海底砂土中气体运移过程电阻率监测探针设计与实验

孙翔，郭秀军，吴景鑫

( 1. 山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100；2. 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100；3. 中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100)

1 引言

适宜条件下，海底土中会以多种方式生成气体。气体形成后，在浮力和动、静压力作用下，会在高渗透性土中发生垂直和水平方向的运移、聚集[1-2]。土中存在的断层、不整合面和底辟构造会形成良好的输气通道，更有利于气体运移到浅层，形成浅层气藏[3]。土中气体聚集，会造成土体有效应力降低，诱发大面积的地层变形或失稳破坏；气体释放则会剧烈扰动含气层，降低土体抗剪强度，引起含气层的沉降变形和上覆地层的下沉，从而诱发工程灾害[2]。近年来在我国渤海油田、东部沿海和长江中下游地区都遇到过含气土造成的工程事故[4]。在美国墨西哥湾、英国北海等水域进行海洋油气资源勘探开发时，也因对含气土调查不足发生过严重灾害[5]。在一些海洋工程建设区对海底气体运移过程进行实时监测不仅具有重要的工程意义，同样具有环境意义。

当前海底浅层气运移监测技术主要有针对溶解态气体扩散的温度、矿化度、压力监测[6]，对气态气体扩散和逸出的声学探测[7-8]、对土体内部气体扩散的孔压监测[9]以及对土体中气体迁移和渗漏的电阻率监测[10]。电阻率探针法属于电阻率监测技术。该技术不同于线缆式的电阻率剖面测量方法，是一种将探针直插在土中的点式测量技术，其测量精度远高于线缆式测量，目前已在液体中气泡流动运移监测方面取得了一些进展[11]。此外，在浅表海洋土电阻率测试中也取得了良好效果：比如Rosenberger等[12]设计的自由落体式点电极探针和丁忠军[13]设计的四点电极探针都应用在海洋土电阻率原位测试中；夏欣[14]和Jia等[15]设计的环状电极探针在海水-沉积物界面变化监测中得到较好的应用。在点状电极和环状电极探针对比研究方面，Demuth等[16]通过数值模拟对两种探针在长时间工作后的稳定性问题进行了对比分析。

气体在土体中主要以两种形式存在：一是孔隙气泡，气泡的尺寸小于孔隙直径；二是超孔隙气泡，气泡的尺寸大于孔隙直径[17]。两种存在形式都会直接改变土体导电性，产生电性异常。但点状和环状电极探针对土体中气体扩散过程的监测能力尚未见文献报道，监测效果亦未可知。

为分析两种电阻率探针对气体在砂土中迁移过程的监测能力，本文在前人研究基础上，设计制作了环状和点状电极探针，通过分析探针检定实验结果，确定了两种探针测试误差和相应校正系数；通过分析砂土中气体运移过程监测试验结果，确定了不同气体扩散阶段两种探针监测电阻率典型异常特征，估算了含气饱和度，并根据含气量变化规律确定了气体汇聚和扩散速度。研究结果证实了两种探针均具有良好的探测能力。

2 电阻率监测探针制作与检定

2.1 探针设计与制作

根据Won[18]的环状电极测试理论和Rosenberger等[12]的点状电极设计思想，本文制作了两种电阻率实验探针，如图1所示。

环状电极探针杆体上等距分布有10个环形电极，电极间距5 cm，电极环宽度为5 mm，直径为4 cm。点状电极探针杆体嵌有两组不同极距的电极阵列，每组电极阵列6个点状电极，电极直径为3 mm。其中，电极阵列1中AM左=M左N左=N左B=32.5 mm，与Rosenberger设计的点状电极探针一样，电极为等距分布；电极阵列2中AM左=N左B=16.25 mm，M左N左=40 mm，电极呈梯度分布。

测量时环状电极探针采用wenner装置，自上到下依次选择4个电极进行测量；点状电极探杆分别采用不同阵列进行测量，其中A、B均设定为供电电极，M、N为测量电极。两种探针测量过程的电场分布如图1所示。对比两种探针电场分布特征，可以确定环状电极探针供电电流在垂直方向不同深度位置全空间流出流入，电场分布范围较大。测量电位差主要反映沿深度方向的电位变化，测量视电阻率为垂向电阻率。而环状电极探针供电电流在某深度的水平面内流出流入，测量电位差主要反映沿水平方向的电位变化，测量视电阻率可视为横向电阻率。与环状电极探针相比，点状电极探针电极间距小，对电极附近小范围内电场变化反映更精准。

实际制作时，探针外壳选用高强度聚乙烯材料，电极选用黄铜。电极之间通过嵌套的方式连接，每个电极都连接一根导线，从杆体内部穿过，与外部的测量仪器相连。嵌套完毕后加玻璃胶密封，保证探针的防水和密封效果。

2.2 探针校正

在纯水和标准砂中分别对制作的两种电阻率探针进行40次稳定性测试，测试数据见附录。电阻率计算时环状电极的装置系数采用Won公式[18]，点状电极装置系数采用点电极装置计算公式，测试结果如图2所示。图2表明两种电阻率探针的稳定性较好，测量误差均小于0.1%。

