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琼东南盆地陵水17-2深水气田开发区表层沉积物类型及工程地质特性

朱友生 王艳秋 冯湘子 王大伟 王姝

朱友生,王艳秋,冯湘子,等. 琼东南盆地陵水17-2深水气田开发区表层沉积物类型及工程地质特性[J]. 海洋地质与第四纪地质,2022,42(1): 45-56. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2020120601
引用本文: 朱友生,王艳秋,冯湘子,等. 琼东南盆地陵水17-2深水气田开发区表层沉积物类型及工程地质特性[J]. 海洋地质与第四纪地质,2022,42(1): 45-56. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2020120601
ZHU Yousheng,WANG Yanqiu,FENG Xiangzi,et al. Surface sediments and their geotechnical characteristics in the development area of deepwater gas field LS17-2[J]. Marine Geology & Quaternary Geology,2022,42(1):45-56. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2020120601
Citation: ZHU Yousheng,WANG Yanqiu,FENG Xiangzi,et al. Surface sediments and their geotechnical characteristics in the development area of deepwater gas field LS17-2[J]. Marine Geology & Quaternary Geology,2022,42(1):45-56. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2020120601

琼东南盆地陵水17-2深水气田开发区表层沉积物类型及工程地质特性


doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2020120601
详细信息
    作者简介:

    朱友生(1982—),男,高级工程师,主要从事海洋工程勘察技术和海洋地质灾害方面的研究,E-mail:zhuysh2@cosl.com.cn

  • 基金项目:  中海油田服务股份有限公司项目“土动力实验和分析技术研究”(E-23202009)
  • 中图分类号: P642.11

Surface sediments and their geotechnical characteristics in the development area of deepwater gas field LS17-2

More Information
  • 摘要: 陵水17-2气田位于中国南海琼东南盆地,是中国海油自营勘探发现的第一个深水高产气田,探明储量规模超千亿立方米。在水深200~1600 m区域,采用工程调查船与自主式水下潜器调查结合的方式,进行地球物理资料采集、海底表层取样及钻探取样,并对多波束测深、后向散射强度、侧扫声呐、浅地层剖面、室内测试分析等数据进行综合分析,研究了海底表层沉积物类型、分布规律及工程地质特性。按照海底地形地貌特征,陵水17-2深水气田开发区可划分为陆架区、缓坡区和滑塌区;陆架区表层沉积物以黏土和粉质黏土为主,不同站位物理力学性质差异较大,局部夹砂层;缓坡区和滑塌区具有高含水率、低密度、高孔隙比、高液限、高可塑性、低强度等典型深水沉积特点。区域内海底泥面至泥面之下0.3 m,土质不排水抗剪强度为0~4 kPa,非常有利于海底电缆、海底管道、脐带缆的铺设。缓坡区浅层土质条件非常适合吸力式、防沉板及抓力锚施工,滑塌区浅层土质条件适合防沉板、抓力锚及打入桩基础施工。研究成果将对琼东南盆地深水油气田开发工程的设计和安装施工具有指导意义。
  • 图  1  研究区域位置

    Figure  1.  Location of study area

    图  2  研究区域三维光照图和取样站位

    白色圈为取样站位。

    Figure  2.  3D illumination map of study area and sampling locations

    White circle is sampling locations.

    图  3  海底峡谷三维光照图

    Figure  3.  3D illumination map of submarine canyon

    图  4  图2区域后向散射强度平面图及底质分区

    Figure  4.  Backscatter strength map of the survey area in fig.2 and sediments classification

    图  5  陆架区后向散射强度图及其底质分类结果(图4中A区)

    Figure  5.  The backscatter strength image and seabed sediments classification in the continental shelf subarea

    图  6  过海底洼地的浅地层剖面图(图4中L1)

    Figure  6.  The sub-bottom profile section crossing subsea depression (L1 in Fig.4

    图  7  过滑坡堆积物的浅地层剖面图(图4中L2)

    Figure  7.  The sub-bottom profile section crossing slump deposits (L2 in Fig.4

    图  8  滑塌区边缘的浅地层剖面记录中的浊流沉积(图4中L3)

    Figure  8.  Turbidite deposits on sub-bottom profile (L3 in Fig.4

    图  9  浅地层剖面记录中的缓坡区、滑塌区过渡带(图4中L4)

