杭州湾浅层储气砂土的持水特性试验研究

陈楷文，王 勇，闫 锴，杨志勇

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，桂林 541004；2.中国科学院武汉岩土力学研究所，岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071)

浅层气是指埋藏深度比较浅、储量比较小的一类天然气资源，主要分布于中国江浙沿海一带。地质资料表明，杭州湾地区的第四纪全新世和晚新世地层中广泛分布有浅层气气藏，根据甲烷、乙烷的碳同位素判别浅层气属于生物成因气，主要成分为甲烷[1-2]。沉积物中的有机质经厌氧菌的生物化学作用，产生生物气，经过运移、富集，储集在附近的砂层透镜体或厚砂层顶部，形成了较大面积的浅层气气藏，压力最高可达0.5 MPa[3]。在浅层气气藏区域进行工程作业会面临许多风险，如在已建成的杭州湾公路大桥的前期地质勘探过程中，钻探时发生多次浅层气强烈井喷、燃烧现象，使施工作业受阻。砂体是浅层气的良好储集层，储有浅层气的砂土可称之为储气砂。因其水气各自连通，但气相与大气压隔绝，且压力明显高于大气压，具备这种特殊孔隙气相的储气砂土可视为一类特殊的非饱和土[4]。孔令伟等[5]指出这类特殊非饱和土的三相属于非饱和土中的双敞开系统，因而可基于非饱和土理论来分析储气砂土的工程特性。在描述非饱和土的力学特性时，首先需要研究非饱和土的持水特性，可以利用土-水特征曲线(soil water characte-ristics curve，SWCC)推导非饱和土的渗透性、抗剪强度和持水系数等参数[6]。

目前关于非饱和土的持水特性研究主要针对对象是黏土，砂土则相对少一些[7-9]。这是由于黏土具有黏聚力，可简单方便获取原状样，因此，关于储气砂的持水特性研究很少。Kong等[10]利用压力板试验获得了重塑储气砂土的SWCC。钟方杰等[11]考虑了原位净围压对储气砂土持水特性的影响，利用全球数字系统(global digital systems，GDS)三轴应力路径模块对重塑储气砂施加净围压荷载，测得不同净围压下储气砂土的持水特征试验。Xiong等[12]借助重塑储气砂土的SWCC，结合相对渗透系数、Parker模型和Fredlund非饱和土抗剪强度公式分别预测了原位含浅层气砂层的气藏压力、渗水系数、渗气系数和抗剪强度参数，从而避免了大量和耗时的非饱和土试验。然而，对于储气砂土持水特性的研究对象都为重塑砂土，缺乏对原状砂土的相关研究。

为此，以杭州湾储气砂土为研究对象，利用取砂器获取扰动较小的原状砂土。采用压力板仪对原状砂土和重塑砂土进行持水特性试验来获取SWCC；采用不同的模型对土-水特征曲线进行预测分析。根据SWCC及不同模型分析原状砂土及重塑砂土持水特性的差异，以期对工程实践提供参考。

1 试验土样及方案

1.1 原状样的获取

本次试验所用储气砂土取自杭州湾嘉甬跨海高铁大桥线路中的典型含气海域。该区潮水活动频繁，在交替的潮起潮落过程中沉积了富含有机质的淤泥层和砂层，有机质在厌氧菌的分解及化学作用下，产生气体成分以甲烷为主的生物气，主要储存在40 m和80 m附近砂土层中。

采用操作简便的取砂器来获得40 m与80 m附近砂土层中的原状样。如图1所示，取砂器由标准环刀、取样筒组成，通过取样筒两端的螺纹，实现取样筒的快速连接，再将标准环刀推入取样筒中便完成组装。当取样筒打入土层中时，样品直接进入环刀内，由刚性环刀固定夹持内部土样，借助环刀边缘受力将其推出取样筒，有效降低了原状砂土的松散及扰动。不少土工试验(如直接剪切试验、固结试验、渗透试验、无侧限试验、压力板仪试验等)都采用标准环刀样，由取砂器内的原状砂土环刀样进行相关土工试验可避免原状样成型过程中的扰动。因此，通过取砂器可方便获取扰动度较小的原状环刀样，其取样具体操作步骤如下。

