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Journal of Tropical Oceanography >

2025 , Vol. 44 >Issue 1: 200 - 210

DOI: https://doi.org/10.11978/2024058

Marine Geology

Challenges and case analysis of deepwater engineering investigation in the South China Sea

  • FENG Xiangzi , 1 ,
  • Li Yufei 1 ,
  • Wang Weiwei 2 ,
  • Wang Dawei , 3, 4
Expand
  • 1. Geophysical, China Oilfield Services Limited, Tianjin 300451, China
  • 2. School of Control Science and Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266071, China
  • 3. Institute of Deep Sea Science and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Deep Sea Geophysics and Resources Research Office, Sanya 572000, China
  • 4. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Provincial Laboratory (Zhuhai), Zhuhai 519082, China
WANG Dawei. email:

Copy editor: SUN Cuici

Received date: 2024-03-14

  Revised date: 2024-04-27

  Online published: 2024-05-08

Supported by

National Key Research and Development Program Project(2022YFC2805503)

China National Offshore Oil and Gas Corporation Project (Detailed Survey of Lingshui 17-2 Gas Field Group Development Project Site)

Fold

Abstract

The marine engineering survey focuses on the geological hazards that threaten the marine engineering. In the process of moving towards the deep water, it has also been found that several unique geological phenomena, distinct from shallow water areas, have a certain impact on the positioning of drilling platforms, the design of jacket platforms and floating platforms, and the optimization of submarine pipeline and cable routes. Based on the results of many deepwater well site surveys and deep-water oil and gas field development project surveys, this paper expounds the characteristics of deep-water geological hazards, the methods of research and evaluation and the impact on marine engineering through the results of engineering geophysical survey, engineering geological survey and marine environmental survey, and provides a better idea for the investigation and design of deep-water marine engineering. The researches show that the deep water is widely developed with sand waves, scarps, hard seabed, faults, submarine canyons, mass transport deposits and other geological disaster phenomena. When conducting engineering geophysical survey, the use of autonomous underwater vehicle (AUV) and other survey methods to obtain centimeter resolution survey results can effectively reduce the observation period of seabed sand wave movement rate, and obtain more accurate water depth topographic data to support the marine engineering design. Combined with the shallow soil sample results and shallow profile results of the engineering geological survey, the seabed strata can be effectively divided and the slope stability analysis can be carried out, providing the design basis for the offshore engineering construction.

Key words： deepwater; submarine topography and landforms; shallow geological hazards; oil and gas field development; submarine pipeline routing

Cite this article

FENG Xiangzi , Li Yufei , Wang Weiwei , Wang Dawei . Challenges and case analysis of deepwater engineering investigation in the South China Sea[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2025 , 44(1) : 200 -210 . DOI: 10.11978/2024058

