科普：海上风电场设计过程中测井数据的重要性

2024-08-2353

引言

随着世界正努力从对化石燃料的依赖转向零碳目标，海上风电的发展正处于爆发式的指数增长。风电场的规模和单个风机的尺寸都在增大，离海岸线的距离也越来越远。迄今为止，底部固定式基础（特别是单桩基础）占据了主导地位。但是随着合适的近岸海域被风机占满，未来的趋势是海上风机的基础将有多种形式，包括漂浮式基础。

在过去的15年，对海上风电场的土体勘察中，利用自升式平台或者钻探船获取测井数据，已经是勘察中必不可少的工作，获取的数据用于这些超大型结构的复杂设计。

特别是，利用RG的PS Logger测试土体的波速数据，已经成为海上风电岩土原位勘察必不可少的一部分。

图1：预计未来8-10年，海上风电的装机容量将超过235GW

测井历史

测井技术可以追溯到20世纪20年代，当时斯伦贝谢兄弟首次演示了商用电测井探头。之后的四五十年时间，模拟信号测井系统得到了发展，主要用于石油和天然气的勘探，探头的种类也增加了很多。RG公司上世纪80年代进入了细孔测井市场，研发了数字式测井系统应用于岩土、矿物、水相关的领域。这套数字式测井系统的优点在于，一台常规的绞车、采集仪就可以与各种探头兼容。

尽管风能已经被人类利用了数千年，但直到1978年，丹麦人才在Tvind开发出世界上第一台现代化的多兆瓦风力发电机。它的功率为2MW，它拥有机舱、圆筒塔架、方向可控制的机头以及三个叶片，至今仍在运行。所有的商用风力发电机都是类似于这种丹麦模式，采用三叶片水平轴设计，都是顺时针旋转。丹麦还于1991年在Windby开发了世界上第一个浅水商用海上风电场。从那以后，海上风电场的开发得到了迅猛发展，从很多小型规划的海上风电场到如今很常见的巨型海上风电场。英国、德国，如今的中国，目前中国的海上风电装机容量处于领先地位。

各种海上风电场勘察技术

对于所有的海上风电场开发，从风资源定性，到地球物理勘察和海洋测绘，再到海底地层勘察，现场勘察是一切工作的基础。除此之外，需要根据风机的位置考虑输电线缆的走向和基础设施的位置。对于一个大型的海上风电场，可能需要花费两年时间来完成地球物理勘察和岩土勘察，因为要分别独立地开展地球物理勘察和岩土勘察，避免相互影响。

由于这些结构受到复杂的动态循环荷载，所以需要对土-结构之间的相互影响进行研究，所以获取数据然后提供给风机设计，这个过程是非常重要的。无论采用哪种设计方法，海洋岩土勘察（包括原位测试和室内试验）是成功完成设计的根本。如表1.

表1：海上风电场现场勘察方法示例

类型	勘察	方法	操作	数据覆盖的密度
非侵入性的	UXO（未爆炸武器）	磁力仪	船/拖拽浮标	全面覆盖
	水深探测	声呐	船/拖拽浮标	全面覆盖
	海底地形探测	激光雷达	船/拖拽浮标	全面覆盖
	地震波	浅地层反射与折射	船/拖拽阵列	网格
侵入性的	浅地层	贯入CPT	船+海底基盘	风机/基础设施位置
	钻孔	取样，CPT，SCPT，PS波速测试	自升式平台/钻探船	按百分比选择部分场地

地球物理勘察阶段通常是最先进行的，可能包含利用磁力仪进行未爆炸武器探测。海底地形测量技术包括声呐和激光雷达，通常是用来进一步对海底障碍物进行探测，例如岩石露头、孤石、海底沉船等。海底地形探测完成之后，就可以开始进行浅地层非侵入探测了，通常采用浅地层地震波反射或折射方法。这些勘察方法通常需要大型的、慢速移动的船舶，拖拽水听器阵列，还需要考虑震源能量对海洋生物的影响。对于地震波反射勘察，PS logger探头得到的P波速度可以根据到达时间计算出深度（用于速度叠加和偏移）。

岩土勘察一般采用侵入技术，并且通常是在地球物理勘察完成之后进行的。对于浅近岸试验或者小场地，岩土勘察通常是在自升式平台上完成的，工人需要轮班更换。这样就需要很多各种支持的船，例如用于平台移动的拖船、待命的安全船、人员交通船。随着距离海岸越来越远，每天两次更换工人是不现实的，需要采用更大的、更昂贵的可供住宿的平台，同样也需要各种支持的船。如今，自升式平台主要是用在水太浅无法用钻探船的场地，或者潮汐强烈导致船舶定位困难的场地。

