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南海北部陆坡水合物分解引起海底不稳定性的定量分析

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南海 北部 水合物 分解 引起 海底 不稳定性 定量分析
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第53卷第4期 2010年4月 地球物理学报 F 3, 2010 刘锋,吴时国,孙运宝.南海北部陆坡水合物分解引起海底不稳定性的定量分析.地球物理学报,2010,53(4):946~953, 0.3969/j.001—5733.2010.04.019 , G, B.A of ea to .2010,53(4):946~953,0.3969/j.001—5733.2010.04.019 南海北部陆坡水合物分解引起海底 不稳定性的定量分析 刘 锋 ,吴时国 n,孙运宝 1中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室,青岛266071 2中国科学院研究生院,北京100049 3中国石油大学(华东)地球资源与信息学院,青岛266555 摘 要分析了天然气水合物分解引起海底斜坡不稳定性的原因,探讨了水合物分解引起沉积物层孔隙压力变化 规律.以南海北部神狐海域水合物样品钻获区为研究对象,应用极限平衡法探讨了海底无限斜坡的稳定性问题,计 算了设定的不同滑动面的安全系数,建立了目标不稳定区相关参数条件下的水合物分解与海底斜坡不稳定的模式 图,模拟计算了不同程度的水合物分解对海底斜坡失稳的影响作用.结果表明:在假设条件下,南海神狐海域当水 深为1200 m,沉积物层厚度为200 m,对于2O。的较大坡角,沉积物层中5 水合物分解将引起海底斜坡失稳;斜坡 坡角为5。时,沉积物层中15 水合物分解后,将会引起海底斜坡失稳;当斜坡坡角为3。或更小时,沉积物层中25 水合物分解后,将会引起海底斜坡失稳. 关键词 天然气水合物分解,海底滑坡,海底不稳定性,南海 0.3969/j.001—5733.2010.04.019 中图分类号稿日期2008—120099收修定稿 A of ea to “, 1 66071, 00049, 66555,of of of in ea to e of ea as a of of by of of on of he of 5 to of 200 m,00 m, 基金项目 国家高技术研究发展计划863项目(2,2006国家自然科学基金项目(40706026)联合资助 作者简介刘锋,男,1978年生,博士研究生,主要从事海洋天然气水合物研究. *通讯作者吴时国,研究员,主要从事海底构造与海洋地质研究.WU@ms.ac.期 刘锋等:南海北部陆坡水合物分解引起海底不稳定性的定量分析 947 。.of of is or 0。, to as 引 言 天然气水合物是在低温高压条件下,由天然气 和水形成类似冰状的固体物质,其主要赋存于深水 区的海底沉积物和陆地永久冻土地带中.一方面,天 然气水合物以其巨大的储量,有望成为未来重要的 替代能源;另一方面,它在海底灾害预测和全球气候 变化研究中具有不可忽视的作用[】 ]. 天然气水合物的形成和分解主要受温度、压力、 气体类型及海水盐度的影响,当上述条件发生变化 时,其赋存状态也将发生变化,因而,构造作用、海平 面升降和海底工程等因素都可能破坏天然气水合物 的稳定性.天然气水合物分解会产生大量的游离气, 增大沉积物的孔隙压力,降低沉积物的胶结强度,使 得含气沉积层的抗剪强度和承载能力降低,被液化 的分解带将形成一个向下的滑动面,此时一旦受地 震或者沉积载荷增大等因素触发,仅依靠沉积物自 身的重量,便可引起海底滑坡. 