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R.J.派因，J.科克特
（1.埃克塞特大学坎伯恩矿业学院，2.Fugro Seacore公司）
摘要：在弗拉芒维尔核电站，Fugro Seacore公司在风力情况复杂并伴有潮汐的位置钻取了一个直径近6米深度为64米的近海竖井。
钻井设备的顶部驱动系统有一个含有70个牙轮钻头的刀头，在正常的操作下，该系统的转速可以达到2转，并会产生50吨米的扭矩。井下组件会产生180吨的刀面重量。钻进速度一般可以达到0.1到0.15米/小时。
现场勘查以及来自岩土工程的专业解释表明小楔形体或许会从井壁中消除，但是大的楔形体比较顽固。为此进行了电视直播调查，该调查主要由一辆遥控车来完成，通过调查的结果可以大致确定小楔形体的体积。
本文对扩孔的安排，套管安装以及最终的衬垫安装进行了阐述。所有的施工操作都是在财政预算与时间允许的范围内顺利完成的。
Design and construction of an offshore drilled shaft 6 m in diameter and 64 m deep at Flamanville, N. France
R.J. Pine (Camborne School of Mines, University of Exeter)
J. Cockett (Fugro Seacore Ltd)
Abstract
At the Flamanville Nuclear Power facility, Fugro Seacore Ltd drilled an offshore shaft of nearly 6 m diameter and 64 metres deep over a water depth of 25 m, in a location with difficult winds and tides and hard drilling.
The top drive drilling system included a cutter head with 70 roller bits and operated at typical rotation rates of 2 rpm and torques of up to 50 tonnemetres. The downhole assemblies provided up to 180 tonnes of cutter face weight. Typical drilling advance was 0.1 to 0.15 m / hour.
The site investigation and geotechnical interpretation showed that small wedges could be released from the shaft walls, but larger wedges would be stable. Live television surveys by a remote controlled vehicle (ROV) confirmed small wedge volumes.
Arrangements for under-reaming, casing installation and final liner installation are described. All operations were completed successfully within budget and overall time limits.
弗拉芒维尔核电站的发电能力在EDF能源的推动下得到了进一步的提升。这座核电厂坐落在法国诺曼底科唐坦半岛的西岸，目前由两个压水反应堆（PWR）组成。2007年12月新的欧洲压水式反应堆（EPR）开始修建，这也是弗拉芒维尔的第三个反应堆。
对于冷却回路而言，它的运作需要海上的竖井与低于海底约64米的隧道相连接。Fugro Seacore公司从主承包商法国地基公司那里承包了钻井和一部分海上竖井的完井工程，本文将对这部分工程进行描述。整个工程暴露在显著的大西洋洋流中，面对超过25米的水深，可达10米潮汐的范围，以及当前已经达到5节的压力，海洋中的施工条件是非常具有挑战性的。该海上竖井的直径为5.85米，深度达到64米，并穿过坚硬的节理岩石。竖井施工完成后要安装一个300吨钢衬垫，最后覆盖上约450吨的混凝土喷射器。名为“亚瑟王之剑”的起重机在整个施工过程中扮演了决定性的角色，几乎所有的操作都是通过它来完成的。（图1）
图1“亚瑟王之剑”起重机，正提升300吨的钢铁衬垫进入位置
在这份报告当中，我们主要描述了竖井的设计要求，现场调查，地质情况，岩土工程解释，钻井设备设计，钻井完成后衬垫的安装。喷射器的安装与处理是主要的操作，但是在本文中我们并不将其作为重点来阐述。
在不同的阶段对影响钻井作业的因素进行了现场调查，该调查的关键措施主要包括：
（1）在竖井设计位置，通过岩心钻探得到3个钻孔
（2）钻孔岩芯测试以及强度估计
