吳 濤,李 列,孫 金,歐陽(yáng)敏，蓋永浩

(1.中海石油(中國(guó))有限公司 湛江分公司， 廣東 湛江 524057;2.中國(guó)科學(xué)院 深?？茖W(xué)與工程研究所， 海南 三亞 572099)

1 引 言

近年來(lái)，我國(guó)在南海深水油氣勘探開(kāi)發(fā)方面持續(xù)發(fā)力，先后在珠江口和瓊東南等深水盆地發(fā)現(xiàn)了荔灣、陵水等多個(gè)大型油氣田[1-3]。除了這些深水盆地，我國(guó)南海北部陸坡區(qū)的油氣水合物資源儲(chǔ)量也十分豐富，同樣是今后深水油氣重點(diǎn)勘探開(kāi)發(fā)區(qū)域(圖1)。然而，相對(duì)于深水盆地，陸坡區(qū)海底地形坡度較大，淺層地質(zhì)條件復(fù)雜，因此滑坡風(fēng)險(xiǎn)變大[4-6]，可能?chē)?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[7,8]，從而造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，因此陸坡區(qū)鉆井必須要考慮海底滑坡的問(wèn)題。

圖1 南海北部深水油氣田開(kāi)發(fā)區(qū)及海底地形Fig.1 Deepwater oil and gas exploitation area and submarine topography of Northern South China Sea

深水海底淺表層土多為軟黏土，含水量高，強(qiáng)度很低[9,10]，因此海底斜坡在外力擾動(dòng)下容易失穩(wěn)。與陸地滑坡相比，海底滑坡發(fā)生時(shí)的坡度相對(duì)較小，Hance[11]統(tǒng)計(jì)了全球399例海底滑坡事件，發(fā)現(xiàn)85%海底滑坡的斜坡坡度小于10°；Booth等[12]通過(guò)分析海底滑坡發(fā)生次數(shù)與坡度的關(guān)系發(fā)現(xiàn)多數(shù)滑坡發(fā)生時(shí)的坡度在2°～10°之間，有時(shí)即使坡度小于1°也可能發(fā)生滑坡，這大大增加了陸坡區(qū)發(fā)生海底滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。此外，深水鉆井表層噴射時(shí)對(duì)沉積物的擾動(dòng)、井口裝置以及井下返出物作用在海床面上的重量等外界工程擾動(dòng)都會(huì)對(duì)海底斜坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響，增加斜坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，給鉆井作業(yè)帶來(lái)非常不利的影響。因此，有必要開(kāi)展斜坡區(qū)深水井場(chǎng)海底滑坡風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)價(jià)研究，在滿足勘探和開(kāi)發(fā)目的的前提下，原則上應(yīng)盡量選擇滑坡風(fēng)險(xiǎn)最小的區(qū)域[13,14]，從而為井位優(yōu)選和海底滑坡的防治提供重要參考價(jià)值。

目前，雖然前人在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法等方面進(jìn)行了大量的研究[15-20]，然而，對(duì)深水陸坡區(qū)(特別是考慮鉆井影響)的海底斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面卻鮮有研究。本文以位于南海北部瓊東南海域陸坡區(qū)的松濤深水井場(chǎng)為例，利用自主式水下航行器(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)地形地貌數(shù)據(jù)建立了海底斜坡模型，并考慮淺層土強(qiáng)度的垂向非均質(zhì)性，利用有限差分強(qiáng)度折減法計(jì)算鉆井過(guò)程中的井口附加載荷和鉆井振動(dòng)載荷對(duì)海底斜坡安全系數(shù)的影響，估計(jì)斜坡滑移面的大小和位置，實(shí)現(xiàn)深水井場(chǎng)鉆井過(guò)程中的海底滑坡風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)價(jià)。

