考虑强度垂向非均质性的三维深水陆坡井场稳定性分析1)

孙 金 王大伟

(中国科学院深海科学与工程研究所海南省海底资源与探测技术重点实验室，海南三亚 572000)

(南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东珠海 519080)

南海北部陆坡区油气资源储量十分丰富，一直是我国深水油气重点勘探开发区域，近年来中海油相继在宝岛、陵水等深水陆坡区发现了一些深水油气田[1]。不过，前期井场调查发现，相对于深水盆地，这些陆坡区海底地形坡度变化较大，通常在0°～40°之间[2-3]，且深水海底浅表层土多为软黏土，含水量高，强度很低[4-5]，因此海底斜坡在外力扰动下容易失稳，可能严重破坏海底井口、海底管道、通信电缆等水下海底工程结构物，引起井口倾覆、管线折断[6-8]，造成重大经济损失。研究表明，海底滑坡在坡度小于1° 时仍有可能发生[9]，因此海底滑坡是深水钻井特别是在陆坡区钻井前必须要考虑的问题，开展海底边坡稳定性评价对于油气开发区选址和保证钻井安全意义重大。

深水井场稳定性分析是一项系统性工程，主要包括两方面的工作：井场调查和边坡安全系数计算。通过井场调查完成资料和数据采集后，需要对海底斜坡稳定性进行定量评价，目前定量评价主要通过安全系数判断，采用的主要方法为极限平衡法和数值模拟法[10-11]。不过，对于海底斜坡稳定性的研究却非常少，还存在以下一些问题[12-13]：（1）海底斜坡数值模拟分析时多采用二维模型，而实际海底地形是三维的，很难通过有限个单一剖面的计算完成井场海底滑坡风险的评估，应采用三维模型模拟海底滑坡的风险，得到更加真实的结果；（2）海底浅层土的物性和力学参数呈现出很强的垂向非均质性，然而目前的海底斜坡稳定性分析时很少考虑这种空间非均质性，或者仅仅采用简单的分层模型进行考虑，不符合实际情况。

本文基于有限元强度折减法建立了海底安全系数计算方法，提出了深水陆坡井场海底稳定性评价流程，并以位于琼东南深水陆坡区的陵水X深水井场为例，构建了深水井场三维海底地质实体模型，基于土工实验和海床静力触探，得到了考虑垂向非均质性的海底土不排水抗剪强度，计算了三维海底边坡安全系数，分析了复杂地形井场潜在滑坡体位置及可能滑动方向，并优选钻井井位，可为具有复杂地形的陆坡区钻井安全提供重要指导。

1 深水陆坡井场海底稳定性评价流程

目前尚无针对深水陆坡井场的海底稳定性评价流程，参考陆地边坡稳定性评价方法，并结合海底边坡稳定性分析的特点，建立深水陆坡井场稳定性评价流程。流程规定了从井场调查到边坡稳定性建模再到滑坡风险评估的全过程，内容主要包括：基础数据获取，三维深水边坡稳定性建模方法和安全系数计算，如图1所示。

图1 深水陆坡井场稳定性评价流程图Fig.1 Flow chart of submarine stability evaluation for drilling site in deepwater continental slope area

1.1 基础数据获取

基础数据获取是评价深水陆坡井场海底稳定性的前提。深水陆坡井场海底稳定性分析所需的基础数据包括：水深数据、浅层地质条件（断层、软弱面等）和土工参数。详尽的海底地质调查是获取这些参数的重要手段。水深数据可通过回声测深仪或多波束测量，也可以利用覆盖工区的三维地震资料计算得到，如果要得到高精度的水深数据，建议使用搭载多波束的自主水下机器人（autonomous underwater vehicle, AUV）进行多波束测量[14]，此外，侧扫声纳也可以提供反映海底地貌特征的高分辨率影像；浅层地质条件可用2D/3D地震、船测/AUV多波束和浅地层剖面仪[15]，它们具有平面连续性优势，可以将海底地貌特征、地形分布特点，以及海底以下的沉积特征、地层平面展布和垂向演化展示出来，为后续的深水井场三维海底地质模型的建立提供地层划分依据；土工参数可通过室内实验和原位测试获取，室内实验可用表层采样器、柱状采样器和钻探等手段获取海底土样品，进而测试海底土样品的物理力学性质；原位测试包括静力触探、十字板剪切试验等，其中静力触探（cone penetration test, CPT）可连续获取海底以下几十米内海底土的原位力学性质和孔隙水压力[16]，对于海底土工参数的获取极为重要。

