水合物儲(chǔ)層工程地質(zhì)參數(shù)評價(jià)系統(tǒng)研發(fā)與功能驗(yàn)證

李彥龍，陳強(qiáng)，劉昌嶺，吳能友，孫建業(yè)，申志聰，張民生，胡高偉

1.自然資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266071

2.青島海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266071

3.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074

4.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266100

天然氣水合物是一種資源潛力巨大的非常規(guī)能源，但受制于勘探開發(fā)成本、開采產(chǎn)能[1-2]、工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)[3-5]等因素，目前天然氣水合物勘探開發(fā)程度仍無法與頁巖氣、煤層氣等其他非常規(guī)能源媲敵，很難吸引企業(yè)資本的注入，距穩(wěn)定、長效、安全的產(chǎn)業(yè)化開采還有很長的路要走[6-7]。從海洋天然氣水合物勘探開發(fā)的全鏈條考慮，降低天然氣水合物勘探開發(fā)成本不僅需要新的、低成本技術(shù)的開發(fā)，更需要通過現(xiàn)有技術(shù)的集成與整合達(dá)到“一航次一趟鉆多功能”的目的。比如，現(xiàn)有天然氣水合物鉆探隨鉆測井（LWD）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鉆井與測井作業(yè)的集成[8-9]，有效提高了測井質(zhì)量，更重要的是節(jié)約了單獨(dú)鉆井、單獨(dú)測井帶來的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。

海洋天然氣水合物鉆探測井航次的主要目的是獲取鉆探站位水合物儲(chǔ)層的孔、滲、飽特征，為落實(shí)資源量、選定試采甜點(diǎn)做支撐[10-11]。而儲(chǔ)層的工程力學(xué)參數(shù)則是鉆井設(shè)計(jì)、開采施工設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)保障，也是保障試采安全可控的必需數(shù)據(jù)[12-13]。在目前天然氣水合物勘查、試采沒有完全一體化的情況下，鉆探測井航次和工程地質(zhì)調(diào)查航次是分別開展的。為此，筆者認(rèn)為，尋找一種既能夠獲得儲(chǔ)層水合物分布特征，又能連續(xù)測量儲(chǔ)層工程力學(xué)參數(shù)的原位測試技術(shù)，將目前實(shí)際采用的水合物鉆探航次和工程地質(zhì)調(diào)查航次整合，是降低天然氣水合物勘探開發(fā)成本的必然需求，也是促進(jìn)海洋天然氣水合物開發(fā)工程-地質(zhì)一體化亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

靜力觸探是一種被廣泛使用的沉積物工程力學(xué)參數(shù)原位測試方法。它是把一定規(guī)格的錐形探頭借助機(jī)械力勻速壓入沉積物中，探頭壓入導(dǎo)致錐頭周圍的土體被擠壓，由于外層土體的包裹，擠壓土體的變形被限制，使其產(chǎn)生剪切和壓縮變形，同時(shí)造成孔隙流體的擠壓，對探頭產(chǎn)生抗力，這種抗力反映在探頭測量數(shù)據(jù)上即為錐尖阻力、側(cè)摩阻力和超孔隙壓力[14-15]。靜力觸探數(shù)據(jù)與十字板[16]、三軸壓縮等技術(shù)手段相結(jié)合，就可以獲得縱向連續(xù)性非常好的工程力學(xué)參數(shù)[17-19]。目前，靜力觸探技術(shù)在探頭功能、理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬、成果應(yīng)用等方面都取得了長足的進(jìn)展[20]。特別是近年來基于擴(kuò)展型靜力觸探探頭搭載的聲波傳感器、電阻率傳感器[21]、視頻傳感器等，都可以在獲取地層工程力學(xué)參數(shù)的同時(shí)，為儲(chǔ)層中水合物賦存位置、水合物飽和度分布規(guī)律的預(yù)測提供重要的信息。因此，盡管目前仍未見采用多功能靜力觸探技術(shù)進(jìn)行海洋天然氣水合物儲(chǔ)層工程-地質(zhì)一體化原位探測的先例，但其在該領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力值得期待。