    Figure  9.  Transitional zone of gentle slope subarea and slump subarea on sub-bottom profile (L4 in Fig.4

    10  海底底质详细分区(图4中C区)

    10.  Detailed seabed sediment classification (Area C in Fig.4

    11  陵水17-2深水气田开发区沉积物工程地质特性

    a. 含水率,b. 容重,c. 中值粒径,d. 碳酸盐含量,e. 不排水抗剪强度,f. 塑性图。

    11.  Geotechnical characteristics of sediments within LS17-2 deepwater gas field development area

    a. Water content, b. unit weight, c.the median grain size, d. carbonate content, e. undrained shear strength, f. plasticity chart.

    表  1  陵水17-2深水气田开发区沉积物物理力学性质汇总

    Table  1.   A summary of physico-mechanic properties of sediments within LS17-2 deepwater gas field development area

    所在区域土质类型深度/m含水量/%容重/(kN/m3)碳酸盐含量/%中值粒径/mm液限/%塑性指数/%不排水抗剪强度/kPa
    陆架区
    (水深<250 m)
    黏土/粉质黏土0~5.030~7015.5~18.57~300.006~0.3230~6010~302~43
    缓坡区
    (水深<1000 m)
    黏土0~5.060~10614.0~16.515~200.005~0.0150~9022~552~9
    缓坡区
    (水深>1000 m)
    黏土0~1.0100~12013.5~14.517~290.008~0.00970~11040~701.5~7.5
    黏土1.0~5.0110~14013.0~14.010~180.005~0.00970~11030~704.0~15.0
    MTCs沉积区
    (水深>1000 m)
    黏土0~1.0100~12013.5~14.517~290.008~0.00970~11040~701.5~7.5
    1.0~5.060~11013.5~16.310~180.005~0.00950~9020~504.0~15.0
    浊流体系沉积区
    (水深>1000 m)
    黏土0~1.0100~12013.5~14.517~290.008~0.00970~11040~701.5~7.5
    1.0~5.070~14013.0~17.37~280.005~0.00970~11030~704.0~15.0
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-06
  • 修回日期:  2021-03-23
  • 网络出版日期:  2021-05-27
  • 刊出日期:  2022-02-28

琼东南盆地陵水17-2深水气田开发区表层沉积物类型及工程地质特性

doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2020120601
    作者简介:

    朱友生(1982—),男,高级工程师,主要从事海洋工程勘察技术和海洋地质灾害方面的研究,E-mail:zhuysh2@cosl.com.cn

基金项目:  中海油田服务股份有限公司项目“土动力实验和分析技术研究”(E-23202009)
  • 中图分类号: P642.11

摘要: 陵水17-2气田位于中国南海琼东南盆地,是中国海油自营勘探发现的第一个深水高产气田,探明储量规模超千亿立方米。在水深200~1600 m区域,采用工程调查船与自主式水下潜器调查结合的方式,进行地球物理资料采集、海底表层取样及钻探取样,并对多波束测深、后向散射强度、侧扫声呐、浅地层剖面、室内测试分析等数据进行综合分析,研究了海底表层沉积物类型、分布规律及工程地质特性。按照海底地形地貌特征,陵水17-2深水气田开发区可划分为陆架区、缓坡区和滑塌区;陆架区表层沉积物以黏土和粉质黏土为主,不同站位物理力学性质差异较大,局部夹砂层;缓坡区和滑塌区具有高含水率、低密度、高孔隙比、高液限、高可塑性、低强度等典型深水沉积特点。区域内海底泥面至泥面之下0.3 m,土质不排水抗剪强度为0~4 kPa,非常有利于海底电缆、海底管道、脐带缆的铺设。缓坡区浅层土质条件非常适合吸力式、防沉板及抓力锚施工,滑塌区浅层土质条件适合防沉板、抓力锚及打入桩基础施工。研究成果将对琼东南盆地深水油气田开发工程的设计和安装施工具有指导意义。

English Abstract

  • 海底表层沉积物类型是海洋资源与环境研究中最为重要的基础资料,对其类型、分布及其物理力学等工程地质性质的研究,可为海底电缆和输油气管道的铺设、石油钻井平台的设计和施工等海洋工程提供重要科学依据,对工程设计、施工、运营安全及项目总体投资均有重大影响[1-3]

