海底砂土中氣體運移過程電阻率監(jiān)測探針設計與實驗

孫翔，郭秀軍，吳景鑫

( 1. 山東省海洋環(huán)境地質工程重點實驗室，山東 青島 266100；2. 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100；3. 中國海洋大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100)

1 引言

適宜條件下，海底土中會以多種方式生成氣體。氣體形成后，在浮力和動、靜壓力作用下，會在高滲透性土中發(fā)生垂直和水平方向的運移、聚集[1-2]。土中存在的斷層、不整合面和底辟構造會形成良好的輸氣通道，更有利于氣體運移到淺層，形成淺層氣藏[3]。土中氣體聚集，會造成土體有效應力降低，誘發(fā)大面積的地層變形或失穩(wěn)破壞；氣體釋放則會劇烈擾動含氣層，降低土體抗剪強度，引起含氣層的沉降變形和上覆地層的下沉，從而誘發(fā)工程災害[2]。近年來在我國渤海油田、東部沿海和長江中下游地區(qū)都遇到過含氣土造成的工程事故[4]。在美國墨西哥灣、英國北海等水域進行海洋油氣資源勘探開發(fā)時，也因對含氣土調查不足發(fā)生過嚴重災害[5]。在一些海洋工程建設區(qū)對海底氣體運移過程進行實時監(jiān)測不僅具有重要的工程意義，同樣具有環(huán)境意義。

當前海底淺層氣運移監(jiān)測技術主要有針對溶解態(tài)氣體擴散的溫度、礦化度、壓力監(jiān)測[6]，對氣態(tài)氣體擴散和逸出的聲學探測[7-8]、對土體內部氣體擴散的孔壓監(jiān)測[9]以及對土體中氣體遷移和滲漏的電阻率監(jiān)測[10]。電阻率探針法屬于電阻率監(jiān)測技術。該技術不同于線纜式的電阻率剖面測量方法，是一種將探針直插在土中的點式測量技術，其測量精度遠高于線纜式測量，目前已在液體中氣泡流動運移監(jiān)測方面取得了一些進展[11]。此外，在淺表海洋土電阻率測試中也取得了良好效果：比如Rosenberger等[12]設計的自由落體式點電極探針和丁忠軍[13]設計的四點電極探針都應用在海洋土電阻率原位測試中；夏欣[14]和Jia等[15]設計的環(huán)狀電極探針在海水-沉積物界面變化監(jiān)測中得到較好的應用。在點狀電極和環(huán)狀電極探針對比研究方面，Demuth等[16]通過數值模擬對兩種探針在長時間工作后的穩(wěn)定性問題進行了對比分析。

氣體在土體中主要以兩種形式存在：一是孔隙氣泡，氣泡的尺寸小于孔隙直徑；二是超孔隙氣泡，氣泡的尺寸大于孔隙直徑[17]。兩種存在形式都會直接改變土體導電性，產生電性異常。但點狀和環(huán)狀電極探針對土體中氣體擴散過程的監(jiān)測能力尚未見文獻報道，監(jiān)測效果亦未可知。

為分析兩種電阻率探針對氣體在砂土中遷移過程的監(jiān)測能力，本文在前人研究基礎上，設計制作了環(huán)狀和點狀電極探針，通過分析探針檢定實驗結果，確定了兩種探針測試誤差和相應校正系數；通過分析砂土中氣體運移過程監(jiān)測試驗結果，確定了不同氣體擴散階段兩種探針監(jiān)測電阻率典型異常特征，估算了含氣飽和度，并根據含氣量變化規(guī)律確定了氣體匯聚和擴散速度。研究結果證實了兩種探針均具有良好的探測能力。

