懸浮式P-S波速測(cè)井技術(shù)在海洋工程勘察中的應(yīng)用

董明明

(中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 塘沽300459)

懸浮式P-S波速測(cè)井技術(shù)在海洋工程勘察中的應(yīng)用

董明明

(中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 塘沽300459)

剪切波波速是工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)和地震小區(qū)劃工作中必測(cè)的參數(shù)之一。和室內(nèi)剪切波波速測(cè)試方法相比,剪切波波速原位測(cè)試技術(shù)可以提供準(zhǔn)確和更詳細(xì)的波速測(cè)試資料,具有操作簡(jiǎn)單、方便、快速等特點(diǎn)。因此,在陸地工程勘察中得到了廣泛應(yīng)用。由于海上作業(yè)環(huán)境的特殊性,剪切波波速原位測(cè)試技術(shù)在國(guó)內(nèi)海洋巖土工程勘察中尚未廣泛應(yīng)用。介紹了英國(guó)RG公司的懸浮式P-S波速測(cè)井系統(tǒng)的基本構(gòu)成和測(cè)試原理,并將該波速測(cè)試系統(tǒng)在海洋巖土工程勘察中進(jìn)行了測(cè)試應(yīng)用。測(cè)試結(jié)果與室內(nèi)的剪切波波速測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比表明測(cè)試結(jié)果具有可靠性,且其具有測(cè)試間隔小、數(shù)據(jù)量大和可快速提供測(cè)試結(jié)果等特點(diǎn),在海洋巖土工程勘察中具有寬廣的應(yīng)用前景。

懸浮式P-S波速測(cè)井;撓曲波;間接測(cè)試

剪切波波速是地震橫波(剪切波)在土中的傳播速度,它反應(yīng)了土層的剛度特征,并且對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)有顯著影響,故剪切波波速的測(cè)試與估計(jì)是一個(gè)重要的工作。因此,剪切波波速是當(dāng)前工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)和地震小區(qū)劃工作中必備的參數(shù)之一。

陸地上,汪聞韶[1]和胡升瑞[2]對(duì)剪切波波速在巖土工程中的應(yīng)用總結(jié)有：1)劃分建筑場(chǎng)地土類型和場(chǎng)地類別;2)評(píng)價(jià)飽和砂土、粉土的地震液化性;3)確定土的動(dòng)力學(xué)參數(shù);4)估算場(chǎng)地微震的卓越周期等。隨著海洋油氣資源的開(kāi)采,在海上建立了大量采油生產(chǎn)平臺(tái)。海上石油平臺(tái)屬于甲類構(gòu)筑物,《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]要求進(jìn)行抗震設(shè)計(jì),其中平臺(tái)場(chǎng)址土動(dòng)力特性評(píng)價(jià)是一個(gè)不可或缺的組成部分。對(duì)平臺(tái)場(chǎng)址土動(dòng)力特性評(píng)價(jià),剪切波波速又是一個(gè)十分重要的土層動(dòng)力指標(biāo),為地震安全性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。目前,剪切波波速測(cè)試可通過(guò)2種方法進(jìn)行：1)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位測(cè)試;2)在室內(nèi)對(duì)采回的土樣進(jìn)行波速測(cè)試。室內(nèi)試驗(yàn)有其局限性：1)土樣從海底取出后,由于應(yīng)力釋放、樣品包裝運(yùn)輸?shù)炔豢杀苊鈺?huì)有擾動(dòng),測(cè)試結(jié)果并不能準(zhǔn)確反映地層的原位波速;2)鉆孔取樣獲得的樣品是不連續(xù)的,其數(shù)量也有一定限制,尤其在較深地層,間隔一般在3 m左右。而現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試具有連續(xù)、可靠、快速和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn),在國(guó)外得到廣泛地應(yīng)用。

在國(guó)內(nèi)陸地勘察中,原位剪切波波速測(cè)試已經(jīng)成熟應(yīng)用,可通過(guò)單孔法、跨孔法和面波法進(jìn)行測(cè)試。郭明珠等[4]通過(guò)對(duì)上述幾種波速原位測(cè)試方法的比較得出,對(duì)于一般的工程場(chǎng)地,單孔聲波法具有操作方法簡(jiǎn)單、測(cè)試結(jié)果精度高和作業(yè)成本低等特點(diǎn)。由于海洋巖土工程勘察的特殊性、海上作業(yè)環(huán)境的限制以及高成本性,海洋巖土工程勘察中剪切波波速的原位測(cè)試方法采用單孔法波速原位測(cè)試實(shí)為可行和相對(duì)經(jīng)濟(jì)的。對(duì)國(guó)內(nèi)外單孔法原位波速測(cè)井儀進(jìn)行對(duì)比和分析,中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部工程勘察作業(yè)公司引進(jìn)了一套數(shù)字懸浮式P-S波速測(cè)井儀,該套儀器的測(cè)試主要在裸眼灌水孔中進(jìn)行,適合于海洋巖土工程勘察作業(yè)中。Tanaka等[5]、Kuo等[6]和Lin等[7]對(duì)該套測(cè)試設(shè)備和方法在巖土工程勘察中進(jìn)行了很好的應(yīng)用。