2 松濤深水井場(chǎng)地形及工程地質(zhì)概況

松濤區(qū)探井位于瓊東南陸坡區(qū)，為該區(qū)第一口探井，海底坡度較大，鉆井過(guò)程中存在較大的滑坡風(fēng)險(xiǎn)，如何優(yōu)選井位以確保海底斜坡的穩(wěn)定性是鉆前亟待解決的問(wèn)題。因此，鉆前進(jìn)行了詳盡的井場(chǎng)調(diào)查，主要包括多波束水深地形調(diào)查、AUV旁掃聲吶海底地貌調(diào)查、AUV淺地層剖面調(diào)查、重力取樣、海床式靜力觸探原位測(cè)試、室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)和海底流速觀測(cè)等。

2.1 井場(chǎng)水深及海底地形

精確的海底地形是進(jìn)行海底斜坡穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵。為提高地形測(cè)量精度，井場(chǎng)調(diào)查采用AUV對(duì)3 km×3 km范圍內(nèi)的海底地形進(jìn)行多波束調(diào)查(圖2)。從水深地形圖可以看出，深水井場(chǎng)內(nèi)水深在1 078.4～1 344.5 m之間變化，整體由西北向東南方向逐漸變深，中部區(qū)域海底隆起，呈楔形狀，預(yù)定井位的北向和西南方向各有一處陡坎，在此處水深和坡度變化較大。在中部海底隆起區(qū)域選定了四個(gè)備選井位，井位1(圖中的W1)的水深為1 189.8 m，井位2(圖中的W2)的水深為1 195.8 m， 井位3(圖中的W3)的水深為1 188.3 m，井位4(圖中的W4)的水深為1 185.8 m。

圖2 松濤深水井場(chǎng)水深地形(3 km×3 km)Fig.2 Submarine topography of Songtao deepwater drilling site(3 km×3 km)

深水井場(chǎng)的海底坡度變化較大(圖3)，在0°～30°之間變化，海底隆起區(qū)域的坡度普遍大于其他區(qū)域，四個(gè)備選井位的坡度也不小，其中井位1的海底坡度約為5.1°，井位2的海底坡度為5.7°，井位3的海底坡度為6.6°，井位4的海底坡度為3.2°，存在海底滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 海底坡度Fig.3 Submarine gradient

2.2 淺層地震反映的地質(zhì)情況

淺層地震可以更清晰地反映淺層地質(zhì)情況[21]。圖4(a)和圖4(b)為井場(chǎng)內(nèi)兩個(gè)不同方位的淺層地震剖面。淺部地層共分為3層，即A層、B層和C層，相應(yīng)的反射底界面依次為R1、R2和R3。A層厚度在0 m至9.8 m之間變化，為水平或近水平層理，反射能量較強(qiáng)，地層反射連續(xù)性較好；B層在A層之下至反射界面R2之間，多為空白或者弱反射，層理較差，局部區(qū)域存在能量較弱的不連續(xù)反射結(jié)構(gòu)；C層在B層之下至反射界面R3之間，橫向地層反射連續(xù)性較好，反射能量較弱，A+B+C層的厚度在16.5 m至33.6 m之間變化。

可見(jiàn)，在井場(chǎng)3 km×3 km井場(chǎng)調(diào)查區(qū)域內(nèi)海底至海底以下約40 m深度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)4條斷層，且這些斷層都是由地層滑塌造成，頂部幾乎出露海底或接近海底。在井場(chǎng)調(diào)查區(qū)域內(nèi)海底至海底以下約40 m深度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)兩處疑似滑坡體(圖4)。

圖4 兩個(gè)不同方位的淺層地震剖面Fig.4 Shallow seismic profiles in two different directions

2.3 海底土土質(zhì)參數(shù)

2.3.1 海底土重力取樣土工測(cè)試結(jié)果

共取得7個(gè)站位的樣品，樣品深度在4.4～4.8 m之間，在室內(nèi)進(jìn)行了容重、含水量、液塑限、不排水抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)的測(cè)試。結(jié)果表明，海底土為軟黏土，濕容重在14.12 ～14.78 kN/m3之間，粒徑小于75 μm的土質(zhì)量百分比接近100 %，說(shuō)明黏土含量很高；絕大多數(shù)沉積物的天然含水量在90 %以上，隨深度變化不明顯，且均高于液限(液限是指黏性土處于可塑狀態(tài)與流動(dòng)狀態(tài)之間的界限含水率)，液性指數(shù)大于1；海底土不排水抗剪強(qiáng)度值基本都在2.0～10.0 kPa之間，且沉積物的不排水抗剪強(qiáng)度隨深度增加而增大。