為了實(shí)現(xiàn)天然氣水合物工程—地質(zhì)一體化探測目標(biāo)，首先應(yīng)該從基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)?zāi)M的角度出發(fā)，研究天然氣水合物儲(chǔ)層的工程力學(xué)參數(shù)響應(yīng)特征與水合物分布特征之間的定量關(guān)系及其耦合機(jī)理。鑒于此，青島海洋地質(zhì)研究所團(tuán)隊(duì)將多功能靜力觸探、十字板剪切與電阻率層析成像技術(shù)結(jié)合，自主研發(fā)了一套天然氣水合物儲(chǔ)層工程地質(zhì)參數(shù)評價(jià)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本文重點(diǎn)介紹該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)理念、工作原理、各模塊的技術(shù)參數(shù)及其功能驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)

1.1 主要功能與結(jié)構(gòu)組成

天然氣水合物儲(chǔ)層工程地質(zhì)參數(shù)評價(jià)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能如下：①通過多功能靜力觸探探頭在模擬水合物儲(chǔ)層中的貫入，獲取探頭貫入過程中模擬儲(chǔ)層的側(cè)摩阻力、錐尖阻力、孔隙壓力、電阻率等參數(shù)，取得貫入路徑的攝像資料；②基于不同層位的十字板剪切數(shù)據(jù)，與靜力觸探參數(shù)對比分析，提供精細(xì)的天然氣水合物儲(chǔ)層工程地質(zhì)參數(shù)縱向分布規(guī)律；③與二維電阻率層析成像系統(tǒng)配合，刻畫模擬儲(chǔ)層中水合物飽和度及其分布對靜力觸探參數(shù)、十字板剪切參數(shù)的影響，揭示水合物儲(chǔ)層工程地質(zhì)參數(shù)響應(yīng)機(jī)理；④預(yù)留聲波靜力觸探探頭、袖珍貫入儀、球形探頭及其他多功能靜力觸探探頭擴(kuò)展接口，為多手段的水合物儲(chǔ)層工程地質(zhì)參數(shù)評價(jià)提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

基于以上功能設(shè)定，本系統(tǒng)的核心功能是天然氣水合物儲(chǔ)層靜力觸探測試和十字板剪切測試。首先需要在室內(nèi)利用高壓氣源和低溫強(qiáng)制控溫模擬天然氣水合物的成藏環(huán)境，從而在原位制備特定的天然氣水合物模擬儲(chǔ)層，然后開展靜力觸探測試或十字板測試。為此，本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，其構(gòu)成主要包括水合物快速合成反應(yīng)釜模塊、溫度控制模塊、靜力觸探模塊、十字板剪切模塊、層析成像測試模塊、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控模塊（圖1，圖2）。系統(tǒng)整體耐壓30 MPa，適合烷烴、水介質(zhì)實(shí)驗(yàn)，適應(yīng)工作溫度：?10～50 ℃。

圖 1 天然氣水合物工程地質(zhì)參數(shù)評價(jià)系統(tǒng)示意圖[22-23]1.翻轉(zhuǎn)支架；2.冷凝管及保溫層；3.反應(yīng)釜本體；4.內(nèi)膽；5.開蓋升降機(jī)；6.上蓋各類傳感器；7.上蓋各類閥；8.水密插件；9.探桿動(dòng)密封及旋轉(zhuǎn)密封；10.導(dǎo)桿及反力支撐架；11.運(yùn)動(dòng)壓塊；12.深度編碼器；13.貫入電機(jī)；14.扭轉(zhuǎn)電機(jī)；15.探桿；16.探頭電纜；17.釜體旋轉(zhuǎn)電機(jī)；18.下蓋各類傳感器；19.下蓋各類閥；20.數(shù)據(jù)采集儀；21.十字板探頭；22.靜力觸探探頭；23.板式換熱器；24.甲烷氣源；25.冷水機(jī)；26.計(jì)算機(jī)。Fig.1 Flow chart of the engineering-geological parameters evaluation system for hydrate-bearing sediment[22-23]

圖 2 天然氣水合物工程地質(zhì)參數(shù)評價(jià)系統(tǒng)實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Photo of the engineering-geological parameters evaluation system for hydrate-bearing sediment

1.2 各子模塊的主要技術(shù)參數(shù)