    海底深水区工程地质条件研究,必须通过调查船、自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)、有缆遥控水下机器人(remotely operated vehicle,ROV)、深拖等调查平台,同时通过表层取样、浅层地质钻探取样、静力触探、原位十字板剪切试验等手段,获取地球物理、岩土工程、地震等一系列原始数据,查明海底的地形地貌、地层反射结构、不良地质灾害分布、断裂构造活动等,从而建立区域地质模型,分析评价地质灾害风险,为后续工程选址提供依据。

    我国学者利用多波束测深、侧扫声呐、浅地层剖面、单道地震、多道地震、重力、磁力、热流、表层取样、浅层地质钻探取样和原位测试等地质-地球物理综合调查手段在南海北部陆架、陆坡海底表面和浅地层中识别出活动沙波(沙丘)、麻坑、滑坡、陡坎、陡坡、海底峡谷、古河道、浅层气、底辟等地质灾害因素[4]。冯文科[5]等利用声学地层分析了南海北部外陆架—上陆坡的滑坡与滑塌的形态和特征。吴时国[6]、孙运宝[7]和王大伟[8]、王微微[9]等利用地震剖面在南海北部识别了大型滑坡。杨文达[10-11]等利用三维地震剖面研究了琼东南盆地深水海区的地质灾害类型与特征。阎贫[12]利用深水浅地层剖面识别出珠江口外陆架—南海中陆坡区存在泥火山、滑坡和浅层气等地质灾害因素。陈泓君[13]等完成了1∶100万海南岛幅海洋区域地质调查与编图成果,取得224个表层沉积物样品,查明了区域内沉积物类型及分布特征。罗进华[14]等使用多波束地形、浅地层剖面等对琼东南盆地块体搬运体系沉积层(mass transport complexes, 简称MTCs)和浊流体系沉积结构和构造进行了高精度解析,清晰地识别出滑坡典型的表面特征及精细的海底形态,包括挤压脊、舌状体、海底线状侵蚀地形、逸出块体、两期MTCs、海底沟痕等,探讨了该区域重力流体系的成因机制以及发育和演化机制等。在国外,Silva[15]利用浅地层剖面、侧扫声呐、取样测试和测年等,探测了墨西哥湾区域的地质条件,确定了区域内海底滑坡的年代,有助于认识海底滑坡机制、评估滑坡再次发生的可能性;Haflidason[16]利用柱状取样、浅层地质钻探取样揭示了Storegga滑坡规模、发育演化;Sultan[17]利用三维地震、侧扫声呐、钻孔取样和原位测试,查明了尼日利亚河三角洲海底滑坡源区、内部结构和沉积物性质等。

    2014年9月15日,中海石油(中国)有限公司对外证实在南海琼东南盆地深水区发现大型气田—陵水17-2气田,是中国海油在南海自营勘探发现的第一个深水高产气田,探明储量规模超千亿立方米[18]

    陵水17-2气田所在琼东南盆地陆坡区域受到多期构造活动、沉积物供给速率、古地貌形态、相对海平面变化等因素的综合影响,沉积构造过程相对复杂,形成了进积与加积同在、平缓与陡峭并存的大陆架边缘沉积体系,发育了种类多、规模大的深水地质灾害体,造成该区海底表层沉积物类型及其工程地质特性复杂多变,严重影响了水下生产系统、深水浮式平台、深水海底电缆管道系统及其附属设施的设计和安装[1-3,19-22],因此,有必要对表层沉积物类型、分布及工程地质特性进行深入研究,为制定经济、安全、高效的深水油气开发工程方案提供可靠的技术依据[22]

    本文采用工程调查船与AUV调查结合的方式,对在陵水17-2深水气田开发区域内获取的多波束测深、侧扫声呐、浅地层剖面、箱式取样、柱状取样及浅层地质钻探取样等资料进行综合分析,查明了区域内海底地形地貌形态特征,研究了海底表层沉积物类型、分布规律,分析了表层沉积物的工程地质特性,评价了地形地貌特征、沉积物类型及工程特性对深水油气开发工程设施的影响。

