淺層氣探測(cè)及其海洋工程響應(yīng)研究

李軍LI Jun

（中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部工程勘察作業(yè)公司，天津 300459）

0 引言

海底賦存有大量的天然氣資源，淺層氣的埋藏深度較淺，海洋工程地基、樁基以及管線施工有可能受到淺層氣的影響，進(jìn)而導(dǎo)致地基沉陷、剪切破壞、氣體井噴、爆燃等風(fēng)險(xiǎn)因素。因此，在海洋含氣地層施工前，應(yīng)該掌握淺層氣的賦存情況，并設(shè)計(jì)出針對(duì)性的工程技術(shù)措施，消除各種施工風(fēng)險(xiǎn)，故對(duì)此展開研究。

1 工程概況

某人工造島工程位于遼東灣沿海灘涂地區(qū)，計(jì)劃建造面積為20km2。工程規(guī)劃區(qū)域?yàn)楹恿鳑_擊三角洲向海中延伸的部位，屬于典型的沖擊海積平原。從地形地貌來看，作業(yè)區(qū)主體為海中淺灘（占比約為67%），同時(shí)存在一條沖刷而成的溝槽。淺灘部分的海水深度在0～1.4m 之間。經(jīng)地質(zhì)勘察，地層結(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 項(xiàng)目地層結(jié)構(gòu)勘察結(jié)果

2 海底淺層氣探測(cè)及工程危害分析

2.1 海底淺層氣探測(cè)方法及結(jié)果

2.1.1 海底淺層氣探測(cè)方法

在淺層氣勘探階段，常用方法包括地質(zhì)鉆孔法、地質(zhì)雷達(dá)法、物探法、靜探法（含改進(jìn)靜探法）。由于該項(xiàng)目為沿海灘涂，受到海水和泥漿的影響，物探法和鉆孔法均不適用。地質(zhì)雷達(dá)法不能進(jìn)行淺層氣取樣分析，因而存在較大的局限性。故此，在淺層氣探測(cè)階段采用改進(jìn)靜探法，其施工工藝流程為安裝改進(jìn)靜探設(shè)備→鉆孔→檢測(cè)是否有氣→如果有氣，進(jìn)一步檢測(cè)流量、氣壓、采集淺層氣樣本→如果無氣，先進(jìn)行吹氣，再檢測(cè)氣壓、流量等參數(shù)[1]。

2.1.2 氣體組分分析

在探測(cè)階段采集了氣體樣本，將氣體封存在取樣袋中。淺層氣的主要成分為甲烷，同時(shí)含有其他烴類物質(zhì)。研究過程采用氣相色譜法分析淺層氣的成分，使用的分析儀器為Agilent 7890A+5975C 氣相色譜儀。檢測(cè)結(jié)果顯示，該地區(qū)淺層氣的主要成分包括CH4、N2、CO2、C2H6、C3H8、C4H10，甲烷平均含量為93.9%。表2 為部分樣本的氣體組分分析結(jié)果。

2.1.3 淺層氣賦存特征

此次的勘察區(qū)域面積較大，淺層氣分布不規(guī)則。在分析過程中，將相關(guān)區(qū)域劃沿垂直方向分為4 個(gè)大層，分別記為A、B、C、D 層，各層的氣體賦存情況如表3 所示。從數(shù)據(jù)可知，研究區(qū)域淺層氣埋藏深度淺，埋藏規(guī)模較小。結(jié)合地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)淺層氣大多分布在古洼地和古河道附近。另外，通過壓力檢測(cè)，該區(qū)域淺層氣賦存壓力較低。

表3 淺層氣賦存情況

2.2 海底淺層氣對(duì)工程項(xiàng)目的危害

2.2.1 對(duì)工程地基的危害

工程項(xiàng)目的地基與土層孔隙比存在密切的聯(lián)系，淺層氣具有一定壓力，氣體在壓力作用下向土層內(nèi)滲透，增大了土層的孔隙比，受此影響，項(xiàng)目地基的承載力和抗剪強(qiáng)度均低于常規(guī)的土層[2]。作為人工島，在未來需要建設(shè)地面建筑物，在建筑載荷的作用下，含氣地基容易發(fā)生蠕變、剪切破壞、沉降塌陷，進(jìn)而降低建筑物的穩(wěn)定性。