2.3.2 海底土靜力觸探原位測(cè)試結(jié)果

受取樣深度限制，重力取樣僅僅獲得了海底以下4.8 m之內(nèi)的淺表層海底土的物理力學(xué)參數(shù)，其取樣深度對(duì)于海底滑坡風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估來(lái)說(shuō)還不夠，而海床式靜力觸探(即CPT,靜力觸探試驗(yàn)Cone Penetration Test)的貫入深度可以達(dá)到幾十米，因此，井場(chǎng)調(diào)查中又進(jìn)行了海床式靜力觸探原位測(cè)試，海床式靜力觸探探頭貫入深度達(dá)20.12 m，根據(jù)海床式靜力觸探測(cè)試結(jié)果解釋得到的不同深度處海底土的不排水抗剪強(qiáng)度見(jiàn)圖5。

圖5 海底土不排水抗剪強(qiáng)度隨深度的變化Fig.5 Variation of undrained shear strength of submarine soils versus depth

從圖中可以看出，海底土不排水抗剪強(qiáng)度隨深度增加呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，在淺層11.7 m左右，海底土強(qiáng)度發(fā)生突變，上部強(qiáng)度很小，表層強(qiáng)度僅為0.65 kPa，非常軟弱，11.7 m以下海底土強(qiáng)度突然增加約10 kPa，土質(zhì)描述表明，在該深度處土質(zhì)類(lèi)型發(fā)生了變化，由軟的褐灰色黏土變?yōu)樯杂驳姆圪|(zhì)黏土，這可能是引起強(qiáng)度突變的原因。對(duì)0～11.7 m和11.7～21.12 m的海底土不排水抗剪強(qiáng)度與海底以下深度的關(guān)系進(jìn)行分段線性擬合，可以得到海底土不同深度時(shí)的不排水抗剪強(qiáng)度：

1)當(dāng)海底以下深度z小于11.7 m時(shí)，海底土的不排水抗剪強(qiáng)度qu為

qu=0.8913z+1.888 0

(1)

式中，qu為不排水抗剪強(qiáng)度，kPa；z為海底以下深度，m。

2)當(dāng)海底以下深度z大于11.7 m時(shí)，海底土的不排水抗剪強(qiáng)度qu為

qu=1.217 8z+5.194 8

(2)

在海底穩(wěn)定性分析時(shí)采用式(1)和式(2)表征海底土不排水抗剪強(qiáng)度的垂向非均質(zhì)性。

2.4 海底流速

采用深水潛標(biāo)對(duì)海底流速進(jìn)行了持續(xù)兩個(gè)月的觀測(cè)，圖6為表示流速—流向聯(lián)合概率分布的海流玫瑰圖。可見(jiàn)，在海底之上10 m層，海流最大流速為16.7 cm/s，概率約8.1 %，方向NNW，最小流速為0.06 cm/s，概率約2.5 %，方向SSE，平均流速為5.4 cm/s，流向集中在NW-SE；海底之上20 m層，最大流速為16.4 cm/s，概率約11.6 %，方向NNW，最小流速為0.15 cm/s，概率約3.2 %，方向SSW，平均流速為4.8 cm/s，流向集中在NW-SE。綜合來(lái)看，海底水流為往復(fù)運(yùn)動(dòng)，平均流速約為5.1 cm/s，海底水體整體較安靜，對(duì)海底斜坡穩(wěn)定性并未構(gòu)成實(shí)質(zhì)影響。

圖6 表示流速-流向概率分布的海流玫瑰Fig.6 Rose diagram of seawater veloctiy indicating the probability distribution of magnitude and direction of flow velocity

3 斜坡穩(wěn)定性分析方法

本研究使用安全系數(shù)Fs評(píng)價(jià)海底斜坡的穩(wěn)定性，安全系數(shù)Fs定義為滑動(dòng)面上的平均抗剪強(qiáng)度與平均剪應(yīng)力的比值，即

(3)