随后利用饱和标准砂测试结果对两种探针装置系数进行归一化校正。首先利用探针在饱和标准砂中连续测试得到的40组电流和电压值，计算电阻，取其平均值R平均。然后用高精度电导率仪测试标准砂真实电阻率值为ρ，则装置系数可校正为：。校正后得到环状电极电阻率探针装置系数为0.776 721 3，点状电极阵列1装置系数为0.264 001 0，阵列2装置系数为0.263 397 8。

图1 两种探针设计及实物图Fig. 1 Two kinds of probe designs and physical maps

图2 两种探针对纯水（a）和标准砂（b）电阻率测试结果Fig. 2 Test results of two kinds of probes on pure water (a) and standard sand (b)

3 气体扩散过程电阻率探针监测实验

3.1 实验设计

模型实验在 1 200 mm（L）×300 mm（W）×800 mm（H）的亚克力水槽中进行（图3）。采用粒径范围为0.25～0.5 mm，比重为 2.65，密度为 1.529 g/cm3，孔隙度为39.85%的标准砂模拟含气土层，粗砂模拟气体释放通道。

填砂时，水槽中部用直径50 mm的PVC管充填粗砂模拟气体快速释放通道，然后在其周围将标准砂均匀填入水槽至700 mm高位置，填充完毕后抽提PVC管。将水槽中的土体加水静置饱和，水体厚度为50 mm。

试验采用空气泵注气，通过玻璃转子流量计进行注气速率的控制。在距离通道底部5 cm处埋设空气泵注气口，两种探针分别距离通道30 cm对称埋设在渗气通道两端，点状电极阵列左侧测量电极正对气体快速释放通道。利用中国骄鹏集团生产的E60DN分布式型电法仪进行供电、测量。

图3 室内实验模型设计Fig. 3 Laboratory experiment model design

3.2 实验过程

未注气时，先用环状电极和点状电极分别测量背景电阻率数据。然后开始注气，通过玻璃转子流量计控制注气速率为2.25 L/min，随着注气过程持续进行，每隔2 min采集一组数据，采集数据包括环状电极电阻率探针采集的7个不同深度电阻率以及两组电极阵列采集电阻率。注气过程持续6 min后停止注气，但仍继续以2 min间隔再采集3组数据。实验全程历时12 min，结束后长时间静置至气体完全逸出。之后，其余条件不变，控制注气速率分别为4.5 L/min和9 L/min，重复以上实验。

3.3 实验结果

未注气时，点状电极阵列1、2所测背景电阻率均为23.16 Ω·m；环状电极所测不同深度电阻率约为23.12 Ω·m，电阻率偏差范围小于 0.06 Ω·m。为了更好表现实验过程中两种电阻率探针对气体扩散的监测能力，定义计算公式为

图4展示了3组不同注气速率下两种点状电极探针所测不同时刻电阻率变化比。图中显示不同注气速率条件下点状电极测试电阻率随时间变化特征具有相似性。在注气阶段，随着注气时间增长，两个阵列点电极探针测试电阻率变化比都在不断变大，说明探针位置含气量在不断变大；注气完成后电阻率还在不断增大到8 min时刻，说明停止注气后，注气点气体还在不断向观测点汇聚，观测位置含气量仍在增大；随后电阻率值都开始减小，说明测量位置的气体在不断向外扩散，含量在不断变小。阵列1测量值达到极大值后的衰减规律和上升规律相似，说明该布设位置气体汇集的速率和扩散速率相似，而阵列2测量值在低注气速率时显示到达极值后衰减缓慢，说明气体扩散速率缓慢。对比不同注气速率测试电阻率比曲线可以看到，随注气速率增大，相同时刻测量电阻率值呈梯度增大，说明短时间内汇集的气体越快、越多。两种不同电极排列方式阵列对气体逸散过程的反映特征具有相似性，但阵列1测量结果更加稳定。

图4 3种速率注气过程两种阵列点状电极探针实测电阻率变化比Fig. 4 The measured resistivity change ratio of two array point-shaped electrode probes at three rate injecting process

图5 为两种速率注气过程环状电极探针实测电阻率变化比，绘图时以土层表面作为深度坐标0点进行标注。图中显示当注气速率为4.5 L/min时，注气过程中不同深度位置电阻率比都缓慢变大，注气停止后仍处于相对稳定的高值状态。从注气第4 min起，20～40 cm区间电阻率变化处于相对高值状态，并保持到实验结束。注气速率为9 L/min时，注气过程中靠近注气点位置的电阻率比快速变大，并逐步向浅部扩展。在注气6 min时，不同深度位置电阻率值瞬间变大，在停止注气2 min时处于相对稳定的高值状态，此后整体缓慢减小。两种注气条件下监测数据变化特征不同反映了气体扩散规律不同。