1.2.1 水合物快速合成反應(yīng)釜模塊

該模塊主要功能是模擬海底沉積物溫度、壓力環(huán)境并生成天然氣水合物，實(shí)現(xiàn)與溫度控制模塊、靜力觸探模塊、十字板剪切模塊、電阻率層析成像模塊之間的配合。主要包括反應(yīng)釜本體、水合物模擬儲(chǔ)層專用內(nèi)膽、防水接插件和監(jiān)控傳感器等。反應(yīng)釜本體內(nèi)尺寸為Φ 325 mm×1 400 mm，安全許用耐壓30 MPa；水合物模擬儲(chǔ)層專用內(nèi)膽為尼龍材質(zhì)，主體尺寸Φ 300 mm×1 200 mm，壁厚10 mm。

為了促進(jìn)天然氣水合物快速合成并實(shí)現(xiàn)與其他模塊的配合，水合物儲(chǔ)層模擬專用內(nèi)膽結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，主要包括以下特點(diǎn)：壁面鑲嵌通氣孔，通氣孔安裝不銹鋼濾網(wǎng)覆蓋，內(nèi)襯半透膜，透氣不透水；內(nèi)膽壁面嵌入溫度傳感器2 層、電阻率層析成像測點(diǎn)3 層；內(nèi)膽溫度、電阻率測點(diǎn)通過耐壓等級(jí)為70 MPa 的防水接插件與反應(yīng)釜上蓋連接（圖3）。實(shí)驗(yàn)過程中，內(nèi)膽與反應(yīng)釜本體之間的空隙充滿烷烴氣體，當(dāng)內(nèi)膽內(nèi)部的沉積物中生成水合物后，孔隙壓力降低，外圍氣體穿透半透膜進(jìn)入沉積物，進(jìn)一步生成水合物。水合物生成過程中采用電阻率層析成像測點(diǎn)實(shí)時(shí)探測沉積物內(nèi)部的電阻率場變化情況，進(jìn)而反演沉積物中的水合物飽和度分布特征。

1.2.2 溫度控制模塊

該模塊主要用于營造室內(nèi)生成天然氣水合物所需的低溫環(huán)境。本模塊通過水浴循環(huán)控制反應(yīng)釜模塊整體溫度，通過冷媒換熱介質(zhì)對注入反應(yīng)釜中的烷烴氣體進(jìn)行預(yù)冷卻。通過雙重控溫來促進(jìn)水合物的生成并維持系統(tǒng)溫度恒定。該模塊主要由釜外冷卻系統(tǒng)和氣體冷卻系統(tǒng)等組成。溫度控制區(qū)間?10～50 ℃，測量精度0.1 ℃，控制精度1 ℃。

1.2.3 靜力觸探模塊

該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)釜內(nèi)部探頭的勻速貫入，并獲取貫入深度、錐尖阻力、側(cè)摩阻力、孔隙水壓力、電阻率和視頻攝像。該模塊主要由五橋靜力觸探探頭、探頭量測系統(tǒng)、貫入設(shè)備和輔助部件等組成。同時(shí)，該模塊預(yù)留可擴(kuò)展接口，以滿足后期地震探頭及其他多功能探頭的擴(kuò)展應(yīng)用。貫入設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)探頭的勻速貫入（（20±5）mm/s），最大貫入力5 kN，最大貫入深度1 000 mm。

在靜力觸探探頭選型及設(shè)計(jì)方面，常規(guī)15、10 cm2靜力觸探探頭在擴(kuò)充到四橋、五橋探頭時(shí)技術(shù)門檻相對較小。但為了盡量消除邊界效應(yīng)，模型試驗(yàn)中模擬儲(chǔ)層的邊界必須足夠大，這將大幅提升水合物模擬儲(chǔ)層特別是泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層的制備難度。為此，本系統(tǒng)采用符合ISO Standard for CPT and CPTU 國際標(biāo)準(zhǔn)的5 cm2探頭為核心，研發(fā)了專用五橋靜力觸探探頭（圖4），探頭外徑與內(nèi)膽內(nèi)徑的比例約為1∶24。探頭的具體規(guī)格為：錐尖阻力量程0～50 MPa，測試精度0.1%；側(cè)摩阻力量程0～1 MPa，測試精度1%；孔隙水壓力：量程0～30 MPa，測試精度0.5%；電阻率：量程0～5 000 Ω·m，測試精度1%；視頻錄像：≥30 W 像素；測試參數(shù)的量程允許1.5 倍的過載。