2 電阻率監(jiān)測探針制作與檢定

2.1 探針設計與制作

根據Won[18]的環(huán)狀電極測試理論和Rosenberger等[12]的點狀電極設計思想，本文制作了兩種電阻率實驗探針，如圖1所示。

環(huán)狀電極探針桿體上等距分布有10個環(huán)形電極，電極間距5 cm，電極環(huán)寬度為5 mm，直徑為4 cm。點狀電極探針桿體嵌有兩組不同極距的電極陣列，每組電極陣列6個點狀電極，電極直徑為3 mm。其中，電極陣列1中AM左=M左N左=N左B=32.5 mm，與Rosenberger設計的點狀電極探針一樣，電極為等距分布；電極陣列2中AM左=N左B=16.25 mm，M左N左=40 mm，電極呈梯度分布。

測量時環(huán)狀電極探針采用wenner裝置，自上到下依次選擇4個電極進行測量；點狀電極探桿分別采用不同陣列進行測量，其中A、B均設定為供電電極，M、N為測量電極。兩種探針測量過程的電場分布如圖1所示。對比兩種探針電場分布特征，可以確定環(huán)狀電極探針供電電流在垂直方向不同深度位置全空間流出流入，電場分布范圍較大。測量電位差主要反映沿深度方向的電位變化，測量視電阻率為垂向電阻率。而環(huán)狀電極探針供電電流在某深度的水平面內流出流入，測量電位差主要反映沿水平方向的電位變化，測量視電阻率可視為橫向電阻率。與環(huán)狀電極探針相比，點狀電極探針電極間距小，對電極附近小范圍內電場變化反映更精準。

實際制作時，探針外殼選用高強度聚乙烯材料，電極選用黃銅。電極之間通過嵌套的方式連接，每個電極都連接一根導線，從桿體內部穿過，與外部的測量儀器相連。嵌套完畢后加玻璃膠密封，保證探針的防水和密封效果。

2.2 探針校正

在純水和標準砂中分別對制作的兩種電阻率探針進行40次穩(wěn)定性測試，測試數據見附錄。電阻率計算時環(huán)狀電極的裝置系數采用Won公式[18]，點狀電極裝置系數采用點電極裝置計算公式，測試結果如圖2所示。圖2表明兩種電阻率探針的穩(wěn)定性較好，測量誤差均小于0.1%。

隨后利用飽和標準砂測試結果對兩種探針裝置系數進行歸一化校正。首先利用探針在飽和標準砂中連續(xù)測試得到的40組電流和電壓值，計算電阻，取其平均值R平均。然后用高精度電導率儀測試標準砂真實電阻率值為ρ，則裝置系數可校正為：。校正后得到環(huán)狀電極電阻率探針裝置系數為0.776 721 3，點狀電極陣列1裝置系數為0.264 001 0，陣列2裝置系數為0.263 397 8。

圖1 兩種探針設計及實物圖Fig. 1 Two kinds of probe designs and physical maps

圖2 兩種探針對純水（a）和標準砂（b）電阻率測試結果Fig. 2 Test results of two kinds of probes on pure water (a) and standard sand (b)

3 氣體擴散過程電阻率探針監(jiān)測實驗

3.1 實驗設計

模型實驗在 1 200 mm（L）×300 mm（W）×800 mm（H）的亞克力水槽中進行（圖3）。采用粒徑范圍為0.25～0.5 mm，比重為 2.65，密度為 1.529 g/cm3，孔隙度為39.85%的標準砂模擬含氣土層，粗砂模擬氣體釋放通道。

填砂時，水槽中部用直徑50 mm的PVC管充填粗砂模擬氣體快速釋放通道，然后在其周圍將標準砂均勻填入水槽至700 mm高位置，填充完畢后抽提PVC管。將水槽中的土體加水靜置飽和，水體厚度為50 mm。

試驗采用空氣泵注氣，通過玻璃轉子流量計進行注氣速率的控制。在距離通道底部5 cm處埋設空氣泵注氣口，兩種探針分別距離通道30 cm對稱埋設在滲氣通道兩端，點狀電極陣列左側測量電極正對氣體快速釋放通道。利用中國驕鵬集團生產的E60DN分布式型電法儀進行供電、測量。