土质参数对于海底稳定性评价非常重要，当埋深较大时，深水浅层土采样困难、作业成本高昂，因此很难将钻孔取样方法用于区域性的浅层土性质研究。不过，可以尝试利用地震等地球物理方法为深水浅层土性质的大范围预测提供更加低成本的手段，而其中的关键问题就是确定土的哪些物理参数（如密度、孔隙度等）与声学参数之间存在很好的相关性，以便建立合理的预测模型。

1.2 三维深水边坡稳定性建模

将多波束等数据导入Globalmapper软件，根据靶点位置、海底地形地貌及浅层地质条件初步选定井位，划定三维建模区域，并采用六面体网格逐步叠加法建立三维海底地形的几何实体模型；利用岩心钻探资料、土工和CPT数据分析海底土力学参数，基于数值插值描述土质参数的非均质性，并将离散化后的参数赋予三维数值模型，从而得到海底边坡三维地质力学模型。

1.3 安全系数计算

安全系数是陆地边坡稳定性分析中用于评价边坡稳定性的指标，已经被广泛应用于各类工程边坡稳定性评价规范标准中，其定义源于陆地边坡的极限平衡分析法，一般指的是边坡滑动面的抗滑力与滑动力的比值[17]，它表征了边坡的安全储备大小，当安全系数大于1时，边坡稳定；安全系数等于1时，坡体处于极限平衡状态；安全系数小于1时，边坡即发生破坏。在有限元数值模拟中，通常利用强度折减法计算安全系数，对于饱和海底土，通过折减不排水抗剪强度计算安全系数，即引入某一强度折减系数将土体不排水抗剪强度进行折减，得到折减后的土体强度

式中qf为折减后的土体不排水抗剪强度，kPa；qu为折减前的土体不排水抗剪强度，kPa；F为强度折减系数。

利用折减后的强度对边坡进行分析，借助数值模拟手段可以计算出边坡的塑性区范围、位移、应力及应变信息，判断斜坡是否达到了极限平衡状态，若达到极限平衡状态，此时对应的强度折减系数F就可以作为边坡的安全系数，从而定量描述斜坡稳定性。

2 陵水X井场工程地质调查

2.1 陵水X井场地形地貌特征

陵水X深水井场位于琼东南盆地深水陆坡区，海底地形复杂，海底坡度变化很大。为了评估海底滑坡的风险，在钻探之前进行了详细的井场勘测，包括多波束水深测量、浅地层剖面勘测、重力取样、室内土工实验和海床静力触探等。

利用AUV在3 km×3 km的井场范围内进行了精细的多波束水深测量，水深如图2所示。可见，深水井场水深在232.3～652.9 m之间变化，海底坡度在0°～37°之间变化，多数区域海底坡度大于5°。整个井场整体由西北向东南方向倾斜，发育多个西北-东南方向的海底峡谷，随着水深的增加，海底变得越来越平坦。为了降低钻井过程中峡谷中可能存在的浊流对井口稳定性的影响，将井位选择在海底峡谷脊部附近（图2中的红点），此处水深约为529.4 m，海床坡度约为3.8°，因此存在一定的海底滑坡风险。

2.2 浅层地质情况

图3显示了沿NW-SE和SW-NE方向通过预定井位的浅地层剖面。将CPT曲线叠加在浅地层剖面上，以识别地层界面。可以看出，在22.0 m的深度处有一个明显的连续界面（图3中的红线）。从CPT的曲线中可以观察到22.0 m深度处存在超孔隙水压力，锥端阻力和侧壁摩阻力急剧变化，该界面上方地层清晰且连续，表明上覆地层是正常的沉积地层。相比之下，红线以下的地层多为空白反射，界面不清楚且不连续，表明下方沉积物很可能是滑塌体，在分析海底稳定性时，需要特别注意该界面上下地层变化。

