波浪补偿钻探设备在海洋岩土工程勘察中的应用

杨光 YANG Guang

（中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津 300459）

0 引言

钻孔取样是海洋地质勘察的重要技术手段，具有勘察结果可靠性高、成孔速度快的优点。但常规的钻探设备容易受到海洋环境的扰动，从而改变海底原状土。海浪补偿钻探设备利用液压技术或者配重砝码提高钻具的稳定性，能够有效降低环境干扰因素对钻探结果的影响程度，研究其在海洋岩土勘察中的应用效果能够促进相关技术的发展。

1 工程概况

国内某跨海大桥工程全长为55km，作业区域受到潮汐水流的影响，夏季退潮时潮汐表面流速可达到1.53m/s，冬季潮汐底层平均流速为1.05m/s。该地区秋冬季为东北季风，春夏季为东南季风，整体海况较差。在工程勘察阶段，为了提高探测结果的可靠性，决定采用海浪补偿分离式液压钻探设备，获取海床样本。在此次研究过程中，选取局部海域作为钻探区域，海底地层结构为覆盖层和岩石基层，海水深度在10～15m 之间，预计钻孔深度可达到40m。

2 波浪补偿钻探设备工作原理

2.1 设备结构组成

海浪补偿分离式液压钻机的动力模块由柴油机、液压泵、驱动装置和控制箱组成，塔架作为工作模块的主要载台，安装有滑轮和导轨，卷扬机与驱动装置相连接，由后者为卷扬机提供动力，通过钢丝绳控制动力头，钢丝绳经由导轨和定滑轮组，控制波浪补偿配重箱，进而调节动力头。

2.2 工作原理

在动力头两侧安装有导轨，导向钢丝绳通过导轨，上端连接在钻塔的液压杆上，下端连接至钻探平台。在回转作业中，先将导正钢丝绳下端调整至钻探平台的孔口位置，并且由液压杆向钢丝绳施加作用力，使钢丝绳达到紧绷状态，在这一情况下，动力头可保持稳定，不发生转动，钻机生成的扭矩将全部集中于钻具上[1]。动力头的位置可随着施工活动进行调整，以改变钻头的行程（如图1 所示）。

图1 波浪补偿钻探设备作业示意图

2.3 传感器和反馈系统

2.3.1姿态传感器

当设备发生角速度变化时，陀螺仪内部的转子会产生相应的角动量变化，通过检测这种变化，相关工作人员可以计算出设备的角速度。加速度计则是测量设备加速度的传感器，能够实时监测设备的加速度变化，并提供相应的数据信息，其计算公式为：

公式（1）中，θ 代表旋转角度，（x，y，z）代表旋转轴的坐标，通过四元数的计算，能够得到设备的姿态信息。陀螺仪和加速度计在设备姿态测量与控制方面的结合应用，可以实现对设备姿态的实时、高精度监测，保障工作人员对设备进行精准控制。实际工作中，通过实时监测设备的角速度以及加速度变化情况，计算设备的姿态信息，例如平台俯仰、横滚、偏航等数据。

2.3.2水动力学传感器

流速计通过探测水流的速度和方向，帮助工作人员实时了解水下环境的变化，从而更好地调整自身的姿态，保持稳定，流速计算公式为：

公式（2）中，V 代表流速，（u，v，w）代表水流在三个坐标轴上的分量。流速计通过检测这些分量，计算水流速度和方向。

此外，流速计还可以评估水流对平台的冲击力，为平台提供平衡姿态的参考依据。在复杂的水下环境中，平台需要具备动态姿态补偿功能。动态姿态补偿是根据水流情况实时调整平台姿态，确保钻探装置垂直进入地层。这样可以有效降低水流对平台的影响，提高作业的稳定性。

3 波浪补偿钻探设备在海洋岩土勘察中的应用效果

3.1 设备选型

在此次研究中，选用HD-600 型海洋工程钻机，该设备安装在专用的勘探船上，钻探系统的基本参数见表1。

表1 HD-600 型海洋工程钻机和配套系统设计参数

3.2 海浪补偿技术

3.2.1海浪的影响分析

从设备结构可知，海浪补偿钻探设备的载台为工程船，在涌流和海流的作用下，工程船的稳定性会受到一定的扰动，进而影响岩土工程勘察的钻孔施工活动。以工程船的横摇运动为例，其对海浪补偿控制系统的设计和研发都具有突出的影响，因为横摇运动对船体稳定性影响最为突出。