作为灾害地质因素,天然气水合物对海洋油气 勘探的危害性还表现在其分解将导致地层承载力的 不均匀.无论是浅层生物气还是深部热成因气,这种 含气区内部承载力的不均匀都将威胁到海洋工程的 安全,如造成钻井平台桩腿的不均匀沉降,使平台倾 斜甚至翻倒等;另外,气体的突然释放会对管道产生 破坏作用,特别是高压浅层气释放时轻则侵蚀套管, 重则造成井喷,甚至可能引起平台燃烧,造成生命及 财产的损失.因此,研究天然气水合物分解引起的海 底滑坡,评价其对未来天然气水合物开发的安全性和 可持续性具有重要的科学指导意义及实用价值 “]. 2 理论模型 海底沉积物层中不同的岩性对地层压力的响应 及传导是不同的,如孔隙度小的泥质沉积物由于其 渗透率低,对地层压力变化的响应比较明显,压力不 易传导到外部环境,可看作是不可渗透的地层.在这 种情况下,不考虑其他载荷的影响,沉积物层中有效 应力的变化近似等于孔隙压力的变化. 正是基于这种思想,提出了水合物分解引起沉积物 层中有效应力变化的计算模型,见式(1). 一△ 一 一s ( 3—164.6 T2 m,~一( ㈣], 式(1)中, 为孔隙压力, 为有效应力,C 为膨胀因子, 为孔隙度, 与 分别为水合物的平衡压力与平衡温度,P 为水合 物初始压力, 水合物初始体积.该模型得出过 程中做了如下的基本条件假设:即1 m。的水合物分 解产生164.6 m。的甲烷气(标态)及0.87 m。的水; 沉积物层中固相及水相不可压;气相压力变化符合 波义耳定律. 式(1)方括号中, (1一S)表示水合物的分解 量;0.13表示水合物体积与完全分解后产生的水体 积的差值(1~0·87 164.6 号 这项表 示水合物分解释放的气体在平衡温压条件下的体积 ,p 、 值;( 一1) n 表示游离气的体积变化值. 根据上述沉积物层中固相及水相不可压的假 设,沉积物层中游离气受压后的体积变化可由式(2) 表示. △(2) 式(2)中,△ 眦为水合 物分解导致压力上升后的游离气体积, 。 为分解 前的游离气体积.V 与 。 之间符合波义耳定 律,由此可得到 .1 1(3) 式(2)可进一步化为 一( ) 。 . (4) 在水合物的逐步分解过程中,气体的不断释放 地球物理学报(. 将造成游离气总体积膨胀,地层孔隙压力上升,由于 低渗透率泥岩的存在,地层总体积变化不显著,这便 造成游离气被强烈压缩.在实际计算过程中,假定游 离气体积变化不明显,对沉积物层压力的影响不大, 通常情况下可以忽略不计,从而可以不考虑式(4)以 达到简化计算的目的. 这一基础上,对式(1)的模型简化, 得到了 一 一M 一s) ×( s 4.e )],㈣ 式(5)中,为计算人压缩系数n ,其中a 一 , u 由膨胀因子C。的定义: 一 0 434 1n 1 ’ . f+等1 …一 一 , 由沉积物的压缩模量一 坐, 进一步得到:M— 0—43 4C n 1 ’代入式(5) . l f+ 1 得到 △d,一一△ 土 0.434C 1+ ) ×[棚一S)(0.13 298T.2 -](6) 在求解沉积物层孑过程中, ,S, P。与 等参数值可预先获知,唯一的未知参数为 C ,由于海底沉积物的可接近程度与陆上山体完全 不同,因此,C 值无法直接获取.为求取C ,引入另 一参数C ,C 可近似表达为 c ≈ , (7) 式(7)中,C 为压缩因子, 为 沉积物比重.根据 的研究方案计算了研究 区内的C。/C 值:C。/C 一0.17(5);C /C 一 0.34(),从而得到: c 一(O.。02.14) .(8) 通过式(8)代入值,最终可求取C 值. 将式(6)化简得到 1. 二 。 0.434C~ … 进一步化简可得到关于 的一元微分方程: _]_(1O) 求解方程可得 ~ +. (11) 式(11)中,c 与C 均为常数,其中C 可通过代入 、 、S、P 、丁2、C 的数值计算得到,应的边界条件和初始条件得到,最终可求出沉积物 层孔隙压力 ,同时也得到了沉积物层有效应力“. 