杭州灣淺層儲氣砂土的持水特性試驗研究

陳楷文，王 勇，閆 鍇，楊志勇

(1.桂林理工大學土木與建筑工程學院，桂林 541004；2.中國科學院武漢巖土力學研究所，巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071)

淺層氣是指埋藏深度比較淺、儲量比較小的一類天然氣資源，主要分布于中國江浙沿海一帶。地質(zhì)資料表明，杭州灣地區(qū)的第四紀全新世和晚新世地層中廣泛分布有淺層氣氣藏，根據(jù)甲烷、乙烷的碳同位素判別淺層氣屬于生物成因氣，主要成分為甲烷[1-2]。沉積物中的有機質(zhì)經(jīng)厭氧菌的生物化學作用，產(chǎn)生生物氣，經(jīng)過運移、富集，儲集在附近的砂層透鏡體或厚砂層頂部，形成了較大面積的淺層氣氣藏，壓力最高可達0.5 MPa[3]。在淺層氣氣藏區(qū)域進行工程作業(yè)會面臨許多風險，如在已建成的杭州灣公路大橋的前期地質(zhì)勘探過程中，鉆探時發(fā)生多次淺層氣強烈井噴、燃燒現(xiàn)象，使施工作業(yè)受阻。砂體是淺層氣的良好儲集層，儲有淺層氣的砂土可稱之為儲氣砂。因其水氣各自連通，但氣相與大氣壓隔絕，且壓力明顯高于大氣壓，具備這種特殊孔隙氣相的儲氣砂土可視為一類特殊的非飽和土[4]?？琢顐サ萚5]指出這類特殊非飽和土的三相屬于非飽和土中的雙敞開系統(tǒng)，因而可基于非飽和土理論來分析儲氣砂土的工程特性。在描述非飽和土的力學特性時，首先需要研究非飽和土的持水特性，可以利用土-水特征曲線(soil water characte-ristics curve，SWCC)推導非飽和土的滲透性、抗剪強度和持水系數(shù)等參數(shù)[6]。

目前關(guān)于非飽和土的持水特性研究主要針對對象是黏土，砂土則相對少一些[7-9]。這是由于黏土具有黏聚力，可簡單方便獲取原狀樣，因此，關(guān)于儲氣砂的持水特性研究很少。Kong等[10]利用壓力板試驗獲得了重塑儲氣砂土的SWCC。鐘方杰等[11]考慮了原位凈圍壓對儲氣砂土持水特性的影響，利用全球數(shù)字系統(tǒng)(global digital systems，GDS)三軸應力路徑模塊對重塑儲氣砂施加凈圍壓荷載，測得不同凈圍壓下儲氣砂土的持水特征試驗。Xiong等[12]借助重塑儲氣砂土的SWCC，結(jié)合相對滲透系數(shù)、Parker模型和Fredlund非飽和土抗剪強度公式分別預測了原位含淺層氣砂層的氣藏壓力、滲水系數(shù)、滲氣系數(shù)和抗剪強度參數(shù)，從而避免了大量和耗時的非飽和土試驗。然而，對于儲氣砂土持水特性的研究對象都為重塑砂土，缺乏對原狀砂土的相關(guān)研究。

為此，以杭州灣儲氣砂土為研究對象，利用取砂器獲取擾動較小的原狀砂土。采用壓力板儀對原狀砂土和重塑砂土進行持水特性試驗來獲取SWCC；采用不同的模型對土-水特征曲線進行預測分析。根據(jù)SWCC及不同模型分析原狀砂土及重塑砂土持水特性的差異，以期對工程實踐提供參考。

1 試驗土樣及方案

1.1 原狀樣的獲取

本次試驗所用儲氣砂土取自杭州灣嘉甬跨海高鐵大橋線路中的典型含氣海域。該區(qū)潮水活動頻繁，在交替的潮起潮落過程中沉積了富含有機質(zhì)的淤泥層和砂層，有機質(zhì)在厭氧菌的分解及化學作用下，產(chǎn)生氣體成分以甲烷為主的生物氣，主要儲存在40 m和80 m附近砂土層中。

采用操作簡便的取砂器來獲得40 m與80 m附近砂土層中的原狀樣。如圖1所示，取砂器由標準環(huán)刀、取樣筒組成，通過取樣筒兩端的螺紋，實現(xiàn)取樣筒的快速連接，再將標準環(huán)刀推入取樣筒中便完成組裝。當取樣筒打入土層中時，樣品直接進入環(huán)刀內(nèi)，由剛性環(huán)刀固定夾持內(nèi)部土樣，借助環(huán)刀邊緣受力將其推出取樣筒，有效降低了原狀砂土的松散及擾動。不少土工試驗(如直接剪切試驗、固結(jié)試驗、滲透試驗、無側(cè)限試驗、壓力板儀試驗等)都采用標準環(huán)刀樣，由取砂器內(nèi)的原狀砂土環(huán)刀樣進行相關(guān)土工試驗可避免原狀樣成型過程中的擾動。因此，通過取砂器可方便獲取擾動度較小的原狀環(huán)刀樣，其取樣具體操作步驟如下。

