孫 金 王大偉

(中國科學院深海科學與工程研究所海南省海底資源與探測技術重點實驗室，海南三亞 572000)

(南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東珠海 519080)

南海北部陸坡區(qū)油氣資源儲量十分豐富，一直是我國深水油氣重點勘探開發(fā)區(qū)域，近年來中海油相繼在寶島、陵水等深水陸坡區(qū)發(fā)現(xiàn)了一些深水油氣田[1]。不過，前期井場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，相對于深水盆地，這些陸坡區(qū)海底地形坡度變化較大，通常在0°～40°之間[2-3]，且深水海底淺表層土多為軟黏土，含水量高，強度很低[4-5]，因此海底斜坡在外力擾動下容易失穩(wěn)，可能嚴重破壞海底井口、海底管道、通信電纜等水下海底工程結(jié)構(gòu)物，引起井口傾覆、管線折斷[6-8]，造成重大經(jīng)濟損失。研究表明，海底滑坡在坡度小于1° 時仍有可能發(fā)生[9]，因此海底滑坡是深水鉆井特別是在陸坡區(qū)鉆井前必須要考慮的問題，開展海底邊坡穩(wěn)定性評價對于油氣開發(fā)區(qū)選址和保證鉆井安全意義重大。

深水井場穩(wěn)定性分析是一項系統(tǒng)性工程，主要包括兩方面的工作：井場調(diào)查和邊坡安全系數(shù)計算。通過井場調(diào)查完成資料和數(shù)據(jù)采集后，需要對海底斜坡穩(wěn)定性進行定量評價，目前定量評價主要通過安全系數(shù)判斷，采用的主要方法為極限平衡法和數(shù)值模擬法[10-11]。不過，對于海底斜坡穩(wěn)定性的研究卻非常少，還存在以下一些問題[12-13]：（1）海底斜坡數(shù)值模擬分析時多采用二維模型，而實際海底地形是三維的，很難通過有限個單一剖面的計算完成井場海底滑坡風險的評估，應采用三維模型模擬海底滑坡的風險，得到更加真實的結(jié)果；（2）海底淺層土的物性和力學參數(shù)呈現(xiàn)出很強的垂向非均質(zhì)性，然而目前的海底斜坡穩(wěn)定性分析時很少考慮這種空間非均質(zhì)性，或者僅僅采用簡單的分層模型進行考慮，不符合實際情況。

本文基于有限元強度折減法建立了海底安全系數(shù)計算方法，提出了深水陸坡井場海底穩(wěn)定性評價流程，并以位于瓊東南深水陸坡區(qū)的陵水X深水井場為例，構(gòu)建了深水井場三維海底地質(zhì)實體模型，基于土工實驗和海床靜力觸探，得到了考慮垂向非均質(zhì)性的海底土不排水抗剪強度，計算了三維海底邊坡安全系數(shù)，分析了復雜地形井場潛在滑坡體位置及可能滑動方向，并優(yōu)選鉆井井位，可為具有復雜地形的陸坡區(qū)鉆井安全提供重要指導。

1 深水陸坡井場海底穩(wěn)定性評價流程

目前尚無針對深水陸坡井場的海底穩(wěn)定性評價流程，參考陸地邊坡穩(wěn)定性評價方法，并結(jié)合海底邊坡穩(wěn)定性分析的特點，建立深水陸坡井場穩(wěn)定性評價流程。流程規(guī)定了從井場調(diào)查到邊坡穩(wěn)定性建模再到滑坡風險評估的全過程，內(nèi)容主要包括：基礎數(shù)據(jù)獲取，三維深水邊坡穩(wěn)定性建模方法和安全系數(shù)計算，如圖1所示。

圖1 深水陸坡井場穩(wěn)定性評價流程圖Fig.1 Flow chart of submarine stability evaluation for drilling site in deepwater continental slope area

1.1 基礎數(shù)據(jù)獲取

基礎數(shù)據(jù)獲取是評價深水陸坡井場海底穩(wěn)定性的前提。深水陸坡井場海底穩(wěn)定性分析所需的基礎數(shù)據(jù)包括：水深數(shù)據(jù)、淺層地質(zhì)條件（斷層、軟弱面等）和土工參數(shù)。詳盡的海底地質(zhì)調(diào)查是獲取這些參數(shù)的重要手段。水深數(shù)據(jù)可通過回聲測深儀或多波束測量，也可以利用覆蓋工區(qū)的三維地震資料計算得到，如果要得到高精度的水深數(shù)據(jù)，建議使用搭載多波束的自主水下機器人（autonomous underwater vehicle, AUV）進行多波束測量[14]，此外，側(cè)掃聲納也可以提供反映海底地貌特征的高分辨率影像；淺層地質(zhì)條件可用2D/3D地震、船測/AUV多波束和淺地層剖面儀[15]，它們具有平面連續(xù)性優(yōu)勢，可以將海底地貌特征、地形分布特點，以及海底以下的沉積特征、地層平面展布和垂向演化展示出來，為后續(xù)的深水井場三維海底地質(zhì)模型的建立提供地層劃分依據(jù)；土工參數(shù)可通過室內(nèi)實驗和原位測試獲取，室內(nèi)實驗可用表層采樣器、柱狀采樣器和鉆探等手段獲取海底土樣品，進而測試海底土樣品的物理力學性質(zhì)；原位測試包括靜力觸探、十字板剪切試驗等，其中靜力觸探（cone penetration test, CPT）可連續(xù)獲取海底以下幾十米內(nèi)海底土的原位力學性質(zhì)和孔隙水壓力[16]，對于海底土工參數(shù)的獲取極為重要。

