新场气田岩土工程地质特征及基础方案优选

金晓波 刘善华 杜 杰

1 工程地质环境

新场气田地处德阳市孝泉、德新、黄许及柏隆一带，位于德阳市以北约20 km，南距成都市80 km，北距绵阳市约35 km，圈闭面积900 km2。该区地貌属成都平原沱江水系一级阶地，地势平坦开阔，区内交通便利，人口稠密，工农业发达，地下天然气资源丰富。

表1 新场地区主要地层综合柱状剖面图

1.1 地层分布特征

根据区域钻探、原位测试成果综合分析，场地内岩土层由第四纪更新统的冲洪积松散堆积物组成，上部为耕植土、粘土等细粒物质，下部为砂卵石层，地层具有显著的二元结构。自上而下揭露的主要地层及特征见表1。

尽管新场地区地层分布总体具有上述沉积结构，但由于地基土形成的天然性状以及人类工程改造差异等原因，不同地区地层结构可能存在一定的差异，可能缺失中间某层，局部也可能存在粉土或淤泥夹层等。粘土及砂卵石主要地层厚度和埋深分布见图1～图4。

图1 粘土厚度分布图

图2 粘土顶部埋深分布图

1.2 水文地质条件

新场地区地下水为孔隙潜水，卵石层为主要的含水层，地下水水位受大气降水及上游河流补给，通过地下径流排泄。稳定水位0.4 m～4.6 m，年平均静水位3.27 m，地下水位的升降与大气降雨密切相关。每年五月雨季来临之时，地下水位开始逐步回升，八月份、九月份达到高峰;十二月地下水位随降雨量减少开始下降，至次年三、四月份最枯，丰枯水位年变幅1 m～3 m。

据区域水文地质资料，地下水的物理性质为无色、无味、无溴、透明。地下水的化学性质，pH值7～8之间，属中性水实测值 165.3 mg/L ～186.7 mg/L，Mg2+实测值 10.67 mg/L ～11.74 mg/L，CO2实测值为0，HCO3－实测值为3.92 mol/L～4.39 mol/L，化学类型为 HCO3-Ca.Mg;据川孝619井粘土腐蚀性检测结果，土壤实测值598.4 mg/L～759.9 mg/L，Mg2+实测值122.4 mg/L ～142.8 mg/L，pH 值实测值为 7.59 ～7.65。该区地下水、土壤对混凝土及混凝土结构中的钢筋无腐蚀性。

图3 砂卵石厚度分布图

图4 砂卵石顶部埋深分布图

1.3 场地稳定性和适宜性评价

根据区域地质构造、断裂活动情况，新构造运动及地震活动情况，综合分析和权衡地壳稳定性的各项指标，本区属地壳的基本稳定区，区域地壳稳定性较好。

场地地形平坦，地貌单一，场地内及周围未发现有影响场地稳定的地质灾害存在，场地处于地壳基本稳定区，适宜建筑。

2 岩土的主要物理力学指标及性质

①耕土:耕土结构松散，未完成自重固结，土质极不均匀，力学强度差，在强度及变形上都不能满足设备对地基土的要求。②粘土:层位分布稳定，物理力学性质均衡，硬塑状态，中～高压缩性土，力学强度相对较高，承载力特征值平均178.3 kPa。该层是钻机基础及附属设备基础的理想的持力层。③粉质粘土:该层分布相对稳定，可塑～硬塑状，中偏高缩性土，力学强度较高;承载力特征值平均fak=160 kPa;绝大部分粉质粘土可作为钻机设备基础持力层。④淤泥质粘土:局部零星展布，饱和，软塑，含腐烂植物根茎及有机物，标贯击数2击～3击，力学强度差，不能作为设备的基础持力层。⑤粉土:结构松散，土质极不均匀，力学强度差，在强度及变形上都不能满足设备对地基土的要求，因此该层不宜作为设备的基础持力层。⑥细～粗砂:标贯试验击数N=5击～7击，平均6击;其承载力特征值fak=105 kPa～135 kPa，力学强度一般，分布不均，可作为一般基础持力层。⑦卵石层:低压缩性，力学强度相对较高，承载力特征值160 kPa～800 kPa，桩的极限侧阻力60 kPa～210 kPa，桩的极限端阻力3500 kPa～8000 kPa;随密实度增加，锤击数、重度、变形模量、内摩擦角、桩的极限侧阻力、桩的极限端阻力、承载力特征值增大。该层是钻机基础及附属设备基础的理想的持力层，中密及以上卵石层可选择作为桩基础的良好持力层。新场地区岩土层的主要物理力学指标统计见表2，表3。

表2 新场地区粘土的主要物理力学指标统计表

表3 新场地区岩土的综合物理力学指标统计表

3 钻机设备基础方案

3.1 设备基础承载力要求

根据《钻井工程技术手册》提供的钻机各配套设施的极限荷载，结合钻机设备基础图纸提供的常规基础尺寸，得出各钻井设施对基础地基承载力的要求见表4，从表4中可以看出钻机各设备设施对基础地基承载力要求不高。根据《建筑地基基础设计规范》地基基础设计等级规定，钻机基础设计等级定位为丙级，钻机设备基础可不作变形验算。

