考慮強(qiáng)度垂向非均質(zhì)性的三維深水陸坡井場(chǎng)穩(wěn)定性分析1)

孫 金 王大偉

(中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所海南省海底資源與探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南三亞 572000)

(南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東珠海 519080)

南海北部陸坡區(qū)油氣資源儲(chǔ)量十分豐富，一直是我國(guó)深水油氣重點(diǎn)勘探開發(fā)區(qū)域，近年來(lái)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(guò)，前期井場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，相對(duì)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(qiáng)度很低[4-5]，因此海底斜坡在外力擾動(dòng)下容易失穩(wěn)，可能嚴(yán)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(jì)損失。研究表明，海底滑坡在坡度小于1° 時(shí)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(píng)價(jià)對(duì)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(chǎng)穩(wěn)定性分析是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，主要包括兩方面的工作：井場(chǎng)調(diào)查和邊坡安全系數(shù)計(jì)算。通過(guò)井場(chǎng)調(diào)查完成資料和數(shù)據(jù)采集后，需要對(duì)海底斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，目前定量評(píng)價(jià)主要通過(guò)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(guò)，對(duì)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(shí)多采用二維模型，而實(shí)際海底地形是三維的，很難通過(guò)有限個(gè)單一剖面的計(jì)算完成井場(chǎng)海底滑坡風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，應(yīng)采用三維模型模擬海底滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，得到更加真實(shí)的結(jié)果；（2）海底淺層土的物性和力學(xué)參數(shù)呈現(xiàn)出很強(qiáng)的垂向非均質(zhì)性，然而目前的海底斜坡穩(wěn)定性分析時(shí)很少考慮這種空間非均質(zhì)性，或者僅僅采用簡(jiǎn)單的分層模型進(jìn)行考慮，不符合實(shí)際情況。

本文基于有限元強(qiáng)度折減法建立了海底安全系數(shù)計(jì)算方法，提出了深水陸坡井場(chǎng)海底穩(wěn)定性評(píng)價(jià)流程，并以位于瓊東南深水陸坡區(qū)的陵水X深水井場(chǎng)為例，構(gòu)建了深水井場(chǎng)三維海底地質(zhì)實(shí)體模型，基于土工實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度，計(jì)算了三維海底邊坡安全系數(shù)，分析了復(fù)雜地形井場(chǎng)潛在滑坡體位置及可能滑動(dòng)方向，并優(yōu)選鉆井井位，可為具有復(fù)雜地形的陸坡區(qū)鉆井安全提供重要指導(dǎo)。

1 深水陸坡井場(chǎng)海底穩(wěn)定性評(píng)價(jià)流程

目前尚無(wú)針對(duì)深水陸坡井場(chǎng)的海底穩(wěn)定性評(píng)價(jià)流程，參考陸地邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，并結(jié)合海底邊坡穩(wěn)定性分析的特點(diǎn)，建立深水陸坡井場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)流程。流程規(guī)定了從井場(chǎng)調(diào)查到邊坡穩(wěn)定性建模再到滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的全過(guò)程，內(nèi)容主要包括：基礎(chǔ)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(jì)算，如圖1所示。

圖1 深水陸坡井場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)流程圖Fig.1 Flow chart of submarine stability evaluation for drilling site in deepwater continental slope area

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取是評(píng)價(jià)深水陸坡井場(chǎng)海底穩(wěn)定性的前提。深水陸坡井場(chǎng)海底穩(wěn)定性分析所需的基礎(chǔ)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(guò)回聲測(cè)深儀或多波束測(cè)量，也可以利用覆蓋工區(qū)的三維地震資料計(jì)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(jī)器人（autonomous underwater vehicle, AUV）進(jìn)行多波束測(cè)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(cè)/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(shì)，可以將海底地貌特征、地形分布特點(diǎn)，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(lái)，為后續(xù)的深水井場(chǎng)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(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和原位測(cè)試獲取，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(jìn)而測(cè)試海底土樣品的物理力學(xué)性質(zhì)；原位測(cè)試包括靜力觸探、十字板剪切試驗(yàn)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(xué)性質(zhì)和孔隙水壓力[16]，對(duì)于海底土工參數(shù)的獲取極為重要。

