沿海平原海相沉积土中浅层气的探查

陶灵法 潘永坚 蔡国成

(浙江省工程勘察院，浙江宁波 315012)

我国东部沿海平原的轨道交通工程建设中曾多次遇到浅层气。浅层气的成分主要为易燃的甲烷，地下工程施工时极易酿成火灾事故，因浅层气而引发隧道、基坑、沉井、水工构筑物沉陷和断裂，导致工程事故，造成重大经济损失的例子也屡有报道［1- 2］。

鉴于浅层气对地下建设工程的危害，必须选用合适的方法查明浅层气的分布范围及成分、气源层和储气层、埋藏深度、压力大小、赋存规律，提供详实的资料，以确保工程施工的安全顺利进行。综合沿海平原土层特征、工程影响范围以及浅层气分布范围，可知浅层气最主要分布范围是在上部海相沉积土层，因而探查海相沉积土层中浅层气分布对东部沿海城市的地下工程建设具有重要意义。

1 海相沉积土及其浅层气特点

1.1 海相沉积土

海相沉积指海洋环境下，经海洋动力过程产生的一系列沉积，包括来自陆上的碎屑物、海洋生物骨骼和残骸、火山灰和宇宙尘等，具有海洋环境的一系列岩性特征和生物特征。其特点是颗粒较细而分选好，且在海水温度比大陆温度低而变化小的环境下沉积。海相沉积土是软土沉积物的一个种类，通常以淤泥、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土的方式出现，我国沿海地区广泛分布着这样的海相沉积软弱黏土层，其普遍特征是颗粒细、性质差、高孔隙比、高压缩性、高含水率、低渗透性、低承载力以及高灵敏度。

1.2 海相沉积土浅层气形成过程及特点

浅层气是指地层沉积物中富含的有机质在还原环境下经厌氧微生物作用而形成的富甲烷气体，是天然气资源的一个重要部分。在我国，主要分布于江浙沿海、长江三角洲等地区［3］。

在第四纪的海侵、海退过程中，通过初早期古河谷充填—中期海水覆盖—晚期河口湾形成、萎缩和湖沼发育等过程，使得大量的生物经过近万年的地质历史过程的沉淀堆积，随后被水和泥砂覆盖起来并与空气隔绝，在厌氧菌的作用下分解发酵，伴随着一定的温度和压力，使这些生物的残骸变成泥炭，同时产生气态产物。当生成的气体不能向大气中扩散时，便不时向周围地层孔隙中运移、积聚，最终在地层的孔隙中不断积聚成扁豆体状和透镜体状大小不等的气囊，或储集在附近的砂层透镜体或砂层顶部，分布面积较大。其主要有以下几个特点:①分布范围广，埋深浅;②连通性差;③贮气空间较小(多数气量较小);④富气性差异大;⑤气压差异大。

2 浅层气探查现有工艺

以往对浅层气的探查多是将浅层气作为一种能源进行研究，并对其探查方法进行了多种尝试。林春明等对浅层天然气勘探方法进行总结，认为主要有静力触探法、地震勘探方法以及非地震物化探方法，并分析讨论了其优势及不足［4］。孙海波对上海浅层地下水中的甲烷进行了探讨，采用钻井技术进行检测钻探取样分析，取得了较好的结果［5］。随着静探工艺在工程应用的越来越广泛［6］，技术人员也逐渐将其应用到浅层气的探查中来，并根据浅层气探查特点进行了改造。蒋维三等分析了杭州湾地区第四系浅层天然气特征，并探讨了钻探方法，提出以静力触探为主，配合少量骨干横波地震剖面的浅层天然气勘探方法，并对静力触探技术进行了改造，开发研制了随钻中途测试技术、随钻视电阻率测井技术和堵井技术，在杭州湾浅层天然气勘探上取得较好的结果［7］。