1929年, 在北大西洋Grand Banks陆坡上发现了大型地震诱发的浊流(Heezen et al, 1952), 在此之后, 海底滑坡及其演化而成的深水重力流灾害成为深水工程安全评价的最严重灾害之一。随着海洋工程勘察研究的逐步深入, 除了重力流之外, 深水海底及浅地层(海底以下200m以内)地质灾害因素, 包括沙波、陡坎、断层、峡谷、硬质海底、浅层气、浅水流和天然气水合物等, 增加了钻井选址、路由铺设难度, 例如北海Ekofisk油田平台滑坡事件(Janbu et al, 1992), 甚至引发溢油事件, 导致生态环境灾难(Hühnerbach et al, 2004)。这些灾害因素对深水工程设施的设计、施工和运营安全提出了新的挑战, 要求海洋工程勘察进行更有针对性的调查和分析。
深水地质灾害调查和预测技术改进和完善, 如多波束测深、地震探测、数值模拟等技术手段, 尤其是近海底调查技术的应用, 使深水地质灾害研究有了长足进步。
目前取得的进展包括对南海北部的海底沙波形态进行了观测, 并讨论了沙波迁移特征与形成机制及其工程意义(栾锡武 等, 2010); 对深水浅层气和浅水流进行识别和预测(吴时国 等, 2010); 分析南海北部大陆坡与流体活动相关的地质灾害, 并揭示了流体活动与海底滑坡之间的关联(Chen et al, 2016); 利用地震属性分析了白云凹陷天然气水合物分解与气烟囱和海底滑坡的相关性(孙运宝, 2011); 识别可能危害海底管道的地质灾害类型, 分析其特征与分布规律(刘乐军 等, 2014); 探讨浅层气与泥底辟的伴生关系及海底地形地貌组合(马云 等, 2017); 利用拟合压实系数进行地层超压预测, 分析南海北部深水盆地的超压地球物理特征和成因机制(谢杨冰, 2017); 根据自主水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)的水深地形调查和三维地震, 揭示海底表面的喷出特征与深部盐丘附近流体运移的关系(Kassarie et al, 2017); 对南海北部海底滑坡或块体搬运沉积体(mass transport deposits, MTDs)的识别特征、沉积结构和分布范围进行详细刻画, 并重点探讨了水合物分解与MTDs发育的相关性(Wang et al, 2018); 通过对不同压力、不同体积浅层气与浅水流自井筒至海水中的放喷规律数值模拟, 得到了浅层气、浅水流喷发速度、高度、持续时间与压力、体积的定量关系(谢仁军 等, 2022)。在海洋工程勘察方面, 随着荔湾3-1、陵水17-2等深水油气田群的大规模开发, 开展了系统且精细的工程地质灾害调查工作, 保证了深水工程安全。本文从深水工程勘察作业流程与挑战着手, 详细分析了深水工程勘察内容和设备, 并选取了几个典型深水工程勘察案例, 讨论海底地貌和地质灾害现象识别及其对深水工程选址和安全的影响。

1 深水工程勘察难点

根据GB/T 17503-2009、Q/HS 1045-2010等标准规范, 一般将300m水深作为浅水和深水的分界线。与浅水相比, 深水的沉积环境与地质灾害存在很大差异(图1), 深水地质灾害识别与评价对于海底结构物的设计和安装会造成较大影响, 对深水工程勘察提出了更高的要求。第一, 船载声学调查设备和方法分辨率降低, 无法满足精细勘察的要求。例如多波束测深系统在1000m的水深下分辨率低于20m×20m, 因而需要引入深拖、AUV等近海底作业平台, 减小声学设备与海底的作用距离, 提高数据分辨率。第二, 船载钻孔取样效率低, 采用重力活塞取样器(jumbo piston corer, JPC)、海床型静力触探(seabed cone penetration test, CPT)和海床钻机系统, 结合高级土工试验, 提高对深水海底土质特性的认知能力。
图1 深水与浅水工程勘察差异

Fig. 1 Difference between deep water and shallow water in marine engineering investigation

2 深水工程勘察流程与方法

根据深水油气田开发的不同阶段, 设计对应的海洋工程勘察方法。主要包括可研勘察、ODP勘察(overall development plan, 总体开发方案)、基本设计勘察、施工勘察等4个步骤(表1):
表1 深水油气田工程勘察阶段划分(李家钢 等, 2013)

Tab. 1 Basic process of deep-water oil-gas field engineering investigation (Li et al, 2013)