土質(zhì)參數(shù)對于海底穩(wěn)定性評價非常重要，當埋深較大時，深水淺層土采樣困難、作業(yè)成本高昂，因此很難將鉆孔取樣方法用于區(qū)域性的淺層土性質(zhì)研究。不過，可以嘗試利用地震等地球物理方法為深水淺層土性質(zhì)的大范圍預測提供更加低成本的手段，而其中的關鍵問題就是確定土的哪些物理參數(shù)（如密度、孔隙度等）與聲學參數(shù)之間存在很好的相關性，以便建立合理的預測模型。

1.2 三維深水邊坡穩(wěn)定性建模

將多波束等數(shù)據(jù)導入Globalmapper軟件，根據(jù)靶點位置、海底地形地貌及淺層地質(zhì)條件初步選定井位，劃定三維建模區(qū)域，并采用六面體網(wǎng)格逐步疊加法建立三維海底地形的幾何實體模型；利用巖心鉆探資料、土工和CPT數(shù)據(jù)分析海底土力學參數(shù)，基于數(shù)值插值描述土質(zhì)參數(shù)的非均質(zhì)性，并將離散化后的參數(shù)賦予三維數(shù)值模型，從而得到海底邊坡三維地質(zhì)力學模型。

1.3 安全系數(shù)計算

安全系數(shù)是陸地邊坡穩(wěn)定性分析中用于評價邊坡穩(wěn)定性的指標，已經(jīng)被廣泛應用于各類工程邊坡穩(wěn)定性評價規(guī)范標準中，其定義源于陸地邊坡的極限平衡分析法，一般指的是邊坡滑動面的抗滑力與滑動力的比值[17]，它表征了邊坡的安全儲備大小，當安全系數(shù)大于1時，邊坡穩(wěn)定；安全系數(shù)等于1時，坡體處于極限平衡狀態(tài)；安全系數(shù)小于1時，邊坡即發(fā)生破壞。在有限元數(shù)值模擬中，通常利用強度折減法計算安全系數(shù)，對于飽和海底土，通過折減不排水抗剪強度計算安全系數(shù)，即引入某一強度折減系數(shù)將土體不排水抗剪強度進行折減，得到折減后的土體強度

式中qf為折減后的土體不排水抗剪強度，kPa；qu為折減前的土體不排水抗剪強度，kPa；F為強度折減系數(shù)。

利用折減后的強度對邊坡進行分析，借助數(shù)值模擬手段可以計算出邊坡的塑性區(qū)范圍、位移、應力及應變信息，判斷斜坡是否達到了極限平衡狀態(tài)，若達到極限平衡狀態(tài)，此時對應的強度折減系數(shù)F就可以作為邊坡的安全系數(shù)，從而定量描述斜坡穩(wěn)定性。

2 陵水X井場工程地質(zhì)調(diào)查

2.1 陵水X井場地形地貌特征

陵水X深水井場位于瓊東南盆地深水陸坡區(qū)，海底地形復雜，海底坡度變化很大。為了評估海底滑坡的風險，在鉆探之前進行了詳細的井場勘測，包括多波束水深測量、淺地層剖面勘測、重力取樣、室內(nèi)土工實驗和海床靜力觸探等。

利用AUV在3 km×3 km的井場范圍內(nèi)進行了精細的多波束水深測量，水深如圖2所示?？梢?，深水井場水深在232.3～652.9 m之間變化，海底坡度在0°～37°之間變化，多數(shù)區(qū)域海底坡度大于5°。整個井場整體由西北向東南方向傾斜，發(fā)育多個西北-東南方向的海底峽谷，隨著水深的增加，海底變得越來越平坦。為了降低鉆井過程中峽谷中可能存在的濁流對井口穩(wěn)定性的影響，將井位選擇在海底峽谷脊部附近（圖2中的紅點），此處水深約為529.4 m，海床坡度約為3.8°，因此存在一定的海底滑坡風險。