式中，c0為地層黏聚力，MPa；σ為滑動(dòng)面上的正應(yīng)力，MPa；φ0為內(nèi)摩擦角，°；τ為滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力，MPa；A0為滑移面面積，m2。

安全系數(shù)Fs表征了斜坡的安全儲(chǔ)備大小，當(dāng)Fs大于1時(shí)，斜坡穩(wěn)定；Fs等于1時(shí)，坡體處于極限平衡狀態(tài)；安全系數(shù)Fs小于1時(shí)，斜坡即發(fā)生破壞?；趶?qiáng)度折減法的斜坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬是一種將強(qiáng)度折減法與彈塑性數(shù)值方法相結(jié)合的斜坡穩(wěn)定性分析方法，其基本原理是先引入某一強(qiáng)度折減系數(shù)F將土體的抗剪強(qiáng)度(黏聚力和內(nèi)摩擦角)進(jìn)行折減，得到折減后的強(qiáng)度參數(shù)，具體做法如下：將沉積物原來(lái)的黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減[22]：

(4)

式中，F(xiàn)為強(qiáng)度折減系數(shù)。

4 松濤深水井場(chǎng)海底穩(wěn)定性靜力學(xué)分析

4.1 鉆井對(duì)海底斜坡穩(wěn)定性的影響

深水鉆井對(duì)海底斜坡來(lái)說(shuō)是一種工程擾動(dòng)，會(huì)對(duì)其穩(wěn)定性造成一定的不利影響，究其原因，主要包括以下兩個(gè)方面的作用：

1) 水下井口裝置和鉆井返出巖屑的重力載荷

深水鉆井時(shí)鉆井平臺(tái)或鉆井船漂浮在海面上，而井口在海底，因此其鉆井裝備與陸地鉆井有很大不同[23]，為實(shí)現(xiàn)正常鉆井，需要在水下裝設(shè)一套隔絕海水、適應(yīng)平臺(tái)升沉搖擺、控制井口的裝置，即深水鉆井水下裝置，而安裝在海底用于控制井口的裝置稱(chēng)為水下井口裝置，主要包括防沉板、高壓井口頭、水下防噴器等，其重量可達(dá)幾十噸。不過(guò)，高壓井口頭、水下防噴器等井口裝置的重力載荷并非直接作用于海床面上，而是坐掛在表層導(dǎo)管上，表層導(dǎo)管通過(guò)噴射鉆井下入海底以下數(shù)十米的深度，這樣水下井口的重量可通過(guò)表層導(dǎo)管與淺層沉積物之間的相互作用支撐，因此，水下井口的重力載荷對(duì)海底斜坡穩(wěn)定性的影響較小。

深水鉆井中，表層套管井段為開(kāi)眼循環(huán)鉆井，一般直接使用海水作為鉆井液，鉆出的巖屑直接堆積在海床上，因此與水下井口裝置相比，井口返出巖屑對(duì)海底斜坡穩(wěn)定性的影響更大，井口返出巖屑的重量可用下式計(jì)算

(5)

式中，Ws為井口返出巖屑的重量，t；ρs為沉積物的密度，t/m3;D1和D2分別為導(dǎo)管段和表層套管段的井眼直徑，m；H1和H2分別為導(dǎo)管段和表層套管段的井深，m。

如果假設(shè)沉積物的平均濕密度為2 150 kg/m3，則對(duì)于36 in的導(dǎo)管以及20 in的表層套管來(lái)說(shuō)，其對(duì)應(yīng)的井眼直徑則分別為914.4 mm和558.8 mm，目前多數(shù)深水井的導(dǎo)管入泥深度為100 m以?xún)?nèi)，表層套管下深為500～800 m[24]，這里令導(dǎo)管段深度為100 m，表層套管段為800 m，則井口返出巖屑的重量為510.3噸。數(shù)百?lài)嵉姆党鰩r屑堆積在井口附近的海底上會(huì)在海床面上產(chǎn)生附加重力載荷，引起斜坡面上所受的正應(yīng)力和剪應(yīng)力載荷增大(圖7)，誘發(fā)井口附近的海底斜坡失穩(wěn)。

