的CPT 设备厂家正在研发能够搭载该类声学设备的新产品，一旦技术有所突破，将能够弥补海床CPT 设备对地层勘察的原理方法单一短板，同时能够大幅提升海床CPT 设备的地质地层数据采集能力。