莫 建，于彦江，张志刚，耿雪樵

(广州海洋地质调查局，广东 广州 510760)

随着经济的快速发展，沿海城市的建设不断加强，跨海工程日益增多，工程地质钻探作为前期勘察的重要手段越来越多地应用到跨海工程的前期勘察中。2010年，广州海洋地质调查局“奋斗五号”船执行了“琼州海峡跨海工程可行性研究阶段”工程地质钻探项目，完成钻探孔5个(其中最深孔水深83 m，钻孔深120 m)，抽水试验孔1个。

1 概述

1.1 工区概况

被誉为“黄金水道”的琼州海峡属中国的三大海峡之一，海峡东西长约80 km，南北宽 16～30 km，水深 0～90几 m。潮汐具有特殊的周期性和往复性，潮流流速较大。大潮时，海水流速最大达到4节，最大潮差2.5 m。海底地质构造复杂，海底地形变化大，地层多变。海峡中部基本为第三纪和第四纪沉积层。

1.2 调查船状况及配套设备

“奋斗五号”船为一艘地质钻探船，总长:68 m，型宽:10 m，满载排水量:1091 t。艏锚为 2个重 1.5 t的特种大抓力锚，锚绳长:800 m;艉锚为2个重1.8 t的特种大抓力锚，锚绳长:1 000 m。抛锚采用首尾侧锚式。配备有导航定位系统、测深仪、海流计、多波束系统等设备。

图1 “奋斗五号”船抛锚作业中

1.3 钻机参数

“奋斗五号”船船载 HGD－300型海洋工程勘察钻机性能参数如表1。

1.4 基本钻进工艺

HGD－300型海洋工程勘察钻机采用的基本钻进工艺如图2所示:采用 Φ178套管进行海水隔离和钻孔导向;采用Φ127套管进行泥浆护壁或跟管钻进;采用Φ50钻杆加硬质合金钻头作为钻具，通过回转、压入、锤击、回转加压法进行钻进;Φ50钻杆加标准贯入试验头进行标准贯入试验;以Φ108或 Φ89的岩芯管进行取芯。

表1 HGD－300型海洋工程勘察钻机性能参数

图2 钻探工艺示意图

2 隔水套管的影响因素及沉管工艺

2.1 隔水套管的作用

海上钻探作业与陆地钻探作业的最大不同之处在于受到海水环境的影响。因此，海上钻探作业的首要任务就是下隔水套管隔离海水，减小海水环境对钻探的影响，对内部钻具和钻孔形成保护。隔水套管的主要作用［1］是:

(1)可以防止海底地层坍塌;

(2)具有导向定位作用;

(3)具有隔水作用，可以消除海流冲击对钻具的影响;

(4)采用泥浆钻进时，可以作为回收泥浆的引流管。

隔水套管沉管工作完成的好坏关系到整个钻探作业能否成功进行。因此，隔水套管沉管工作是海上钻探作业的关键环节之一。海上钻探作业一般采用两层隔水套管——Φ178管和Φ127管，而最外层的Φ178套管又是最关键的。因此，这里主要讨论Φ178管的沉管技术。

2.2 隔水套管的影响因素及沉管工艺

隔水套管沉管工作一般受到水深、海流、底质和潮汐等因素的影响，下面分析各因素对其影响作用。

2.2.1 水深

水深对隔水套管的影响很大。水深的增加会大大增加下隔水套管的难度。水深对隔水套管的影响具体分析如下。

HGD－300型钻机使用的隔水套管是 Φ178管，新管外径为180 mm，壁厚为10 mm，重量为42.2 kg/m，水中重量为36.9 kg/m。压杆稳定临界压力的计算公式—欧拉公式［2］为其中，Pcr为临界压力，E为材料的弹性模量，I为惯性矩，μ为长度系数，l为长度。

计算套管水中自重造成其自身弯曲的临界长度时，可以将Pcr描述为

在最深的钻探孔位(水深83 m)，即使是水流最小时，在船上观察，套管一着底也是倾斜的，调锚不但不能改善状况，而且还会增加套管断裂的危险。因此，海上钻探作业，调锚是大忌。

针对水深的影响，采用新的沉管工艺:在下隔水套管时，用钢缆吊着套管(如图3)，把其自身产生的弯曲拉直，然后下钻具扫孔。扫足够深后，逐渐下放隔水套管;然后再扫孔，再下放隔水套管，如此反复，下放到足够深度。在此过程中，始终用钢缆拉着隔水套管，使其处于直立状态。