勘察阶段 勘察工作内容与重点 勘察平台与技术手段 勘探比例尺
可研勘察 了解区域地形地貌与地质构造, 识别地质灾害
类型和特征, 评价构筑物地基的适宜性		 收集历史资料, 辅以已有的地形地貌图, 补充
船载多波束、浅地层探测和表层／柱状取样		 1:100 000
ODP 勘察 初步查明水下井场、管道路由区的地形地貌、
工程地质条件, 提供设计所需的岩土参数及评价
地质灾害危害性。		 深拖/AUV/ROV(remotely operated vehicle)
平台的多波束、侧扫声呐和浅地层
剖面为主, 辅以船载地震探测, 结合
部分钻探、原位测试和室内试验		 1:2 000~1:10 000
基本设计勘察 查明浮式生产储油船 (floating production storage and offloading, FPSO)锚位、水下井口等的精细地形地貌、海底构筑物影响范围内岩土分布及其物理力学性质,
评价地质灾害风险		 深拖/AUV/ROV 平台的多波束、侧扫声呐
和浅地层探测, 结合钻探、原位测试和室
内试验; 以及现场监测		 1:500~1:2 000
施工勘察(包括施工勘察、运营期间在位检测勘察及废弃勘察) 对施工、运行和废弃等阶段的工程地质问题,
如冲蚀、沉陷和土质软化蠕变进行勘察与监测		 AUV/ROV 的周期检测和原位现场监测 根据工程
根据每个阶段工程设计的需要, 往往采用不同的调查方法和模式(图2)。
图2 深水工程地球物理和工程地质勘察方法

Fig. 2 Deepwater engineering geophysical & geotechnical investigation methods

第一, 在可研勘察阶段, 室内收集历史资料以外, 现场以工程调查为主, 进行大范围地形、地貌、地层和底质工程地质调查, 同时, 也为后期AUV作业提供前期路径规划依据。工程调查船航速约为4.5~5.0节(约2.3~2.5m·s-1), 深水多波束工作频率一般为20~30kHz, 同时依靠后向散射强度(backscatter strength, 或称背散射强度)数据, 结合浅地层剖面数据反映海底底质变化与浅部地层结构的特征。JPC获取浅表层柱状样品, 一般采用长度6m的取样管, 获取样品长度超过5m。
第二, 在ODP 勘察和基本设计勘察阶段, 根据设计需要, 以深拖/AUV/ROV平台的多波束、侧扫声呐和浅地层剖面为主, 辅以船载地震探测, 结合部分钻探、原位测试和室内试验进行勘察。以南海北部深水油气工程勘察为例, AUV最大作业能力为海面以下3000m, 调查时定高在海底以上40m航行, 航速为3节。AUV搭载Kongsberg EM2040多波束测深系统, 工作频率为200kHz, 水平分辨率1m×1m, 垂直分辨率0.1m; 同时搭载EdgeTech2200侧扫声呐和浅地层剖面一体化采集设备, 垂向分辨率可达0.1m, 有效探测深度约为30m。现场获取的岩土样品, 均会进行室内土工试验, 内容包括: 含水量、容重、土粒比重、液塑限、粒度组成、手动十字板剪切强度、电动十字板(原状/扰动)剪切强度、袖珍贯入阻力、不固结不排水三轴压缩(原状/扰动)、碳酸盐含量、落锥强度(原状/扰动)、固结试验、不排水抗剪强度试验等, 为工程设计提供必要的参数。
第三, 在施工勘察阶段, 主要利用AUV/ROV进行周期检测和原位现场监测, 例如在中国南海北部陆坡的陆丰区块进行油气田开发勘察过程中, 采用AUV对沙波运移进行周期性检测, 评估沙波运移对海底油气管线长期运营的影响, 并给出维护方案的设计依据。

3 深水工程勘察案例

本文选取了3个南海的典型深水工程勘察案例, 讨论海底地貌和地质灾害现象识别及其对深水工程安全的影响。
区块A是位于东沙群岛西北的海底陡坎和沙波发育区; 区块B是琼东南盆地海底滑坡MTDs与硬质海底发育区; 区块C是琼东南盆地宝岛凹陷的海底峡谷发育区(表2)。
表2 研究区块概位

Tab. 2 Research block location

区块 区块概位 经度 纬度
A 东沙群岛西北 116.4°E 21.5°N
B 琼东南盆地 110.6°E 17.4°N
C 琼东南盆地宝岛凹陷 110.4°E 18.4°N

