CN107609759B - 一种海洋天然气水合物开采的海底工程地质影响评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋天然气水合物开采的海底工程地质影响评价方法，其包括：获取海底水合物监测区域开采前后的n个环境参数；计算开采前后的对应的环境参数的相对变化值R以及差异显著的概率P；根据影响权重矩阵表得到n个权重值A；根据相关性权重表得到n个相关性权重B；根据公式F＝(A₁B₁+A₂B₂+A₃B₃……+A_nB_n)/n计算得到影响评价值F；将影响评价值F与预设的评价结果表中的预设范围值进行比对，得到影响评价结果。本发明通过分析水合物开采前后各项目参数的整体差异性，评价其对采区海底沉积物工程地质性质的影响，为水合物开采环境保护提供科学依据。

Description

一种海洋天然气水合物开采的海底工程地质影响评价方法

技术领域

本发明涉及海底水合物开采的工程地质影响评价技术。

背景技术

由于深海人类活动及工程建设相对较少，因此目前深海海底工程地质的调查技术方法及系统的监测和评价方法也相对甚少，尤其针对海域水合物调查与试采，全球没有几个国家在对该区域的工程地质特征进行调查，以及评价试采对工程地质环境可能造成的影响。纵观国内外，一套系统的针对深海水合物试采区海底工程地质的影响评价技术方法较为匮乏，不清楚海底水合物开采分解后会对该区海底工程环境会造成多大影响，怎样去调查、监测及评价较为科学合理。

现有技术的方法是集成深海工程地质调查技术方法、监测技术方法及海域水合物试采对海底工程地质影响评价技术方法的一套较为系统的技术方法。目前针对海域水合物试采的该类工程地质影响评价技术方法不成系统，或较为简单、单一，为粗略的直接比较分析，例如利用常规的野外调查技术方法对水合物试采区工程地质特征参数进行调查和了解，简单分析试采前后数据变化。类似评价技术方法简单、不成系统，无数据筛选、求特征值等高级处理过程，最后前后的综合对比分析也欠缺，人为因素影响较大，评价结果往往分析不全面及科学合理性较差。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种海洋天然气水合物开采的海底工程地质影响评价方法，其能解决人为因素影响大的问题。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种海洋天然气水合物开采的海底工程地质影响评价方法，其包括以下步骤：

步骤1、获取海底水合物监测区域开采前后的n个环境参数，所述环境参数包括海底地形地貌参数、地层参数和土层物理力学参数；

步骤2、计算开采前后的对应的环境参数的相对变化值R以及差异显著的概率P，以得到多组相对变化值R与概率P的组合数据；

步骤3、将所述组合数据中的相对变化值R与预设的影响权重矩阵表中的多个第一范围进行比对，将所述组合数据中的概率P与预设的影响权重矩阵表中的多个第二范围进行比对，根据相对变化值R落入的第一范围以及概率P落入的第二范围，得到n个权重值A；其中，所述影响权重矩阵表还包括第一范围与第二范围的组合与权重值A的对应关系；

根据各环境参数与海底水合物形成和分解的相关性，与预设的相关性权重表进行比对，得到n个相关性权重B；其中，所述相关性权重表包括所述相关性与相关性权重B的对应关系；

步骤4、根据公式F＝(A₁B₁+A₂B₂+A₃B₃……+A_nB_n)/n计算得到影响评价值F；A_n为第n个环境参数对应的权重值A，B_n为第n个环境参数对应的相关性权重B，n为大于0的自然数；

步骤5、将影响评价值F与预设的评价结果表中的预设范围值进行比对，得到影响评价结果；其中，评价结果表包括预设范围值与影响评价结果的对应关系。

优选的，步骤2中，所述相对变化值R由以下公式计算得到：R＝(a_后-a_前)/a_前；其中，a_后为开采后的环境参数的值，a_前为开采前的环境参数的值。

优选的，步骤2中，所述概率P由以下步骤得到：

根据公式计算得到T值；

根据所述T值从界值表匹配出对应的概率P；

其中，所述界值表包括T值与概率P的对应关系；

为开采前第n个环境参数的平均值，为开采后第n个环境参数的平均值，N₁为开采前第n个环境参数的个数，N₂为开采后第n个环境参数的个数，S₁为开采前第n个环境参数的方差，S₂为开采后第n个环境参数的方差。