图3 过预定井位的浅地层剖面Fig.3 Sub-bottom profile across predetermined well

2.3 海底土不排水抗剪强度

预定井位附近总共获得了7个海底土样品，其长度在4.20～4.65 m之间。大多数海底土属于软黏土，比重在14.0～15.8 kN/m3之间，不排水的剪切强度在1～5 kPa之间。

由于采样深度的限制，重力采样只能获得几米以内的浅表层海底土土工参数，不足以准确评估海底稳定性。作为一种现场测试方法，CPT的穿透深度可达数十米，可用于估算浅层海底土类型和强度参数。本次CPT测试最大穿透深度为38.5 m。图4为根据CPT测试结果得到的不同埋深处海底土不排水剪切强度。

图4表明，当埋深小于22.0 m时，不排水抗剪强度随埋深的增加而线性增加；22.0 m内不排水抗剪强度在1～30 kPa之间，当埋深在22.0～27.4 m之间时，不排水抗剪强度迅速增大；当埋深大于27.4 m时，不排水抗剪强度随深度线性增加，埋深为38.5 m时，不排水抗剪强度增加到134.8 kPa。

图4 海底土不排水抗剪强度随埋深的变化Fig.4 Variation of undrained shear strength of submarine soils with burial depth

虽然利用CPT得到了海底以下38.5 m的地层不排水抗剪强度，但仅得到该深度以上的地层强度对于准确计算边坡安全系数依然不够，不同埋深处土的性质往往差别很大[18]。图5为CPT测试得到的南海琼东南深水区不同海域海底土不排水抗剪强度剖面，可见，海底土强度随着埋深的变化而差异非常大，且由于压实固结作用，海底土强度随着埋深的增大而增大[19]，不同海域沉积物的沉积环境和地质条件不同，导致海底土的强度也存在一定差异。很多海域（如松涛26-2-1、宝岛31-1-1-d等）海底土强度在某些深度存在突变，这可能与滑坡、物源、沉积条件等因素有关。不过，海底土不排水抗剪强度与深度依然存在一定的规律性，二者基本成线性或分段线性的关系，由此可推算海底土不排水抗剪强度随埋深的变化公式

式中，qu为海底土不排水抗剪强度，kPa；Z为海底以下深度，m；Z0为某参考点深度，m；qu0是Z=Z0时的海底土不排水抗剪强度，kPa。

由图5可以得到琼东南盆地海底土不排水抗剪强度的下限估计值为qu=1.0×ZkPa。当埋深大于38.5 m时，缺乏海底土强度原位测试数据，此时可利用该公式估算土体不排水抗剪强度。

3 陵水X井场三维海底边坡建模及稳定性分析

3.1 三维海底边坡建模

利用实际得到的海底地形数据建立三维海底边坡几何模型，如图6所示。三维模型宽度为1.7 km，沿陆坡方向长为4.8 km，并划分有限元单元，将其转换为有限元离散模型，具体步骤如下。

图6 海底边坡三维模型Fig.6 Three-dimensional model of Lingshui X drilling site

（1）采用三维地震数据拾取水深地形数据，然后将水深数据转化为实体模型高度，具体换算公式为

式中H为实体模型高度，m；H0为水深为0处的模型高度，此处取750 m；D为水深，m。

（2）根据坐标变换将大地坐标X和Y转化为模型的x和y坐标

（3）采用8节点线性六面体划分三维海底边坡几何实体，模型单元大小为10 m×10 m，深度方向的单元数为100。

（4）令某单元中心处的z轴坐标为zi，因此对应的埋深为H-zi，对于埋深小于38.5 m的单元，其地层强度参数为图5中实测的不排水抗剪强度，当单元中心点对应的埋深大于38.5 m时，由于缺乏CPT不排水抗剪强度数据，本研究统计了南海琼东南深水区不同海域海底土不排水抗剪强度剖面（见图5），为了不高估边坡安全性，取各单元不排水抗剪强度为琼东南盆地海底土不排水抗剪强度的下限估计值，即qu=1.0×Z=1.0×(H-zi) ，单位为kPa。

