沿海平原海相沉積土中淺層氣的探查

陶靈法 潘永堅 蔡國成

(浙江省工程勘察院，浙江寧波 315012)

我國東部沿海平原的軌道交通工程建設(shè)中曾多次遇到淺層氣。淺層氣的成分主要為易燃的甲烷，地下工程施工時極易釀成火災(zāi)事故，因淺層氣而引發(fā)隧道、基坑、沉井、水工構(gòu)筑物沉陷和斷裂，導(dǎo)致工程事故，造成重大經(jīng)濟損失的例子也屢有報道［1- 2］。

鑒于淺層氣對地下建設(shè)工程的危害，必須選用合適的方法查明淺層氣的分布范圍及成分、氣源層和儲氣層、埋藏深度、壓力大小、賦存規(guī)律，提供詳實的資料，以確保工程施工的安全順利進行。綜合沿海平原土層特征、工程影響范圍以及淺層氣分布范圍，可知淺層氣最主要分布范圍是在上部海相沉積土層，因而探查海相沉積土層中淺層氣分布對東部沿海城市的地下工程建設(shè)具有重要意義。

1 海相沉積土及其淺層氣特點

1.1 海相沉積土

海相沉積指海洋環(huán)境下，經(jīng)海洋動力過程產(chǎn)生的一系列沉積，包括來自陸上的碎屑物、海洋生物骨骼和殘骸、火山灰和宇宙塵等，具有海洋環(huán)境的一系列巖性特征和生物特征。其特點是顆粒較細(xì)而分選好，且在海水溫度比大陸溫度低而變化小的環(huán)境下沉積。海相沉積土是軟土沉積物的一個種類，通常以淤泥、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的方式出現(xiàn)，我國沿海地區(qū)廣泛分布著這樣的海相沉積軟弱黏土層，其普遍特征是顆粒細(xì)、性質(zhì)差、高孔隙比、高壓縮性、高含水率、低滲透性、低承載力以及高靈敏度。

1.2 海相沉積土淺層氣形成過程及特點

淺層氣是指地層沉積物中富含的有機質(zhì)在還原環(huán)境下經(jīng)厭氧微生物作用而形成的富甲烷氣體，是天然氣資源的一個重要部分。在我國，主要分布于江浙沿海、長江三角洲等地區(qū)［3］。

在第四紀(jì)的海侵、海退過程中，通過初早期古河谷充填—中期海水覆蓋—晚期河口灣形成、萎縮和湖沼發(fā)育等過程，使得大量的生物經(jīng)過近萬年的地質(zhì)歷史過程的沉淀堆積，隨后被水和泥砂覆蓋起來并與空氣隔絕，在厭氧菌的作用下分解發(fā)酵，伴隨著一定的溫度和壓力，使這些生物的殘骸變成泥炭，同時產(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)物。當(dāng)生成的氣體不能向大氣中擴散時，便不時向周圍地層孔隙中運移、積聚，最終在地層的孔隙中不斷積聚成扁豆體狀和透鏡體狀大小不等的氣囊，或儲集在附近的砂層透鏡體或砂層頂部，分布面積較大。其主要有以下幾個特點:①分布范圍廣，埋深淺;②連通性差;③貯氣空間較小(多數(shù)氣量較小);④富氣性差異大;⑤氣壓差異大。

2 淺層氣探查現(xiàn)有工藝

以往對淺層氣的探查多是將淺層氣作為一種能源進行研究，并對其探查方法進行了多種嘗試。林春明等對淺層天然氣勘探方法進行總結(jié)，認(rèn)為主要有靜力觸探法、地震勘探方法以及非地震物化探方法，并分析討論了其優(yōu)勢及不足［4］。孫海波對上海淺層地下水中的甲烷進行了探討，采用鉆井技術(shù)進行檢測鉆探取樣分析，取得了較好的結(jié)果［5］。隨著靜探工藝在工程應(yīng)用的越來越廣泛［6］，技術(shù)人員也逐漸將其應(yīng)用到淺層氣的探查中來，并根據(jù)淺層氣探查特點進行了改造。蔣維三等分析了杭州灣地區(qū)第四系淺層天然氣特征，并探討了鉆探方法，提出以靜力觸探為主，配合少量骨干橫波地震剖面的淺層天然氣勘探方法，并對靜力觸探技術(shù)進行了改造，開發(fā)研制了隨鉆中途測試技術(shù)、隨鉆視電阻率測井技術(shù)和堵井技術(shù)，在杭州灣淺層天然氣勘探上取得較好的結(jié)果［7］。