    • 陵水17-2深水气田开发区(图1)位于南海北部琼东南盆地的大陆架边缘,调查区域内水深为200~1 600 m,由西北向东南逐渐加深。根据区域内海底地形地貌特点,可将研究区域分为以下3个区域(图2):

      图  1  研究区域位置

      Figure 1.  Location of study area

      图  2  研究区域三维光照图和取样站位

      Figure 2.  3D illumination map of study area and sampling locations

      陆架区:位于调查区域内的大陆架上。从西北往东南方向水深逐渐变深,海底地形总体变化较缓,水深一般小于250 m,海底坡度小于3°,局部有较多的凸起地形和裂隙发育,凸起和裂隙处海底坡度达5°~10°,局部在10°以上。

      滑塌区:位于大陆架坡折带以下的东北部。该区600 m以浅水深变化非常剧烈,海底坡度为10°~20°,局部可达25°;600 m以深区域水深变化较为平缓,海底坡度一般小于5°。海底地形主要特征为3处大型海底峡谷,由西向东依次命名为峡谷1、峡谷2和峡谷3(图2)。海底峡谷横截面宽度均为6~7 km,峡谷间被高出的脊部分割,大型海底滑坡形成巨大的峡谷。海底峡谷有滑坡形成的陡崖,陡崖上倾方向的滑坡前缘存在拉张裂隙;在峡谷及峡谷下方,分布着峡谷坍塌后留下的陡峭地形、滑坡堆积物及冲沟等,沿堆积物的方向指示了重力流沉积体系中沉积物搬运路径(图3)。

      图  3  海底峡谷三维光照图

      Figure 3.  3D illumination map of submarine canyon

      缓坡区:位于大陆架坡折带以下的西南部、地形坡度较小的缓坡区域,与滑塌区间存在明显的分界线。该区域内海底地形总体平缓,海底坡度为5°~10°,局部可达18°。在缓坡区内,存在一个长约18 km、宽度为0.9~4.0 km、深度约10~30 m的狭长洼地,边缘海底坡度高达13°。在区域西侧边缘,存在4个小型峡谷,峡谷及峡谷下游也存在滑坡堆积物,沿堆积物的方向指示了重力流沉积体系中沉积物搬运路径。

    • 间接探测法中,由于声学方法具有工作效率高、探测费用低、资料连续、覆盖区域大等特点,逐渐成为海洋底质探测的主要方法和手段[23],其中多波束测深、侧扫声呐及浅地层剖面探测为当前使用的主要声学探测方法。

    • 多波束测深是目前海洋地形测量的一种主要方法。多波束测深系统不仅可以得到高精度的水深地形数据,还能获取丰富的后向散射强度数据,可利用声强信息正演海底地质学特征,能够反映海底底质的变化[24]。后向散射强度大小能表示不同的底质类型,也能够呈现出底质的纹理结构,纹理是海底表面结构粗糙程度的直接反映,是属于特定类型的海底底质特有的属性,能区分不同类型的海底底质,因此,可结合后向散射强度和纹理来进行海底底质分类[25]。该方法具有全覆盖、高采样率、高效率和低成本等优势,避免了传统方法的误分类,分类界限更加明确、更加清晰,使得大规模、大范围、高效快速的海底底质分类成为可能,将在海洋资源调查、海洋工程建设、海洋科学考察和国防建设等方面发挥越来越重要的角色[26]

      目前,主流的多波束测深系统主频为30~400 kHz,不同的频率对于海底表层沉积物的穿透能力差异较大,所能探测的海底底质类型差别也较大,高频多波束,例如EM2040只能反映出海底表层0~0.5 m的沉积物反射强度,但具备较高的分辨率;而低频的多波束,例如EM302具备一定的穿透能力,可以反映埋深在海底以下几米的地层综合信息差异,但分辨率会下降。

      在本项目研究中,使用了高频和低频两种多波束测深系统获取的后向散射强度数据和海底声像图,结合取样获取的海底沉积物样品数据,实现了海底底质类型分类识别。高频多波束型号为EM2040,主频200 kHz,使用AUV搭载安装方式;低频多波束型号为EM302,主频30 kHz,使用船底安装方式。低频多波束测线总长约2 000 km,覆盖面积达1 980 km2,获取了全区的后向散射强度分布特征,清晰显示了海底表层沉积物的变化[27]