圖7 井口返出巖屑在海底引起的附加載荷Fig.7 Additional load on the seafloor caused by returned cuttings from borehole

井口返出巖屑在海床面上引起的附加正應(yīng)力和剪應(yīng)力載荷分別為

(6)

(7)

式中，β為斜坡坡角，°；Fn和Ft分別為重力載荷分解產(chǎn)生的法向力和切向力，N；σn和σt分別為附加載荷引起的海床面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，Pa；A為井口返出巖屑在海底的分布面積，m2。可見(jiàn)，井口返出巖屑越多，Ws越大，引起的附加應(yīng)力越大，斜坡越不穩(wěn)定。

2)鉆井?dāng)_動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷

深水鉆井過(guò)程中，表層導(dǎo)管通過(guò)噴射方法下入，高壓射流對(duì)淺層沉積物的破碎作用會(huì)在井眼附近產(chǎn)生動(dòng)載荷，表層導(dǎo)管安裝完成后，后續(xù)的表層套管段則通過(guò)鉆頭鉆進(jìn)，鉆頭在鉆壓和旋轉(zhuǎn)作用下破碎地層，從而產(chǎn)生一定強(qiáng)度的振動(dòng)載荷，可能誘發(fā)斜坡失穩(wěn)。

4.2 海底斜坡穩(wěn)定性的靜力學(xué)分析

暫不考慮鉆井?dāng)_動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷的影響，利用靜力學(xué)分析方法分析海底斜坡在重力和井口返出物附加載荷下的滑坡風(fēng)險(xiǎn)。為概化海底斜坡的地質(zhì)力學(xué)模型，靜力學(xué)分析時(shí)做了如下4點(diǎn)假設(shè)：

1)不考慮土體液化的影響作用；

2)不考慮沉積物層內(nèi)部的滲流作用，但考慮靜態(tài)孔隙壓力作用；

3)假定沉積層與水合物帶服從于摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則；

4)海底滑坡是一種突然的能量釋放過(guò)程，沉積物在很短的時(shí)間內(nèi)來(lái)不及排出，因此其強(qiáng)度應(yīng)采用不排水強(qiáng)度。

根據(jù)海底地形地貌數(shù)據(jù)以及鉆探目的要求，在4個(gè)備選井位中選取了2個(gè)井位，其中井位1為靶點(diǎn)位置，該處坡度大約為5.1°，為降低海底滑坡風(fēng)險(xiǎn)，在靶點(diǎn)東北方向556m處又選擇了井位2，其坡度大約為3.2°。

4.2.1 幾何模型

幾何建模時(shí)選擇過(guò)兩個(gè)井位不同方向的3個(gè)剖面作為計(jì)算剖面，剖面位置及建立的幾何模型如圖8和圖9所示。

圖9 海底斜坡幾何模型Fig.9 Geometric model of submarine slope

4.2.2 邊界條件與初始條件

整個(gè)模型為平面應(yīng)變模型，模型底部為固定邊界；約束模型左右側(cè)面的法向位移；坡面設(shè)為自由邊界。對(duì)于流體邊界條件，坡面處令孔隙壓力等于海底靜水壓力，模型側(cè)面的孔隙壓力等于相應(yīng)深度處的靜水壓力，模型底面為非滲透邊界條件，對(duì)于載荷條件，沉積物層頂面節(jié)點(diǎn)施加海水產(chǎn)生的靜水壓力，并假設(shè)返出的碎屑分布在井口附近20 m2的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)施加井口附加載荷，坡面上的法向和切向載荷按式(5)計(jì)算。初始條件中，對(duì)整個(gè)模型施加由沉積物自重和海水壓力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場(chǎng)以及靜水孔隙壓力。

4.2.3 海底斜坡安全系數(shù)及臨界失穩(wěn)時(shí)的塑性區(qū)和潛在滑移面

表1為計(jì)算得到的三個(gè)剖面對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)?？梢?jiàn)，井位2處的海底斜坡安全系數(shù)更大，鉆井過(guò)程中海底滑坡風(fēng)險(xiǎn)更低，因此，選擇井位2作為鉆井井位更為安全。