探頭量測系統(tǒng)主要由靜力觸探探頭、深度編碼器、數(shù)據(jù)采集儀組成。輔助部件由真空飽和儀、高強(qiáng)度探桿、探頭電纜、拉線編碼器電纜組成。

1.2.4 十字板剪切模塊

圖 3 模擬水合物儲(chǔ)層專用內(nèi)膽及其測點(diǎn)布局Fig.3 The sediment container and layout of measuring points

圖 4 五橋靜力觸探探頭Fig.4 Five-bridges piezocone penetration probe

該模塊主要由量測系統(tǒng)、貫入設(shè)備、扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)和輔助部件等組成，其主要功能是測量含水合物沉積物十字板剪切強(qiáng)度、土體靈敏度等參數(shù)，與靜力觸探子系統(tǒng)對應(yīng)的探測數(shù)據(jù)對比，從而獲取準(zhǔn)確的儲(chǔ)層工程力學(xué)參數(shù)。十字板頭采用兩種規(guī)格的電測十字板（H=50.8 mm，D=25.4 mm；H=25.4 mm，D=25.4 mm），符合D 4648-00 標(biāo)準(zhǔn)，滿足耐壓30 MPa 需求，最大剪切扭矩M=15.4 N·m，最大抗剪強(qiáng)度260 kPa，測試精度1%。能夠連續(xù)多次測量沉積物試樣縱向十字板剪切參數(shù)，與靜力觸探模塊接口通用，滿足相互調(diào)換使用需求。扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)多圈連續(xù)扭轉(zhuǎn)，系統(tǒng)輸出扭轉(zhuǎn)力矩16 N·m，扭轉(zhuǎn)角度的測試精度為1°，剪切過程中保證剪切扭轉(zhuǎn)探桿與反應(yīng)釜端蓋的扭轉(zhuǎn)密封。

1.2.5 電阻率層析成像測試模塊

電阻率層析成像測試模塊的主要作用是：對沉積物中水合物空間分布信息“未探先知”[24]，進(jìn)而為靜力觸探、十字板剪切數(shù)據(jù)在水合物儲(chǔ)層中的響應(yīng)機(jī)理分析提供依據(jù)。電阻率層析成像測試模塊主要包括層析成像測量電極、高壓穿越電纜、ITS 采集與數(shù)據(jù)解碼儀、快速成像軟件構(gòu)成。

其中，電阻率層析成像測量電極為嵌入到水合物模擬儲(chǔ)層專用內(nèi)膽上的金屬電極。本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)3 個(gè)測量位面，每個(gè)測量位面包含16 個(gè)電極，測量電極通過澆注到水合物模擬儲(chǔ)層專用內(nèi)膽上的高壓電纜與反應(yīng)釜模塊上端蓋連接，并通過防水接插件與ITS p2+測量系統(tǒng)連接。層析成像系統(tǒng)采用四點(diǎn)法測量，利用線性反投影算法快速顯示內(nèi)膽中3 個(gè)測量位面上的電導(dǎo)率場分布，由此推斷水合物分布規(guī)律[25-26]。

1.2.6 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控模塊

該模塊主要用于水合物樣品生成過程的溫度、壓力數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控；靜力觸探過程中的錐尖阻力、側(cè)摩阻力、孔隙壓力、電阻率值和視頻攝像資料的采集及自動(dòng)化處理；十字板剪切過程中扭剪力等參數(shù)的自動(dòng)采集與處理等功能。該模塊主要由數(shù)據(jù)采集儀、溫度傳感器、壓力傳感器、壓力表及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件等組成。數(shù)據(jù)可導(dǎo)出、能夠?qū)崟r(shí)采集、能夠在軟件界面實(shí)時(shí)顯示。