4 问题分析与讨论

4.1 基于点状电极探针探测结果的监测点气体运移特征分析

（1）不同注气条件监测点含气量变化分析

砂土电阻率可根据Archie[19]公式表示为

未注气时，s=1，设饱和砂土（背景）电阻率。

当砂土充气时电阻率可表示为

则实测电阻率变化率可表示为

根据Breend等[20]含气砂土模型实验，取n=2，则含气饱和度表示为

图5 两种速率注气过程环状电极探针实测电阻率变化比Fig. 5 Measured resistivity change ratio of ring-shaped electrode probe during two rate injection

根据公式（4）和图4所示的实测电阻率变化比，可计算得到不同注气过程探针实测的砂土中含气量变化，如图6所示。图6显示了不同注气过程监测点含气量变化规律不同，含气饱和度最大可达到1.5%。

（2）不同注气条件气体汇集和消散速率分析

图6 不同注气过程点状电极探针实测含气饱和度变化Fig. 6 Gas saturation analysis of point-shaped electrode probes in different gas injection processes

图7 为不同注气过程，两个点电极探针实测含气饱和度变化趋势线，趋势线斜率不同反映了气体汇聚和扩散速率不同。图7显示不同时段含气饱和度增大和减小均呈线性变化。注气速率越高，含气饱和度增大趋势线斜率越高，但减小的趋势线斜率基本相同，反映汇聚过程气体运移速率快，消散过程运移速率则相近。停止注气到8～10 min阶段，含气饱和度继续增大，但趋势线斜率降低说明运移速率减小。两个电极阵列监测的含气饱和度整体变化规律一致，但不同阶段阵列2观测值趋势线略低于阵列1，说明气体扩散和汇聚速度较低。监测曲线分析结果和实际气体迁移过程具有一致性。

（3）注气速率对电阻率观测值影响分析

图7 点状电极探针监测点气体扩散和消散过程趋势线Fig. 7 Gas diffusion and dissipation process trend line at the monitoring point of the point-shaped electrode probe

图8 注气速率对电阻率影响分析Fig. 8 Influences of gas injection rate on resistance rate

图8 为注气时间6 min时不同注气速率对电阻率观测值影响趋势线，两种探针电阻率观测值均随注气速率增加呈现线性增加。注气速率越快，经过探针所测区域内的瞬态含气量越大，对应的电阻率观测值越大。说明气体运移速度对两种探针的监测效果具有一致性，气量越大探针监测效果越灵敏。

4.2 基于环状电极探针探测结果的气体空间运移特征分析

对比环状电极探针实测电阻率变化比和观测的气体溢出情况，可以判定气体的空间运移特征如图9所示。

图9 气体空间运移模式Fig. 9 Pattern diagram of gas space migration

注气初期气体主要在通道中运移，并同时向探针方向扩散，在探针下部聚集，随后向上扩散，图9显示的电阻率变化比和这种扩散规律相对应。在9 L/min注气过程的第6 min，观测到气体沿探针溢出，此时电阻率变化比整体突然变大就与这种情形相对应。

4.3 两种探针探测灵敏度分析

为对比两种探针探测灵敏度，取不同注气速率下环状电极探针的B、C、D、E电极实测与对称位置同样深度处的电极阵列1实测进行对比，见图10a；取环状电极探针F、G、H、I电极实测与电极阵列2实测进行对比，见图10b。该对比结果反映了不同探针对相同气体状态的探测能力。

图10显示高速注气时两种探针监测值都能清晰的反映出气体汇聚和消散过程，并具有相似变化特征，但点状电极探针监测值异常幅度可达环状电极探针的3～5倍。低速注气时，点状电极探针监测值仍能清晰的反映出气体汇聚和消散过程，但环状电极探针监测值变化不明显。实验结果表明，点状电极探针探测灵敏度高于环状电极探针。

图10 对称位置两种探针探测电阻率变化比比较Fig. 10 Comparison of the resistivity ratios of two probes detecting at symmetrical positions

5 结论

（1）相同气体扩散条件下，点状电极探针实时监测电阻率异常幅度为环状电极探针监测值的3～5倍，监测灵敏度较高。根据点状电极探针监测电阻率变化比，基于变换的Archie公式可计算得到不同时刻土体中含气饱和度。进一步根据实测含气饱和度变化趋势线特征，可有效判定气体汇聚和消散速率。在本文试验中3种速率气体扩散过程的不同特征都在不同埋深电极阵列实测曲线上得到清晰的反映。

（2）虽然监测灵敏度不及点状电极探针，但环状电极探针可实现一定空间内气体扩散过程监测，空间中不同时刻气体分布区表现为相应位置的监测电阻率变化比异常。该方法只能定性判定气体的存在，并不能对气体分布边界进行精确判定。但当气体沿监测杆快速渗漏时，监测异常会发生突变。

（3）两种电极探针原理清晰、制作简单、对气体运移和扩散过程监测能力较强，可作为海底浅层气原位监测的有效手段。

表A1 两种电阻率探针纯水中电阻率测试数据Table A1 Resistivity data of two resistivity probes tested in the pure water

表A2 两种电阻率探针砂土中电阻率测试数据Table A2 Resistivity data of two resistivity probes tested in the sand