摘要：随着我国海洋开发和新能源建设投入力度的逐年增加，近海风电场勘察有逐年增长趋势。我公司参与近海风电场海上钻探项目，多地处江苏和浙江沿海，钻进过程中受到潮汐、涌浪、风浪、气候等因素影响，造成钻进困难、芯样扰动大、工效低、风险大等技术问题。经过多年实践和经验积累，公司在波浪补偿装置和取样器研发、适宜钻井液配置和钻探平台选择方面形成了较为成熟经验。本文结合在江苏和浙江沿海的工程实践，对海上钻探技术问题的解决思路和方法进行探讨，为类似工程实践提供借鉴。
关键词：近海风电场；海上钻探；钻探工艺；钻探平台；波浪补偿装置
引言
随着我国海洋开发和新能源建设投入力度的逐年增加，近海风电场勘察有逐年增长趋势。我公司从常规陆上钻探转到参与近海风电场海上钻探以来，因潮汐、涌浪、风浪、气候等因素影响，发生了一些孔内事故，积累了较多经验教训。近海海上钻探与陆地江河水上钻探有很大区别，存在受潮汐、涌浪、风浪、气候等因素的影响，钻进施工困难，且因平台浮动大，取原状芯样难度大，以及用海水配置泥浆无法达到护壁效果等一系列钻探技术问题。
1 近海风电场海上钻探难点
近海风电场海上钻探过程中，受潮汐、涌浪、风浪、气候等影响，钻探非常困难，具体存在以下难点：（1）受潮汐、涌浪、风浪、气候等影响，钻进过程中平台上下浮动和左右摆动，导致钻进操控困难，易发生折断钻杆的孔内事故和损坏钻探设备，钻探芯样扰动严重；（2）平台适用性难以把握。选择大吨位船舶固然安全，对钻探工作有利，但是租赁费用较大，而吨位小的无法确保钻探安全和质量，必须权衡安全可靠与经济适用的关系；（3）海洋底质具有流塑性，常规取样器无法满足取样要求。
2 海上钻探平台选择研究
2.1 潮间带海上钻探平台
潮间带地区，潮水涨潮和落潮时潮水流速和流向变化大，流速较快，对河床冲刷严重，搁浅作业的钻探平台底部容易被掏空，平台产生倾斜，造成施工困难。因此，对于一般底部非扁平的船体，不适用于潮间带区域。根据潮间带海域特点，改造了两艘专用于潮间带钻探的底部平坦的钻探平台，该平台体积较小，费用低，钻探效率高、平台稳定。
2.2 近海浮动式钻探平台
依据现行钻探规程规定，近海钻探用船搭建平台，其对船的选择应符合单船作业载重吨位不应小于200吨，双体船中每艘单船载重吨位不得小于50吨。
（1）双船平台
江苏沿海海域沙脊分布较多，海底地形变化大，钻探平台受其影响易导致搁浅，因此，对于吃水较深的船只不建议用于本区域钻探。根据对本区域海底地形条件和海况条件分析，结合江苏沿海船只特点，通过对两艘渔用船只进行拼装搭建，形成适用于本区域的海上风电场钻探平台。该平台具有适应风浪能力强、移动作业效率高的优点。
（2）单船平台
浙江沿海海岸岛屿众多，海岸线多为陡壁、悬崖、海岛等，且水深大，为移动式平台提供了良好的避风、停泊场地。海底底质多为淤泥、淤泥质土，其承载力低，液压自升式平台不能支撑，因此，只能采用浮动式平台。考虑到浙江沿海海域海洋水文气象等条件，平台较小时，易受到波浪、涌浪等影响，平台稳定性差。因此，钻探平台需足够大，以抵消波浪、涌浪的影响。根据对浙江工程船舶调研和实际应用，平台船舶吨位一般在200t已能完全满足实际需要。
2.3 自升式海上钻探平台
为了进一步提高钻探取芯质量，保障孔内试验精度，提升钻探对海洋湍流的适应能力，可选择移动自升式钻探船（平台）。该类型钻探船（平台）可从一个作业地点快速移动到另一个地点，具备四只可升降桩腿，作业时能把钻探船主体支撑到水平面以上的一定高度。该类平台有助于保障作业安全，提高钻探质量和工作效率和确保产品和试验质量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆具有以下优点：
（1）可改善钻探施工环境，解决了凶险水域无法进行水上钻探作业，以及水上钻探成果质量差、工作效率低、成本高、人员及设备事故频发等问题。取消了抛锚定位，杜绝了跑锚钻孔移位的现象，提高了工作效率。