上述理论模型是建立在沉积物层中孑围岩地层散失的基础上的,适用于非渗透性地层 或极低渗透率地层.考虑到实际情况下,超高的孔隙 压力总要通过沉积物或微通道向围岩地层扩散;超 高孔隙压力的产生也不是瞬间完成的,总要经过压 力不断累积的过程,这其间不可避免地减小了孔隙 压力的峰值.相对于高渗透性的砂质沉积物层,低渗 透的泥质沉积物层会以更低的速率向外部环境扩散 超高的孑此,对于水合物快速分解(如地 震等自然因素或油气钻探等人为因素)引起的泥质 沉积物层孔隙压力的突变问题,该模型仍具有较好 的适用性. 3应用实例 3.1区域地质背景 研究区位于南海北部神狐海域(图1),中国海 洋石油总公司和国土资源部广州海洋地质调查局在 研究区内获得了大量的高分辨率二维、三维地震资 料,广州海洋地质调查局于2007年5月在该区域成 功钻获了天然气水合物实物样品,证实了该区具有 较大的天然气水合物的资源潜力该区良好的天 然气水合物远景与较高的研究程度是模拟计算理想 的研究靶区. 神狐海域位于南海北部陆坡的中段,构造上属 于南海北部白云凹陷,白云凹陷地处陆架到深海的 陆坡过渡带,经历了与南海北部陆缘相似的地史演 化,形成最终以海相沉积为主导的区域性沉积层,水 深约200~2000 m,大部分在500~1500 陷面积超过20000 是珠江口盆地面积最大、沉 4期 刘 锋等:南海北部陆坡水合物分解引起海底不稳定性的定量分析 949 积厚度最厚的凹陷口 ¨],具有海底滑坡发育的构造 条件与压力条件,同时也具备了重力负荷触发滑坡 的地质条件口 叫 .受区域构造运动影响,神狐海域 海底地形起伏较大,发育多条切穿较新沉积层延伸 至海底附近的深大断裂,为天然气向浅部水合物稳 定带运移创造了有利条件,区域内广泛存在的气烟 囱、多边形断层及泥底辟等特殊构造体的存在,也 有利于天然气水合物的形成口 .神狐海域发育多 期海底滑坡,钻井资料显示海底滑坡与水合物关系 密切,表明天然气水合物的形成或分解与海底滑坡 的形成密切相关。]. 3.2应用计算 依据南海北部神狐海域水合物赋存区的地质条 件,由于该区域海底斜坡在平面方向的几何尺度远 大于深度方向的几何尺度,因此可应用极限平衡法 中无限斜坡安全性的评价方法来探讨海底斜坡的稳定 性问题.其原理遵循摩尔一库仑破坏准则: —C+( ~ ) (12) 式(12)中, 为抗剪切强度;大多数沉积物的内聚力都比较小,可以忽略不计,如 砂体的内聚力一般为零; 为沉积物的内摩擦角,一 般取20。~45。; 为作用在滑坡面上的总应力,口为 孔隙压力, 一 为有效正应力.式(12)表达了抗剪 切强度和剪切力之间的线性关系.一般来说,触发海 底滑坡的最主要的外力是地震、海平面变化、沉积物 快速堆积作用、天然气水合物分解等因素.在上述的 多种因素中,如果首要考虑天然气水合物分解产生 的影响,将水合物分解看作是触发海底斜坡产生不 稳定性的主要因素,问题将得以进一步简化.式(12) 计算过程中所需要的有效应力值可由式(11)求出. 应用无限斜坡稳定性分析法需要预先假定一个 滑动面(如图2所示),通过计算该滑动面的安全系 数F(s)来评价斜坡的稳定性,安全系数F(s)为斜坡 沉积物的抗剪切强度与剪切应力的比值.当安全系 数大于1时,表明斜坡处于稳定状态,当安全系数等 于或小于1时,表明斜坡处于亚稳定或不稳定状态. 安全系数F(s)的计算式为 F( )一 ±[ 里± 垒 二兰] ! . Hy 13) 式(13)中, 为沉积物的容重,为滑动面地层深 度,“为有效应力, 为沉积物的内摩擦角,卢为斜 坡坡角.在研究区内,沉积物内聚力为零, 为3O。, 取1。~5。. 根据神狐海域水合物赋存区域的地质条件及地 震剖面资料(图3),综合主要的影响因素,对比世界 典型海底滑坡发生海域的地质状况及相关文献报道 的资料,确定了南海北部神狐海域的斜坡稳定性计 算所需的相关参数值,见表1. 