3.2 设备基础方案

1)天然地基浅基础。

根据表2，表3，并结合表4钻机设备基础地基承载力要求，设计钻机井架、重浆罐基础理想持力层为粘土、粉质粘土及卵石层，其他附属基础可选择除表土的所有地基土为持力层。

新场地区粘土、粉质粘土及卵石层的结构、分布及物理力学性质普遍较稳定，持力层埋藏深度较浅，在地下水位条件允许情况下，可直接作为设备基础的天然地基，其设备基础类型可采用现浇混凝土基础或活动基础(钢木基础、钢管排基础、条石或木方基础等)，基础持力层开挖宜浅不宜深，开挖深度0.5 m～1 m之间。天然地基浅基础可作为该区的主要基础形式。

2)人工地基浅基础。

尽管新场地区场地岩土层稳定性较好，但由于地基土形成的天然性状以及人类工程改造差异等原因，使其后期局部地区力学性状也存在极大差异。当持力层埋藏较深、地表下软弱土层较厚或基础处于回填方区，浅开挖不能满足上部结构荷载对地基的要求，不宜采用天然地基方案时，常采用换填垫层法来处理软弱地基，提高软弱地基的承载力。

针对天然地基中的软土层以及回填土的换填处理，除换填砂或灰土等柔性材料外，换填材料也可采用力学强度大的刚性材料，如条石、毛石混凝土等。由于换填刚性材料重度大，对基础地基承载力要求较高，一般地基持力层选择基岩或密实的卵石层。对于持力层上软土或回填土厚度不大的条形基础，可采用刚性材料，对于大面积或厚度大的地基土换填，需考虑换填施工难度及其与桩基础的对比优选。

换填刚性材料垫层的方法较换填柔性垫层法施工简便快捷，可避免由于碾压施工中压实度达不到要求带来的地基沉降安全隐患，但施工成本费用相对高些，目前钻前施工中针对软土或回填土地基垫层换填前者采用居多。

表4 不同钻机型号设备基础地基承载力要求

3.3 桩基础

当持力层埋深较深，上部土层物理力学性质较差，或回填土厚度较大，不能满足钻机上部荷载对地基土强度和变形的要求，同时换填地基处理达不到基础设计要求或施工工艺存在较大难度时，则设计一般采用桩基础(预制桩、灌注桩等)。

新场地区个别井，如新沙23-1H井，工勘揭露场地稳定水位埋深0.30 m～0.40 m，卵石层上的粉质粘土、淤泥质粘土及砂土层物理力学性质较差，不能满足地基承载力要求，因而不宜采用天然地基方案。若采取换填地基处理，由于基坑开挖深度处于地下水位以下，同时卵石层上部的为松散砂土，开挖时易发生基坑垮塌工程事故。采用该方案，需进行基坑支护和人工降水等工程处治措施，施工周期较长，施工难度教大，因此不宜采用地基处理方案。综合井架荷载特征和场地岩土工程地质条件，设计采用以中密卵石为基础持力层的预制桩方案，桩的极限侧阻力标准值qsik=140 kPa，桩的极限端阻力标准值 Qpk=5000 kPa，桩长9.00 m～10.00 m。对于这种地基，预制桩施工周期短，质量容易得到保证。

针对川西个别丘陵区井场，受现场地形条件限制，井场需采用挖填平衡处理方式进行平整，井场内基础(包括主基础)势必会建于填方区，填方厚度浅则2 m～3 m，深则6 m～8 m。对于高填方区，若采用换填垫层处理方法，则基础挖方量大，换填料工作量大，基础自重重，对地基要求高，且施工难度大、周期长，针对这种情况，一般选用预制桩基础或人工挖孔桩等基础类型。

4 结论与认识

1)新场地区处于地壳基本稳定区，综合评定为均匀地基;地下水对混凝土和混凝土结构中的钢筋无腐蚀性;地基土工程条件好，适宜井场建设;

2)该区粘土、粉质粘土及卵石层的结构、分布及物理力学性质较稳定，埋藏深度较浅，是钻机基础及附属设备基础理想的天然地基持力层，适于钻机设备基础的修建;

3)该区钻机设备基础方案主要有三种:a.以粘土、卵石层等为持力层的天然地基浅基础，该类型基础是该区的主要形式;b.对局部薄层软土或浅回填土地区采取换填地基处理的人工浅基础;c.对地下水位浅的软土、砂土或深回填区的地基，采取的以中密卵石或中风化基岩为持力层的预制桩基础。

[1]工程地质手册编写委员会.工程地质手册[M].第4版.北京:中国建筑工业出版社，2007.

[2]赵金洲.钻井工程技术手册[M].北京:中国石化出版社，2005.

[3]汤文良.钻前土建工程基本知识[M].北京:石油工业出版社，2002.

[4]朱永祥.地基与基础[M].武汉:武汉理工大学出版社，2004.

[5]GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范[S].

[6]JGJ 79-2002，建筑地基处理技术规范[S].