3.1 区块A—海底沙波与陡坎

3.1.1 区域背景

区块A位于东沙群岛西北的陆坡—陆架区域。该区域的海水流场复杂多变, 包括南海暖流、广东沿岸流、上升流(舒业强 等, 2018)。区域内内波作用强烈, 内孤立波可以引起的最大水平流速、垂向位移和温度变化分别能达到240cm·s-1、106m和11℃(杨立 等, 2004)。海底沉积以末次冰期低海平面时期形成的残留砂为主(冯文科 等, 1994)。
区块A的油气田开发设施位于水深200~400m区域, 采用导管架平台、水下管汇、外输路由的开发模式。区域内发育海底陡坎和大范围沙波, 增加了导管架平台和海底管道的设计施工难度。

3.1.2 海底地貌特征

调查区域内进行了大范围船载工程物探调查和重点区域的AUV调查, 如图3所示, 西北部发育直线型沙波(a区), 波长40m至100m, 波高小于3m, 沙波脊线走向北偏东55°至80°(图3)。中部偏东南区域附近(b区), 大型及巨型沙丘分布呈格子状及新月状, 波长65m至220m, 波高1.3m至8.3m, 沙波脊线走向北偏东25°至60°(图3)。东南部沙波(c区)形态主要为新月状, 并呈现单一排列, 沙波逐渐消亡, 波长65m至100m, 波高最大达7m(图3c)。海底陡坎主要发育在调查区中部(d区), 陡坎下部发育侵蚀沟槽(图3)。
图3 区块A沙波及海底陡坎分布(上图) 以及海底管道路由优化(下图)

Fig. 3 Sand wave and subsea scarp distribution of block A (top panel); optimization of pipeline routing design (bottom panel)

区块A附近海域也发现存有沙波, 水深分布在130~145m, 结合2003年夏季到2005年冬季分析了海底沙波迁移(栾锡武 等, 2010)。与此相比, 区块A位于更深的海域, 其沙波的发育规模与特征与浅水存在较大差异。

3.1.3 工程灾害分析

在近十年中国海上油气田的开发建设中, 沙波影响体现在两个方面: 一是沙波对海底管道的影响, 主要包括管道上残余应力分布不均, 沙波活动引起管道的暴露和悬跨, 以致管道屈曲甚至压溃, 影响管道安全; 二是对桩基础的影响, 主要表现在平台安装时的海床不平整和平台运营期间基础承载力分布不均的影响。区块A所建设的导管架底盘尺寸为95m×95m, 横跨一个完整沙波, 海底高度差与表层沙土对导管架场址设计、安装及长期运行提出了更大挑战(李彦杰 等, 2023)。
海底陡坎对于海底管道的影响, 主要表现为大长度自由悬跨, 施工难度将急剧增加。本区块的海底陡坎水平悬跨约200m, 纵向高差超过23m, 最大坡度超过25°(图3)。

3.1.4 路由设计方案改进

海底管道途经海底陡坎时, 悬跨长度和深度并不显著的情况下, 可以通过垫放沙袋、水泥块等方式, 将其垫高到较为平缓的程度, 或进行工程切削, 将陡坎两侧地形处理到适合施工。鉴于海底陡坎的海洋工程处理花费高昂, 最终选取距离设计位置西北约6km处的较为平缓的区域(e区)铺设海底管道(图3)。

3.2 区块B—MTDs与硬质海底

3.2.1 区域背景

区块B位于琼东南盆地, 水深150~1600m。地质构造复杂多变。陆坡自西北向东南坡度整体逐渐变缓, 发育大量重力流沉积(王大伟 等, 2009b)。物源主要来自越南和海南岛的双物源供给模式(曾小明 等, 2015)。
深水油气田开发设施位于区块B中的水深1400~1600m区域, 采用FPSO浮式生产储油轮、管汇、井口、外输路由的开发模式。整体水深较为平缓, 坡度约2°~3°。AUV水深地形成果显示, 局部海底存在起伏。该区域的开发难度表现为局部地形起伏大、土质强度低、非均质性强。