圖1 取砂器示意圖

(1)在取樣筒內(nèi)壁涂抹少量凡士林，將環(huán)刀依次推入至取樣筒中，把鉆機的巖心管換成裝有環(huán)刀的取樣筒，通過鉆機壓入土層中。

(2)根據(jù)進尺數(shù)與取樣筒的高度，確定鉆機鉆入深度，當取樣筒裝滿土樣時，提起鉆桿卸下取樣筒。

(3)在卸完每一節(jié)取樣筒后，立即用密封蓋擰緊取樣筒兩端，再對取砂器兩端進行蠟封處理，并作標記，將蠟封好的取砂器包裹在隔熱防震材料中以便進行運輸與保存。

(4)在室溫20 ℃下，取出標有40 m和80 m處土層的取砂器，擰開取砂器兩端的密封蓋，通過千斤頂推環(huán)刀邊緣，將環(huán)刀樣推出取樣筒，用超薄刀片分開彼此相連的環(huán)刀，將環(huán)刀表面擦拭干凈，進行相關(guān)土工試驗。

1.2 土樣的基本物性指標

取40 m、80 m處的原狀砂土環(huán)刀樣進行基本物性試驗，得到砂土的基本物理性質(zhì)參數(shù)及顆粒級配曲線分別如表1、圖2所示。

由表1可知，1#、2#土樣在垂直深度方向上，其成分無明顯差別。由圖2可知，80 m相比40 m處土層的細粒含量稍多，但粒徑均小于2 mm，15%≤細粒含量<50%，細粒組中粉粒含量大于50%，即在深度方向上屬于同一類土，根據(jù)《土工試驗標準方法》(GB/T 50123—2019)可定名為粉質(zhì)砂土。

表1 原狀砂土基本物性參數(shù)

圖2 不同深度原狀砂土的粒徑分布曲線

相對密度的計算公式為

Dr=[(emax-e0)/(emin-e0)]×100%

(1)

式(1)中：Dr為相對密度；emax為最大孔隙比；emin為最小孔隙比；e0為自然孔隙比。

飽和度的計算公式為

Sr=ωGs/e×100%

(2)

式(2)中：Sr為飽和度；ω為含水率；Gs為土顆粒比重；e為孔隙比。

將最大干密度、最小干密度及不同深度的初始孔隙比代入式(1)，得1#相對密度為59.9%，屬于中密態(tài)；2#相對密度為98.4%，屬于密實態(tài)。將含水率、比重和孔隙比代入式(2)，得1#和2#飽和度分別為81.05%、97.61%，均處于非飽和狀態(tài)。

1.3 試驗設備和試驗方案

持水特性試驗采用的設備由Fredlund教授與GCTS(Geotechnical Consulting and Testing Systems)公司聯(lián)合開發(fā)的SWC-150型壓力板儀，陶土板的進氣值為3 bar(1 bar=105Pa)，儀器設備如圖3所示。該儀器基于軸平移技術(shù)，可測定一定凈法向應力狀態(tài)下完整的脫濕路徑和吸濕路徑下SWCC。脫濕過程中的基質(zhì)吸力ψ的測量，根據(jù)基質(zhì)吸力的定義ψ=ua-uw，試樣底部通過排水管直接與大氣相通，孔隙水壓uw的值由排水管中水柱高度讀出，孔隙氣壓ua的值由壓力控制面板上的壓力表讀出；排水量的測量，由控制面板中的一個體變管量出，另一個作為蒸發(fā)量校正管。

圖3 GCTS土水特征曲線儀

壓力板試驗以原狀和重塑的杭州灣淺層儲氣砂土為對象，試驗方案如表2所示，具體操作步驟如下。

(1)原狀樣制備。取出40 m與80 m處的取砂器，通過千斤頂推出其中的原狀砂土環(huán)刀樣，用超薄刀片分開彼此相連的環(huán)刀；整平環(huán)刀兩端土樣并依次放置濾紙、透水石，通過飽和架將環(huán)刀與透水石固定，再將其放入飽和缸內(nèi)抽真空飽和。

(2)重塑樣制備。根據(jù)《土工試驗標準方法》(GB/T 50123—2019)，采用壓樣法制樣，由表1中所測的原狀樣初始孔隙比，由相對密度公式計算出所需干砂的重量，調(diào)制砂土的初始含水率為8%，通過壓樣器分別壓制初始孔隙比約為0.663、0.447的環(huán)刀樣，環(huán)刀直徑6.18 cm，高度2 cm。將濾紙、透水石依次放置在壓制好的環(huán)刀樣兩端，再由飽和架將其固定，放入飽和缸內(nèi)抽真空飽和。