圖3 室內實驗模型設計Fig. 3 Laboratory experiment model design

3.2 實驗過程

未注氣時，先用環(huán)狀電極和點狀電極分別測量背景電阻率數據。然后開始注氣，通過玻璃轉子流量計控制注氣速率為2.25 L/min，隨著注氣過程持續(xù)進行，每隔2 min采集一組數據，采集數據包括環(huán)狀電極電阻率探針采集的7個不同深度電阻率以及兩組電極陣列采集電阻率。注氣過程持續(xù)6 min后停止注氣，但仍繼續(xù)以2 min間隔再采集3組數據。實驗全程歷時12 min，結束后長時間靜置至氣體完全逸出。之后，其余條件不變，控制注氣速率分別為4.5 L/min和9 L/min，重復以上實驗。

3.3 實驗結果

未注氣時，點狀電極陣列1、2所測背景電阻率均為23.16 Ω·m；環(huán)狀電極所測不同深度電阻率約為23.12 Ω·m，電阻率偏差范圍小于 0.06 Ω·m。為了更好表現實驗過程中兩種電阻率探針對氣體擴散的監(jiān)測能力，定義計算公式為

圖4展示了3組不同注氣速率下兩種點狀電極探針所測不同時刻電阻率變化比。圖中顯示不同注氣速率條件下點狀電極測試電阻率隨時間變化特征具有相似性。在注氣階段，隨著注氣時間增長，兩個陣列點電極探針測試電阻率變化比都在不斷變大，說明探針位置含氣量在不斷變大；注氣完成后電阻率還在不斷增大到8 min時刻，說明停止注氣后，注氣點氣體還在不斷向觀測點匯聚，觀測位置含氣量仍在增大；隨后電阻率值都開始減小，說明測量位置的氣體在不斷向外擴散，含量在不斷變小。陣列1測量值達到極大值后的衰減規(guī)律和上升規(guī)律相似，說明該布設位置氣體匯集的速率和擴散速率相似，而陣列2測量值在低注氣速率時顯示到達極值后衰減緩慢，說明氣體擴散速率緩慢。對比不同注氣速率測試電阻率比曲線可以看到，隨注氣速率增大，相同時刻測量電阻率值呈梯度增大，說明短時間內匯集的氣體越快、越多。兩種不同電極排列方式陣列對氣體逸散過程的反映特征具有相似性，但陣列1測量結果更加穩(wěn)定。

圖4 3種速率注氣過程兩種陣列點狀電極探針實測電阻率變化比Fig. 4 The measured resistivity change ratio of two array point-shaped electrode probes at three rate injecting process

圖5 為兩種速率注氣過程環(huán)狀電極探針實測電阻率變化比，繪圖時以土層表面作為深度坐標0點進行標注。圖中顯示當注氣速率為4.5 L/min時，注氣過程中不同深度位置電阻率比都緩慢變大，注氣停止后仍處于相對穩(wěn)定的高值狀態(tài)。從注氣第4 min起，20～40 cm區(qū)間電阻率變化處于相對高值狀態(tài)，并保持到實驗結束。注氣速率為9 L/min時，注氣過程中靠近注氣點位置的電阻率比快速變大，并逐步向淺部擴展。在注氣6 min時，不同深度位置電阻率值瞬間變大，在停止注氣2 min時處于相對穩(wěn)定的高值狀態(tài)，此后整體緩慢減小。兩種注氣條件下監(jiān)測數據變化特征不同反映了氣體擴散規(guī)律不同。

4 問題分析與討論

4.1 基于點狀電極探針探測結果的監(jiān)測點氣體運移特征分析

（1）不同注氣條件監(jiān)測點含氣量變化分析

砂土電阻率可根據Archie[19]公式表示為

未注氣時，s=1，設飽和砂土（背景）電阻率。

當砂土充氣時電阻率可表示為

則實測電阻率變化率可表示為

根據Breend等[20]含氣砂土模型實驗，取n=2，則含氣飽和度表示為

圖5 兩種速率注氣過程環(huán)狀電極探針實測電阻率變化比Fig. 5 Measured resistivity change ratio of ring-shaped electrode probe during two rate injection

