淺層氣探測及其海洋工程響應研究

李軍LI Jun

（中海油田服務股份有限公司物探事業部工程勘察作業公司，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，進而導致地基沉陷、剪切破壞、氣體井噴、爆燃等風險因素。因此，在海洋含氣地層施工前，應該掌握淺層氣的賦存情況，并設計出針對性的工程技術措施，消除各種施工風險，故對此展開研究。

1 工程概況

某人工造島工程位于遼東灣沿海灘涂地區，計劃建造面積為20km2。工程規劃區域為河流沖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，作業區主體為海中淺灘（占比約為67%），同時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。經地質勘察，地層結構如表1 所示。

表1 項目地層結構勘察結果

2 海底淺層氣探測及工程危害分析

2.1 海底淺層氣探測方法及結果

2.1.1 海底淺層氣探測方法

在淺層氣勘探階段，常用方法包括地質鉆孔法、地質雷達法、物探法、靜探法（含改進靜探法）。由于該項目為沿海灘涂，受到海水和泥漿的影響，物探法和鉆孔法均不適用。地質雷達法不能進行淺層氣取樣分析，因而存在較大的局限性。故此，在淺層氣探測階段采用改進靜探法，其施工工藝流程為安裝改進靜探設備→鉆孔→檢測是否有氣→如果有氣，進一步檢測流量、氣壓、采集淺層氣樣本→如果無氣，先進行吹氣，再檢測氣壓、流量等參數[1]。

2.1.2 氣體組分分析

在探測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，同時含有其他烴類物質。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。檢測結果顯示，該地區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果。

2.1.3 淺層氣賦存特征

此次的勘察區域面積較大，淺層氣分布不規則。在分析過程中，將相關區域劃沿垂直方向分為4 個大層，分別記為A、B、C、D 層，各層的氣體賦存情況如表3 所示。從數據可知，研究區域淺層氣埋藏深度淺，埋藏規模較小。結合地質調查的結果，發現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，該區域淺層氣賦存壓力較低。

表3 淺層氣賦存情況

2.2 海底淺層氣對工程項目的危害

2.2.1 對工程地基的危害

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

2.2.2 對樁基的危害

樁基是現代建筑物常用的地基形式，對于人工島，未來建造建筑物時，可優先采用樁基礎，使樁體達到地下持力層，提高建筑基礎的可靠性（詳見表4）。

表4 海底淺層氣對工程樁基危害

如果采用鉆孔灌注樁施工技術，鉆孔時破壞了密封的地層結構，淺層氣本身具有一定壓力，可從鉆孔部位大量涌出，形成井噴現象，并且破壞成孔[3]。氣體涌出過程對施工人員和機械設備也可能產生一定的危害，甚至造成人員傷亡。

2.2.3 對管線工程的危害

氣體的賦存狀態變化容易引起地基下沉，如果在含氣層設計有地下管線，受到地基變化的影響，管道有可能懸空，增加了結構應力。另一方面，淺層氣成分復雜，存在腐蝕風險。

3 針對淺層氣的海洋工程響應方式

在含氣地層開展海洋工程時，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，應設計有效的工程響應方式，通過技術措施達到預防目的，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，使地基提前進入穩定狀態。在工程實踐中，通常在氣水界面以上2/3 處射孔，從而打開氣藏，進行排氣[4]。在以上過程中，需要建立流體平衡方程，相關原理如下。

3.1.1 滲流模型

排氣時存在氣、液兩種介質，滲流模型用于描述流速和壓力的關系，相應的計算方法如式（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張量；kgij為氣體的飽和滲透系數張量；kwr為液體的相對滲透率；kgr為氣體的相對滲透率；Pw為液體產生的孔隙壓力；Pg為氣體產生的孔隙壓力；ρw、ρg分別為液體密度和氣體密度；μw、μg為液體的動力粘度和氣體的功力粘度；?表示微分運算；xj為微分運算的質點坐標；gk表示重力加速度[5]。參數kwr、kgr應根據土壤水力特征曲線V-G 模型的經驗公式進行計算，方法如下。

式中：參數a、b、c 均為常數；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、強度變化和流體滲流量之間的關系，在淺層氣超前排放問題中，流體平衡的數學描述方法如下。

式中：ζw為氣液系統中液體的容量變化；ζg為氣液系統中氣體的容量變化；qwv為液體的流體強度；qgv為氣體的流體強度；xi為微分運算的質點坐標；t 表示時間。

3.2 超前排氣施工設計

3.2.1 淹井時間與排氣速率仿真模擬

在超前排氣階段，應盡可能擴大淺層氣的排氣量，其影響因素包括排氣流量和總的排氣時間，排氣時間與淹井時間相同。以下根據該項目的地質特點，利用FLAC 軟件模擬淹井時間與排氣流量之間的關系[6]。將3.1 小節的公式作為理論基礎，選取60×55m 的計算區域，排氣井直徑和深度分別設置為100mm、35m。對計算模型進行網格劃分，設置水的體積模量、氣體體積模量、水的粘度、氣體粘度、儲層的初始孔隙率、飽和滲水系數、飽和滲氣系數。將井口排氣速率分別設定為0.01、0.02、0.04、0.05、0.09、0.15、0.20m/s，模擬出對應的淹井時間，結果如表5。當排氣速率和淹井時間圍城的面積達到最大值時，即為最佳的排氣速率，由此計算出最佳排氣速率為0.20m/s[7]。

表5 排氣速率與淹井時間的對應關系

3.2.2 超前排氣井設計方案

在管線工程、地基工程和鉆孔灌注樁三類施工活動中，淺層氣對鉆孔灌注樁的影響最大。因此，從樁基施工的角度出發，進行超前排氣井設計[8]。假設樁體長度為L，則井深應達到（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），內層為PVC 花管（直徑設計為100mm）。將潛水泵、水位計安裝在排氣井底部，上部以密封馬蹄蓋進行封蓋，同時在井管外側先后鋪設20cm 厚的膨脹泥球和30cm 厚的砼。

4 研究結論

①利用改進靜探法探測該項目施工區域的淺層氣賦存情況，發現甲烷平均含量達到93.90%。氣體埋藏深度淺、壓力低、規模小，并且分布較為松散。

②淺層氣對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，淺層氣可導致地基不均勻沉降，容易引發管道應力集中和斷裂。

③為了預防淺層氣對海洋工程的不利影響，在大規模施工之前，應采取超前排氣措施，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，排氣井直徑宜設計為110～130mm，外層為鋼花管，內層為PVC 花管。

5 結語

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