优选的，步骤1和步骤2之间还包括以下步骤：

根据公式得到取值范围，将环境参数中落入该取值范围的数值保留，否则删除；其中，f_m为环境参数的平均值，t_α为t分布单侧置信区间的系数值，δ为变异系数，y为环境参数的个数。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

通过分析水合物开采前后各项目参数的整体差异性，评价其对采区海底沉积物工程地质性质的影响，为水合物开采环境保护提供科学依据。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的海底水合物开采的工程地质影响评价方法的流程图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图1所示，本实施例公开了一种海洋天然气水合物开采的海底工程地质影响评价方法，其包括以下步骤：

步骤1、获取海底水合物监测区域开采前后的n个环境参数，所述环境参数包括海底地形地貌参数、地层参数和土层物理力学参数。

本步骤的数据获取具体过程如下：

(1)根据海域水合物试开采工程，初步确定目标区域，全面收集及分析该区已有的调查数据资料及有关历史研究成果，如区域构造、地震、地质灾害、海洋水文环境、水合物赋存形式及地质有关数据信息资料等。

(2)依据目标区较为粗略的地质信息、水深地形等有关资料，布设地震测线、浅层剖面测线、多波束测深测线及重力地质取样站位，查明水合物试开采区海底地形变化、地貌类型、海底地层划分及结构构造、地质灾害类型等，并重点关注与水合物区甲烷渗漏活动有关的(微型)地质单元，包括泥火山(泥底辟)、麻坑、气烟囱等，以及断层、滑坡、海底火山以及蠕动体等大中型地质单元。另外，通过对重力取样样品进行现场及室内土工试验，获取沉积物颗粒分析、天然含水率、天然密度、土粒比重、饱和度、孔隙比、液限、塑限、液性指数、塑性指数、压缩系数、压缩模量、粘聚力、摩擦角、弹性模量、泊松比、摩尔库仑强度、渗透系数等土工参数(即土层物理力学参数)，初步查明试开采区及周边海底浅表层土体物理力学特征。进行普查的作用主要是为了节约成本，因为在详查阶段将利用高精度(成本较高)调查手段针对局部重点区进行详查。

(3)具体结合拟试开采井位位置，以井位为中心，并通过前期普查阶段，依据海底地形地貌、地层结构及浅表层土层物理力学参数等调查数据资料，圈出与水合物相关的且可能受水合分解产生影响变化的局部须重点监测区域或点。最后，依据以上数据资料，在目标区建立海底地质环境调查监测基线，主要以斜坡方向为轴线，由里向外调查半径可以按比例放大，调查站位和调查测线总体呈“米”字型分布。

(4)详查阶段。在重点区布设AUV(或深拖)测线获取高精度地形地貌；利用ROV潜入海底进行详查取样及原位测试(原位温压测量仪)，实际查明海底地质类型及分布、碳酸岩(烟囱体、结壳、结核)分布等、浅表层土体原位温压分布情况、与水合物区甲烷渗漏活动有关的(微型)地质单元分布或尺寸大小(即海底地形地貌参数)；对水合物重点区进行随钻测井，获取海底以下地层电阻率、声速、中子孔隙度、密度等岩土参数(即土层参数)，与钻探工程地质取样试验和CPT(井下式及海底式)现场原位测试相结合，详查拟试开采远景区海底以下土层沉积相、沉积层厚度、结构构造等特征，尤其查清储层、下覆层及上覆层的结构特征，以及获取不同深度处土体的颗粒组成成分、有机质含量、碳酸盐含量、含盐量、含水率、密度、比重、液塑性等土层物理力学参数和不排水抗剪强度、灵敏度、内摩擦角、粘聚力、应力历史、压缩系数、压缩模量、变形系数、泊松比、压缩指数、回弹指数和固结系数等土层物理力学参数。试开采结束后对前期建立的环境基线进行相同工作内容的调查，因为通过获取试开采前后工程地质环境数据资料，并进一步进行对比分析，才能最终评价水合物试开采对海底工程地质的影响。