(李 燕 編輯)

以中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司鉆井平臺(tái)場(chǎng)址工程勘察項(xiàng)目和本單位科研項(xiàng)目為依托,采用英國(guó)RG公司懸浮式P-S波速測(cè)井系統(tǒng),我們進(jìn)行了海上巖土工程勘察鉆孔波速測(cè)井新技術(shù)的應(yīng)用研究,取得了一些較為可靠和較高精度的測(cè)試成果。以下對(duì)渤海海域某井場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果為例進(jìn)行簡(jiǎn)略介紹。

1 波速測(cè)試系統(tǒng)介紹

英國(guó)RG公司的數(shù)字懸浮式P-S波波速測(cè)試系統(tǒng)的硬件由主機(jī)、供電系統(tǒng)、電纜絞車、深度計(jì)數(shù)和探頭等部分組成,懸浮式P-S波速測(cè)井系統(tǒng)如圖1所示。

該系統(tǒng)的探頭主要由配重、驅(qū)動(dòng)、震源、阻尼管和接收器組成。震源采用電磁敲擊機(jī)械震源,激發(fā)高能量的橫波,其能量是常規(guī)聲波探測(cè)能量的20倍。接收器是由2個(gè)聲阻尼管隔開(kāi)的零浮力的三分量檢波器組成,可準(zhǔn)確捕捉到經(jīng)地層傳播的橫波和縱波信號(hào)。聲阻尼管阻止了聲波沿儀器本身傳播,保證了檢波器所得到的信號(hào)來(lái)自地層。采集數(shù)據(jù)時(shí),探頭停在設(shè)定的深度,震源由地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制激發(fā),在探管兩側(cè)的井液中建立一個(gè)壓力偶,由此引起的液體運(yùn)動(dòng)在井壁產(chǎn)生一個(gè)撓曲波,其波速接近地層的剪切波波速,同時(shí)伴隨有壓縮波。這樣設(shè)計(jì)降低了測(cè)井中鉆井液對(duì)聲波傳播的衰減和干擾,提高了測(cè)井結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。該套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)用了多次疊加和濾波技術(shù),在數(shù)據(jù)處理時(shí),既能抑制噪聲,同時(shí)又能很好地保留原波形信息,取得較好的濾波效果。

圖1 懸浮式P-S波速測(cè)井系統(tǒng)Fig.1 The suspension P-S wave velocity logging system

2 P-S波速測(cè)井技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

2.1 土質(zhì)特性

該井場(chǎng)施工了一口90 m深的工程地質(zhì)鉆孔,前40 m進(jìn)行了鉆孔取樣。根據(jù)鉆孔取樣的地質(zhì)編錄該井位表層土質(zhì)為非常軟到軟的粉質(zhì)黏土,其下至40 m內(nèi)土質(zhì)主要以砂性土為主,中間夾有2個(gè)厚度不等的粉質(zhì)黏土層。具體的土質(zhì)描述和土質(zhì)特性見(jiàn)圖2鉆孔柱狀圖和試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 鉆孔柱狀圖和試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Borehole log and tested results

2.2 測(cè)試結(jié)果

鉆孔取樣結(jié)束后,進(jìn)行P-S波速測(cè)試儀的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。為了保持井壁的穩(wěn)定,采用纖維素、重晶石和土粉混合而成的泥漿進(jìn)行清孔和護(hù)壁。本次測(cè)試結(jié)果獲得了海底泥面以下82 m左右土質(zhì)的剪切波波速值。為了進(jìn)行比較分析,特將該區(qū)塊內(nèi)的其它4個(gè)平臺(tái)場(chǎng)址的室內(nèi)剪切波波速資料與之對(duì)比,由于同屬一個(gè)區(qū)塊,根據(jù)鉆孔資料對(duì)比,淺層土質(zhì)基本一致,具有可對(duì)比性。以此來(lái)驗(yàn)證懸浮式PS波速測(cè)試儀測(cè)試出的剪切波波速的可靠性,對(duì)比圖如圖3所示,圖3中的深度為從海底起算。