2.2 淺層地質(zhì)情況

圖3顯示了沿NW-SE和SW-NE方向通過預定井位的淺地層剖面。將CPT曲線疊加在淺地層剖面上，以識別地層界面?？梢钥闯?，在22.0 m的深度處有一個明顯的連續(xù)界面（圖3中的紅線）。從CPT的曲線中可以觀察到22.0 m深度處存在超孔隙水壓力，錐端阻力和側(cè)壁摩阻力急劇變化，該界面上方地層清晰且連續(xù)，表明上覆地層是正常的沉積地層。相比之下，紅線以下的地層多為空白反射，界面不清楚且不連續(xù)，表明下方沉積物很可能是滑塌體，在分析海底穩(wěn)定性時，需要特別注意該界面上下地層變化。

圖3 過預定井位的淺地層剖面Fig.3 Sub-bottom profile across predetermined well

2.3 海底土不排水抗剪強度

預定井位附近總共獲得了7個海底土樣品，其長度在4.20～4.65 m之間。大多數(shù)海底土屬于軟黏土，比重在14.0～15.8 kN/m3之間，不排水的剪切強度在1～5 kPa之間。

由于采樣深度的限制，重力采樣只能獲得幾米以內(nèi)的淺表層海底土土工參數(shù)，不足以準確評估海底穩(wěn)定性。作為一種現(xiàn)場測試方法，CPT的穿透深度可達數(shù)十米，可用于估算淺層海底土類型和強度參數(shù)。本次CPT測試最大穿透深度為38.5 m。圖4為根據(jù)CPT測試結(jié)果得到的不同埋深處海底土不排水剪切強度。

圖4表明，當埋深小于22.0 m時，不排水抗剪強度隨埋深的增加而線性增加；22.0 m內(nèi)不排水抗剪強度在1～30 kPa之間，當埋深在22.0～27.4 m之間時，不排水抗剪強度迅速增大；當埋深大于27.4 m時，不排水抗剪強度隨深度線性增加，埋深為38.5 m時，不排水抗剪強度增加到134.8 kPa。

圖4 海底土不排水抗剪強度隨埋深的變化Fig.4 Variation of undrained shear strength of submarine soils with burial depth

雖然利用CPT得到了海底以下38.5 m的地層不排水抗剪強度，但僅得到該深度以上的地層強度對于準確計算邊坡安全系數(shù)依然不夠，不同埋深處土的性質(zhì)往往差別很大[18]。圖5為CPT測試得到的南海瓊東南深水區(qū)不同海域海底土不排水抗剪強度剖面，可見，海底土強度隨著埋深的變化而差異非常大，且由于壓實固結(jié)作用，海底土強度隨著埋深的增大而增大[19]，不同海域沉積物的沉積環(huán)境和地質(zhì)條件不同，導致海底土的強度也存在一定差異。很多海域（如松濤26-2-1、寶島31-1-1-d等）海底土強度在某些深度存在突變，這可能與滑坡、物源、沉積條件等因素有關。不過，海底土不排水抗剪強度與深度依然存在一定的規(guī)律性，二者基本成線性或分段線性的關系，由此可推算海底土不排水抗剪強度隨埋深的變化公式

式中，qu為海底土不排水抗剪強度，kPa；Z為海底以下深度，m；Z0為某參考點深度，m；qu0是Z=Z0時的海底土不排水抗剪強度，kPa。

由圖5可以得到瓊東南盆地海底土不排水抗剪強度的下限估計值為qu=1.0×ZkPa。當埋深大于38.5 m時，缺乏海底土強度原位測試數(shù)據(jù)，此時可利用該公式估算土體不排水抗剪強度。

3 陵水X井場三維海底邊坡建模及穩(wěn)定性分析

3.1 三維海底邊坡建模

利用實際得到的海底地形數(shù)據(jù)建立三維海底邊坡幾何模型，如圖6所示。三維模型寬度為1.7 km，沿陸坡方向長為4.8 km，并劃分有限元單元，將其轉(zhuǎn)換為有限元離散模型，具體步驟如下。

圖6 海底邊坡三維模型Fig.6 Three-dimensional model of Lingshui X drilling site

（1）采用三維地震數(shù)據(jù)拾取水深地形數(shù)據(jù)，然后將水深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實體模型高度，具體換算公式為

式中H為實體模型高度，m；H0為水深為0處的模型高度，此處取750 m；D為水深，m。

（2）根據(jù)坐標變換將大地坐標X和Y轉(zhuǎn)化為模型的x和y坐標

（3）采用8節(jié)點線性六面體劃分三維海底邊坡幾何實體，模型單元大小為10 m×10 m，深度方向的單元數(shù)為100。

（4）令某單元中心處的z軸坐標為zi，因此對應的埋深為H-zi，對于埋深小于38.5 m的單元，其地層強度參數(shù)為圖5中實測的不排水抗剪強度，當單元中心點對應的埋深大于38.5 m時，由于缺乏CPT不排水抗剪強度數(shù)據(jù)，本研究統(tǒng)計了南海瓊東南深水區(qū)不同海域海底土不排水抗剪強度剖面（見圖5），為了不高估邊坡安全性，取各單元不排水抗剪強度為瓊東南盆地海底土不排水抗剪強度的下限估計值，即qu=1.0×Z=1.0×(H-zi) ，單位為kPa。