2.2.2 對(duì)樁基的危害

樁基是現(xiàn)代建筑物常用的地基形式，對(duì)于人工島，未來建造建筑物時(shí)，可優(yōu)先采用樁基礎(chǔ)，使樁體達(dá)到地下持力層，提高建筑基礎(chǔ)的可靠性（詳見表4）。

表4 海底淺層氣對(duì)工程樁基危害

如果采用鉆孔灌注樁施工技術(shù)，鉆孔時(shí)破壞了密封的地層結(jié)構(gòu)，淺層氣本身具有一定壓力，可從鉆孔部位大量涌出，形成井噴現(xiàn)象，并且破壞成孔[3]。氣體涌出過程對(duì)施工人員和機(jī)械設(shè)備也可能產(chǎn)生一定的危害，甚至造成人員傷亡。

2.2.3 對(duì)管線工程的危害

氣體的賦存狀態(tài)變化容易引起地基下沉，如果在含氣層設(shè)計(jì)有地下管線，受到地基變化的影響，管道有可能懸空，增加了結(jié)構(gòu)應(yīng)力。另一方面，淺層氣成分復(fù)雜，存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

3 針對(duì)淺層氣的海洋工程響應(yīng)方式

在含氣地層開展海洋工程時(shí)，為了消除地基抗剪性能差、孔隙比高、氣體涌出、不均勻沉降、塌陷等各種不利因素，應(yīng)設(shè)計(jì)有效的工程響應(yīng)方式，通過技術(shù)措施達(dá)到預(yù)防目的，具體方法如下。

3.1 超前排氣理論分析

超前排氣是通過排氣井將賦存在地下的淺層氣排出，使地基提前進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。在工程實(shí)踐中，通常在氣水界面以上2/3 處射孔，從而打開氣藏，進(jìn)行排氣[4]。在以上過程中，需要建立流體平衡方程，相關(guān)原理如下。

3.1.1 滲流模型

排氣時(shí)存在氣、液兩種介質(zhì)，滲流模型用于描述流速和壓力的關(guān)系，相應(yīng)的計(jì)算方法如式（1）和式（2）。

式中：qwi、qgi分別為液體滲流量、氣體滲流量；kwij為液體的飽和滲透系數(shù)張量；kgij為氣體的飽和滲透系數(shù)張量；kwr為液體的相對(duì)滲透率；kgr為氣體的相對(duì)滲透率；Pw為液體產(chǎn)生的孔隙壓力；Pg為氣體產(chǎn)生的孔隙壓力；ρw、ρg分別為液體密度和氣體密度；μw、μg為液體的動(dòng)力粘度和氣體的功力粘度；?表示微分運(yùn)算；xj為微分運(yùn)算的質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)；gk表示重力加速度[5]。參數(shù)kwr、kgr應(yīng)根據(jù)土壤水力特征曲線V-G 模型的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，方法如下。

式中：參數(shù)a、b、c 均為常數(shù)；Se為有效飽和度。

3.1.2 流體平衡方程

流體平衡方程用于描述流體容量變化、強(qiáng)度變化和流體滲流量之間的關(guān)系，在淺層氣超前排放問題中，流體平衡的數(shù)學(xué)描述方法如下。

式中：ζw為氣液系統(tǒng)中液體的容量變化；ζg為氣液系統(tǒng)中氣體的容量變化；qwv為液體的流體強(qiáng)度；qgv為氣體的流體強(qiáng)度；xi為微分運(yùn)算的質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)；t 表示時(shí)間。

3.2 超前排氣施工設(shè)計(jì)