為避免淺層氣的不利影響，眾多學(xué)者以及工程技術(shù)人員采用各種手段探查淺層氣的分布。徐國慶等采用鉆孔和靜力觸探相結(jié)合的施工方式將地層中的沼氣釋放出來，采用先下套管，由鉆孔鉆至含氣層，再下小套管進行放氣，達到降低盾構(gòu)推進線路附近地層中沼氣含量的效果［8］。李糧綱等提出采用橫波地震法確定了有害氣體的分布范圍;采用密閉取芯法查明了有害氣體的賦存規(guī)律;采用改裝型靜力觸探儀法查明了有害氣體的成分、氣源層、儲氣層、埋藏深度和壓力;改裝靜力觸探儀其探桿采用外徑為42 mm的空心鋼管，桿的下端改為花管，并外包濾網(wǎng)，以阻止大的土顆粒進入探桿［9］。

綜合以上研究可以發(fā)現(xiàn)，對淺層氣的探查方法主要是采用鉆探、靜探、物探，以及其他方式如地質(zhì)雷達、重力負(fù)效應(yīng)、回聲測深和聲納、激發(fā)極化、油氣化探、遙感、靜電阿爾法(a)薄膜測量、微生物法等。

3 海相沉積土中淺層氣的探查工藝選擇

3.1 探查工藝選擇

淺層氣的探查工藝應(yīng)根據(jù)工程需要，同時依據(jù)淺層氣的分布特點，考慮適用性、經(jīng)濟性以及時間等進行選擇。

通常工程施工深度有限，且淺層氣對工程的影響深度也有限;其次海相沉積土中淺層氣有分布廣、埋深淺、連通性差、貯氣空間較小、富氣性差異大、氣壓差異大等特點;現(xiàn)有工藝主要有鉆孔、靜探及改進靜探方法、物探及其他方式。

(1)鉆孔施工方法:由于泥漿等影響對于小氣量的淺層氣不容易檢測出，而海相沉積土中淺層氣因貯氣空間較小通常氣量不大，故適用性不強。

(2)靜探及改進靜探方法成本低，便于操作，可查明土性，劃分土層等，其缺點是口徑小，氣體的排放速度慢，當(dāng)氣壓小時容易被氣體帶出的泥砂淤積了探管的通口，存在多層儲氣層時無法判明是哪一層的氣。

(3)物探方法只適用硬質(zhì)路面，成本較高，同時只能探測而無法采樣，因而對于工程淺層氣勘探不是很適宜。

(4)地質(zhì)雷達、重力負(fù)效應(yīng)、回聲測深和聲納、激發(fā)極化、油氣化探、遙感、靜電阿爾法(a)薄膜測量、微生物法等方式由于其花費較大，經(jīng)濟性較差，且只能探查無法取樣。

綜合以上，在工程成本控制的前提下，改進靜探設(shè)備更為適宜，既能有限探查淺層氣的分布，同時還可以進行氣量量測，并進行取樣分析。同時在改進靜探設(shè)備中，以改進觸探探頭更為經(jīng)濟，也能滿足工程要求。

3.2 改進觸探探頭的淺層氣探查

本次采用錐形活塞式探頭，活塞中間為進氣孔口，下壓時探頭進氣口封閉，探桿上拔時，借助于周圍土體的摩擦力，使探頭與探桿分離，有害氣體從探桿下部進氣口進入。為防止泥砂堵塞探管通口，在探氣過程中采用吹氣手段進行防堵，最后利用量氣設(shè)備進行量測。改進觸探探頭的淺層氣探查能有效防止泥砂堵塞探頭通口，探測小氣量淺層氣，準(zhǔn)確判定儲氣層位置，測量氣壓與流量，并可獲取樣本測試分析。借助吹氣設(shè)施，可有效防止花管堵塞。

(1)安裝設(shè)備:借助靜力觸探設(shè)備安裝。

(2)成孔:由淺至深，按1m間距向下探測，探至預(yù)定深度后上拔探管約0.3～0.5m，檢測是否有氣體溢出，如有氣直接至(4)，如無氣則進行吹氣。

(3)吹氣:采用空壓機進行吹氣，一直吹到探管內(nèi)與下部含氣層連通。吹氣結(jié)束后檢測是否有氣體冒出。如未測出有氣體冒出，則繼續(xù)循環(huán)(2)、(3)步驟。

(4)安裝量氣設(shè)備:吹氣后檢測出有大量氣體冒出后，立即安裝量氣設(shè)備，測量氣壓與流量。

具體流程見圖1，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 改進靜探探頭的勘探流程

圖2 改進靜探探頭結(jié)構(gòu)