    • 侧扫声呐由于能够获得高质量的海底声图而在海底底质分类中得到广泛应用。由于侧扫声呐获取的海底声图反映了海底的地形、地貌及纹理特征,杨词银[28]、张楷涵[29]、赵永祯[30]等均对侧扫声呐海底图像进行分析以实现海底底质分类,取得了较好的效果。

      在本项目研究中,使用了AUV搭载的EdgeTech 2200获取的侧扫声呐资料进行海底底质分类判别,侧扫声呐资料测线总长约4500 km。在进行海底底质分类前,对侧扫声呐图像进行相应的降低噪音、灰度增益及均衡、海底跟踪调整、航迹平滑、斜距改正等处理工作,然后生成声呐镶嵌图。最后,采用数学形态学方法进行处理,对处理后的图像进行边缘检测,提取出特征地貌边缘,得到连续化、粗化、圆滑的特征区域边缘填充目标内部阴影且消除了背景噪声的声呐图像识别成果[31]

    • 浅地层剖面资料海底反射强度主要与海底底质类型有关。刘玉萍[32]等通过提取浅地层剖面资料海底均方根振幅并绘制等值线图,进而分析判别了研究区海底底质的宏观变化特征,经与海底摄像资料对比分析,验证了利用浅地层剖面资料海底振幅的特征属性直接进行底质分析的可行性。

      在本项目研究中,使用了AUV搭载的EdgeTech 2200,频率2~16 kHz,接收灵敏度–204 dB re 1 Volt/μPa,分辨率6~10 cm,获取的浅地层剖面资料进行海底底质及浅地层结构探测。在研究区域内,浅地层剖面资料测线总长度约4500 km,其探测深度一般大于20 m,垂向分辨率优于0.3 m。

    • 直接取样法,是海底底质探测与分类最古老、最传统的方法。一般使用蚌式、箱式、多管式、自返式或拖网等采样方法进行底质表层样品采集,或使用重力、重力活塞、振动活塞或浅钻等取样设备进行底质柱状样品采集[33]。海底取样均按一定网格离散并现场取样,并通过室内测试分析后采用资料内插与外延确定区域内海底沉积物类型和分布特征。该方法虽能直观进行底质判断,但存在设备笨重、劳动强度大、效率低、取样数量有限、作业成本高等不足,很难在大区域范围内开展,特别是深水区域困难更大,且格网节点间沉积物类型受各种因素影响其代表性有局限,可靠度不高,无法满足现代海洋科研和开发工程的需要[26]。因此,在此次研究中,首先采用多波束测量获取的后向散射强度进行底质区域划分,然后优化布置取样站位和数量,实现减少取样站位数量、降低作业成本的目标。

      在本项目研究资料中,采用三种方式采集海底表层沉积物样品:箱式取样、柱状取样和浅地质钻探取样。当取得的样品到达作业船甲板后,先对取样长度进行测量和现场土质分类及描述,按一定长度进行切割分段,立即进行含水、容重、手动十字板、电动十字板等物理力学试验,对样品进行编录和包装,剩余样品运回实验室进行分析,包括容重、含水率、液塑限、比重计、手动十字板、电动十字板、落锥、碳酸盐含量等试验。

    • 在研究区域内,低频多波束地形及后向散射强度数据覆盖了整个区域,海底取样、浅地层剖面和侧扫声呐资料数据仅仅覆盖了工程设施区域,因此海底表层沉积物类型和分布特征主要依据多波束地形及多波束后向散射强度成果得出,在工程设施区域依据工程地质调查结果进一步细化。

      根据后向散射强度成果(图4),整个区域可以较为清晰直观地识别出陆架区、缓坡区和滑塌区,分界线明显。

      图  4  图2区域后向散射强度平面图及底质分区

      Figure 4.  Backscatter strength map of the survey area in fig.2 and sediments classification

    • 陆架区内后向散射强度差异明显,呈斑驳状,与凸起地形和裂隙发育有关。从后向散射强度差异,可以清晰分辨出裸露海底的胶结物、硬质海底及浅埋的硬质地层等地质灾害现象(图5)。在这些特征之外区域,后向散射强度变化均匀,为−18~−24 dB,海底底质为黏土和粉质黏土,含分散的贝壳碎屑及胶结物,钙质含量一般为10%~14%,局部大于20%。