（3）井下地球物理测试，包括卡钳和钻孔声波仪（BHTV）日志
（4）观察在陆地上的角岩地质情况，而这种角岩与竖井地质性质是相似的
图2是一个钻孔声波仪日志的一个例子，图片中的内容包括：“核心”视图（col.1）；一种展开的视图（col.2）；一种倾角和倾斜方向的指示（col.3）；通过垂直视角看到的N315°和N45°的冲击情况（col.4和col.5）；一个伽马测井剖面（col.6）和偏离记录日志（col.7）。岩土工程建型的关键数据取自2至4列。伽玛测井的结果显示地质分布情况是非常均匀的（无岩性变化），偏差记录表则表明在纵向贯穿的方向，井眼的偏差一般在1度以内。
图2. 覆盖在海底以下10.3至13.2米 深的井下声波电视测井仪的记录情况图
图3显示了在竖井位置对面的海滩角页岩的暴露情况。由于地质情况比较复杂（断层和褶皱），海滩上的暴露部分不能直接与竖井场地的岩石相互联系在一起，但是它依然可以被认为是可适用的连续性的接合。通过测试发现角岩的无侧限抗压强度高达160 MPa。具体的地质细节将会在第4节中做进一步的介绍。
在钻井和衬砌作业中可以选择的方案不止一种，每一个不同的选择都会对钻机的设计产生不同的影响。因为对于这样大的直径来说，高强度的岩石可能超出了现有的切割头的承载能力的限制，所以FSCL决定建立一个全新的顶驱液压系统。基于这种情况，Toredo 90（T90）成功设计出来，它用在刀面上的最大重量可达180吨，在直径6米的全平面上，每2转就可以提供超过90吨米的扭矩。新设计的头部具有70个含有碳化钨压扭塞的滚轮刀具。每一个滚筒的直径都是300mm，并具有直径为15mm且向外突出6-7mm的按钮。每个刀具的位置的配置以及切割面上的吸附点的位置确定都充分考虑了室内的三维计算机辅助设计和计算流体力学（CFD）的相关知识。液压扩孔器也被设计成头部的一部分，它是以水为驱动力的，最大的钻孔直径可达6.45m。具体的操作细节将会在第5节进行介绍。
图4.刀头（直径为6米），显示了滚刀的配置、建模的流程与去除岩屑的速度
图4显示了刀头的设计，其中也包括来自计算流体力学分析的流动路径的指示。图5显示了T90的刀头和悬浮的主要外壳即将安装在海床上的情形。
图5.从钻机地面观察T90的头部驱动系统，图中包括5.85米的直径的刀头以及上主壳体
根据前面进行的详细的现场勘查，UECE公司在竖井开始钻进之前对已有的数据进行了分析整理。由于在某些深度潜在自由楔形体的广泛连接，最让人关心的问题是无内衬井壁的稳定性。UECE回顾了来自于井下电视的日志的基本信息。在5米的分层处，对分离孔和全部的三个孔进行焊接方向以及强度数据的分析。这些数据随后被RocScience通过Unwedge程序来模拟潜在楔形体的形成、尺寸以及稳定性。
通过匹配高度以及识别多个钻孔的接头与故障交叉的位置来进行三个井下电视记录信息的比较，以此来获得主要的联合持久性信息。[即使在岸上的暴露部分显示了较长的接口存在的可能性，但是单个的井孔测量数据只能提供关于持久性的有限的信息]。通过数据的筛选以及模拟最有可能的位置来估计潜在的不稳定楔形体的尺寸。考虑采用一种适应性的岩体分级方法(RMR)来测量这种无支撑井壁的“站立”的时间（该方法源自于Bieniawski (1989)）。
通过井下电视的记录日志可以发现在不同海拔（0到15米；35到40米；以及45米到50米）的岩芯都有可能存在相对比较紧的连接。共同模式的本质意味着许多小的楔形体可能会出现在任何的高度。根据隧道施工与采矿的经验可知，如果这些都是潜在的不稳定的因素，则可以得出这样的结论，那就是这些楔形体很可能在钻进的过程中被释放（但是不会对刀头造成任何扰动问题）。
表1.Unwedge模拟中在竖井中的潜在的楔形体
这些贯穿特性中只有12个跨越了3个孔。这些因素中的大多数拥有一个不超过30度的倾角，因此不太可能创造出可以滑动的楔形体。两个更陡倾角的贯穿特征各自置于中央，分别为13m和52m。这些可能是楔形体发生的关键因素，但是分析表明了楔形体的体积是受限制的。
表1显示了根据连接数据一层一层演绎的楔形体模拟的结果（col.1）。一个楔形体的形成必须有3个具有高强度或中等强度（组合接头在col.2中）的接头的存在，以此来加强竖井表面的强度。安全系数用来显示无侧限最大楔形体的体积以及对应的顶点深度（cols.3,4和5）。更广义的安全系数则表示最大顶点深度为0.5米的缩小的楔形体的体积（cols.7、8）。对于有实际体积并且具有滑动可能性的楔形体，给出围（箍）应力的安全系数，并结合摩尔-库伦准则与巴顿准则来估计接头的抗剪强度（cols.9和10）。摩尔-库伦抗剪强度约相当于没有凝聚力时摩擦角为35度时的情形。这被认为是比较保守的估计，因为并没有粘土填充（从日志当中的一般情况得知）。
分析表明任何大的楔形体都会从适度围压的稳定影响中得到益处。据估计，由于钻进的扰动影响，在顶部深度大约为0.5米的井壁可能会有卸载压力或者承受一些限制。在这个深度的潜在不稳定的楔形体的体积被限制为0.20立方米。这些楔形形成和脱离的可能性都是比较高的。图6显示了在一个接合位置用Unwedge模拟的潜在楔形体的形状与体积。