步骤2、数据筛选：根据公式得到取值范围，将环境参数中落入该取值范围的数值保留，否则删除；其中，f_m为环境参数的平均值，t_α为t分布单侧置信区间的系数值，δ为变异系数，y为环境参数的个数。

本步骤的具体过程如下：

利用SPSS数据管理统计软件、ArcGIS软件，对目标区试开采前后地质环境基线上调查监测获得的大量数据进行综合对比分析，系统评价海域水合物试开采对海底工程地质环境的影响，为试开采工程提供科学依据。

本实施例以Arcgis软件平台为例，进行水合物试开采海底工程地质影响的综合评价。首先，须要根据实际调查范围和依据实际水合物试开采量最终可能波及的海底区域范围，划定评价区。

其次，分别将试采前后每个调查站位和每条测线处理好的最终数据，如①海底地形地貌参数：海底地形及地貌单元，包括麻坑、泥底辟及断裂等，几何尺寸及形状等消长情况；②土层参数：地层结构，埋深、厚度及土层划分情况；③海底以下土层物理力学参数，包括渗透系数、模量及有效应力等，在arcgis里对应海底实际数据获取位置赋予空间属性，全部转化为arcgis格式。

另外，由于目前深海海底取样精度相对低及钻探、CPT原位土工试验调查手段成本高等原因，须将评价区进行网格化，采用克里金插值法进行插值，把从点、线上获得的数据资料拓展到整个评价区，尤其针对土层结构及物理力学特征。但对于麻坑、底辟及断裂等特殊海底构造实际量化描述即可，即利用ROV实际观察录像、图片数据和高精度AUV地形地貌调查资料，详细记录与海底水合物形成或分解相关的特殊构造几何尺寸、形态等信息。

a、SPSS数据处理：相比EXCEL软件,对于管理、处理及分析大量的数据，SPSS有绝对优势，其分析过程包括描述性、均值比较、多类线性模型、相关分析、回归分析、聚类分析及样本检验等，操作界面对海量数据的统计分析来说非常直观。本评价方法引用该软件进行应用，对管理分析水合物试开采区长期工程地质环境监测获取的大量数据非常实用。使用方法与EXCEL办公软件类似，导入数据，选择相应功能健求取特征值(平均值、最大值、最小值及变异系数等)、作回归曲线及进行样本检验(剔除误差值)等。

b、标准值选取：岩土参数(以岩土参数为例)的可靠性估值是在统计学区间估计理论基础上得到的关于参数母体平均值置信区间的单侧置信界限值。如果母体(某环境参数获取数据的个数y)平均值以u表示，并服从t分布规律，可靠性估值以f_K表示。取单侧置信下限时，其概率形式用下式表示：

P[u<fK]＝α＝1-p (1)

取单侧置信上限时，其概率形式用下式表示：

P[u>fK]＝α＝1-p (2)

式中：α——风险率(显著性水平)，是一个可以接受的小概率；p——置信概率，或置信水平，表示可以预期的安全概率。α与p值都是根据岩土工程的等级和勘察阶段而定，一般常用的为α＝0.05，p＝0.95。

岩土参数的标准值是岩土工程设计的基本代表值，是岩土参数的可靠性估值。根据岩土工程勘察有关规范，岩土参数的标准值f_K按下式计算：

fK＝γ_s×f_m (3)