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①静水中的横摇分析。船舶在静水中也会产生横摇作用，这一过程与海浪中的横摇存在紧密的联系。当船体的摇摆周期非常小时，其摇摆频率较大，则船体的稳定性较差[2]。可见，提高摇摆周期的长度能够增加船体的稳定性。在工程实践中，通过设置配积的方式提高船体的稳定性。船舶横摇的固有周期越大，其稳定性就越高，固有周期的计算方法见式（3）。

式中：T0为船舶的固有摇摆周期；C 为代表船舶类型的系数，其取值范围通常在0.76～0.85 之间；B 为船舶的宽度；GM为船舶重心高度与浮心高度之间的垂直距离，从公式可知，GM越小，摇摆周期越大，船体稳定性越高。

②海浪中的横摇分析。当船舶在海洋中作业时，波浪的方向常常与船舶的航向存在一定的角度偏差，将该偏差值称为波舷角，记为φ。船舶与海浪存在速度差、方向差，二者做相对运动。当两个连续的波峰经过船体上的同一点时，消耗的时间称为波浪遭遇周期，记为τe。如果船舶的固有摇摆周期等于波浪遭遇周期，船体将产生协摇效应，其摇摆程度愈发剧烈。为了避免出现该问题，要求T0/τe的计算结果在区间（0，0.7）或者T0/τe≥1.3。参数τe的计算方法为式（4）。

式中：λ 为海浪的波长；u 为海浪的波速；vs为船舶的速度。根据以上原理，当工程船因为协摇效应而进入剧烈摇摆状态时，可通过改变航速或者航向来消除协摇[3]。

3.2.2海浪补偿的实现原理

HD-600 型海洋工程钻机属于海浪补偿钻探设备，设计有专门的海浪补偿装置，其补偿原理分为2 种，其一为重力式补偿，如海浪补偿配重箱；其二为液压补偿，两种补偿方式共同作用，由配重箱进行整体控制，液压补偿用于精细化的微调[4]。当钻具进行钻孔时，假设钻柱的总重量为Q，钻孔内的压力为W，海浪补偿装置的液压补偿应该与之保持平衡，数学描述方法如下。

式中：PL为液压补偿的压力；Ap为液压补偿装置中液压缸活塞的面积；参数Q=q×L，其中q 为准钻柱的单位长度重量，L 为钻柱的总长度。根据式（6）可推导出补偿压力PL的计算表达式，如式（6）。

如果采用海浪补偿配重箱+液压补偿的方式，可由配重箱分担一部分液压[5]。海浪补偿装置的主要功能是通过液压调节，提高钻具的稳定性。当船体发生摇摆时，该装置能够及时感知并计算出摇摆的幅度和频率。然后通过液压系统对钻具进行相应调节，使钻具能够跟随船体的摇摆进行自我调整，始终保持稳定的姿态。通过这种方式将船体摇摆对钻探作业的影响能降到最低，从而保证作业的顺利进行。

3.3 海浪补偿钻探设备工程勘察应用效果

3.3.1应用效果对比

①工程效率对比。针对目标钻探区域，分别采用传统钻机和HD-600 型海浪补偿钻机开展钻孔勘察作业，当钻孔深度均为60m 时，传统钻机耗时约为2d，而海浪补偿钻探设备总耗时仅为11.5h，显著地提高了勘察工作的效率[6]。在海洋钻探工作中，海浪补偿分离式钻机展现出了强大的优势。研究人员观察该类型钻机在实际工作中的表现，发现这款钻机的动力头具有较大的活动空间，这保证了钻头能够在各种复杂环境下进行钻探作业，提高钻探效率以及鲁棒性。在面对潮汐作用时，相关工作人员通过调节动力头的高度，有效地消除潮汐对钻探过程的影响，在很大程度上保证了钻探工作的连续性与稳定性，避免了因潮汐变化而导致钻探作业被迫中断。此外，搭载了海浪补偿技术是这款钻机的另一个优势。在海洋环境中，船体往往会受到海浪的推力，导致船体无法保持长时间的稳定，在这种恶劣的环境下，普通钻机的作业效果将大打折扣，而采用了海浪补偿技术的分离式钻机，却能够在这种环境下保持正常工作。当船体受到海浪扰动时，海浪补偿系统会自动进行调整，使钻机始终处于平稳的工作状态。这样不仅避免了因船体不稳而导致的钻探作业中断，还降低了因海浪扰动对钻探精度的影响。