(3)陶土板飽和及左右兩個體變管標定。將底座整體抽真空飽和，飽和時間設置為一晝夜，再通過壓力板儀進行高壓排水飽和，直至出水均速、無氣泡。標定兩個體變管每一格刻度(單位：mm)對應水的質(zhì)量。具體操作是準備一個燒杯，稱量其質(zhì)量為m1，用注射器向體變管內(nèi)注水后，記錄刻度h1；再將體變管中的水從下方出水口排進燒杯，稱取質(zhì)量m2，體變管刻度為h2，由m=(m2-m1)/(h2-h1)可得左體變管mL=0.073 g/mm；右體變管mR=0.073 8 g/mm。

(4)試驗過程。將飽和土樣與飽和高進氣值陶土板充分接觸，安裝好壓力室，完成裝樣。本試驗將右排水管作為體變管，左排水管作為對照管，用于標定蒸發(fā)量。逐級增加容器內(nèi)的氣壓并記錄氣壓值，待24 h的排水量小于0.1 cm3時認為排水穩(wěn)定，讀取左右體變管的數(shù)值，再施加下一級氣壓，直到施加基質(zhì)吸力至最終預定值200 kPa。

(5)試驗結(jié)束。取出土樣并做稱重、烘干再稱重處理，根據(jù)排水量換算出每級基質(zhì)吸力對應的試樣質(zhì)量含水率ω、體積含水率θ和飽和度Sr，并繪制SWCC。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 SWCC模型對比分析

多數(shù)用于描述SWCC的方程式是根據(jù)經(jīng)驗和曲線的形狀而建立的，在實際工程及理論研究中具有代表性的SWCC數(shù)學模型包括Brooks Corey(BC)[13]、Van Genuchten(VC)[14]以及Fredlund-Xing(FX)[15]模型。

Brooks & Corey(BC)給出了描述土的孔徑分布指數(shù)λ相關(guān)的冪函數(shù)，屬于單參數(shù)模型，其表達式為

(3)

式(3)中：θ為體積含水率；θr為殘余含水率；θs為飽和含水率；ψb為進氣壓力；ψ為基質(zhì)吸力；λ為孔徑分布指數(shù)?？讖椒植贾笖?shù)λ越小，表示其流速越均勻，孔隙也相應分布更均勻，相應的SWCC較為平緩。

Van Genuchten給出了一個平滑的、封閉的三參數(shù)數(shù)學模型，該模型可較好描述土SWCC的吸力與含水率的關(guān)系，屬于三參數(shù)模型，其表達式為

(4)

式(4)中：α、n和m為非線性回歸系數(shù)，m=1-1/n；ua-uw為基質(zhì)吸力；θ為體積含水率；θs為飽和含水率；θr為殘余含水率。相比BC模型，VG模型可更好地描述更寬吸力區(qū)間內(nèi)吸力與含水率的關(guān)系。其中擬合參數(shù)n較大，則特征曲線也比較平坦，α較小，則土具有更大的進氣值壓力。

Fredlund & Xing根據(jù)土體的孔徑分布特征提出了一個類似的Van Genuchten模型，屬于四參數(shù)模型，其表達式為

(5)

式(5)中：C(ψ)為修正因子，其表達式如式(6)所示，該修正因子假定含水率為零時對應的基質(zhì)吸力為106kPa，從而使得該模型可擬合出吸力處于0～106kPa的土水特征曲線。

(6)

式(6)中：ψr為殘余含水率對應的基質(zhì)吸力。

通過Origin軟件對原狀砂樣的基質(zhì)吸力與體積含水率關(guān)系曲線進行以上3種SWCC模型的擬合，結(jié)果如圖4所示，參數(shù)如表3所示。從圖4可見，整體上3種模型擬合得到的土水特征曲線與實測值吻合較好，其擬合相關(guān)系數(shù)R2都在0.99以上。從表3中的擬合參數(shù)可知，通過BC模型擬合的孔徑分布指數(shù)λ可反映出孔隙比越小的試樣，其孔隙分布越均勻。但BC模型的表達式為分段式函數(shù)，即進氣值處的SWCC曲線不連續(xù)，這與實際情況不符。FX模型擬合曲線與試驗值基本重合，但FX模型中的相關(guān)參數(shù)最多，所賦初始值對擬合結(jié)果影響很大。在滿足擬合要求的情況下，相比BC模型與FX模型而言，VG模型屬于連續(xù)函數(shù)且擬合參數(shù)更少，更適用于描述原狀儲氣砂土的SWCC曲線。

表3 土水特征曲線模型擬合參數(shù)

