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
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
底部固定式风机设计的特点
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。
测井数据
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 | |
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 |
基岩面和破碎层识别 倾角、倾向 | 地质建模 | ||
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 |
展望未来
推荐的探头
PS波速探头
用于勘察海床强度的首选探头，可在一个钻孔中测量岩石和土体中的高分辨率剪切波和压缩速度。该探头对地震工程应用至关重要，也是离岸构筑物和海上风电场的首选工具。
高分辨率声学井下电视探头
用于液体或泥浆填充的钻孔中进行成像。该探头可以生成一个360度展开的、方向确定的钻孔孔壁超声图像。该探头是破碎地层识别及方向测定（倾角和倾向）、地层学研究、区域应力分析（岩爆）、取芯定向等理想的工具。
高分辨率光学井下电视探头
可以得到一幅连续的、高分辨率的、方向确定的钻孔孔壁图像。该探头可以用于干钻孔中，也可以用于水（清澈液体）填充的钻孔中。该探头可以获取一幅全彩色钻孔图像，这个可以帮助识别矿物质。该探头是破碎地层识别及方向测定（倾角和倾向）、地层学研究、矿物识别、取芯定向等理想的工具。
全波形三阵列探头
该探头是专门设计用于岩土工程和采矿应用的。它同时从一个发射器和三个接收器采集传播时间和全波数据。地层波速一次测试进行了三次计算，不受钻孔流体路径的影响，波形数据用于计算压缩波速（P波）、剪切波速（S波）和斯通利波速。
自然伽马探头
测量自然出现的同位素或者人造同位素的活动。
地层密度探头
利用多个传感器进行精确的钻孔补偿密度测量，基岩界面分辨率极高。这种方法如果结合了声波探头，就可以用来确定岩性、密度、孔隙率、岩石强度、弹性参数等，还可以用于风化岩层或破碎岩层的探测。
3臂井径探头
通过三个机械臂接触钻孔孔壁，记录钻孔的直径，生成一幅连续的钻孔直径记录图。该探头是进行测井前检查钻孔状况的理想工具。
更多海上风电场设计的应用，请关注欧美大地仪器。
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