3.2.2 海底地貌特征

根据AUV水深地形资料分析, 能够比较清楚观测到正常沉积与MTDs地形特征的差异, 这种差异在坡度图中则更为显著, 可将海底表层沉积划分为3类: MTDs、正常沉积和浊流沉积。近期MTDs沉积主要特征为崎岖海底和滑动构造, 根据测年成果分析发生于距今约5ka左右, 由于深水沉积速率较低(约10~ 20cm·ka-1), 其原始形态特征保存较为完整(图4b)。正常沉积区至少数万年未经重力流活动影响, 其主要地形特征为相对平缓的海底(图4a)。在海底地形并不平坦的区域, 浊流沉积主要体现为填充负向地形的特性, 使海底地形趋于平缓, 其沉积区域在水深地形上并没有明显的识别特征; 但当浊流沉积发生在较为平坦的海底, 则会形成较为清晰的边界(冯湘子 等, 2020)。
图4 通过地形识别区块B最近一期MTDs沉积(冯湘子 等 2020)

上图为MTDs沉积坡度图; 下图为MTDs沉积水深剖面图(H—H’断面)

Fig. 4 The last MTDs sediment in the block B according to terrain recognition; MTDS sedimentary slope map (top panel); MTDs sediment depth profile (bottom panel) (Feng et al, 2020)

3.2.3 工程地质灾害分析

区块B西部区域地形平缓, 表层20m土质均为非常软的粘土, 横向差异较小(图5), 但其承载力较低, 数十吨重的海底管汇着床后将直接陷入海底, 一般采用增加海底设施底部接触面积, 或者增加防沉板, 来缓解沉降问题。
图5 区块B西部地层剖面(a)与CPT测试得到的土质强度剖面图(b)

Fig.5 Stratigraphic profile (a) and soil strength (b) in the west of block B

区块B中部属于崎岖海底。海底发育不同尺寸块体, 直径由十几米到上百米不等, 高出海底几米至十几米, 边缘坡度可达8°~10°, 部分块体甚至可达16m, 边缘坡度超过20°。滑动构造主要发现在MTDs主运移通道上, 一般较周围海底深, 形态上类似于陆地上的河道; 滑动构造长度可达数十公里, 宽度从几百米至上千米。滑动构造内部未见有碎屑块体沉积, 可以认为是重力流沉积中的高能部分(冯湘子 等, 2020 ) (图4)。

3.2.4 路由设计优化

根据AUV调查, 区块B东部存在剧烈的水深地形差异。经过对比和评估对工程设计进行优化, 决定将管汇和井口移位到较为平缓的区域(图6), 海底管缆也需要沿着较平缓地形进行布设, 避免水深地形差异导致管缆自由悬跨。
图6 区块B东部水深地形及管汇位置的优化

Fig. 6 Bathymetric topography in the east of block B and optimization of manifold location

根据调查, 区块B在进行深水油气田外输路由设计中, 需要穿越较大范围离散分布的硬质海底区域。硬质海底所在区域水深在150~200m, 直径约30~60m, 凸出海底高度约3~15m, 其下部多与流体管道相连, 是埋藏高压塑性流体的出口, 此外, 部分硬质海底被表层沉积物所掩埋, 形成硬质地层。
根据重力取样获取的样品, 硬质海底主要由密实的胶结砂岩组成, 将在铺设和挖沟阶段导致一定困难, 容易对海底管缆等设施造成直接损伤, 而且水动力条件下造成海底管缆等设施在位状态不稳定, 此外, 由于硬质海底一般高出周围海床, 容易导致海底管道发生悬跨导致疲劳损伤。而在实际路由优选过程中, 在很大程度上以避开硬质海底为设计原则, 尽量选取远离硬质海底的区域, 或者选取虽然有硬质地层, 但表面存在一定厚度的沉积物的区域, 基于此施工原则, 最终选取的路由比设计路由长度增加了数公里。
图7 区块B硬质海底的地形变化(上图)及A—A’断面的深度变化(下图)

Fig. 7 Topographic changes of hard seabed in block B (top panel) and the depth profile of the section from A to A’ (bottom panel)