式中：f_m——岩土参数的平均值；γ_s——统计修正系数。

按照区间估计理论，统计修正系数由下式求得：

式中：t_α——t分布单侧置信区间的系数值，可根据风险概率和自由度(y-1)查表获得；δ——变异系数，y——实验个数(即环境参数个数)。

对正负号按不利组合考虑，采用置信上限时，取正号；置信下限时，用负号。

根据公式(3)，得到岩土参数在风险率α下的置信区间：

为y个某参数值在置信率为1-α下的区间范围，置信率越高，该区间范围越窄，其数据值对区域的描述更为准确。

以上部分，主要是对环境调查监测获得的大数据进行最后标准值的选取，获取对区域描述较为客观的值，为后期影响评价打好数据基础。各参数数据客观准确了，对比分析评价影响结果才能准确。

步骤3、计算开采前后的对应的环境参数的相对变化值R以及差异显著的概率P，以得到多组相对变化值R与概率P的组合数据。

本步骤中，所述相对变化值R由以下公式计算得到：R＝(a_后-a_前)/a_前；其中，a_后为开采后的环境参数的值，a_前为开采前的环境参数的值。

参照统计学里T检验的显著性差异评价方法，所述概率P由以下步骤得到：

根据公式计算得到T值；

根据所述T值从界值表匹配出对应的概率P；

其中，所述界值表包括T值与概率P的对应关系；

为开采前第n个环境参数的平均值，为开采后第n个环境参数的平均值，N₁为开采前第n个环境参数的个数，N₂为开采后第n个环境参数的个数，S₁为开采前第n个环境参数的方差，S₂为开采后第n个环境参数的方差。

具体而言，针对每项调查的环境参数：海底地形地貌及与水合物相关的海底地形地貌参数、地层参数及土层物理力学参数，在arcgis软件平台分别建立专题评价图层：①开采前后海底地形地貌及特殊构造的对比分析，比较属性包括水深及特殊构造几何尺寸、形态、数量规模；②开采前后地层结构特征的对比分析，比较属性为地层厚度及分布形态；③开采前后土层物理力学参数的对比分析，比较属性为所有物理力学各参数。最终输出评价结果图：评价区各调查项目开采前后的差异性大小图，并获取相对变化值R＝(a_后-a_前)/a_前(R<0.05时，判为变化不大，与上述基础数据标准值选取中所提到的置信率相对应)，同时参照统计学里T检验的显著性差异评价方法，获取两个参数总体差异显著的概率P(0.8<P时，差异不显著)，P是通过T值与样本个体数(自由度N)查相应界值表获得。

步骤4、将所述组合数据中的相对变化值R与预设的影响权重矩阵表(表1)中的多个第一范围(R1、R2、R3)进行比对，将所述组合数据中的概率P与预设的影响权重矩阵表中的多个第二范围(P1、P2、P3)进行比对，根据相对变化值R落入的第一范围以及概率P落入的第二范围，得到n个权重值A；其中，所述影响权重矩阵表还包括第一范围与第二范围的组合与权重值A的对应关系。

表1

根据各环境参数与海底水合物形成和分解的相关性，与预设的相关性权重表(表2)进行比对，得到n个相关性权重B；其中，所述相关性权重表包括所述相关性与相关性权重B的对应关系。

表2

步骤5、根据公式F＝(A₁B₁+A₂B₂+A₃B₃……+A_nB_n)/n计算得到影响评价值F；A_n为第n个环境参数对应的权重值A，B_n为第n个环境参数对应的相关性权重B，n为大于0的自然数。

