地球物理方法在海洋平臺場地勘察中的應用與探討

馬仲勝

(廣州海洋地質調查局廣州510760)

作者簡介:馬，男，1968出生，1990畢業於中國地質大學(武漢)，工學碩士，高級工程師，從事海洋環境地質、災害地質和綜合地質與地球物理工作。電子郵箱:sz-m@163.com .

海洋石油鉆井平臺的安全定位和穩定建造與井場區域海床的工程地質條件密切相關。地球物理勘探技術作為壹門綜合科學技術，在海洋工程地質和海洋災害地質調查中發揮著不可替代的作用。實踐證明，通過測深、側掃聲納掃描、淺地層剖面、單道地震、高分辨率2D地震和海洋磁測等地球物理勘探手段的綜合調查，可以揭示鉆井平臺場地周圍海域的地形變化和潛在的地質災害因素。

平臺現場調查；海洋地球物理探測；海洋地質災害

1前言

隨著中國經濟的發展和戰略儲備的需要，中國原油勘探開發的重點逐漸從陸地轉向海洋。中國近海海底礦產資源豐富，已探明石油資源達246×108 t，天然氣15.79×1012m3，占全國油氣資源總量的23%。但在油氣開發中，卻屢遭海洋地質災害破壞，不均勻的持力層多次造成渤海和珠江口盆地鉆井平臺傾斜移位，給國家造成了巨大的經濟損失。

鉆井平臺場地災害調查應在石油鉆井前進行。需要探測斷層和淺層氣層，以應對鉆井或采油過程中的井架倒塌、井噴、火災和溢油等災害，並調查與鉆井平臺基礎相關的巖土工程問題，以避免事故和災害。資料顯示，在1955 ~ 1980期間，美國每年發生3 ~ 4起嚴重損壞鉆井船基礎的事故，造成巨大的經濟損失和人員傷亡。海洋結構物場地調查是確定影響固定平臺、海底管道等工程結構物的設計、布置、施工和安全運行的工程地質條件。1969年，卡米爾颶風襲擊了密西西比河三角洲，導致大面積土壤在海底滑動，造成三個平臺的破壞，損失超過1億美元[1]。可見，海洋石油鉆井平臺現場調查在油井鉆探和開發中的重要作用。中國海洋石油開發起步較晚，直到上世紀80年代初，中國才真正開始海洋工程地質勘探。在過去的十年中，我們在石油鉆井平臺現場調查方面做了大量的實驗工作，並且隨著調查技術的不斷進步，研究正在向深海推進。

海洋平臺的設計和建造需要對平臺現場進行海洋工程地質勘察，包括海底地形、海底表層和淺地層結構。從地形地貌、沈積物特征、地質年代等方面，利用實測和平臺設計海洋水文資料以及場地內土壤的物理力學參數，對海床穩定性進行分析計算，並在分析研究的基礎上，對場地的海床穩定性進行評價。

2常見海洋災害的地質類型

常見的海洋災害地質類型[2-5]如下:

活動斷層、地震和火山等。它們不僅可能對海底結構造成直接破壞，還可能誘發滑坡、濁流、砂土液化等災害。

滑坡、崩塌、濁流和泥石流等。，他們的活動可能直接損害鉆井平臺和海底管道。

海底沙丘、海底沙波、潮汐沙脊、沖刷槽、凹凸地、淺谷是地貌災害，其分布與氣象水文條件有關。

淺層氣、泥底辟、軟弱夾層、可液化砂層等。它們以承壓流體和塑性體的形式存在於第四系淺地層中。當海底結構的基礎接觸到這些地質體時，可能會發生災害。

埋藏古河流、埋藏古湖泊和沼澤、埋藏起伏的基巖面、埋藏珊瑚礁等。壹般都是淺地層的透鏡體。當鉆井平臺的樁腳插入不同的地質體時，由於受力不均，平臺會發生歪斜甚至傾覆。

地球物理方法在平臺場地勘察中的應用研究

3.1海底地形探測

海底地形探測包括單波束測深、多波束測深和側向聲納等。通過探測聲波在水下或巖土介質中的傳播特性來研究巖土的性質和完整性，是壹種地球物理方法，但兩者使用的聲波頻率和強度不同，高頻可以提高分辨率，低頻可以提高聲波的範圍和穿透深度[6 ~ 9]。目前，許多檢測系統采用雙頻或多頻探頭結構來提高儀器的檢測能力。

3.1.1單波束探測和多波束探測

單波束測深系統利用其換能器從水面向海底發射壹個聲脈沖，聲波在水下界面被反射，然後返回換能器被接收。通過時間函數的轉換，形成壹組時間離散的數字量並實時處理，將測量線上連續起伏的海底剖面直接顯示在記錄紙上。它反映了海底表面形態的凸凹性質、高度差異和延伸範圍(發育規模)。