2.2.2 海流

海流对隔水套管的影响同样比较大。船舶抛锚后，开始钻探作业之前，必须至少观测一个周期的海流，以便根据海流情况决定能否进行钻探作业，并选择下隔水套管的最佳时机。

根据经验，一般浅水作业(50 m以浅)不用考虑大潮的影响，抛好锚观测一个周期海流后，就可以选择合适的时机进行作业。选择流速达到峰值开始下降时，下放隔水套管，在流速最小时着底，以确保其处于垂直状态沉入海底。

深水作业(50 m以深)就要考虑海流的影响。大潮期海流流速大，最小流速停留时间短。以琼州海峡为例:大潮期，海流峰值达到4节，最小流速(小于0.5节)停留时间只有一小时左右(如图4)，这么短的时间无法将隔水套管沉入海底足够深度。小潮期，海流峰值一般为2节左右，最小流速(小于0.5节)停留时间有几个小时(如图5)，有充足的时间进行隔水套管沉管作业。因此，深水区钻探作业需要选择在小潮期进行。此时海流最小，不但有足够的时间处理好隔水套管沉管工作，而且钻探效率极高，几乎可以24 h作业，出现钻探事故的概率也最低。

图3 用钢缆拉直隔水套管

图4 大潮期流速图(图中流速为平均流速)

图5 小潮期流速图(图中流速为平均流速)

2.2.3 底质

海上钻探常遇到的底质有两种——软底质和硬底质，这两种底质对隔水套管沉管的影响是截然不同的。淤泥或粘土等软底质不会对隔水套管沉管作业造成麻烦，只需要在海流最小时将隔水套管着底，隔水套管的自重就能使其以垂直状态沉入海底若干米，然后扫孔让隔水套管继续沉入海底到达足够深度即可。

当遇到沙层或沙石层等硬底质时，就会对隔水套管沉管造成较大麻烦。隔水套管靠自重无法沉入海底，一着底就会发生弯曲，而且常规的扫孔下套管方式也不再适用。扫完孔提钻时，就会发生坍塌现象，隔水套管依旧沉不下去。对于浅水区沙层底质，可采用钻机动力头带动隔水套管旋转钻进并辅助高压水冲孔的方式完成沉管工作。而对于深水区沙层底质，采用钢缆拉直套管扫孔，同时使用浓泥浆将砂粒反循环上来的方式完成沉管作业。

2.2.4 潮汐

潮汐也是影响隔水套管沉管的重要因素。根据海水涨落情况，隔水套管上部需用短管连接，当落潮时，逐级下卸短管;当涨潮时，逐级接上短管。隔水套管在软底质地层可随潮汐涨落而升降，但在硬底质地层只能随潮水涨而拔直，可进行钻探作业;如果潮差较大，就必须增加隔水套管，否则潮水会将隔水套管拔起。潮水回落时，隔水套管不能下沉又会产生弯曲，必须用钢缆将隔水套管吊起拉直或垫上支撑块，使隔水套管处于相对垂直状态，才能进行钻探作业，否则就会发生无法下钻、甚至卡钻等现象。

3 结语

海上工程地质钻探作业，隔水套管的沉管作业是最重要的环节之一，需要解决水深、海流、底质、潮汐等因素的影响。

1)深水区作业，遇到隔水套管一着底就发生弯曲时，可以采用钢缆拉直套管，然后下钻具扫孔完成隔水套管沉管作业。

2)海上钻探作业开始之前，必须至少观测一个周期的海流，以便根据海流情况选择下隔水套管的最佳时机。隔水套管必须在流速最小时着底，以确保其处于垂直状态沉入海底。

3)遇到硬底质地层，隔水套管靠自重无法沉入海底时，可以采用钻机动力头带动隔水套管向下旋转钻进的方式完成沉管作业。

4)海上工程地质钻探，进行隔水套管沉管作业，适宜选择在小潮期进行，时机把握非常重要，否则就要等待下一个潮水周期的到来。

［1］谭长伟.滨浅海工程地质钻探应注意的若干问题［J］.海岸工程.1996，3:15(1).23 －28.

［2］孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学［M］.北京:高等教育出版社.2002.