圖5 不同海域淺層土不排水抗剪強度剖面Fig.5 Profile of undrained shear strength of submarine soils in different areas

3.2 海底邊坡穩(wěn)定性分析

有限元強度折減法三維模型計算出的安全系數(shù)為1.23，屈服狀態(tài)表明，當邊坡?lián)p失失穩(wěn)時，海底邊坡會發(fā)生大面積塑性屈服破壞（圖7中的紅色區(qū)域），表明這些區(qū)域在外部干擾下可能變得不穩(wěn)定。然而，在井口附近的斜坡上沒有大規(guī)模的塑性破壞，這表明井口附近的海床更穩(wěn)定。

圖7 斜坡臨界失穩(wěn)時的塑性屈服破壞情況Fig.7 Plastic yield of formation when the slope loses stability

室內(nèi)三軸實驗表明，土體破裂面與剪應變破壞帶基本一致[20]，因此可用剪應變增量識別剪切帶，并以此來判斷潛在滑坡體和滑移面，圖8為斜坡臨界失穩(wěn)時的最大剪切應變增量分布。最大剪切應變增量的位置指示了潛在的滑動面，而潛在滑動面上方的地層是潛在滑坡體?？梢?，該井場共存在4個潛在滑坡體（紅色虛線內(nèi)），各個潛在滑坡體的規(guī)模以及它們與井位的距離見表1。其中潛在滑坡體3距離井位最近（626 m），規(guī)模也最大，平面展布面積約243 750 m2，潛在滑坡體1距離井位最遠（1 343 m），規(guī)模相對較小，平面展布面積約81 250 m2。

圖8 安全系數(shù)及斜坡臨界失穩(wěn)時的最大剪應變增量Fig.8 Factor of safety and maximum shear strain increment when the slope loses stability

表1 潛在滑坡體的規(guī)模以及它們與井位的距離Table 1 Size of potential sliding bodies and their distance to well position

位移的大小也可以用來確定滑坡體的可能位置，而速度矢量可以預測滑坡體的滑動方向。圖9是斜坡臨界失穩(wěn)時的位移和速度矢量圖。可見，位移增大的區(qū)域與最大剪應變增量的分布基本吻合，也就是說與潛在滑坡體的位置基本一致。通過速度矢量圖可以看出，潛在滑坡體1和2開始時沿著斜坡向下滑動，通過海底地形數(shù)據(jù)可以看到之后會遇到溝槽，其最可能的路徑是順著溝槽沿著斜坡向東南方向滑動，預定井位不在滑坡路徑上，對井口的安全影響很?。粷撛诨麦w2和3開始時沿著斜坡向東南方向滑動，對預定井位影響較小。

圖9 斜坡臨界失穩(wěn)時的位移和速度矢量Fig.9 Displacement and velocity vector when the slope loses stability

4 結(jié)論

（1）首次建立一套通用的深水井場邊坡穩(wěn)定性評價流程，用于鉆井井位的優(yōu)選，該流程規(guī)定了從井場調(diào)查-邊坡穩(wěn)定性建模-滑坡風險評估的全過程，內(nèi)容包括：基礎數(shù)據(jù)需求，深水井場調(diào)查內(nèi)容，三維深水邊坡穩(wěn)定性建模方法和安全系數(shù)計算流程。

（2）基于提出的深水陸坡井場海底穩(wěn)定性評價流程，以陵水X井場為案例，進行了三維海底邊坡穩(wěn)定性分析。研究發(fā)現(xiàn)，在壓實或滑塌作用下，隨著埋深的增加，不排水抗剪強度基本呈線性或分段線性增加，沉積物類型和機械壓實作用對海底土不排水抗剪強度隨埋深的變化具有重要影響；利用三維模型既可計算安全系數(shù)，同時可確定潛在滑坡體的空間位置，計算結(jié)果表明，井場最小安全系數(shù)為1.23，目標井位不在潛在滑坡體和滑坡路徑上，表明預定井位處滑坡風險較小。

（3）海底土不排水抗剪強度是海底邊坡穩(wěn)定性評估的重要影響因素，為了提高計算精度，應考慮土體強度的空間非均質(zhì)性，由于原位測試和取樣點數(shù)目的限制，建議發(fā)展利用三維地震等地球物理手段預測海底土強度的技術。