图1 取砂器示意图

(1)在取样筒内壁涂抹少量凡士林，将环刀依次推入至取样筒中，把钻机的岩心管换成装有环刀的取样筒，通过钻机压入土层中。

(2)根据进尺数与取样筒的高度，确定钻机钻入深度，当取样筒装满土样时，提起钻杆卸下取样筒。

(3)在卸完每一节取样筒后，立即用密封盖拧紧取样筒两端，再对取砂器两端进行蜡封处理，并作标记，将蜡封好的取砂器包裹在隔热防震材料中以便进行运输与保存。

(4)在室温20 ℃下，取出标有40 m和80 m处土层的取砂器，拧开取砂器两端的密封盖，通过千斤顶推环刀边缘，将环刀样推出取样筒，用超薄刀片分开彼此相连的环刀，将环刀表面擦拭干净，进行相关土工试验。

1.2 土样的基本物性指标

取40 m、80 m处的原状砂土环刀样进行基本物性试验，得到砂土的基本物理性质参数及颗粒级配曲线分别如表1、图2所示。

由表1可知，1#、2#土样在垂直深度方向上，其成分无明显差别。由图2可知，80 m相比40 m处土层的细粒含量稍多，但粒径均小于2 mm，15%≤细粒含量<50%，细粒组中粉粒含量大于50%，即在深度方向上属于同一类土，根据《土工试验标准方法》(GB/T 50123—2019)可定名为粉质砂土。

表1 原状砂土基本物性参数

图2 不同深度原状砂土的粒径分布曲线

相对密度的计算公式为

Dr=[(emax-e0)/(emin-e0)]×100%

(1)

式(1)中：Dr为相对密度；emax为最大孔隙比；emin为最小孔隙比；e0为自然孔隙比。

饱和度的计算公式为

Sr=ωGs/e×100%

(2)

式(2)中：Sr为饱和度；ω为含水率；Gs为土颗粒比重；e为孔隙比。

将最大干密度、最小干密度及不同深度的初始孔隙比代入式(1)，得1#相对密度为59.9%，属于中密态；2#相对密度为98.4%，属于密实态。将含水率、比重和孔隙比代入式(2)，得1#和2#饱和度分别为81.05%、97.61%，均处于非饱和状态。

1.3 试验设备和试验方案

持水特性试验采用的设备由Fredlund教授与GCTS(Geotechnical Consulting and Testing Systems)公司联合开发的SWC-150型压力板仪，陶土板的进气值为3 bar(1 bar=105Pa)，仪器设备如图3所示。该仪器基于轴平移技术，可测定一定净法向应力状态下完整的脱湿路径和吸湿路径下SWCC。脱湿过程中的基质吸力ψ的测量，根据基质吸力的定义ψ=ua-uw，试样底部通过排水管直接与大气相通，孔隙水压uw的值由排水管中水柱高度读出，孔隙气压ua的值由压力控制面板上的压力表读出；排水量的测量，由控制面板中的一个体变管量出，另一个作为蒸发量校正管。

图3 GCTS土水特征曲线仪

压力板试验以原状和重塑的杭州湾浅层储气砂土为对象，试验方案如表2所示，具体操作步骤如下。

(1)原状样制备。取出40 m与80 m处的取砂器，通过千斤顶推出其中的原状砂土环刀样，用超薄刀片分开彼此相连的环刀；整平环刀两端土样并依次放置滤纸、透水石，通过饱和架将环刀与透水石固定，再将其放入饱和缸内抽真空饱和。

(2)重塑样制备。根据《土工试验标准方法》(GB/T 50123—2019)，采用压样法制样，由表1中所测的原状样初始孔隙比，由相对密度公式计算出所需干砂的重量，调制砂土的初始含水率为8%，通过压样器分别压制初始孔隙比约为0.663、0.447的环刀样，环刀直径6.18 cm，高度2 cm。将滤纸、透水石依次放置在压制好的环刀样两端，再由饱和架将其固定，放入饱和缸内抽真空饱和。