多波束測深系統是壹個由多個傳感器組成的復雜系統，可以在調查剖面上形成十幾個到幾百個條帶測深數據和幾百個甚至幾千個後向散射數據，可以獲得寬海底掃描和高密度的調查點。具有全覆蓋、高精度、高密度、高效率的特點。測深數據反映了海底表面的起伏、高差和延伸，通過計算機處理和繪圖技術可以制作出被測海域海底的地形圖。

3.1.2側掃聲納掃描

側掃聲納技術利用海底物體對入射聲波的後向散射原理來探測海底形態，可以直接提供主動形態的聲學成像。側聲納是壹種高分辨率、多用途的水聲設備，廣泛應用於海洋測繪、水下目標探測(如探測水下艦船、飛機、導彈、魚雷和水雷等)。)、大陸架和海洋專屬經濟區劃界、海洋地質、海洋工程、港口建設、航道疏浚。

側掃聲納采用深拖側掃聲納系統，采用雙頻頻率100/500 kHz，測量範圍100/200 m，拖體距海底10 ~ 30 m，可獲取海底表面各類目標探測物體，獲取的聲納圖像質量高，可分辨海底表面的管道和電纜。水下物體的高度可以根據物體的高度來確定。幾種地球物理方法的同步操作可以相互驗證(圖1)。

圖1側掃聲納和單道地震剖面顯示的災害地質類型

3.2中淺層探測

3.2.1淺地層剖面測量

淺層地層剖面測量系統是探測海底以下30 m範圍內淺層結構、海底沈積特征和海底表層礦物分布的重要方法之壹。淺層地層剖面系統發射頻率較低，壹般在2.5 ~ 23 kHz之間，電脈沖產生聲波的能量較大，發射的聲波穿透力強，可有效穿透海底數十米的地層[10 ~ 11]，地層分辨率在8 cm以上。它能提供測量船正下方地層的垂直剖面信息，能準確反映地層界面和可能的海底地質災害因素，如淺層氣、淺層斷層和古河流或其他物體(如管道)。淺層剖面儀的穿透深度隨工作頻率和海底沈積物類型而變化。

淺地層剖面測量系統采用德國INNOMAR公司的SES-96參數淺剖面系統，並連接浪湧補償系統，可輸出水深數據。發射功率18 kw，主頻100 kHz，差頻4 ~ 12 kHz。平臺場地調查壹般采用8 kHz的差頻，探測到的地層分辨率高。淺水可以探測管道，可以和磁測相互驗證。

3.2.2單通道地震剖面測量

單通道地震記錄系統由單通道數據采集和處理系統、震源系統、信號接收電纜和EPC記錄儀組成。主要用於了解海床以下200米範圍內中淺層的構造和沈積特征。

單通道地震勘探技術和油氣地震勘探技術的工作原理是壹樣的。單道地震勘探使用的震源能量小，頻帶寬(幾十赫茲到幾千赫茲)，主頻高(幾百赫茲到幾千赫茲)。壹般采用電火花和氣槍作為震源，能量從幾十焦耳到幾千焦耳不等，穿透地層深度從幾十米到幾百米不等。

海上最常用的震源是氣槍和電火花震源，電火花震源壹般用於平臺現場調查。震源系統由震源控制箱和聲源設備(電極和聲脈沖發生器)組成。

如英國CSP1500震源系統主要有CSP1500震源控制箱、SQUID500電極、SQUID2000電極或AA200 BOOMER，震源激發能級為100 ~ 1500J，重復激發所需時間短。法國SIG800J震源系統采用120或200極魚骨狀電火花電極，能量輸出有270J、540 J、800J。在平臺調查中，壹般選擇250~800J的激發能量，激發間隔為0.5 s(圖2)。在荷蘭GEO-SPARK 10kJ震源系統中，GEO-SPARK2×800電極的能量輸出在100~10000 J之間，最大工作深度為4500 m，最大穿透深度為750 ms，可以滿足深水井場調查的需要。

我們選用法國水聽器SIG16 4.8.12和SIG 1612.12.34，英國AAE20單通道信號接收電纜和荷蘭GEO-Sense信號接收電纜，檢波器為0.15 ~ 65438+。

記錄儀器通過delph地震數據采集系統與上述震源和水聽器匹配。該系統不僅可以主動控制震源每秒的激發次數，還可以通過與GPS導航系統的連接，隨時記錄每個炮點軌跡的經緯度坐標，便於精確定位。儀器的動態範圍為90db，模數轉換為16位，並且具有很高的采樣頻率。與BOOMER震源配合使用時，其采樣率高達6000 ~ 10000 Hz，更有利於高頻有效信號的接收。在海上單道地震數據采集過程中，可以通過控制測量船的速度來調整記錄道之間的距離。船速越慢，通道間距越小，地震波組的連續性越好。當震源每秒激發兩次時，被測船體以3.5節的速度航行，地震道間距小於1 m，說明這種方法更適合高精度淺層地震勘探。