带有波浪补偿、动力定位功能的钻探船目前是海上风电岩土勘察市场的主流。这种钻探船可以在海上进行长时间的工作，与其他方法相比相对经济、无需辅助，主要受天气因素影响。这种船采用复杂的钻探系统，钻探过程中，将取芯与CPT相结合。一些岩芯测试可以在船上完成，另外一些岩芯可以送到实验室进行其它的一些岩芯测试。CPT试验可以得到锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力，可以进一步计算出很有用的设计参数。除此之外，也可以结合海底基盘进行地震波CPT测试（SCPT），还有SPT测试、旁压测试等。

当钻孔钻到预定的深度以后，就可以对整个钻孔开展测井工作了，通常是分阶段完成的，以便实现最大的钻孔覆盖。目前在欧洲和美国的海上风电勘察中，PS Logger是一项标准要求，利用PS Logger获得钻孔P波和S波剖面，通常会结合钻孔孔径探头一起使用，孔径探头的目的是对钻孔进行质量控制。使用PS Logger的好处在于，由于它内置震源，所以可以获取钻孔深部高质量的数据，同时可以对CPT无法贯入的岩石、卵石、碎石地层进行测试。如果遇到了更坚硬的岩层，可以使用声学电视获取钻孔孔壁图像，可以查看岩石层理和岩石破碎段。这些信息也可以用于取芯深度控制和岩芯方向定位，可以将这些信息输入到地层模型中。

由于钻探通常只是在一定比例的风机位置进行的，所以尽可能多地从每一个钻孔中通过测井方法获取数据是尤为重要的。

图2：PS Logger测得的P波数据示例

图3：PS Logger测得的S波数据示例

基础设计

到目前为止，几乎所有的商业海上风电项目都采用的是底部固定式基础，目前正在向漂浮式基础过渡，开展了一些试点项目，进行了一些研发，漂浮式基础前景广阔。

底部固定式基础有多种形式，但目前主要是单桩基础。单桩基础被广泛使用，相对简单，制造成本低，安装方法成熟。单桩基础可以在软土层中和硬土层中都可以施工，但是需要对土质情况进行测试和了解。单桩基础具有大重量刚度比，水下部分表现出较大的模态挠度，吸引了很大的波浪力，容易被冲刷。尽管如此，单桩基础在制造、运输、安装、维护过程中遇到的种种问题都得到了很好的解决，从而形成了一个非常成功的设计模式，为实现零碳未来指明了方向。

随着水深越来越深，风机尺寸越来越大，单桩基础设计的直径也必须越来越大，以便能支撑更高的结构。由于达到了单桩基础尺寸的极限，考虑其它形式的基础就会更加经济，例如吸力桶基础、三脚架基础、导管架基础等。与单桩基础相比，这些形式的基础只占已安装风机的一小部分，但是越来越受欢迎。随着风机输出目前接近15MW，而且已经规划了20MW的风机，采用巨大的、不切实际的单桩基础来支撑这些风机是不现实的，这使得设计不得不转向这些更模块化的基础形式。需要注意的是，与单桩基础相比，三脚架基础和导管架基础包含多个基础，他们的多个基础上具有完全不同的荷载特性。虽然单桩基础上的侧向力会导致弯曲以及地下部分移动，但是三脚架基础和导管架基础可以将大部分侧向力转化为基础上的垂直拉-推效应。

无论是哪种基础形式，通过测井技术获得的数据对于设计人员用于模拟土-结构之间相互作用是非常重要的。

图4：各种支撑结构的形式（从左往右）：单桩基础、重力基座基础、导管架基础、三脚架基础、立柱式基础、半潜平台基础、张力腿平台基础

底部固定式风机设计的特点

海上风机基础设计给设计人员、制造商和安装人员带来了很多独特的挑战。大型海上风机一般非常高，具有较高的转子机舱重量（RNA重量），相对灵活，承受了各种动态和循环荷载。可扩展性问题也很重要，因为随着直径（以及刚度）的增加，荷载特性会发生变化，弯曲模式的重要性相对于倾覆力矩可能会降低。基础的主要目的是安全地将荷载传递到周围的土体中，而基础不会产生过度变形。饱和土在循环和动态荷载下的行为是非常复杂的，因此这些结构的基础设计是具有挑战性的。

海上风机的荷载特性包含动荷载和循环荷载，动荷载包含空气动力学、波浪、水流和土-结构体相互作用，循环荷载主要是风机叶片的转动。这样的荷载形式造成了横向荷载、弯矩、转动力矩/倾覆力矩以及摆动和摇摆振动模式。