(3)陶土板饱和及左右两个体变管标定。将底座整体抽真空饱和，饱和时间设置为一昼夜，再通过压力板仪进行高压排水饱和，直至出水均速、无气泡。标定两个体变管每一格刻度(单位：mm)对应水的质量。具体操作是准备一个烧杯，称量其质量为m1，用注射器向体变管内注水后，记录刻度h1；再将体变管中的水从下方出水口排进烧杯，称取质量m2，体变管刻度为h2，由m=(m2-m1)/(h2-h1)可得左体变管mL=0.073 g/mm；右体变管mR=0.073 8 g/mm。

(4)试验过程。将饱和土样与饱和高进气值陶土板充分接触，安装好压力室，完成装样。本试验将右排水管作为体变管，左排水管作为对照管，用于标定蒸发量。逐级增加容器内的气压并记录气压值，待24 h的排水量小于0.1 cm3时认为排水稳定，读取左右体变管的数值，再施加下一级气压，直到施加基质吸力至最终预定值200 kPa。

(5)试验结束。取出土样并做称重、烘干再称重处理，根据排水量换算出每级基质吸力对应的试样质量含水率ω、体积含水率θ和饱和度Sr，并绘制SWCC。

2 试验结果及分析

2.1 SWCC模型对比分析

多数用于描述SWCC的方程式是根据经验和曲线的形状而建立的，在实际工程及理论研究中具有代表性的SWCC数学模型包括Brooks Corey(BC)[13]、Van Genuchten(VC)[14]以及Fredlund-Xing(FX)[15]模型。

Brooks & Corey(BC)给出了描述土的孔径分布指数λ相关的幂函数，属于单参数模型，其表达式为

(3)

式(3)中：θ为体积含水率；θr为残余含水率；θs为饱和含水率；ψb为进气压力；ψ为基质吸力；λ为孔径分布指数。孔径分布指数λ越小，表示其流速越均匀，孔隙也相应分布更均匀，相应的SWCC较为平缓。

Van Genuchten给出了一个平滑的、封闭的三参数数学模型，该模型可较好描述土SWCC的吸力与含水率的关系，属于三参数模型，其表达式为

(4)

式(4)中：α、n和m为非线性回归系数，m=1-1/n；ua-uw为基质吸力；θ为体积含水率；θs为饱和含水率；θr为残余含水率。相比BC模型，VG模型可更好地描述更宽吸力区间内吸力与含水率的关系。其中拟合参数n较大，则特征曲线也比较平坦，α较小，则土具有更大的进气值压力。

Fredlund & Xing根据土体的孔径分布特征提出了一个类似的Van Genuchten模型，属于四参数模型，其表达式为

(5)

式(5)中：C(ψ)为修正因子，其表达式如式(6)所示，该修正因子假定含水率为零时对应的基质吸力为106kPa，从而使得该模型可拟合出吸力处于0～106kPa的土水特征曲线。

(6)

式(6)中：ψr为残余含水率对应的基质吸力。

通过Origin软件对原状砂样的基质吸力与体积含水率关系曲线进行以上3种SWCC模型的拟合，结果如图4所示，参数如表3所示。从图4可见，整体上3种模型拟合得到的土水特征曲线与实测值吻合较好，其拟合相关系数R2都在0.99以上。从表3中的拟合参数可知，通过BC模型拟合的孔径分布指数λ可反映出孔隙比越小的试样，其孔隙分布越均匀。但BC模型的表达式为分段式函数，即进气值处的SWCC曲线不连续，这与实际情况不符。FX模型拟合曲线与试验值基本重合，但FX模型中的相关参数最多，所赋初始值对拟合结果影响很大。在满足拟合要求的情况下，相比BC模型与FX模型而言，VG模型属于连续函数且拟合参数更少，更适用于描述原状储气砂土的SWCC曲线。