3.2.1 淹井時(shí)間與排氣速率仿真模擬

在超前排氣階段，應(yīng)盡可能擴(kuò)大淺層氣的排氣量，其影響因素包括排氣流量和總的排氣時(shí)間，排氣時(shí)間與淹井時(shí)間相同。以下根據(jù)該項(xiàng)目的地質(zhì)特點(diǎn)，利用FLAC 軟件模擬淹井時(shí)間與排氣流量之間的關(guān)系[6]。將3.1 小節(jié)的公式作為理論基礎(chǔ)，選取60×55m 的計(jì)算區(qū)域，排氣井直徑和深度分別設(shè)置為100mm、35m。對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置水的體積模量、氣體體積模量、水的粘度、氣體粘度、儲(chǔ)層的初始孔隙率、飽和滲水系數(shù)、飽和滲氣系數(shù)。將井口排氣速率分別設(shè)定為0.01、0.02、0.04、0.05、0.09、0.15、0.20m/s，模擬出對(duì)應(yīng)的淹井時(shí)間，結(jié)果如表5。當(dāng)排氣速率和淹井時(shí)間圍城的面積達(dá)到最大值時(shí)，即為最佳的排氣速率，由此計(jì)算出最佳排氣速率為0.20m/s[7]。

表5 排氣速率與淹井時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.2.2 超前排氣井設(shè)計(jì)方案

在管線工程、地基工程和鉆孔灌注樁三類施工活動(dòng)中，淺層氣對(duì)鉆孔灌注樁的影響最大。因此，從樁基施工的角度出發(fā)，進(jìn)行超前排氣井設(shè)計(jì)[8]。假設(shè)樁體長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則井深應(yīng)達(dá)到（L+5）m，排氣井的直徑以110～130mm 為宜，其外層為鋼花管（直徑為130mm），內(nèi)層為PVC 花管（直徑設(shè)計(jì)為100mm）。將潛水泵、水位計(jì)安裝在排氣井底部，上部以密封馬蹄蓋進(jìn)行封蓋，同時(shí)在井管外側(cè)先后鋪設(shè)20cm 厚的膨脹泥球和30cm 厚的砼。

4 研究結(jié)論

①利用改進(jìn)靜探法探測(cè)該項(xiàng)目施工區(qū)域的淺層氣賦存情況，發(fā)現(xiàn)甲烷平均含量達(dá)到93.90%。氣體埋藏深度淺、壓力低、規(guī)模小，并且分布較為松散。

②淺層氣對(duì)海洋工程具有較大的影響，可造成地基孔隙率偏大、承載力低、抗剪性能差，進(jìn)而引起地基沉降、塌陷、剪切破壞[9]。在鉆孔樁施工中，有可能出現(xiàn)氣體井噴、爆燃事故，危害施工人員的生命健康。在海洋地下管線工程中，淺層氣可導(dǎo)致地基不均勻沉降，容易引發(fā)管道應(yīng)力集中和斷裂。

③為了預(yù)防淺層氣對(duì)海洋工程的不利影響，在大規(guī)模施工之前，應(yīng)采取超前排氣措施，盡可能排出地下淺層氣[10]。通過FLAC 仿真，超前排氣的最佳速率為0.20m/s。另外，排氣井直徑宜設(shè)計(jì)為110～130mm，外層為鋼花管，內(nèi)層為PVC 花管。

5 結(jié)語

含氣地層增加了海洋工程的施工風(fēng)險(xiǎn)，主要原因?yàn)闇\層氣導(dǎo)致地基孔隙率增大，降低了地基的承載力和抗剪能力，容易引發(fā)地基變形。另外，在鉆孔施工中，氣體大量涌出對(duì)施工人員的身心安全造成了威脅。在作業(yè)之前，可通過靜探法掌握氣體的分布區(qū)域、賦存壓力、埋藏深度、組分含量以及含氣層面積。針對(duì)淺層氣的工程預(yù)防措施為超前預(yù)排氣，具體措施為鉆孔、埋設(shè)排氣井管、控制排氣速率和排氣時(shí)間，盡可能多地將淺層氣排出含氣地層，從而降低其對(duì)海洋工程施工活動(dòng)的干擾，同時(shí)提高工程質(zhì)量和安全管理效果。