土質(zhì)參數(shù)對(duì)于海底穩(wěn)定性評(píng)價(jià)非常重要，當(dāng)埋深較大時(shí)，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(guò)，可以嘗試?yán)玫卣鸬鹊厍蛭锢矸椒樯钏疁\層土性質(zhì)的大范圍預(yù)測(cè)提供更加低成本的手段，而其中的關(guān)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(xué)參數(shù)之間存在很好的相關(guān)性，以便建立合理的預(yù)測(cè)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(dǎo)入Globalmapper軟件，根據(jù)靶點(diǎn)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(shí)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(xué)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(xué)模型。

1.3 安全系數(shù)計(jì)算

安全系數(shù)是陸地邊坡穩(wěn)定性分析中用于評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的指標(biāo)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各類工程邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)面的抗滑力與滑動(dòng)力的比值[17]，它表征了邊坡的安全儲(chǔ)備大小，當(dāng)安全系數(shù)大于1時(shí)，邊坡穩(wěn)定；安全系數(shù)等于1時(shí)，坡體處于極限平衡狀態(tài)；安全系數(shù)小于1時(shí)，邊坡即發(fā)生破壞。在有限元數(shù)值模擬中，通常利用強(qiáng)度折減法計(jì)算安全系數(shù)，對(duì)于飽和海底土，通過(guò)折減不排水抗剪強(qiáng)度計(jì)算安全系數(shù)，即引入某一強(qiáng)度折減系數(shù)將土體不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減，得到折減后的土體強(qiáng)度

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

利用折減后的強(qiáng)度對(duì)邊坡進(jìn)行分析，借助數(shù)值模擬手段可以計(jì)算出邊坡的塑性區(qū)范圍、位移、應(yīng)力及應(yīng)變信息，判斷斜坡是否達(dá)到了極限平衡狀態(tài)，若達(dá)到極限平衡狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)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(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查

2.1 陵水X井場(chǎng)地形地貌特征

陵水X深水井場(chǎng)位于瓊東南盆地深水陸坡區(qū)，海底地形復(fù)雜，海底坡度變化很大。為了評(píng)估海底滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，在鉆探之前進(jìn)行了詳細(xì)的井場(chǎng)勘測(cè)，包括多波束水深測(cè)量、淺地層剖面勘測(cè)、重力取樣、室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)和海床靜力觸探等。

利用AUV在3 km×3 km的井場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行了精細(xì)的多波束水深測(cè)量，水深如圖2所示?？梢姡钏畧?chǎng)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(gè)井場(chǎng)整體由西北向東南方向傾斜，發(fā)育多個(gè)西北-東南方向的海底峽谷，隨著水深的增加，海底變得越來(lái)越平坦。為了降低鉆井過(guò)程中峽谷中可能存在的濁流對(duì)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(diǎn)），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(fēng)險(xiǎn)。

2.2 淺層地質(zhì)情況

圖3顯示了沿NW-SE和SW-NE方向通過(guò)預(yù)定井位的淺地層剖面。將CPT曲線疊加在淺地層剖面上，以識(shí)別地層界面?？梢钥闯?，在22.0 m的深度處有一個(gè)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(shí)，需要特別注意該界面上下地層變化。

圖3 過(guò)預(yù)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(qiáng)度

預(yù)定井位附近總共獲得了7個(gè)海底土樣品，其長(zhǎng)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(qiáng)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(zhǔn)確評(píng)估海底穩(wěn)定性。作為一種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，CPT的穿透深度可達(dá)數(shù)十米，可用于估算淺層海底土類型和強(qiáng)度參數(shù)。本次CPT測(cè)試最大穿透深度為38.5 m。圖4為根據(jù)CPT測(cè)試結(jié)果得到的不同埋深處海底土不排水剪切強(qiáng)度。

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

圖4 海底土不排水抗剪強(qiáng)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(qiáng)度，但僅得到該深度以上的地層強(qiáng)度對(duì)于準(zhǔn)確計(jì)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(cè)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(qiáng)度剖面，可見，海底土強(qiáng)度隨著埋深的變化而差異非常大，且由于壓實(shí)固結(jié)作用，海底土強(qiáng)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(dǎo)致海底土的強(qiáng)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(qiáng)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(guān)。不過(guò)，海底土不排水抗剪強(qiáng)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(guān)系，由此可推算海底土不排水抗剪強(qiáng)度隨埋深的變化公式