表3 土水特征曲线模型拟合参数

图4 不同模型对实测值的拟合情况

2.2 原状样与重塑样的对比分析

原状样与重塑样的SWCC曲线如图5所示，2#砂样比1#砂样具有更高的密实度，因此其原状样或重塑样的进气值均高于1#砂样，且随基质吸力的增大土体的失水斜率更小，持水性更强。对于相同孔隙比下的砂土原状样与重塑样，其SWCC存在明显的差异，重塑样比原状样的失水斜率更小，相同含水率条件下，其对应的基质吸力更高。但是，重塑样与原状样的进气值基本相等；1#砂样的进气值约为4 kPa，2#砂样的进气值约为10.5 kPa。

图5 不同孔隙比原状样与重塑样的SWCC

影响土体SWCC曲线的因素主要有：土的矿物成分、孔隙结构、土体的收缩性、干密度、初始含水率、土的应力历史和温度等[16]。刘艳华等[17]认为影响土体基质吸力的主要因素是土的矿物成分和孔隙结构，其他因素往往是通过影响这两个基本因素而起作用的。对于原状砂样与重塑样而言，在物质成分和孔隙比相同时，影响土体持水特性的主要因素为孔隙结构。通过BC模型对原状土和重塑土的试验值进行拟合，拟合参数如表4所示。从BC模型的孔径分布指数λ可知，在相同孔隙比下，重塑样比原状样的孔径分布指数λ更小，这表明重塑砂土的孔隙分布更加均匀[13, 18]。

表4 BC模型拟合参数

不同孔隙分布影响土水作用面积和收缩膜的形

状。由毛细作用可知，毛细管直径越小，基质吸力越大，等径毛细管模型常用来描述非饱和土中孔隙的持水性，其表达式为

(7)

式(7)中：ψ为基质吸力；Ts为水的表面张力，Ts=72 mN/m(温度25 ℃、气压100 kPa)；φ为接触角；d为毛细管直径，cm。

图6为等粒土颗粒以不同排列方式组成土体时的几何平面图。土颗粒直径为D，土体断面上的最小孔隙直径为dth，最大孔隙直径为dsc，由几何关系可得

图6 等粒球状颗粒排列平面图

(8)

(9)

进一步简化为

dsc=0.41D

(10)

dth=0.15D

(11)

将式(10)、式(11)代入式(7)整理可得

(12)

基质吸力的大小取决于弯液面(又称为水-气界面或收缩膜)处的压力差，这与孔径大小和收缩膜的形状有关[19-20]。等径球按图6(a)、图6(b)中的方式排列可知，紧凑四面体将简单立方体排列中的1个大孔隙分为2个小孔隙，其收缩膜的形状发生变化。取断面上的最小孔隙直径进行分析，由式(10)、式(11)可知，最小孔隙直径相差约2.7倍。根据式(12)可知，图6中两种不同颗粒排列方式下的基质吸力最大相差约5.5倍。

分析可知，造成杭州湾储气砂土原状样和重塑样SWCC差异性的主要原因是原状砂样的结构性造成的。杭州湾砂土在水中沉积过程中，由于砂颗粒不规则，受重力作用影响，重颗粒先落下，同时土颗粒朝重心稳定的方向不断调整。因此，颗粒的排布具有一定的方向性，较易形成大孔隙架空结构。而重塑样由压样法制成，通过配置8%的含水率，搅拌均匀。在搅拌作用下，颗粒呈随机排布，粗、细粒混杂在一起。因此，重塑样具有无序状结构，宏观上质地更均匀，更易形成小孔隙稳定结构。

3 结论

(1)采用压力板仪对杭州湾储气砂土原状样和重塑样的持水特性开展研究，采用BC模型、FX模型和VG模型对比分析原状砂样的SWCC曲线可知，VG模型函数连续且参数较少，更适用于描述原状储气砂土的SWCC。

(2)原状砂土与重塑砂土具有不同的颗粒排列结构是造成砂土SWCC曲线差异性的重要原因，重塑砂土比原状土具有更加均匀的孔隙分布。

(3)在进行储气砂土的持水特性研究时，应考虑原状砂土的结构性影响；在相同含水率条件下，重塑砂土的基质吸力更大，因此采用重塑砂土的SWCC曲线预测气藏压力可能会比实际值偏高。