在數據處理流程中，采用有效的方法和技術將信號與噪聲分離，可以削弱多次波、繞射等幹擾波的影響，進壹步提高單道地震記錄的信噪比和分辨率。圖3(左)清晰顯示淺層氣及其沿斷層上升，紅色橢圓圈出的反射波振幅強，反射同相軸反轉，具有明顯的反相特征；圖3(右)顯示了各種形式的埋藏古河道。

圖2單通道地震剖面

單地震剖面顯示的淺層氣和埋藏古河道。

3.3高分辨率2D多道地震剖面測量

通常，使用48或96條多通道地震電纜來收集高分辨率2D地震數據。為了避免虛反射對高頻成分的壓制，震源和檢波器電纜的下沈深度都比較淺，壹般震源下沈深度為3m，壹般電纜下沈深度為4 m。震源壹般為小容量GI氣槍震源或套筒槍組合震源，以保證高頻地震子波的產生。該方法采集的地震資料頻帶可達20 ~ 350 Hz，遠高於常規地震資料的頻帶(20 ~ 50 Hz)，完全可以滿足識別薄層和地層構造的需要，提高了精度。

3.4海洋磁力測量

磁法是利用地下巖石和礦物或巖土介質之間的磁性差異引起的磁場變化(磁異常)來尋找有用礦物、查明地下構造和解決其他地質問題的壹種探測方法。磁力是解決工程地質勘察中磁性物體探測問題的有效手段。在各種調查中，我們使用GS880銫光泵磁力儀和SeaSPY海洋磁力儀，針對不同的研究目的采取不同的調查方法，都能取得滿意的結果。它的優點是不僅能探測出暴露在海底的磁異常，而且對覆蓋在海底以下的磁異常也有效。

在本次調查的應用中，已經鋪設了海底電纜(包括海底通信電纜、電力電纜和光纜等)。)在海底光纜路由的海域。經過多年的變遷，這些海底電纜在該海域的坐標已經發生了變化，部分是否還存在尚不清楚。另外，過去鋪設海底電纜時，定位器存在較大誤差。為了找出海底電纜與光纜路由線相遇的準確位置，需要對光纜路由進行探測。在平臺場地調查中，采用加拿大MarineMagnetics公司生產的海洋磁力儀進行調查，並結合側向聲納和淺層剖面進行探測。圖4為磁力儀探頭穿過電纜時探測到的磁異常曲線，側聲納掃描到的電纜和平臺磁異常幅度壹般可達幾十到幾百nT。

圖4淺剖面、磁力和側掃聲納探測到的管道、電纜和生產平臺。

4結論和討論

平臺場地的地質調查主要有兩種方法:壹種是地球物理方法，另壹種是地質取樣方法。目前廣泛使用的地球物理方法有:單波束測深或多波束測深、側掃聲納、淺剖面探測、單道地震、高分辨率2D地震和磁測。在高精度定位系統的支持下，上述六種水下探測系統可使我們獲得平臺場地內的三維工程地質條件，特別是危害工程建設的各種災害地質現象的形態、規模、位置和發展趨勢。其優點是經濟、快速，每種物探方法解決某個地質問題的能力各不相同，各有優勢和局限性。因此，應根據調查的目的和要求，采用多種方法進行綜合調查，使各種方法的優勢互補，達到最佳效果。根據20多年的實踐經驗，采用高分辨率地震綜合淺層物探技術，在井位和預計錨位同時進行2 ~ 3 m長的地質重力取樣和地質淺層鉆探，物探和地質取樣相結合，是了解海洋地質災害因素、災害類型和海洋工程地質相關問題的有效調查方法，可經濟、快速地為業主提供信息。

參考

顧小雲。海洋工程地質學的回顧與展望[J].工程地質學報，2000，8 (1): 40 ~ 45。

金慶煥，李湯根。南沙海域區域地質構造[J].海洋地質與第四紀地質，2000，20 (1): 1 ~ 8。

劉光鼎，陳潔。中國前新生代殘留盆地油氣勘探難點分析及對策[J].地球物理學進展，2005，20 (2): 273 ~ 275。

，文寧，李，油氣資源潛力及勘探現狀[J].地球物理學進展，2007，22 (4): 1285 ~ 1294。

劉西慶，劉守全，等.南海災害地質發育規律的初步研究[J].中國地質災害與防治學報，2002，13(1):12 ~ 16。

[6]Spiess F . N .海底研究與海洋技術[J].MTS期刊，1987，21(2):5~17。

[7]威爾·彼得·C .研究和監測海洋的聲音圖像[M].柏林:施普林格，2005年。

[8]Fish J . P .，Carr H . A.《聲音反射》(側掃聲納的高級應用)。奧爾良:下卡佩出版社，2001。

金祥龍，海洋地球物理研究與海底探測聲學技術發展。地球物理學進展，2007，22 (4): 1243 ~ 1249。

[10]Dybedal J.Kongsberg國防和航空航天公司。TOPASPS 018參數淺地層剖面儀系統培訓班，2003年。

Dybedal J .Kongsberg國防和航空航天公司。TOPASPS 018操作手冊，2002年。