4 應(yīng)用實例

以寧波軌道交通2號線一期工程為實例，進行海相沉積土中淺層氣探查。

4.1 賦存區(qū)域

研究表明，浙江沿海平原淺層天然氣主要賦存于第四紀(jì)全新世和晚更新世地層中［10］，根據(jù)寧波軌道交通1號線1期西門口站［11］、2號線一期的工程勘察地層資料［12］，寧波淺層氣主要埋藏于全新統(tǒng)中期、早期淺海相沉積②層鱗片狀淤泥質(zhì)土，③層粉砂，粉土以及或④層富含腐植物的細(xì)鱗片狀的黏性土中，其埋深一般小于30m，具體層位見表1。其中淺部③1層砂質(zhì)粉土、③2層粉質(zhì)黏土(內(nèi)夾大量粉砂粉土)為儲氣層，②2c層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②2b層淤泥質(zhì)黏土、④1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為氣源層，沼氣產(chǎn)出速度極其緩慢。同時，②2c，②2b，④1層在其局部有粉砂、粉土微薄夾層的地段又為儲氣層。

4.2 特點

寧波區(qū)域內(nèi)淺層氣主要分布在海相沉積土中，含氣層的巖性以粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂為主，粉砂呈薄片狀交錯分布在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中。微觀上氣相以局部連通或完全封閉的形式賦存于土體中，在宏觀上呈現(xiàn)為不均勻、連通性差的囊塊狀或上下交錯的海綿絮狀，而囊塊呈透鏡體分布，導(dǎo)致各孔位周邊土層中的氣壓、儲存量，以及相連通性、均勻性差異較大，促使氣體溢出時主要表現(xiàn)為逐步緩慢地溢出，但當(dāng)氣壓較大時，能出現(xiàn)間斷性向外噴射。

表1 淺層氣主要賦存地層(組)一覽

4.3 探查過程及結(jié)果

本次采用改進觸探探頭的方式進行探查，采用DBBJ-T便攜式氣體報警探測器進行檢測。根據(jù)寧波地區(qū)經(jīng)驗及前期的試驗結(jié)果，沿線的天然氣儲量不大，氣壓較小，氣體壓力采用直接測定法進行試驗，氣體的流量采用羅茨流量計進行量測。探測深度一般要求探至車站或盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)底板下5m，若該位置揭示有儲氣層，加深探測到儲氣層底部。表2為部分勘探孔氣體和流量，探查成果見圖3。

表2 部分探查孔氣體壓力和流量一覽

本次探查圓滿完成淺層氣探查任務(wù)，為后期設(shè)計施工進行提供了極大的便利，大大減少了工程施工可能遭致的危險性。

圖3 淺層氣探查成果

5 結(jié)論

結(jié)合海相沉積土淺層氣的特征，分析討論各種淺層氣探查工藝，并利用改進觸探探頭的靜力觸探工藝在寧波軌道交通2號線一期工程進行了實際應(yīng)用，取得良好的效果。實踐證明，這種改進觸探探頭的探查工藝可以較好的查明小氣量的海相沉積土中的淺層氣，吹氣環(huán)節(jié)也有效防止了泥砂堵塞影響，實現(xiàn)了海相沉積土中淺層氣分布探查目的，對今后的海相沉積土工程設(shè)計施工提供了較好的幫助。

［1］郭愛國，沈林沖，張金榮，等．淺層氣對杭州地鐵施工的影響模式分析［J］．鐵道工程學(xué)報，2010(9):7881

［2］陳衛(wèi)．長江沿岸某區(qū)淺層天然氣特征及其對工程建設(shè)的影響［J］．桂林工學(xué)院學(xué)報，2006(2):181183

［3］丁國生．我國淺層氣資源及氣藏類型［J］．天然氣工業(yè)，1997(3):8486

［4］林春明，李廣月，李艷麗，等．杭州灣地區(qū)晚第四紀(jì)淺層生物氣藏勘探方法研究［J］．石油物探，2006(2)

［5］孫海波，謝輝．淺層地下水中甲烷氣體調(diào)查與風(fēng)險評價［J］．上海地質(zhì)，2010(4):6872

［6］萬廣臣，陳健，朱琦．靜力觸探技術(shù)成果在工程中的應(yīng)用［J］．鐵道勘察，2011(1):3740

［7］蔣維三，葉舟，鄭華平，等．杭州灣地區(qū)第四系淺層天然氣的特征及勘探方法［J］．天然氣工業(yè)，1997(3)

［8］徐國慶，岳豐田，王弘琦，等．杭州地鐵1號線穿越錢塘江地層沼氣釋放技術(shù)探討［J］．隧道建設(shè)，2013(3):247251

［9］李糧綱，趙永剛，余雷．采用密閉取心和改裝靜力觸探儀勘察第四系有害氣體［J］．煤田地質(zhì)與勘探，2009(5):7276

［10］嚴(yán)經(jīng)芳，孫國忠，茹桂榮，等．浙江沿海平原第四系淺層天然氣成藏條件及勘探前景［J］．天然氣工業(yè)，1998(3)

［11］蔡偉忠．寧波軌道交通西門口站工程巖土工程勘察和評價［J］．鐵道勘察，2011(3)

［12］浙江省工程勘察院．寧波市軌道交通2號線KC211標(biāo)段淺層天然氣專項勘察［R］．寧波:浙江省工程勘察院，2011