浅层气探测及其海洋工程响应研究

李军LI Jun

（中海油田服务股份有限公司物探事业部工程勘察作业公司，天津 300459）

0 引言

海底赋存有大量的天然气资源，浅层气的埋藏深度较浅，海洋工程地基、桩基以及管线施工有可能受到浅层气的影响，进而导致地基沉陷、剪切破坏、气体井喷、爆燃等风险因素。因此，在海洋含气地层施工前，应该掌握浅层气的赋存情况，并设计出针对性的工程技术措施，消除各种施工风险，故对此展开研究。

1 工程概况

某人工造岛工程位于辽东湾沿海滩涂地区，计划建造面积为20km2。工程规划区域为河流冲击三角洲向海中延伸的部位，属于典型的冲击海积平原。从地形地貌来看，作业区主体为海中浅滩（占比约为67%），同时存在一条冲刷而成的沟槽。浅滩部分的海水深度在0～1.4m 之间。经地质勘察，地层结构如表1 所示。

表1 项目地层结构勘察结果

2 海底浅层气探测及工程危害分析

2.1 海底浅层气探测方法及结果

2.1.1 海底浅层气探测方法

在浅层气勘探阶段，常用方法包括地质钻孔法、地质雷达法、物探法、静探法（含改进静探法）。由于该项目为沿海滩涂，受到海水和泥浆的影响，物探法和钻孔法均不适用。地质雷达法不能进行浅层气取样分析，因而存在较大的局限性。故此，在浅层气探测阶段采用改进静探法，其施工工艺流程为安装改进静探设备→钻孔→检测是否有气→如果有气，进一步检测流量、气压、采集浅层气样本→如果无气，先进行吹气，再检测气压、流量等参数[1]。

2.1.2 气体组分分析

在探测阶段采集了气体样本，将气体封存在取样袋中。浅层气的主要成分为甲烷，同时含有其他烃类物质。研究过程采用气相色谱法分析浅层气的成分，使用的分析仪器为Agilent 7890A+5975C 气相色谱仪。检测结果显示，该地区浅层气的主要成分包括CH4、N2、CO2、C2H6、C3H8、C4H10，甲烷平均含量为93.9%。表2 为部分样本的气体组分分析结果。

2.1.3 浅层气赋存特征

此次的勘察区域面积较大，浅层气分布不规则。在分析过程中，将相关区域划沿垂直方向分为4 个大层，分别记为A、B、C、D 层，各层的气体赋存情况如表3 所示。从数据可知，研究区域浅层气埋藏深度浅，埋藏规模较小。结合地质调查的结果，发现浅层气大多分布在古洼地和古河道附近。另外，通过压力检测，该区域浅层气赋存压力较低。

表3 浅层气赋存情况

2.2 海底浅层气对工程项目的危害

2.2.1 对工程地基的危害

工程项目的地基与土层孔隙比存在密切的联系，浅层气具有一定压力，气体在压力作用下向土层内渗透，增大了土层的孔隙比，受此影响，项目地基的承载力和抗剪强度均低于常规的土层[2]。作为人工岛，在未来需要建设地面建筑物，在建筑载荷的作用下，含气地基容易发生蠕变、剪切破坏、沉降塌陷，进而降低建筑物的稳定性。

2.2.2 对桩基的危害

桩基是现代建筑物常用的地基形式，对于人工岛，未来建造建筑物时，可优先采用桩基础，使桩体达到地下持力层，提高建筑基础的可靠性（详见表4）。

表4 海底浅层气对工程桩基危害

如果采用钻孔灌注桩施工技术，钻孔时破坏了密封的地层结构，浅层气本身具有一定压力，可从钻孔部位大量涌出，形成井喷现象，并且破坏成孔[3]。气体涌出过程对施工人员和机械设备也可能产生一定的危害，甚至造成人员伤亡。

2.2.3 对管线工程的危害

气体的赋存状态变化容易引起地基下沉，如果在含气层设计有地下管线，受到地基变化的影响，管道有可能悬空，增加了结构应力。另一方面，浅层气成分复杂，存在腐蚀风险。

3 针对浅层气的海洋工程响应方式

在含气地层开展海洋工程时，为了消除地基抗剪性能差、孔隙比高、气体涌出、不均匀沉降、塌陷等各种不利因素，应设计有效的工程响应方式，通过技术措施达到预防目的，具体方法如下。

3.1 超前排气理论分析

超前排气是通过排气井将赋存在地下的浅层气排出，使地基提前进入稳定状态。在工程实践中，通常在气水界面以上2/3 处射孔，从而打开气藏，进行排气[4]。在以上过程中，需要建立流体平衡方程，相关原理如下。