表1 与世界两大典型海域海底斜坡稳定性 计算相关参数对比 。] of to 。] 水深H(m) 水合物层深度h(m) 海底坡角) 比重G 塑性系数聚力C 摩擦角 (。) 沉积物容重y(kN/m。) 空率 水合物含量( ) 沉积物层 ) 地热梯度(℃/m) 1000~1400 375 4~6 2.7 42 0 35 16 0.53 10~20 35 2.5 表1中,水深、水合物层深度、海底坡角等参数 可通过该区域的地震剖面资料确定;水合物含量、沉 积物层孔隙度、地热梯度等参数通过具体的钻样及 勘测数据得出;比重、塑性系数、内聚力、摩擦角、沉 积物容重、空率等参数通过综合对比国内外相关文 献得出. 计算过程是在假设水合物分解10 的条件下 开始的,这样假设的目的是为海底滑坡的最初产生 提供一定的触发力,然后通过计算的结果再次校正 假设的条件.根据表1的相关参数值,分别应用式 (11)与式(13)在预先设定的1应的安全系数,通过对比安全系数的大小确定最 可能出现不稳定的滑动面,见表2. 通过计算对比得出,7。滑动面的安全系数最小. 在假设天然气水合物分解10 的条件下,该斜坡尽 管安全系数计算值(F(s)一1.1O)大于1,仍处于稳 定状态,但在更多量天然气水合物分解的条件下,该 斜坡有可能受到影响而处于不稳定的状态.因此,需 要进一步重点考察7 滑动面的稳定性状况.通过代 ~ 一 ¨ 。 一 3 2 一 一 ¨ 。 ∞ 一 4期 刘 锋等:南海北部陆坡水合物分解引起海底不稳定性的定量分析 4结果与讨论 在不考虑地震、海平面变化、沉积物快速堆积作 用等因素对海底滑坡的触发与影响的情况下,施加 在海底斜坡滑动面上的作用力主要包括海水的静压 力、沉积物重力、水合物分解引起的超高孔隙压力. 其中海水的静压力与水深密切相关,沉积物层的重 力取决于沉积物类型与厚度,孔隙压力的大小与水 合物的分解量密切相关.这三种力的作用对海底斜 坡的稳定性具有最直接的影响.此外,海底斜坡自身 的性质对其稳定性的影响也同样不容忽视,这主要 需考虑海底斜坡坡角大小的影响.由此,根据图4的 具体情况,重点考察天然气水合物分解量、海底斜坡 水深、沉积物层厚度、斜坡坡角这四个方面的因素对 海底斜坡不稳定性的影响. 图5表示了在不同的坡角条件下,水合物的分 解量对海底斜坡稳定性的影响.由图5可以看出,当 15 的水合物分解后,坡角为5。的斜坡将发生失 稳,而坡角为1。和3。的斜坡仍处于稳定状态.而当 25 的水合物分解后,坡角为1。、3。、5。的斜坡都失 去稳定性.图5中,安全线以上的部分说明斜坡处于 稳定状态,安全线以下的部分说明斜坡处于不稳定 状态.图5说明了水合物分解量对海底斜坡稳定性 的重要影响作用.此外,通过图5也可看出,在水合 物逐步分解的过程中,相同条件下较大坡角的海底 斜坡将率先发生失稳. 图6表示了沉积物层中15 水合物分解的条 件下,对应于不同斜坡坡角,海底斜坡的水深对斜坡 嵌 2 6 2 4 2 2 1.0 O.8 O 6 \ ==: 。——~▲ O 2 4 8 15 25 30 水合物分解量/(%) 5 天然气水合物分解量对海底斜坡稳定性的影响 of of on 稍 锅 圉/ 一 一. 一 一=l;善 深/m 6水深变化对海底斜坡稳定性的影响 (15 水合物分解) of in on 5 稳定性的影响.由于海水静压力的存在,水深的增加 具有维持海底斜坡处于稳定状态的作用,随着水深 的逐步增加,海底斜坡将趋于更加稳定.从图6可看 出,在水深小于600 角为5。的海底斜坡处 于不稳定的状态,这主要是由于海水的静压力较小 的缘故.这时的海水静压力不足以消除水合物 分解所产生的超高的孔隙压力的影响,因此难以维 持海底斜坡的稳定状态.当水深大于600 海水的静压力逐步增大,维持斜坡处于稳定性的作 用力大为增强,这时1。、3。与5。坡角的斜坡均处于稳 定状态.