表1 海底斜坡安全系數(shù)Table 1 Factor of safety of different slope profile

通過(guò)塑性區(qū)可直接觀察海底斜坡臨界失穩(wěn)時(shí)的剪切屈服情況(圖10)。對(duì)于過(guò)井位1的剖面AA′，當(dāng)強(qiáng)度折減相應(yīng)值后，塑性區(qū)首先出現(xiàn)在井口附近和井口下部的陡坎部位，說(shuō)明這些區(qū)域首先發(fā)生了塑性剪切破壞，其中井口附近的塑性破壞是由井口附加載荷造成的，陡坎部位的塑性破壞是由于坡度過(guò)大造成的；對(duì)于過(guò)井位2的剖面BB′，井口附近和上部陡坎都出現(xiàn)了不同程度的塑性屈服區(qū)，井口附近的塑性區(qū)面積要小于上部陡坎部位，說(shuō)明相比于井位附近，陡坎處更易發(fā)生海底滑坡；對(duì)于過(guò)井位2的剖面CC′，塑性破壞發(fā)生在井口附近，其它區(qū)域未見(jiàn)破壞。

圖10 斜坡臨界失穩(wěn)時(shí)的剪切塑性區(qū)Fig.10 Shear plastic region of submarine slope when loss stability

巖土在壓縮過(guò)程中的破裂面與剪應(yīng)變破壞帶非常一致[25]，因此可以利用剪應(yīng)變?cè)隽縼?lái)判斷潛在滑坡體和滑移面，圖11為海底斜坡臨界失穩(wěn)時(shí)的剪應(yīng)變?cè)隽?。?duì)于AA′剖面，在井口和陡坎處，海底土的剪應(yīng)變?cè)隽烤笥?，說(shuō)明這兩個(gè)部位均有發(fā)生滑移的趨勢(shì)，且由于井口返出巖屑附加載荷的影響，井口處的剪應(yīng)變?cè)隽扛?，表明井口附近斜坡更易失穩(wěn)，最大滑坡深度約為12 m；對(duì)于BB′剖面，在井口和陡坎處的沉積物剪應(yīng)變?cè)隽烤笥?，說(shuō)明這兩個(gè)部位均有發(fā)生潛在滑移的趨勢(shì)，且上部陡坎處滑坡體的體積要大于井口處的滑坡體，上部陡坎處的最大滑坡深度約為20 m；對(duì)于CC′剖面，只在井口附近存在滑移趨勢(shì)，最大滑坡深度約為14 m。

圖11 斜坡臨界失穩(wěn)時(shí)的剪應(yīng)變?cè)隽縁ig.11 Shear strain increment of submarine slope when loss stability

5 鉆井?dāng)_動(dòng)下的海底斜坡穩(wěn)定性

除了井口附近的附加靜載荷，由鉆桿上下左右活動(dòng)、鉆頭破碎地層和表層噴射導(dǎo)管的噴射作用等造成的鉆井?dāng)_動(dòng)也可能對(duì)海底斜坡的失穩(wěn)產(chǎn)生影響。然而，這些作用力是變化的，很難精確計(jì)算，但是這些變化的力施加在周?chē)貙訒r(shí)最終是通過(guò)振動(dòng)波來(lái)影響的，即地層會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)，可以用速度或加速度表征。選擇安全系數(shù)最小的AA′剖面，在井眼范圍內(nèi)(圖12中豎直的紅線，表示直徑36 in的井眼)施加一頻率為20 Hz的橫向和垂向正弦速度擾動(dòng)，模擬鉆井過(guò)程中井眼周?chē)你@井?dāng)_動(dòng)。同時(shí)，在坡面選擇5個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)距井眼的距離依次為11.6 m、212.1 m、512.7 m、189.4 m、389.8 m和609.5 m，計(jì)算過(guò)程監(jiān)測(cè)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化(圖13和14)，從而判斷不同的峰值速度對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響。

圖12 井眼附近動(dòng)載荷的施加及位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置Fig.12 Imposition of dynamic load near the well and position of displacement monitoring point

圖13 橫向擾動(dòng)下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化Fig.13 Variation of displacement of monitoring points versus time under the lateral disturbance