      图  5  陆架区后向散射强度图及其底质分类结果(图4中A区)

      Figure 5.  The backscatter strength image and seabed sediments classification in the continental shelf subarea

    • 缓坡区内后向散射强度相对稳定、连续均匀变化,与水深地形呈相关变化,强度值一般小于−28 dB,特别是缓坡区水深大于700 m的下陆坡区内,后向散射强度非常均匀,表明其表层沉积物类型基本一致,垂向变化小。结合取样,该区域内海底底质为非常软的黏土。

      图6图7分别为过海底洼地、滑坡堆积物的浅地层剖面图。由图可以看出,海底至海底以下约20 m地层(蓝色虚线以上)内反射波特征表现为与海底反射平行且连续,反射界面间反射透明,无明显杂乱反射,表明该区域内沉积环境稳定,为连续沉积地层,洼地及滑坡堆积物地形特征的形成与历史滑坡有关。

      图  6  过海底洼地的浅地层剖面图(图4中L1)

      Figure 6.  The sub-bottom profile section crossing subsea depression (L1 in Fig.4

      图  7  过滑坡堆积物的浅地层剖面图(图4中L2)

      Figure 7.  The sub-bottom profile section crossing slump deposits (L2 in Fig.4

    • 根据多波束地形、后向散射强度分布特征、浅地层剖面资料及侧扫声呐资料判断,滑塌区是典型的由后缘滑坡源区、中部滑坡沉积物输送区和前缘滑坡体堆积区三部分组成的海底滑坡系统[8, 34]

    • 后缘滑坡源区位于坡折带附近的3个峡谷区。受峡谷区复杂崎岖的海底地形(水深高差达500多米)影响,后向散射强度呈杂乱、斑驳状。根据海底取样,该区域底质类型比较复杂,主要为软的褐灰色黏土,局部含砂粒、贝壳碎屑、胶结物等。在滑坡发生后,大量的滑塌沉积物已顺坡往下游运移,少量残留原地或搬运距离较短而滞留下来,滑坡后形成的陡崖也可能形成多期次小型滑塌,这些沉积物在长期动力沉积环境下改造后形成。由此可见,在地形崎岖复杂地区使用多波束后向散射强度进行海底底质分类不准确,应选择其他探测方法。

    • 中部滑坡沉积物输送区位于峡谷下游。该区域后向散射强度呈条带状相间分布,显示了区域内表层沉积物分布的复杂性和不均匀性,也指明了沉积物运移方向,仅在滑塌区西侧边缘存在大范围后向散射强度较强的条带(图4B区域),强度值一般大于−24 dB,在后向散射图中较容易识别。在同区域低频侧扫声呐(75 kHz)镶嵌图中图像均匀,未发现明显的异常反射现象,表明海底地形平坦,海底表层沉积物均匀,沉积物类型为黏土及粉质黏土。对比该区域的浅地层剖面资料(图8)发现,该区表层均存在一层厚度约1.8 m的沉积层,局部下伏MTCs和浊流体系沉积层[14],部分区域MTCs沉积层直接裸露海底,厚度最大可达15 m。由此可判定,该区的浊流体系沉积层导致后向散射强度增强。滑坡物质往下迁移的过程中,在主运移通道两侧,产生浊流漫溢至该处开阔地带并沉积,多填充地势低洼处,平面上彼此连接成片[14],形成局部集中的浊流沉积层。

      图  8  滑塌区边缘的浅地层剖面记录中的浊流沉积(图4中L3)

      Figure 8.  Turbidite deposits on sub-bottom profile (L3 in Fig.4

    • 前缘滑坡体堆积区位于峡谷下游的下陆坡区域,后向散射强度特征变化明显,反映海底表层沉积物复杂多变。在该区域西部,明显存在与缓坡区的分界线,但MTCs沉积层和浊流体系沉积层分界线不明显(图9),后向散射强度特征与中部滑坡沉积物输送区边缘区域类似。在该区域东部,存在MTCs的中末端—趾部区域,同时也是MTCs发生沉积的主要区域[14]。在MTCs沉积区,后向散射强度要低于浊流沉积,与缓坡区后向散射强度接近,但分布非常不均匀。在此基础上,继续对该区后向散射结果进行了细分,可细化为缓坡区、MTCs区、浊流区、侵蚀区,细分结果见图10。根据取样结果,沉积物类型为非常软的黏土