3.1.1 渗流模型

排气时存在气、液两种介质，渗流模型用于描述流速和压力的关系，相应的计算方法如式（1）和式（2）。

式中：qwi、qgi分别为液体渗流量、气体渗流量；kwij为液体的饱和渗透系数张量；kgij为气体的饱和渗透系数张量；kwr为液体的相对渗透率；kgr为气体的相对渗透率；Pw为液体产生的孔隙压力；Pg为气体产生的孔隙压力；ρw、ρg分别为液体密度和气体密度；μw、μg为液体的动力粘度和气体的功力粘度；∂表示微分运算；xj为微分运算的质点坐标；gk表示重力加速度[5]。参数kwr、kgr应根据土壤水力特征曲线V-G 模型的经验公式进行计算，方法如下。

式中：参数a、b、c 均为常数；Se为有效饱和度。

3.1.2 流体平衡方程

流体平衡方程用于描述流体容量变化、强度变化和流体渗流量之间的关系，在浅层气超前排放问题中，流体平衡的数学描述方法如下。

式中：ζw为气液系统中液体的容量变化；ζg为气液系统中气体的容量变化；qwv为液体的流体强度；qgv为气体的流体强度；xi为微分运算的质点坐标；t 表示时间。

3.2 超前排气施工设计

3.2.1 淹井时间与排气速率仿真模拟

在超前排气阶段，应尽可能扩大浅层气的排气量，其影响因素包括排气流量和总的排气时间，排气时间与淹井时间相同。以下根据该项目的地质特点，利用FLAC 软件模拟淹井时间与排气流量之间的关系[6]。将3.1 小节的公式作为理论基础，选取60×55m 的计算区域，排气井直径和深度分别设置为100mm、35m。对计算模型进行网格划分，设置水的体积模量、气体体积模量、水的粘度、气体粘度、储层的初始孔隙率、饱和渗水系数、饱和渗气系数。将井口排气速率分别设定为0.01、0.02、0.04、0.05、0.09、0.15、0.20m/s，模拟出对应的淹井时间，结果如表5。当排气速率和淹井时间围城的面积达到最大值时，即为最佳的排气速率，由此计算出最佳排气速率为0.20m/s[7]。

表5 排气速率与淹井时间的对应关系

3.2.2 超前排气井设计方案

在管线工程、地基工程和钻孔灌注桩三类施工活动中，浅层气对钻孔灌注桩的影响最大。因此，从桩基施工的角度出发，进行超前排气井设计[8]。假设桩体长度为L，则井深应达到（L+5）m，排气井的直径以110～130mm 为宜，其外层为钢花管（直径为130mm），内层为PVC 花管（直径设计为100mm）。将潜水泵、水位计安装在排气井底部，上部以密封马蹄盖进行封盖，同时在井管外侧先后铺设20cm 厚的膨胀泥球和30cm 厚的砼。

4 研究结论

①利用改进静探法探测该项目施工区域的浅层气赋存情况，发现甲烷平均含量达到93.90%。气体埋藏深度浅、压力低、规模小，并且分布较为松散。

②浅层气对海洋工程具有较大的影响，可造成地基孔隙率偏大、承载力低、抗剪性能差，进而引起地基沉降、塌陷、剪切破坏[9]。在钻孔桩施工中，有可能出现气体井喷、爆燃事故，危害施工人员的生命健康。在海洋地下管线工程中，浅层气可导致地基不均匀沉降，容易引发管道应力集中和断裂。

③为了预防浅层气对海洋工程的不利影响，在大规模施工之前，应采取超前排气措施，尽可能排出地下浅层气[10]。通过FLAC 仿真，超前排气的最佳速率为0.20m/s。另外，排气井直径宜设计为110～130mm，外层为钢花管，内层为PVC 花管。

5 结语

含气地层增加了海洋工程的施工风险，主要原因为浅层气导致地基孔隙率增大，降低了地基的承载力和抗剪能力，容易引发地基变形。另外，在钻孔施工中，气体大量涌出对施工人员的身心安全造成了威胁。在作业之前，可通过静探法掌握气体的分布区域、赋存压力、埋藏深度、组分含量以及含气层面积。针对浅层气的工程预防措施为超前预排气，具体措施为钻孔、埋设排气井管、控制排气速率和排气时间，尽可能多地将浅层气排出含气地层，从而降低其对海洋工程施工活动的干扰，同时提高工程质量和安全管理效果。