（2）平台采用了管式龙骨结构设计和多片体设计技术，保障安全前提下，节约了材料，也利于组装建造和拆解运输。
（3）平台由桩腿支撑高出水面，从而降低了钻探受到的风浪、潮差、流速等因素的影响，并可以开展在浮动式钻探平台上无法实施的静力触探、十字板剪切等原位试验，并且钻探取芯质量得到提升。
2.4 海上钻探平台研究实践性成果
海上钻探所选平台首先应确保安全，在结合海域不同有针对性的进行平台选择，降低成本，并经经验积累，应满足如下要求：
（1）钻探平台应根据作业海域的水文气象条件、海底地形地貌、码头可以停靠的船只吨位以及地方海洋资源进行选择。
（2）结合已有的项目经验和实际情况，钻探船的选择应符合单船作业载重吨位不应小于200t，双体船中每艘单船载重吨位不得小于50t。
（3）浮动式海上钻探平台抛锚定位非常重要，应同时考虑潮流、风浪因素，以尽量减少对平台的影响。
3 波浪补偿设备引进和研制
3.1波浪补偿钻机引进及技术改进研究
为了降低潮汐、涌浪、风浪、气候等因素造成的平台浮动对海上钻探的影响，并适应20m以上较深水域作业或海底基岩钻进作业和取样需要，引进了海洋波浪补偿钻机，该钻机机体与动力头分离，驱动装置由柴油机、液压泵和控制箱组成，控制箱一端连接动力头，一端连接卷扬机。钻进压力通过动力头自重压力，不受潮汐变幅的影响。
为有效降低钻机本身的缺点，使海洋波浪补偿钻机更好适应海上风电场钻探作业，对钻机的性能进行了性能改进研究，重点对钻机动力头进行了改进。
海洋波浪补偿式钻机最大缺点是动力头重量单一，不能适用于海上地层多样化的特点。针对这个的问题，开展了一种结构简单、使用方便、重量可变的钻机动力头设计研究工作。
3.2 波浪补偿装置研制
为解决波浪和潮汐的影响，经过实践和试验研究，针对性的发明了一种不用加接或拆卸护孔套管的装置。其原理是通过内外套管组合，利用潮涨潮落的自然规律，把外套管深入海底土层中，内套管上端与平台固定，下端内套管为自由端，且套在外套管内径中，而形成自由伸缩的护孔套管装置。
护孔套管安装及工作原理：内套管上端通过管卡固定在钻探船平台钻孔孔口处，而下端内嵌到导向装置内自由端，外套管深入海底土层中，外护孔套管与内护孔套管之间的重叠长度大于3.0m。在涨潮时，钻探平台随着海水水位一起上升，此时内套管会向上延伸，而在落潮时，内部套管则会依靠自重收回到护孔套管内。如此反复自动调节，从而省去了人工加接或拆卸套管的工序，达到了波浪补偿的效果，从而提高了钻进工效。另外，内套管外径在导向装置中通过O型圈来起到密封作用，从孔内返回的浆液就不会漏失。
4 特殊取样器研制
根据项目需要，针对浙江海底表层0～2.0m范围内高含水流塑淤泥质土的取样难问题，研制了双管水压式原状取样器。
双管水压式取样器工作原理：本取样器通过与钻杆连接至孔口以上，用钻杆自重或人工加压即可；把取样器深入土层达到需要取样位置，上部钻杆与钻进供水管路连接，通过水泵向取样器内供水，使取样器上部活塞从上死点运行至下死点，从而关闭管靴上部的阀门，启动钻机卷扬系统把取样器竖直提至平台上，先拆除长连杆与短连杆固定的螺栓和螺母，再松开套在外管上锁紧螺母，使阀座与外管分离，此时所取土试样在有机玻璃管中清晰可见。
5 总结
本文结合在江苏和浙江近海风电场勘察工程项目钻探过程的工程实践，对江苏和浙江近海区域遇到的近海风电场海上钻探技术问题和研究情况进行了探讨和交流，通过钻探平台选择、波浪补偿设备引进和研制、取样器的研制等途径，有效解决了海上钻探困难、孔口加接和拆卸套管工效低、芯样扰动性大、安全作业风险高等实际难题，给类似海况下开展海上钻探作业提供借鉴。
论文作者:牛美峰,彭鹏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/20
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