      图  9  浅地层剖面记录中的缓坡区、滑塌区过渡带(图4中L4)

      Figure 9.  Transitional zone of gentle slope subarea and slump subarea on sub-bottom profile (L4 in Fig.4

      图  10  海底底质详细分区(图4中C区)

      Figure 10.  Detailed seabed sediment classification (Area C in Fig.4

      上述研究结果表明,琼东南盆地研究区域内陆坡海底表层沉积环境可划分为缓坡区和滑塌区。缓坡区内属于堆积型陆坡[35],以大量的沉积物不断加积为主,地形平缓,槽谷不发育,海底表层沉积物为非常软的高液限黏土。滑塌区属于过渡型陆坡[35],沉积物供应量小,侵蚀和堆积作用同时存在并相互制约,槽谷规模小,滑塌作用较弱。滑塌区沉积物主要以黏土、粉质黏土为主。

    • 在陵水17-2深水气田开发区域内,共取得36个海底取样样品,其中6个位于陆架区,18个位于缓坡区,12个位于滑塌区,缓坡区有12个位于水深小于1000 m的区域,6个位于水深大于1000 m的区域;滑塌区有6个位于MTCs沉积区(水深均大于1000 m),6个位于浊流沉积区(水深均大于1000 m)。根据区域内36个站位海底取样及室内试验分析结果,按陆架区、缓坡区(水深>1000 m)、缓坡区(水深<1000 m)、MTCs沉积区和浊流体系沉积区统计分析了海底至海底以下约5 m深度范围内的含水率、容重、中值粒径、液塑限、不排水抗剪强度等物理力学性质指标(表1)随埋藏深度的变化趋势见图11

      表 1  陵水17-2深水气田开发区沉积物物理力学性质汇总

      Table 1.  A summary of physico-mechanic properties of sediments within LS17-2 deepwater gas field development area

      所在区域土质类型深度/m含水量/%容重/(kN/m3)碳酸盐含量/%中值粒径/mm液限/%塑性指数/%不排水抗剪强度/kPa
      陆架区
      (水深<250 m)
      黏土/粉质黏土0~5.030~7015.5~18.57~300.006~0.3230~6010~302~43
      缓坡区
      (水深<1000 m)
      黏土0~5.060~10614.0~16.515~200.005~0.0150~9022~552~9
      缓坡区
      (水深>1000 m)
      黏土0~1.0100~12013.5~14.517~290.008~0.00970~11040~701.5~7.5
      黏土1.0~5.0110~14013.0~14.010~180.005~0.00970~11030~704.0~15.0
      MTCs沉积区
      (水深>1000 m)
      黏土0~1.0100~12013.5~14.517~290.008~0.00970~11040~701.5~7.5
      1.0~5.060~11013.5~16.310~180.005~0.00950~9020~504.0~15.0
      浊流体系沉积区
      (水深>1000 m)
      黏土0~1.0100~12013.5~14.517~290.008~0.00970~11040~701.5~7.5
      1.0~5.070~14013.0~17.37~280.005~0.00970~11030~704.0~15.0

      图  11  陵水17-2深水气田开发区沉积物工程地质特性

      Figure 11.  Geotechnical characteristics of sediments within LS17-2 deepwater gas field development area

      表1图11可以看出,本研究区域沉积物具有以下工程地质特性:

      (1)含水率随水深增加不断增大,随土样深度增加而下降,容重与含水率变化规律相反,符合典型深海沉积物含水率、容重的变化规律。局部存在少量变异点位。

      (2)碳酸盐含量表层较大,随土样深度增加逐步减小,随水深增加逐步增大,但增大值不明显;中值粒径随水深增加、深度增加几乎无变化,陆架区局部存在粉质细砂层,说明该区沉积物来源相近,沉积环境基本一致。