整个海上风机的设计必须确保结构的自然频率要避开循环荷载的频率，以免产生共振。对动态和循环载荷谱的分析表明，风的频率范围最低，波浪次之，然后是转子频率（1P），最后是叶片通过频率（3P——对于3个叶片的风机），如图2。塔的弯曲模式与顶部转子机舱重量（RNA重量）一起确定了系统的摇摆弯曲模式。与塔架相比，基础在轴向上非常坚硬，实际上塔架振动，基础提供了刚度和阻尼。整个系统的设计频率应避开叶片-转子频率，可以位于软-软、软-硬或硬-硬区域，许多设计使用软-硬区域。

图5：海上风电设计的能量图谱

海上风机基础的设计是基于很多设计工作和对设计原则的分析，以确保不超过相关的设计限制，并保持允许的风机特定固有频率范围。多体动力法和有限元法是设计过程中常用的工具，利用土体勘察获取的数据对于分析土-结构相互作用至关重要。振动模式将决定基础与支撑土体的相互作用。此外，如果理解了土-结构相互作用，就可以预测基础的长期行为。

在欧洲水域，PISA系统已经被采用，该系统为海上风机单桩基础提供一个计算模型用于水平荷载的分析和设计。PISA系统给出了P-Y曲线，将土体阻力模拟为预定义的非线性弹簧。PISA提供了一系列非线性P-Y曲线，这些曲线深度和土体类型都不一样，这些曲线给出了每单位桩长给定土压力（P）下的桩挠度（Y）。对于单桩基础，由于倾覆力矩和侧向荷载，主要的相互作用是侧向桩土相互作用。相反地，对于导管架基础，主要的相互作用是轴向荷载传递。因此，土-结构相互作用取决于选择的基础以及桩周围土体的加载方式。提供足够的阻尼对于海上风机而言至关重要，以防止结构在使用期间出现过度疲劳损伤。

除了分析应力和确定固有频率外，成功的设计还需要考虑许多其他因素。这些因素包括风机尺寸、基础形式的选择、基础安装方法、减缓冲刷和配套基础设施，例如升压站和输电线路，以及环境方面的因素。

图6：海上风机的各种基础形式

测井数据

获取测井数据现在是海上风电岩土工程勘察的一个组成部分。PS Logger现在被认为是非常有价值的，因为它能够为基础设计提供高质量的地层波速剖面，已被英国、欧洲、美国和亚洲所采用。由于PS Logger易于操作，数据可靠，可以获取CPT无法贯入地层的数据，使PS Logger成为许多海上风电开发人员必用的技术。当钻孔条件不理想时，用户经常采用孔径探头对钻孔进行测试，为PS Logger提供成孔质量控制。

如果遇到需要更多信息时，可以采用声学电视探头测定岩芯的方位，也可以确定岩芯的深度，输入到土体模型中。不久的将来，核磁共振技术将会得到更多的使用，因为核磁共振技术可以获取详细的水文地质信息，这些信息通过其它方式是很难得到的，这样就可能推导出原位密度剖面。测井系统的一个显著优点是，同一套地面设备可以用于各种不同的探头，这对于钻探船在远离海岸的恶劣环境条件下作业是非常重要的。如表2.

表2：测井输出的数据

探头	输出	用途	备注
PS Logger	P波波速	将反射波数据从时间转化为深度
	S波波速	（+P）计算泊松比
	泊松比	土质类型划分用于弹性模型
	剪切模量	小应变剪切模量用于弹性模型计算阻尼系数计算沉降和硬度	需要密度
	杨氏模量
	体积模量
孔径探头	钻孔直径	PS Logger数据质量控制
	钻孔直径	识别软弱层
	自然伽马	海床剖面确定
声学井下电视	展开的图片	岩芯方向确定及深度控制	主要用于坚硬的岩石
声学井下电视	基岩面和破碎层识别倾角、倾向	地质建模	主要用于坚硬的岩石
核磁共振探头	孔隙率	水文地质建模	建议的用法
	孔隙大小分布
	可移动水含量
	毛细水含量
	粘土水含量
	渗透性
	透射率

图7：各种底部固定式基础设计

展望未来

测井系统在海上风电市场中已经得到了充分的验证，在可靠性和数据质量方面拥有良好的应用记录，测井系统将继续为海上风电勘察提供有用的数据，这些数据采用其它的方法是很难或者无法得到的。RG公司为危险工作环境下的钻探船提供交钥匙方案，设备性能稳定可靠，避免时间的损失。随着海上风电场的规模不断扩大，并向更深更远的海域扩展，最终使用漂浮式基础，测井数据可以持续为风机位置、基础设施位置、锚固点提供非常有价值的数据。

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