可见,水深的增加对海底滑坡的产生具有一 定的抑制作用. 图7表示了沉积物层中15 水合物分解的条 件下,对应于不同斜坡坡角,沉积物层厚度变化对斜 k.一 一 ; 0 耙 一—一一~一一一一~~~~一 4期 刘 锋等:南海北部陆坡水合物分解引起海底不稳定性的定量分析 953 2001.27~31 [6] F.of on s 005 [7] F, L H.to a 007.314~325 [8] P.of of n:of on 1979.8~31 [9]吴时国,姚根顺,董冬冬等.南海北部陆坡大型气田区天然气水 合物的成藏地质构造特征.石油学报,2008,29(3):324~328 G, S, D,et in of 2008,29(3):324~328 [10]龚再升,李思田,谢泰俊等.南海北部大陆边缘盆地分析与 油气聚集.北京:科学出版社,1997 S, T, J,et of ea(997 [113朱伟林,张功成,杨少坤等.南海北部大陆边缘盆地天然气地 质.北京:石油工业出版社,2007 L, C, K,et in of ea(007 [12]孙运宝,吴时国,王志君等.南海北部白云大型海底滑坡的几 何形态与变形特征.海洋地质与第四纪地质,2008,28(6): 69~77 B, G, J,et he 2008, 28(6):69~77 [13] 王秀娟,吴时国,刘学伟.天然气水合物和游离气饱和度估算 的影响因素.地球物理学报,2006,49(2):504~511 J, G, W.of . 2006,49(2):511 [14]董冬冬,吴时国,张功成等.南海北部深水盆地的裂陷过程及 裂陷期延迟机制探讨.科学通报,2008,53(19):2342~2351 D,G,et of in 2008,53(19): 2342~2351 [15] 陈多福,李绪宣,夏斌.南海琼东南盆地天然气水合物稳定域 分布特征及资源预测.地球物理学报,2004,47(3):483~490 F, X,.of of .2004, 47(3):483~489 [16]石万忠,陈红汉,陈长民等.珠江口盆地白云凹陷地层压力 演化与油气运移模拟.地球科学一中国地质大学学报,2006, 31(2):229~236 Z, H, M,et of in 2006,31(2):229~236 [17]张光学,祝有海,梁金强等.构造控制型天然气水合物矿藏及 其特征.现代地质,2006,20(4):612 X, H, Q,et on 2006,20(4):605~612 [18]宋海斌,吴时国,江为为.南海东北部973剖面征.地球物理学报,2007,50(5):15517 B, G, W.on 73 in .2007,50(5):1508~1517 [19]王宏斌,张光学,杨木壮等.南海陆坡天然气水合物成藏的构 造环境.海洋地质与第四纪地质,2003,23(1):81~86 B, X, Z,et of in 2003,23(1):81~86 [2然气水合物体系动态演化研究(海底滑坡.地 球物理学进展,2003,18(3):503~5 B.on of ):2003,18(3):503~511 [21] J R,U.y H S,,et a on D 007,246: 9~23 [223 ,, P,et he of 005,22:123~136 [23] O,, I. on W ea 007,258:605~618 [24] , G.of 003,20:883~899 J, D P, T,et of on 004,203:355~366 [26] S.of ay 993,77(5):793~812 [27],, F,et 005,22: 126~134 [283 ,,,et of e 004,23(1):60~66 (本文编辑何燕)
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