图6.由Unwedge模拟的在35到40米的深度范围内井壁上潜在的自由楔形体
根据记录日志、海岸线的暴露物以及压缩强度得出在角岩中接头较少的地带具有超过60RMR的岩石强度指标值。因为在钻进之后不能去全面的钻削井壁（如同典型的隧道那样），所以这不能阻止一些楔形体的卸载，但是这仍然表明“站立”时间可以达到大约一年。然而，这些楔形体很可能是孤立的并且对井壁整体的稳定性不会产生太大的影响。在更牢固的连接区，尤其是在竖井的浅层，岩石的指标RMR的值不到50。这表明，站立时间大约为一个星期，造成这种结果的原因可能与破坏行为有关。
在现场调查完成后，FSCL使用一个大型的井下钻锤钻取了一个直径为1.1米，深度为24米的钻孔，该孔即为随后钻进的主钻孔的先导孔。从现场的勘查以及随后的岩土工程模拟可以得出这样的结论，外壳需要承担上部18米的竖井的荷载，刀头需要适应下入时5.85米以及提出时6.45米的空间限制，而内衬的要求也是相同的。主井的钻探开始于2008年5月，但是由于恶劣的天气以及潮汐反复出现再加上竖井上部存在非常坚硬的岩石的原因，套管的安装工作变得非常麻烦。首先在海底安装一根6米的主套管，随后用井底钻具组合（BHA）携带一根12米的套管挂在主套管的底部，与此同时进行钻孔和扩孔。在另外两个更深的区域井壁的安全性存在一定的隐患，为此FSCL选择使用一个定制的系统，该系统由钻柱携带一个钢制内板组成，这样可以保证井壁注浆工作顺利完成，并且井壁的稳定性得到了提高。
在刀头上的全部的阻力与BHA的重量以及从顶部驱动托架撤回的力达到平衡状态，前者达到180吨，后者达到72吨。浮力作用产生的影响相当于浸没装置重量的12%。刀头最初具有70个滚筒刀具，虽然在随后的工作中减少了24个，但是这并没有对突破的速度带来显著的影响。复杂的地面情况以及较大的直径给钻进带来了不利的影响，但是钻进的速度依然达到了0.3米/小时，远远超过了正常的0.1m/h到0.15m/h。扭矩的分布从20吨米到50吨米不等。常规井下调查证实，在坚硬的岩石中使用顶部驱动设备把旋转孔的垂直误差控制在 -0.5度是一个重大的成就。
如图7所示，在主要钻进的过程中，通过便携式遥控潜水器进行了电视调查。它是自主推进的并具有良好的可控制性，体积也非常小巧，因此它可以穿过钻杆并从凸起的钻头中伸出。它提供了非常出色的电脑图片，这些图片包括竖井钻机舱以及刀头滚动锥的特写。ROV调查证实了有一些楔形体从裸露的井壁上消失，而这些楔形体通常有几厘米的埋深。
图7.ROV电视载体，摄像机顶控制螺旋桨和脐带缆
当矿井钻到64米的深度时，约有1750立方米（4900吨）的岩石被开挖。在“神剑”的甲板上，管道作业在一定程度上破坏了竖井，退出水位线来减少管网。同时采取一些措施来保证在海底的均匀分布。
为了确保能得到一个固定的直径、光滑的井壁以及更好的耐久性，SBF采用了由丹麦的Bladt企业生产的长度为63米、直径为5.5米、300吨重的钢管来作为竖井的内衬。由FSCL设计的一个特殊的塞子被放在衬砌的上部，以此来确保形成一个密封的环境。随着内衬底部的封闭，把它从圣玛罗的交货港漂浮牵引到65海里之外的使用现场是完全可行的。图1描述的就是这个操作过程。由FSCL设计的漂浮衬砌以及这种传送方法已经被广泛的使用在海上风电厂的钢管桩的施工中。
图8.在一个波浪水槽中测试一个300吨钢内衬模型浮动和操作
考虑这个阶段起重车、索具的灵敏度，以及天气等因素的影响，海洋物流规模模型在一个波浪水槽中被制造出来并进行了测试（图8）。顺利的完成安装之后，SBF用站台上的“亚瑟王神剑”对衬砌/岩石环进行了混凝土浇筑。由于恶劣的天气条件，使用常规的船舶无法安全地将混凝土原料运输到站点。SBF租用了一架特殊的直升飞机从岸边转移混凝土到混凝土喷射机上去。基于该种转移方法，大约600吨的混凝土被成功转移。随后“亚瑟王神剑”返回到现场，在海底结合潜水员的协助，放置并灌注这450吨的混凝土到竖井的顶部。
该项目汇集了一些成熟的设计理念和过水钻井的经验，运用千斤顶驳船为一个复杂的客户需求创造了一个独特的解决方案（以前的海上需要非常大的，昂贵的和有潜在危险的围堰）。创新的功能包括对toredo 90顶部驱动，刀头设计，离岸处理程序（在恶劣的海洋环境）和内衬的安装。竖井上潜在的稳定性问题可以通过现场的调查、岩土工程模拟来发现，一个衬砌成功策略安装的策略被发展起来。虽然钻探进展相当缓慢，但是整个过程都是在时间和预算允许的条件下完成的。
作者希望感谢同事和seacore Fugro公司员工各成员的贡献，以及矿业坎伯恩学校、公司和法国EDF的地基公司，正是这些人员和学校以及公司的帮助使本文的问世成为可能。
Bienawski, Z.T. (1989) Engineering rock mass classifications. New York,Wiley.
RocScience (2011) - Unwedge version 3.0 - Underground Wedge Stability,Analysis.
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