为避免浅层气的不利影响，众多学者以及工程技术人员采用各种手段探查浅层气的分布。徐国庆等采用钻孔和静力触探相结合的施工方式将地层中的沼气释放出来，采用先下套管，由钻孔钻至含气层，再下小套管进行放气，达到降低盾构推进线路附近地层中沼气含量的效果［8］。李粮纲等提出采用横波地震法确定了有害气体的分布范围;采用密闭取芯法查明了有害气体的赋存规律;采用改装型静力触探仪法查明了有害气体的成分、气源层、储气层、埋藏深度和压力;改装静力触探仪其探杆采用外径为42 mm的空心钢管，杆的下端改为花管，并外包滤网，以阻止大的土颗粒进入探杆［9］。

综合以上研究可以发现，对浅层气的探查方法主要是采用钻探、静探、物探，以及其他方式如地质雷达、重力负效应、回声测深和声纳、激发极化、油气化探、遥感、静电阿尔法(a)薄膜测量、微生物法等。

3 海相沉积土中浅层气的探查工艺选择

3.1 探查工艺选择

浅层气的探查工艺应根据工程需要，同时依据浅层气的分布特点，考虑适用性、经济性以及时间等进行选择。

通常工程施工深度有限，且浅层气对工程的影响深度也有限;其次海相沉积土中浅层气有分布广、埋深浅、连通性差、贮气空间较小、富气性差异大、气压差异大等特点;现有工艺主要有钻孔、静探及改进静探方法、物探及其他方式。

(1)钻孔施工方法:由于泥浆等影响对于小气量的浅层气不容易检测出，而海相沉积土中浅层气因贮气空间较小通常气量不大，故适用性不强。

(2)静探及改进静探方法成本低，便于操作，可查明土性，划分土层等，其缺点是口径小，气体的排放速度慢，当气压小时容易被气体带出的泥砂淤积了探管的通口，存在多层储气层时无法判明是哪一层的气。

(3)物探方法只适用硬质路面，成本较高，同时只能探测而无法采样，因而对于工程浅层气勘探不是很适宜。

(4)地质雷达、重力负效应、回声测深和声纳、激发极化、油气化探、遥感、静电阿尔法(a)薄膜测量、微生物法等方式由于其花费较大，经济性较差，且只能探查无法取样。

综合以上，在工程成本控制的前提下，改进静探设备更为适宜，既能有限探查浅层气的分布，同时还可以进行气量量测，并进行取样分析。同时在改进静探设备中，以改进触探探头更为经济，也能满足工程要求。

3.2 改进触探探头的浅层气探查

本次采用锥形活塞式探头，活塞中间为进气孔口，下压时探头进气口封闭，探杆上拔时，借助于周围土体的摩擦力，使探头与探杆分离，有害气体从探杆下部进气口进入。为防止泥砂堵塞探管通口，在探气过程中采用吹气手段进行防堵，最后利用量气设备进行量测。改进触探探头的浅层气探查能有效防止泥砂堵塞探头通口，探测小气量浅层气，准确判定储气层位置，测量气压与流量，并可获取样本测试分析。借助吹气设施，可有效防止花管堵塞。

(1)安装设备:借助静力触探设备安装。

(2)成孔:由浅至深，按1m间距向下探测，探至预定深度后上拔探管约0.3～0.5m，检测是否有气体溢出，如有气直接至(4)，如无气则进行吹气。

(3)吹气:采用空压机进行吹气，一直吹到探管内与下部含气层连通。吹气结束后检测是否有气体冒出。如未测出有气体冒出，则继续循环(2)、(3)步骤。

(4)安装量气设备:吹气后检测出有大量气体冒出后，立即安装量气设备，测量气压与流量。

具体流程见图1，结构见图2。

图1 改进静探探头的勘探流程

图2 改进静探探头结构

4 应用实例

以宁波轨道交通2号线一期工程为实例，进行海相沉积土中浅层气探查。

4.1 赋存区域

研究表明，浙江沿海平原浅层天然气主要赋存于第四纪全新世和晚更新世地层中［10］，根据宁波轨道交通1号线1期西门口站［11］、2号线一期的工程勘察地层资料［12］，宁波浅层气主要埋藏于全新统中期、早期浅海相沉积②层鳞片状淤泥质土，③层粉砂，粉土以及或④层富含腐植物的细鳞片状的黏性土中，其埋深一般小于30m，具体层位见表1。其中浅部③1层砂质粉土、③2层粉质黏土(内夹大量粉砂粉土)为储气层，②2c层淤泥质粉质黏土、②2b层淤泥质黏土、④1层淤泥质粉质黏土为气源层，沼气产出速度极其缓慢。同时，②2c，②2b，④1层在其局部有粉砂、粉土微薄夹层的地段又为储气层。