3.3 区块C—海底峡谷

3.3.1 区域背景

区块C位于琼东南盆地宝岛凹陷, 发育密集的陆坡水道、滑塌和峡谷, 区域内地形陡峭, 最大坡度可达40°。相较于周围陆坡区地形特征, 区块C的峡谷规模相对较小, 延伸距离短, 峡谷头部多在上陆坡区域, 没有下切、向上溯源延伸至陆架区(何云龙 等, 2012)。
海上钻井平台作业目标位置位于区块C内的陆坡上, 拟采用半潜式钻井平台进行作业。海底的轻微扰动极可能导致谷壁的再次滑塌, 钻井作业风险极高, 急需开展对海底峡谷微地貌精细分析, 评价海底及浅部地层的稳定性。

3.3.2 海底地貌类型

区块C内, 水深200~1300m, 地形起伏显著, 整体坡度0~40°, 最大坡度可超过60°(图8)。区域内主要地貌是海底峡谷, 以及峡谷内的滑塌、水道和冲沟。峡谷陡壁其坡度较大, 一般超过30°, 陡壁上普遍发育海底滑坡与海底冲沟。滑坡沉积区域, 面积0.6~6.5km2之间, 厚度1~20m。调查区域内发育5条峡谷水道, 宽度50~200m, 长度2~4km。
图8 区块C海底地貌类型

Fig. 8 Geomorphological types in block C

3.3.3 灾害分析

对于深水探井作业, 一般通过动力定位方式稳住平台, 采用喷射导管进行钻井作业。在此模式下, 最受关注的潜在风险是喷射导管作业时的斜坡稳定性。为了保证海底不发生滑塌, 一般选取海底地形较为平缓, 周围水深地形变化不大的区域。本区块探井的位置处, 根据25m×12.5m三维地震数据水深坡度约6°, 而根据1m×1m的AUV调查水深数据计算局部坡度超过24°(图9), 结合海底地貌和浅层力学特征的精确分析, 可以更有效的评估海底稳定性。
图9 区块C水深地形(上图)及设计井位处的水深剖面(下图)

Fig. 9 Water depth topography of block C (top panel) and depth profile at the design well location (bottom panel)

3.3.4 井场选址

如果在本区块进行油气田开发建设, 所面临的困难将远超同水深的下陆坡区域。对于目前主流的深水开发模式(即, FPSO+管汇+井口+外输路由), 工程难度主要体现在三个方面。首先是寻找平缓地形, 为了保证海底设施稳定性, 一般需要提供至少50m×50m范围的平缓地形, 而在区块C整体坡度分布远大于区块B下陆坡区域, 因此难以选取理想的施工地形。其次是寻找平缓外输路由, 区块B油气田距离海底峡谷区较远, 可以选择较为平缓的外输路径, 而区块C位于海底峡谷群, 从任何方向上设计外输路由都需要攀爬大坡度陡坡, 因此, 该区块内的路由选取只可考虑沿着峡谷顶部还是沿着峡谷水道两种方案, 将面临较大施工难度和运营风险。最后是斜坡稳定性, 相对于同水深陆坡区, 虽然海底峡谷区土质强度较高, 但由于水深坡度较大、浅层土质横向差异大, 一般斜坡稳定性计算结果显示安全系数较低。

4 结语

从近十年中国海洋深水油气田开发项目来看, 都面临不同的地质灾害, 提高了项目的工程造价。通过提高海洋工程勘察技术、加强对深水地质灾害特征的识别, 可以有效的降低不利影响。
1)通过大范围三维地震资料进行桌面可行性研究, 作为海洋工程第一手资料, 在海上油气田开发中承担了重要的作用。对于大范围水深地形特征、大规模断层浅层气, 三维地震具有可以提供行之有效的快速鉴别手段。
2)工程物探调查是地质灾害准确评估的基础, 特别是在深水区域, 依托AUV进行高分辨率水深地形、地貌、浅地层剖面调查, 是进行深水地质灾害评估和斜坡稳定性分析的前提。
3)深水地质灾害具有范围较广、影响较大、工程处理成本较高等特点, 更需要在深水油气田开发过程中, 提前部署提前规划, 保证工程进度和风险把控。

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