步骤6、将影响评价值F与预设的评价结果表(表3)中的预设范围值进行比对，得到影响评价结果；其中，评价结果表包括预设范围值与影响评价结果的对应关系。

表3

总体而言，本实施例的水合物试采区海底工程地质特征调查及评价基础数据的获取，除了利用常规的海上野外地质调查技术和室内土工试验外，如地震调查、浅剖测量、多波束测量、重力地质取样及室内常用的国标/行标土工试验方法，另外利用深海AUV调查、ROV调查、CPT调查及原位温压测量等相对新型的技术方法，因为深海海底定位到某个地质/构造单元很难，不同区域水合物试采对海底工程地质环境的影响程度未知，并且沉积物从深海取上来再送实验室测试其数据有严重的扰动误差，须精准锁定目标、高精度调查及原位测试调查。如此便才可以更全面、更准确地描述水合物试采区海底沉积物的工程地质特征。其次，利用统计分析软件SPSS可以对海量的采集及测试数据进行深入分析，主要对沉积物的土体物理力学指标(土工参数)，如粒度组成、天然含水率、天然密度、土粒比重、饱和度、孔隙比、液限、塑限、液限指数、塑性指数、压缩系数、压缩模量、压缩指数、固结系数、粘聚力、摩擦角、弹性模量、泊松比、渗透系数、无侧限抗压强度、灵敏度及有机质含量进行格拉布斯检验，进行异常值的剔除，并分析物理力学指标间的相关性，有助于相对水合物试开采(海底水合物分解)区域土工参数敏感因子、重要因子及一般因子的划分，另外依据岩土参数的可靠性估值理论基础，对各参数选定标准值。最后，进一步结合Arcgis软件平台，针对不同的井场区域(如果两个试开采井口相距很远，可以单独作为两个重点区进行)，分析水合物试开采前后各项目参数指标区域上整体差异性，评价其对试采区海底沉积物工程地质性质的影响，为水合物试开采环境保护提供科学依据。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种海洋天然气水合物开采的海底工程地质影响评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取海底水合物监测区域开采前后的n个环境参数，所述环境参数包括海底地形地貌参数、地层参数和土层物理力学参数；

步骤2、计算开采前后的对应的环境参数的相对变化值R以及差异显著的概率P，以得到多组相对变化值R与概率P的组合数据；所述概率P由以下步骤得到：

根据公式计算得到T值；

根据所述T值从界值表匹配出对应的概率P；

其中，所述界值表包括T值与概率P的对应关系；

为开采前第n个环境参数的平均值，为开采后第n个环境参数的平均值，N₁为开采前第n个环境参数的个数，N₂为开采后第n个环境参数的个数，S₁为开采前第n个环境参数的方差，S₂为开采后第n个环境参数的方差；

步骤3、将所述组合数据中的相对变化值R与预设的影响权重矩阵表中的多个第一范围进行比对，将所述组合数据中的概率P与预设的影响权重矩阵表中的多个第二范围进行比对，根据相对变化值R落入的第一范围以及概率P落入的第二范围，得到n个权重值A；其中，所述影响权重矩阵表还包括第一范围与第二范围的组合与权重值A的对应关系；

根据各环境参数与海底水合物形成和分解的相关性，与预设的相关性权重表进行比对，得到n个相关性权重B；其中，所述相关性权重表包括所述相关性与相关性权重B的对应关系；

步骤4、根据公式F＝(A₁B₁+A₂B₂+A₃B₃……+A_nB_n)/n计算得到影响评价值F；A_n为第n个环境参数对应的权重值A，B_n为第n个环境参数对应的相关性权重B，n为大于0的自然数；

步骤5、将影响评价值F与预设的评价结果表中的预设范围值进行比对，得到影响评价结果；其中，评价结果表包括预设范围值与影响评价结果的对应关系。

2.如权利要求1所述的海底工程地质影响评价方法，其特征在于，步骤2中，所述相对变化值R由以下公式计算得到：R＝(a_后-a_前)/a_前；其中，a_后为开采后的环境参数的值，a_前为开采前的环境参数的值。

3.如权利要求1所述的海底工程地质影响评价方法，其特征在于，步骤1和步骤2之间还包括以下步骤：

根据公式得到取值范围，将环境参数中落入该取值范围的数值保留，否则删除；其中，f_m为环境参数的平均值，t_α为t分布单侧置信区间的系数值，δ为变异系数，y为环境参数的个数。