4.2 特点

宁波区域内浅层气主要分布在海相沉积土中，含气层的岩性以粉砂、淤泥质粉质黏土夹粉砂为主，粉砂呈薄片状交错分布在淤泥质粉质黏土中。微观上气相以局部连通或完全封闭的形式赋存于土体中，在宏观上呈现为不均匀、连通性差的囊块状或上下交错的海绵絮状，而囊块呈透镜体分布，导致各孔位周边土层中的气压、储存量，以及相连通性、均匀性差异较大，促使气体溢出时主要表现为逐步缓慢地溢出，但当气压较大时，能出现间断性向外喷射。

表1 浅层气主要赋存地层(组)一览

4.3 探查过程及结果

本次采用改进触探探头的方式进行探查，采用DBBJ-T便携式气体报警探测器进行检测。根据宁波地区经验及前期的试验结果，沿线的天然气储量不大，气压较小，气体压力采用直接测定法进行试验，气体的流量采用罗茨流量计进行量测。探测深度一般要求探至车站或盾构区间结构底板下5m，若该位置揭示有储气层，加深探测到储气层底部。表2为部分勘探孔气体和流量，探查成果见图3。

表2 部分探查孔气体压力和流量一览

本次探查圆满完成浅层气探查任务，为后期设计施工进行提供了极大的便利，大大减少了工程施工可能遭致的危险性。

图3 浅层气探查成果

5 结论

结合海相沉积土浅层气的特征，分析讨论各种浅层气探查工艺，并利用改进触探探头的静力触探工艺在宁波轨道交通2号线一期工程进行了实际应用，取得良好的效果。实践证明，这种改进触探探头的探查工艺可以较好的查明小气量的海相沉积土中的浅层气，吹气环节也有效防止了泥砂堵塞影响，实现了海相沉积土中浅层气分布探查目的，对今后的海相沉积土工程设计施工提供了较好的帮助。

［1］郭爱国，沈林冲，张金荣，等．浅层气对杭州地铁施工的影响模式分析［J］．铁道工程学报，2010(9):7881

［2］陈卫．长江沿岸某区浅层天然气特征及其对工程建设的影响［J］．桂林工学院学报，2006(2):181183

［3］丁国生．我国浅层气资源及气藏类型［J］．天然气工业，1997(3):8486

［4］林春明，李广月，李艳丽，等．杭州湾地区晚第四纪浅层生物气藏勘探方法研究［J］．石油物探，2006(2)

［5］孙海波，谢辉．浅层地下水中甲烷气体调查与风险评价［J］．上海地质，2010(4):6872

［6］万广臣，陈健，朱琦．静力触探技术成果在工程中的应用［J］．铁道勘察，2011(1):3740

［7］蒋维三，叶舟，郑华平，等．杭州湾地区第四系浅层天然气的特征及勘探方法［J］．天然气工业，1997(3)

［8］徐国庆，岳丰田，王弘琦，等．杭州地铁1号线穿越钱塘江地层沼气释放技术探讨［J］．隧道建设，2013(3):247251

［9］李粮纲，赵永刚，余雷．采用密闭取心和改装静力触探仪勘察第四系有害气体［J］．煤田地质与勘探，2009(5):7276

［10］严经芳，孙国忠，茹桂荣，等．浙江沿海平原第四系浅层天然气成藏条件及勘探前景［J］．天然气工业，1998(3)

［11］蔡伟忠．宁波轨道交通西门口站工程岩土工程勘察和评价［J］．铁道勘察，2011(3)

［12］浙江省工程勘察院．宁波市轨道交通2号线KC211标段浅层天然气专项勘察［R］．宁波:浙江省工程勘察院，2011