圖3中紅色標(biāo)記為該井場(chǎng)的原位剪切波波速測(cè)試結(jié)果,其他標(biāo)記為同一區(qū)塊內(nèi)4個(gè)鉆孔的室內(nèi)波速測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試剪切波波速隨深度增加而逐漸增大與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果總體趨勢(shì)一致,且現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試的結(jié)果在區(qū)域土質(zhì)室內(nèi)剪切波波速值波動(dòng)幅度之內(nèi),從而驗(yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的可靠性。高印立[8]和王建華等[9]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)剪切波波速統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析表明,兩者的剪切波波速試驗(yàn)結(jié)果一般相差15%左右。而本次剪切波波速原位測(cè)試結(jié)果顯示,大部分深度范圍內(nèi),現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試結(jié)果與室內(nèi)波速試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比較好,僅在30～37 m深度左右,現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試結(jié)果略小于室內(nèi)波速測(cè)試結(jié)果,可能原因：1)該深度范圍內(nèi)土質(zhì)為粒狀土,在進(jìn)行室內(nèi)剪切波波速試驗(yàn)時(shí),需將試樣在原應(yīng)力條件下進(jìn)行飽和固結(jié),有可能固結(jié)程度過(guò)度;2)鉆孔取樣時(shí),鉆頭對(duì)井壁周圍的土質(zhì)有稍微的擾動(dòng)或有部分粒狀土坍塌。

圖3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖Fig.3 Comparison of the tested results

與室內(nèi)剪切波波速測(cè)試方法相比,該懸浮式P-S波波速原位測(cè)試儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)原位測(cè)試,地層受到的擾動(dòng)小,獲得的剪切波波速更接近真實(shí)的地層波速;2)波速測(cè)試快捷方便,可以快速提供鉆遇地層的剪切波速度參數(shù);3)可根據(jù)工程的需要,加密測(cè)量點(diǎn)距,獲得0.5 m深度間隔的地層剪切波速度,數(shù)據(jù)量大,彌補(bǔ)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)因測(cè)試數(shù)據(jù)少、離散性較大的不足,可以更好地滿足工程需求。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)懸浮式P-S波速測(cè)試儀的系統(tǒng)組成和測(cè)試原理進(jìn)行了分析和介紹,該套設(shè)備采用了獨(dú)特的設(shè)計(jì),集成有高能量剪切波激發(fā)震源,適合在充水的小孔徑裸眼井中進(jìn)行施工。該套設(shè)備具有操作簡(jiǎn)單、運(yùn)輸方便等特點(diǎn),適合于海上作業(yè)環(huán)境。與地震波靜力觸探(SCPT)測(cè)試方法相比,該套設(shè)備對(duì)船舶或平臺(tái)的作業(yè)能力要求較低,且不需要再配備獨(dú)立的震源,適用性很強(qiáng),能夠在一般船舶或平臺(tái)上使用。和室內(nèi)波速試驗(yàn)結(jié)果相比,該設(shè)備測(cè)量深度間隔最小可達(dá)0.5 m,測(cè)量深度間隔小、數(shù)據(jù)量大、測(cè)試結(jié)果精度較高,不但可以較好地彌補(bǔ)室內(nèi)波速試驗(yàn)數(shù)據(jù)少和離散型大等諸多不足之處,而且可快速提供測(cè)試結(jié)果,在海洋巖土工程勘察中具有寬廣的應(yīng)用前景,為海上平臺(tái)的抗震分析提供不可或缺的土動(dòng)力特性參數(shù)。該套設(shè)備測(cè)試時(shí)需在裸孔中進(jìn)行,會(huì)有因孔壁坍塌而掩埋設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn),因此其對(duì)鉆孔護(hù)壁質(zhì)量要求較高。對(duì)于深孔(大于40 m)波速測(cè)試時(shí),實(shí)際作業(yè)過(guò)程中時(shí)建議采用分段測(cè)試法,可有效降低設(shè)備掩埋風(fēng)險(xiǎn)。

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Abstract：Shear wave velocity is one of the essential parameters for the seismic safety evaluation and seismic microzonation of engineering site.Compared with the laboratory methods for shear wave velocity measurement,the in-situ shear wave velocity measurement can provide with more accurate and detailed velocity testing data and has the advantages of simple operation,convenience and rapidness,etc.,and thus has been widely applied in the land engineering surveys.Because of the particularity of marine operation environment,however,this technique has not yet been widely used in the domestic marine geotechnical investigations.The basic constitutions and principle of a suspension P-S wave velocity logging system of the British RG Company are introduced and a test application of this system has been carried out in an offshore geotechnical survey.The comparison between the results from the survey and those from the laboratory tests has shown that the results from the field tests are not only reliable,but also has the characteristics of small testing interval,large amount of data and quickly providing with the data,indicating that such a system has a wide application prospect in the offshore geotechnical investigations.

Key words：suspension P-S wave velocity logging;flexural wave;indirect measure

Received：January 4,2017

Application of Suspension P-S Wave Velocity Logging Technique in Offshore Engineering Investigation

DONG Ming-ming
(China Oilfield Services Limited,Tianjin 300459,China)

P753

A

1002-3682(2017)03-0046-05

10.3969/j.issn.1002-3682.2017.03.006

2017-01-04

董明明(1981-),男,高級(jí)工程師,碩士,主要從事海上巖土工程勘察方面研究.E-mail：dongmm@cosl.com.cn