      (3)陆架区表层沉积物为黏土或者粉质黏土,缓坡区、滑塌区表层沉积物主要为高液限黏土,符合典型深海沉积物的特点。

      (4)陆架区表层沉积物受滑塌和剥蚀作用影响,不排水抗剪强度差异较大,为4~40 kPa;缓坡区、滑塌区海床泥面附近(0.3 m以内)土质不排水抗剪强度较小,为0~4 kPa,局部达7.5 kPa,由于上覆压力增加,沉积物抗剪强度沿土样深度逐渐增大,5.0 m处局部最大达22 kPa,符合典型深海表层沉积物低强度和重力流沉积物强度不均匀分布的特点。

    • 在陆架区,土质类型主要为粉质黏土和黏土,个别孔位夹松散的粉质细砂层;土质的含水率为30%~70%,随埋深增加逐渐减小;容重为15.5~18.5 kN/m3;碳酸盐含量变化范围为7%~30%;中值粒径为0.006~0.32 mm,与其他区域基本一致;海底泥面0.3 m内的不排水抗剪强度为2~7 kPa,局部土层不排水抗剪强度较大,最高达43 kPa。对比样品站位位置及海底地形分析,推测为表层沉积物滑塌后下伏沉积物裸露造成的。

    • 在缓坡区,沉积环境相对稳定,长时间连续接受沉积物堆积。土质类型主要为非常软的黏土。随土层埋深增加,土层含水率减小、容重增大。随着水深的增加,相同埋藏深度的土层含水率呈逐渐增大、容重呈逐渐减小趋势。碳酸盐含量变化范围为10%~29%。中值粒径为0.005~0.01 mm。海底泥面附近(0.3 m以内)不排水抗剪强度约为2~4 kPa,不排水抗剪强度随土层埋深增加而逐渐增大,5.0 m深度最大可达15 kPa。该区域土质条件非常适合吸力式、防沉板及抓力锚等基础形式。

    • 在滑塌区,浊流沉积、MTCs沉积区土质类型基本一致,主要为非常软的黏土;表层约1.0 m深度范围内为近代沉积物,处于超固结状态,相近水深深度范围内其物理力学性质基本相同;1.0~5.0 m深度范围内,土质含水率、容重、不排水抗剪强度等物理力学性质差别较大,中值粒径差别较小,土质不排水抗剪强度随埋深增大而增大,常出现不排水抗剪强度突然变大的土层,最大达22 kPa,反映了沉积物的横向不均匀性。

      该区域土质条件不适合吸力式基础形式,适合防沉板、抓力锚、打入桩等基础形式,可降低后续可能出现的安装风险。

    • 在陵水17-2深水气田开发区域内,根据海底地形及海底表层沉积物类型分布特征,可划分为陆架区、缓坡区、滑塌区。陆架区表层沉积物以黏土和粉质黏土为主,与近海沉积物物理力学性质相近,不同站位物理力学性质差异较大,局部夹砂层;缓坡区和滑塌区沉积物主要为高液限黏土,具有高含水率、低密度、高孔隙比、高液限、高可塑性、低强度等典型深水沉积特点,天然含水率大于液限。区域内存在厚度约1.0 m(在浅水区域厚度大于1.0 m)的近代沉积物,处于超固结状态,相近水深深度范围内其物理力学性质基本相同,特别是海底泥面0.3 m以内,土质不排水抗剪强度较小,为0~4 kPa,非常有利于海底电缆、海底管道、脐带缆的铺设。缓坡区浅层土质条件非常适合吸力式、防沉板及抓力锚等基础形式,滑塌区浅层土质条件适合防沉板、抓力锚及打入桩等基础形式,可降低后续可能出现的安装风险。上述研究成果将对琼东南盆地深水油气田开发工程的设计和安装施工具有较强的指导意义。

      船载低频多波束后向散射强度数据能够进行大范围海底底质分类,但在地形崎岖及变化复杂地区分类效果差,需选择其他海底底质探测方法。采用工程调查船与AUV调查相结合的方式进行海底底质探测,能够提高海底底质分类精度和质量,能够满足深水工程项目高精度、高密度、高分辨率的资料需求,有利于油气田开发工程设施位置优选、路由优化和钻井水下井口稳定性分析与评价,可为制定安全经济高效的深水油气田开发工程方案提供技术依据。

参考文献 (35)

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