2 功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

2.1 靜力觸探貫入功能驗(yàn)證

圖 5 砂土沉積物靜力觸探結(jié)果Fig.5 Piezocone penetration test results of sandy sediment

采用砂土沉積物測試系統(tǒng)的靜力觸探貫入功能，將不飽和砂土分層填裝到內(nèi)膽中，打氣壓至5 MPa靜置12 h，開展貫入測試，設(shè)定貫入速度2 cm/s，累計(jì)貫入4 輪次（圖5）。其中第一輪（No.1）測試結(jié)束后，回收貫入探桿，進(jìn)行重復(fù)貫入測試（No.2）。然后將砂土從內(nèi)膽中取出，重新裝樣、靜置，重復(fù)上述貫入過程（No.3，No.4）。貫入實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)的貫入速度可以穩(wěn)定維持在（20±5）mm/s，能夠與現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查使用的貫入速率保持一致[27-28]。No.1、No.3貫入測得的錐尖阻力、側(cè)摩阻力接近，測量穩(wěn)定性良好。由于No.2、No.4 貫入實(shí)驗(yàn)未進(jìn)行重新裝樣和靜置，導(dǎo)致沉積物中存在貫入后的空洞，因此，No.2、No.4 貫入實(shí)驗(yàn)錐尖阻力嚴(yán)重下降，側(cè)摩阻力基本消失。

以南海神狐表層沉積物為介質(zhì)，在常壓下測試粉砂質(zhì)黏土的靜力觸探特征，并與南海神狐海域天然氣水合物試采現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查測試的表層土樣參數(shù)或?qū)嶋H測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對比（圖6）。其中錐尖阻力和側(cè)摩阻力由現(xiàn)場工程靜力觸探調(diào)查獲取[29]，電阻率數(shù)據(jù)為據(jù)文獻(xiàn)[30]中W18 站位的測井資料獲取。由圖可知，本系統(tǒng)針對南海粉砂質(zhì)黏土的測試數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)處于同一量級(jí)，具有可比性。室內(nèi)獲取的側(cè)摩阻力和錐尖阻力與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)非常接近。電阻率數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)處于同一量級(jí)，但差異較大的原因可能是實(shí)際工程地質(zhì)調(diào)查使用的是三橋靜力觸探（錐尖阻力、側(cè)摩阻力、孔隙水壓力），未獲取表層沉積物的電阻率數(shù)據(jù)，而測井?dāng)?shù)據(jù)為深度17.5 mbsf 以深的數(shù)據(jù)，其壓實(shí)程度、孔隙水特征等與表層沉積物差異較大。

2.2 十字板扭剪功能驗(yàn)證

十字板剪切功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。為此，靜力觸探結(jié)束后直接更換十字板探頭測試粉砂質(zhì)黏土沉積物的扭剪曲線。每貫入5 cm 進(jìn)行一次扭轉(zhuǎn)剪切，設(shè)置扭轉(zhuǎn)速度為0.2 °/s，實(shí)際觀察到扭轉(zhuǎn)速度為0.167～0.30 °/s，測試結(jié)果如圖7 所示。

根據(jù)圖7 的測試結(jié)果判斷，反應(yīng)釜內(nèi)上層的黏土強(qiáng)度約為4 kPa，中層強(qiáng)度略高，約為7 kPa，均處于未固結(jié)軟黏土的合理強(qiáng)度范圍內(nèi)。下層沉積物數(shù)據(jù)波動(dòng)很大，且趨勢并不明顯，主要原因是靜力觸探測試結(jié)束后未重新裝樣，從沉積物上部直接填眼壓實(shí)，導(dǎo)致下層土體空洞未消失，孔隙水在重力作用下在沉積物下部聚集，這一點(diǎn)與靜力觸探測試No.2、No.4 中攝像頭觀察到的現(xiàn)象一致：上層土體呈現(xiàn)非飽和半密實(shí)狀態(tài)，下層土過飽和，呈現(xiàn)似流動(dòng)狀態(tài)。

2.3 電阻率層析成像測試功能驗(yàn)證

精確刻畫沉積物體系中天然氣水合物的空間分布特征是建立準(zhǔn)確的儲(chǔ)層工程力學(xué)參數(shù)-水合物飽和度關(guān)系模型的先決條件。ITS 電阻率層析成像技術(shù)在二維水合物分布規(guī)律探測與快速成像方面的應(yīng)用已在文獻(xiàn)[31]中進(jìn)行了詳述。將該技術(shù)應(yīng)用到解釋工程地質(zhì)參數(shù)評價(jià)系統(tǒng)中，我們測試了粉砂質(zhì)黏土沉積物在均勻壓實(shí)狀態(tài)、探頭貫入后、探頭回收后的沉積物界面電導(dǎo)率場分布（圖8），圖8b 中高電導(dǎo)率區(qū)域代表金屬探頭貫入沉積物后的狀態(tài)，圖8c 中低電導(dǎo)率區(qū)域代表探頭回收后在沉積物中形成的空洞。由圖可知，電阻率層析成像能夠在厘米級(jí)尺度反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部的變化，為天然氣水合物儲(chǔ)層工程力學(xué)參數(shù)響應(yīng)機(jī)理提供依據(jù)。