圖4 不同模型對實測值的擬合情況

2.2 原狀樣與重塑樣的對比分析

原狀樣與重塑樣的SWCC曲線如圖5所示，2#砂樣比1#砂樣具有更高的密實度，因此其原狀樣或重塑樣的進氣值均高于1#砂樣，且隨基質(zhì)吸力的增大土體的失水斜率更小，持水性更強。對于相同孔隙比下的砂土原狀樣與重塑樣，其SWCC存在明顯的差異，重塑樣比原狀樣的失水斜率更小，相同含水率條件下，其對應的基質(zhì)吸力更高。但是，重塑樣與原狀樣的進氣值基本相等；1#砂樣的進氣值約為4 kPa，2#砂樣的進氣值約為10.5 kPa。

圖5 不同孔隙比原狀樣與重塑樣的SWCC

影響土體SWCC曲線的因素主要有：土的礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)、土體的收縮性、干密度、初始含水率、土的應力歷史和溫度等[16]。劉艷華等[17]認為影響土體基質(zhì)吸力的主要因素是土的礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)，其他因素往往是通過影響這兩個基本因素而起作用的。對于原狀砂樣與重塑樣而言，在物質(zhì)成分和孔隙比相同時，影響土體持水特性的主要因素為孔隙結(jié)構(gòu)。通過BC模型對原狀土和重塑土的試驗值進行擬合，擬合參數(shù)如表4所示。從BC模型的孔徑分布指數(shù)λ可知，在相同孔隙比下，重塑樣比原狀樣的孔徑分布指數(shù)λ更小，這表明重塑砂土的孔隙分布更加均勻[13, 18]。

表4 BC模型擬合參數(shù)

不同孔隙分布影響土水作用面積和收縮膜的形

狀。由毛細作用可知，毛細管直徑越小，基質(zhì)吸力越大，等徑毛細管模型常用來描述非飽和土中孔隙的持水性，其表達式為

(7)

式(7)中：ψ為基質(zhì)吸力；Ts為水的表面張力，Ts=72 mN/m(溫度25 ℃、氣壓100 kPa)；φ為接觸角；d為毛細管直徑，cm。

圖6為等粒土顆粒以不同排列方式組成土體時的幾何平面圖。土顆粒直徑為D，土體斷面上的最小孔隙直徑為dth，最大孔隙直徑為dsc，由幾何關(guān)系可得

圖6 等粒球狀顆粒排列平面圖

(8)

(9)

進一步簡化為

dsc=0.41D

(10)

dth=0.15D

(11)

將式(10)、式(11)代入式(7)整理可得

(12)

基質(zhì)吸力的大小取決于彎液面(又稱為水-氣界面或收縮膜)處的壓力差，這與孔徑大小和收縮膜的形狀有關(guān)[19-20]。等徑球按圖6(a)、圖6(b)中的方式排列可知，緊湊四面體將簡單立方體排列中的1個大孔隙分為2個小孔隙，其收縮膜的形狀發(fā)生變化。取斷面上的最小孔隙直徑進行分析，由式(10)、式(11)可知，最小孔隙直徑相差約2.7倍。根據(jù)式(12)可知，圖6中兩種不同顆粒排列方式下的基質(zhì)吸力最大相差約5.5倍。

分析可知，造成杭州灣儲氣砂土原狀樣和重塑樣SWCC差異性的主要原因是原狀砂樣的結(jié)構(gòu)性造成的。杭州灣砂土在水中沉積過程中，由于砂顆粒不規(guī)則，受重力作用影響，重顆粒先落下，同時土顆粒朝重心穩(wěn)定的方向不斷調(diào)整。因此，顆粒的排布具有一定的方向性，較易形成大孔隙架空結(jié)構(gòu)。而重塑樣由壓樣法制成，通過配置8%的含水率，攪拌均勻。在攪拌作用下，顆粒呈隨機排布，粗、細粒混雜在一起。因此，重塑樣具有無序狀結(jié)構(gòu)，宏觀上質(zhì)地更均勻，更易形成小孔隙穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

(1)采用壓力板儀對杭州灣儲氣砂土原狀樣和重塑樣的持水特性開展研究，采用BC模型、FX模型和VG模型對比分析原狀砂樣的SWCC曲線可知，VG模型函數(shù)連續(xù)且參數(shù)較少，更適用于描述原狀儲氣砂土的SWCC。

(2)原狀砂土與重塑砂土具有不同的顆粒排列結(jié)構(gòu)是造成砂土SWCC曲線差異性的重要原因，重塑砂土比原狀土具有更加均勻的孔隙分布。

(3)在進行儲氣砂土的持水特性研究時，應考慮原狀砂土的結(jié)構(gòu)性影響；在相同含水率條件下，重塑砂土的基質(zhì)吸力更大，因此采用重塑砂土的SWCC曲線預測氣藏壓力可能會比實際值偏高。