圖14 垂向擾動(dòng)下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化Fig.14 Variation of displacement of monitoring points versus time under the vertical disturbance

由圖13可見(jiàn)，施加橫向擾動(dòng)后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移在開(kāi)始階段逐漸增加，之后監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移在沉積物自身阻尼的作用下逐漸變小，位移最大值位于距井眼最近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，監(jiān)測(cè)點(diǎn)5處位移最小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)6處由于存在陡坎，故雖然距井眼較遠(yuǎn)，但位移在自身重力作用下也較大。當(dāng)橫向峰值速度為0.15 m/s時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移隨時(shí)間趨于穩(wěn)定，說(shuō)明此時(shí)斜坡不會(huì)失穩(wěn)；當(dāng)橫向峰值速度繼續(xù)增加到0.17 m/s時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處的位移隨時(shí)間快速增加，此時(shí)斜坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)大大增加。由圖14可見(jiàn)，施加垂向擾動(dòng)后，位移最大值位于距井眼最近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，監(jiān)測(cè)點(diǎn)5處位移最小，當(dāng)垂向峰值速度為0.30 m/s時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移隨時(shí)間趨于穩(wěn)定，說(shuō)明此時(shí)斜坡不會(huì)失穩(wěn)；當(dāng)垂向峰值速度增加到0.35 m/s時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處的位移不斷增加，其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移逐漸趨于穩(wěn)定，說(shuō)明此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1在外界擾動(dòng)下可發(fā)生持續(xù)滑動(dòng)，斜坡有較大的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。與橫向擾動(dòng)相比，垂向擾動(dòng)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的位移相對(duì)較小，斜坡失穩(wěn)時(shí)的峰值速度更大(0.35 m/s)，表明鉆井時(shí)橫向擾動(dòng)時(shí)斜坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)比垂向擾動(dòng)更大。橫向和垂向擾動(dòng)下斜坡開(kāi)始失穩(wěn)時(shí)的峰值速度分別對(duì)應(yīng)于地震烈度表中的7級(jí)烈度和8級(jí)烈度，而鉆井時(shí)一般不會(huì)在地層中產(chǎn)生這么大的峰值速度，因此，鉆井?dāng)_動(dòng)引起的海底滑坡風(fēng)險(xiǎn)非常小。

該井鉆井方案選擇本研究推薦的井位2作為井口位置，于2018年5月底開(kāi)鉆，實(shí)際鉆井過(guò)程中未發(fā)生海底失穩(wěn)。

6 結(jié)論與建議

1)深水鉆井對(duì)海底斜坡穩(wěn)定性的影響主要包括水下井口裝置、鉆井返出巖屑的重力載荷以及鉆井?dāng)_動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷。

2)返出巖屑引起的附加載荷降低了海底斜坡安全系數(shù)，增加了井口附近海底斜坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)；鉆井橫向擾動(dòng)比垂向擾動(dòng)更易引起海底滑坡，但所需的峰值速度較高，很難引起海底斜坡的失穩(wěn)。

3)松濤深水井場(chǎng)海底坡度在0°～30°之間變化，備選井位附近坡度在5°左右，存在一定的海底滑坡風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算結(jié)果表明，潛在滑移面位于井位或陡坎附近，不過(guò)斜坡安全系數(shù)均大于1.0，相對(duì)于井位1，井位2處的安全系數(shù)更大，滑坡風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)很小，因此選擇井位2作為最終井位，實(shí)際鉆探結(jié)果表明，所選井位未發(fā)生滑坡。

4)目前，深水井場(chǎng)斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)在海底土工參數(shù)測(cè)試和預(yù)測(cè)、穩(wěn)定性計(jì)算方法、行業(yè)規(guī)范制訂等方面尚處于初步研究階段，今后應(yīng)在淺層土物理力學(xué)參數(shù)空間分布規(guī)律的預(yù)測(cè)、三維海底斜坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬、鉆井?dāng)_動(dòng)對(duì)海底斜坡穩(wěn)定性的影響、不同工況下海底斜坡安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面開(kāi)展更深入的研究。