圖 6 南海粉砂質(zhì)黏土靜力觸探功能測試結(jié)果Fig.6 Piezocone penetration test results for clayey-silt sediment from the Shenhu area of South China Sea

圖 7 不同深度處十字板剪切強(qiáng)度Fig.7 Vane shear curves at different penetrating depths

由于水合物模擬儲(chǔ)層制備周期長、制樣難度較大，因此，以上功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)均為不含天然氣水合物沉積物的測試結(jié)果。總體而言，系統(tǒng)的貫入速率、扭剪速率基本能夠維持與現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查采用的施工參數(shù)一致，電阻率層析成像也能夠與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較好的配合。上述實(shí)驗(yàn)都是在高壓條件下測試的，因此，測量的壓力環(huán)境與水合物模擬儲(chǔ)層一致，在后續(xù)針對天然氣水合物模擬儲(chǔ)層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，主要瓶頸是快速制備含水合物模擬儲(chǔ)層。

圖 8 不同狀態(tài)下的典型電阻率層析成像結(jié)果a.探頭貫入前沉積物處于均勻狀態(tài)，b.靜力觸探探頭貫入后沉積物中心位置出現(xiàn)高電導(dǎo)率區(qū)域，c.靜力觸探探頭回收后留下空洞。Fig.8 Electrical resistance tomography results under different conditionsa.before penetration, b.during penetration, c.after the cone was removed from the sediment.

3 結(jié)論與展望

多功能靜力觸探結(jié)合十字板技術(shù)，能夠在獲取儲(chǔ)層工程力學(xué)參數(shù)的同時(shí)獲取儲(chǔ)層的孔、滲、飽信息，是降低天然氣水合物勘探開發(fā)成本、實(shí)現(xiàn)工程-地質(zhì)一體化探測進(jìn)程中非常有前景的一項(xiàng)技術(shù)。為了探索天然氣水合物儲(chǔ)層的工程力學(xué)參數(shù)響應(yīng)特征及其響應(yīng)機(jī)理，將多功能靜力觸探技術(shù)、十字板剪切技術(shù)與電阻率層析成像技術(shù)結(jié)合，自主研發(fā)了一套天然氣水合物儲(chǔ)層工程地質(zhì)參數(shù)評價(jià)試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由水合物快速合成反應(yīng)釜模塊、溫度控制模塊、靜力觸探模塊、十字板剪切模塊、層析成像測試模塊、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控模塊等構(gòu)成。針對不含水合物的砂土沉積物和南海粉砂質(zhì)黏土沉積物開展了靜力觸探功能測試及十字板剪切測試，測試結(jié)果證明系統(tǒng)的貫入速度可以穩(wěn)定維持在（20±5）mm/s，與現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查使用的貫入速率保持一致，十字板扭轉(zhuǎn)速度為0.167～0.30 °/s，符合工程勘查要求。多次測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性良好，與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)有可比性。目前系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過多輪調(diào)試測試，完成功能驗(yàn)證并正在開展針對泥質(zhì)粉砂含水合物沉積物的測試。

該系統(tǒng)不僅能夠?yàn)殪o力觸探、十字板剪切在水合物儲(chǔ)層中響應(yīng)機(jī)理的探索提供支撐，還可作為一套水合物開發(fā)工程-地質(zhì)一體化新技術(shù)和新裝備的綜合試驗(yàn)平臺(tái)，為新技術(shù)、新探頭的功能驗(yàn)證和機(jī)理分析提供支撐。該技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該從兩方面進(jìn)行攻關(guān)：其一從基礎(chǔ)理論與技術(shù)體系的角度，重點(diǎn)關(guān)注多功能探頭貫入條件下天然氣水合物儲(chǔ)層的響應(yīng)機(jī)理、主控因素。其二從現(xiàn)場裝備和工程應(yīng)用的角度，以現(xiàn)有多功能靜力觸探技術(shù)為核心，創(chuàng)新集成新型的天然氣水合物工程-地質(zhì)一體化探測探頭。