式中，qu為海底土不排水抗剪強(qiáng)度，kPa；Z為海底以下深度，m；Z0為某參考點(diǎn)深度，m；qu0是Z=Z0時(shí)的海底土不排水抗剪強(qiáng)度，kPa。

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

3 陵水X井場(chǎng)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(shí)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(zhǎng)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(shí)體模型高度，具體換算公式為

式中H為實(shí)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(biāo)變換將大地坐標(biāo)X和Y轉(zhuǎn)化為模型的x和y坐標(biāo)

（3）采用8節(jié)點(diǎn)線性六面體劃分三維海底邊坡幾何實(shí)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(biāo)為zi，因此對(duì)應(yīng)的埋深為H-zi，對(duì)于埋深小于38.5 m的單元，其地層強(qiáng)度參數(shù)為圖5中實(shí)測(cè)的不排水抗剪強(qiáng)度，當(dāng)單元中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)的埋深大于38.5 m時(shí)，由于缺乏CPT不排水抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)，本研究統(tǒng)計(jì)了南海瓊東南深水區(qū)不同海域海底土不排水抗剪強(qiáng)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(qiáng)度為瓊東南盆地海底土不排水抗剪強(qiáng)度的下限估計(jì)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(qiáng)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(qiáng)度折減法三維模型計(jì)算出的安全系數(shù)為1.23，屈服狀態(tài)表明，當(dāng)邊坡?lián)p失失穩(wěn)時(shí)，海底邊坡會(huì)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(shí)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(shí)驗(yàn)表明，土體破裂面與剪應(yīng)變破壞帶基本一致[20]，因此可用剪應(yīng)變?cè)隽孔R(shí)別剪切帶，并以此來(lái)判斷潛在滑坡體和滑移面，圖8為斜坡臨界失穩(wěn)時(shí)的最大剪切應(yīng)變?cè)隽糠植?。最大剪切?yīng)變?cè)隽康奈恢弥甘玖藵撛诘幕瑒?dòng)面，而潛在滑動(dòng)面上方的地層是潛在滑坡體?？梢?，該井場(chǎng)共存在4個(gè)潛在滑坡體（紅色虛線內(nèi)），各個(gè)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(yuǎn)（1 343 m），規(guī)模相對(duì)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(shí)的最大剪應(yīng)變?cè)隽縁ig.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(lái)確定滑坡體的可能位置，而速度矢量可以預(yù)測(cè)滑坡體的滑動(dòng)方向。圖9是斜坡臨界失穩(wěn)時(shí)的位移和速度矢量圖?？梢?，位移增大的區(qū)域與最大剪應(yīng)變?cè)隽康姆植蓟疚呛?，也就是說(shuō)與潛在滑坡體的位置基本一致。通過(guò)速度矢量圖可以看出，潛在滑坡體1和2開始時(shí)沿著斜坡向下滑動(dòng)，通過(guò)海底地形數(shù)據(jù)可以看到之后會(huì)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(dòng)，預(yù)定井位不在滑坡路徑上，對(duì)井口的安全影響很??；潛在滑坡體2和3開始時(shí)沿著斜坡向東南方向滑動(dòng)，對(duì)預(yù)定井位影響較小。

圖9 斜坡臨界失穩(wěn)時(shí)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(chǎng)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)流程，用于鉆井井位的優(yōu)選，該流程規(guī)定了從井場(chǎng)調(diào)查-邊坡穩(wěn)定性建模-滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的全過(guò)程，內(nèi)容包括：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需求，深水井場(chǎng)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(jì)算流程。

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

（3）海底土不排水抗剪強(qiáng)度是海底邊坡穩(wěn)定性評(píng)估的重要影響因素，為了提高計(jì)算精度，應(yīng)考慮土體強(qiáng)度的空間非均質(zhì)性，由于原位測(cè)試和取樣點(diǎn)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(yù)測(cè)海底土強(qiáng)度的技術(shù)。