图5 不同海域浅层土不排水抗剪强度剖面Fig.5 Profile of undrained shear strength of submarine soils in different areas

3.2 海底边坡稳定性分析

有限元强度折减法三维模型计算出的安全系数为1.23，屈服状态表明，当边坡损失失稳时，海底边坡会发生大面积塑性屈服破坏（图7中的红色区域），表明这些区域在外部干扰下可能变得不稳定。然而，在井口附近的斜坡上没有大规模的塑性破坏，这表明井口附近的海床更稳定。

图7 斜坡临界失稳时的塑性屈服破坏情况Fig.7 Plastic yield of formation when the slope loses stability

室内三轴实验表明，土体破裂面与剪应变破坏带基本一致[20]，因此可用剪应变增量识别剪切带，并以此来判断潜在滑坡体和滑移面，图8为斜坡临界失稳时的最大剪切应变增量分布。最大剪切应变增量的位置指示了潜在的滑动面，而潜在滑动面上方的地层是潜在滑坡体。可见，该井场共存在4个潜在滑坡体（红色虚线内），各个潜在滑坡体的规模以及它们与井位的距离见表1。其中潜在滑坡体3距离井位最近（626 m），规模也最大，平面展布面积约243 750 m2，潜在滑坡体1距离井位最远（1 343 m），规模相对较小，平面展布面积约81 250 m2。

图8 安全系数及斜坡临界失稳时的最大剪应变增量Fig.8 Factor of safety and maximum shear strain increment when the slope loses stability

表1 潜在滑坡体的规模以及它们与井位的距离Table 1 Size of potential sliding bodies and their distance to well position

位移的大小也可以用来确定滑坡体的可能位置，而速度矢量可以预测滑坡体的滑动方向。图9是斜坡临界失稳时的位移和速度矢量图。可见，位移增大的区域与最大剪应变增量的分布基本吻合，也就是说与潜在滑坡体的位置基本一致。通过速度矢量图可以看出，潜在滑坡体1和2开始时沿着斜坡向下滑动，通过海底地形数据可以看到之后会遇到沟槽，其最可能的路径是顺着沟槽沿着斜坡向东南方向滑动，预定井位不在滑坡路径上，对井口的安全影响很小；潜在滑坡体2和3开始时沿着斜坡向东南方向滑动，对预定井位影响较小。

图9 斜坡临界失稳时的位移和速度矢量Fig.9 Displacement and velocity vector when the slope loses stability

4 结论

（1）首次建立一套通用的深水井场边坡稳定性评价流程，用于钻井井位的优选，该流程规定了从井场调查-边坡稳定性建模-滑坡风险评估的全过程，内容包括：基础数据需求，深水井场调查内容，三维深水边坡稳定性建模方法和安全系数计算流程。

（2）基于提出的深水陆坡井场海底稳定性评价流程，以陵水X井场为案例，进行了三维海底边坡稳定性分析。研究发现，在压实或滑塌作用下，随着埋深的增加，不排水抗剪强度基本呈线性或分段线性增加，沉积物类型和机械压实作用对海底土不排水抗剪强度随埋深的变化具有重要影响；利用三维模型既可计算安全系数，同时可确定潜在滑坡体的空间位置，计算结果表明，井场最小安全系数为1.23，目标井位不在潜在滑坡体和滑坡路径上，表明预定井位处滑坡风险较小。

（3）海底土不排水抗剪强度是海底边坡稳定性评估的重要影响因素，为了提高计算精度，应考虑土体强度的空间非均质性，由于原位测试和取样点数目的限制，建议发展利用三维地震等地球物理手段预测海底土强度的技术。