②取样质量对比。钻探勘察的目的是获取海底一定深度内的岩土样本，再根据样本分析海底地质结构，从而为制定施工方案提供可靠的依据[7]。表2 为海浪补偿钻机与普通钻机对目标区域的取样结果，从数据可知，与常规钻探方法相比，海浪补偿钻探设备的取样质量大幅改善。按照从上到下的顺序，目标勘察区域的地层结构为淤泥质夹砂、淤泥质土、黏土、粉质黏土，各层无侧限抗压强度的提升幅度达到了26%～89%，三轴UU 抗剪强度的提升幅度达到了24%～74%。原因在于海浪补偿技术提高了钻具的稳定性，而常规钻具受到海浪及船体摇摆的影响，干扰了土层取样的稳定性，改变了原状土[8]。

表2 海浪补偿钻探设备与普通钻探设备的取样结果对比

3.3.2存在的问题

在实际应用过程中，发现海浪补偿分离式液压钻机存在一定的局限性，导致施工准备阶段需要花费较长的时间，问题表现如下。①海浪补偿装置操作繁琐困难。对于海浪补偿配重箱，钻具的重量随着钻柱长度的增加而不断变化，并且这种变化具有渐变的特点，而配重箱质量增加或者减小都呈现出跳跃性的特点，由此导致海浪补偿装置不易实现调平[9]。另外，当配重和动力头的重量存在差异时，动力头会突然下降或者升高，增加了设备的安全风险。对于液压补偿系统，其对人工操作降低了要求，主要由装置根据重力变化自行调节[10]。但液压系统调节存在滞后性，此时，虽然采取了海浪补偿措施，但仍然会扰动土层。②钻机安装时间较长。海浪补偿分离式液压钻机重量大、结构复杂、组件较多，在安装时需要较大的工程载体，其安装时间通常在7d 左右。而普通钻机重量轻，结构较为简单，因而安装时间更短[11]。

3.3.3改进措施

①针对海浪补偿装置的改进措施。从海浪补偿装置操作困难的分析过程可知，无论是液压补偿，还是海浪补偿配重箱，其调平过程都较为困难[12]。建议针对钻具设置一个电子称重系统，实时掌握钻具的重量变化，再根据钻具重量的测量结果，设置配重或者液压系统的压力，从而实现精准调平[13]。另外，海浪补偿配重箱需要以人工方式设置砝码，从而改变配重的质量，为了降低配重的跳跃性，可增加质量较小的小砝码，以提高灵活性[14]。②其他改进措施。海浪补偿分离式液压钻机主要依靠电控系统进行控制，因而设计有较多的电子元件，海上环境较为复杂，存在一定的进水风险，因此，应该提高操作平台的密封性，防止降雨、风浪导致电子元器件进水、短路[15]。

4 研究结论

①海浪补偿钻探设备能够通过海底钻孔活动采集地质样本，再通过分析样本，掌握海底的地层结构、地层厚度，为海上工程项目提供可靠的地质资料信息。②与常规的钻机相比较，海浪补偿钻探设备能够显著提高钻孔效率，从2 天压缩至11.5 小时左右，其采样质量也明显高于普通钻机，尤其是在无侧限抗压强度、三轴UU 抗剪强度等力学指标上。根本原因在于海浪补偿技术提高了钻具的稳定性，避免环境扰动对采样质量的影响。③海浪补偿钻探设备通过液压方式或者配重方式进行补偿，但两种方式的调平都较为困难，可通过设置电子称量装置，实时检测钻具重量，为配重设计或者液压控制提供量化的依据。④海浪补偿钻探设备需要安装在吨位较大的工程船上，船体受到海浪的干扰，容易出现横摇、纵摇、协摇，影响了钻探设备的稳定性。采取海浪补偿措施后，可在较大程度上降低以上干扰因素的影响程度。

5 结语

在海洋岩土工程勘察中，常规的钻探设备会受到海浪和船体摇摆的干扰，导致钻探过程经常中断，采样质量也相对较低。海浪补偿钻探设备为钻具设置了液压补偿或者配重砝码，当设备进入工作状态后，通过补偿措施，提高钻具的稳定性，其采样过程对海底原状土的改变程度较小，因而勘察结果更为可靠。针对海浪补偿装置不易实现调平的问题，可增设电子称量装置，为补偿措施提供量化依据。