根據公式（4）和圖4所示的實測電阻率變化比，可計算得到不同注氣過程探針實測的砂土中含氣量變化，如圖6所示。圖6顯示了不同注氣過程監(jiān)測點含氣量變化規(guī)律不同，含氣飽和度最大可達到1.5%。

（2）不同注氣條件氣體匯集和消散速率分析

圖6 不同注氣過程點狀電極探針實測含氣飽和度變化Fig. 6 Gas saturation analysis of point-shaped electrode probes in different gas injection processes

圖7 為不同注氣過程，兩個點電極探針實測含氣飽和度變化趨勢線，趨勢線斜率不同反映了氣體匯聚和擴散速率不同。圖7顯示不同時段含氣飽和度增大和減小均呈線性變化。注氣速率越高，含氣飽和度增大趨勢線斜率越高，但減小的趨勢線斜率基本相同，反映匯聚過程氣體運移速率快，消散過程運移速率則相近。停止注氣到8～10 min階段，含氣飽和度繼續(xù)增大，但趨勢線斜率降低說明運移速率減小。兩個電極陣列監(jiān)測的含氣飽和度整體變化規(guī)律一致，但不同階段陣列2觀測值趨勢線略低于陣列1，說明氣體擴散和匯聚速度較低。監(jiān)測曲線分析結果和實際氣體遷移過程具有一致性。

（3）注氣速率對電阻率觀測值影響分析

圖7 點狀電極探針監(jiān)測點氣體擴散和消散過程趨勢線Fig. 7 Gas diffusion and dissipation process trend line at the monitoring point of the point-shaped electrode probe

圖8 注氣速率對電阻率影響分析Fig. 8 Influences of gas injection rate on resistance rate

圖8 為注氣時間6 min時不同注氣速率對電阻率觀測值影響趨勢線，兩種探針電阻率觀測值均隨注氣速率增加呈現線性增加。注氣速率越快，經過探針所測區(qū)域內的瞬態(tài)含氣量越大，對應的電阻率觀測值越大。說明氣體運移速度對兩種探針的監(jiān)測效果具有一致性，氣量越大探針監(jiān)測效果越靈敏。

4.2 基于環(huán)狀電極探針探測結果的氣體空間運移特征分析

對比環(huán)狀電極探針實測電阻率變化比和觀測的氣體溢出情況，可以判定氣體的空間運移特征如圖9所示。

圖9 氣體空間運移模式Fig. 9 Pattern diagram of gas space migration

注氣初期氣體主要在通道中運移，并同時向探針方向擴散，在探針下部聚集，隨后向上擴散，圖9顯示的電阻率變化比和這種擴散規(guī)律相對應。在9 L/min注氣過程的第6 min，觀測到氣體沿探針溢出，此時電阻率變化比整體突然變大就與這種情形相對應。

4.3 兩種探針探測靈敏度分析

為對比兩種探針探測靈敏度，取不同注氣速率下環(huán)狀電極探針的B、C、D、E電極實測與對稱位置同樣深度處的電極陣列1實測進行對比，見圖10a；取環(huán)狀電極探針F、G、H、I電極實測與電極陣列2實測進行對比，見圖10b。該對比結果反映了不同探針對相同氣體狀態(tài)的探測能力。

圖10顯示高速注氣時兩種探針監(jiān)測值都能清晰的反映出氣體匯聚和消散過程，并具有相似變化特征，但點狀電極探針監(jiān)測值異常幅度可達環(huán)狀電極探針的3～5倍。低速注氣時，點狀電極探針監(jiān)測值仍能清晰的反映出氣體匯聚和消散過程，但環(huán)狀電極探針監(jiān)測值變化不明顯。實驗結果表明，點狀電極探針探測靈敏度高于環(huán)狀電極探針。

圖10 對稱位置兩種探針探測電阻率變化比比較Fig. 10 Comparison of the resistivity ratios of two probes detecting at symmetrical positions

5 結論

（1）相同氣體擴散條件下，點狀電極探針實時監(jiān)測電阻率異常幅度為環(huán)狀電極探針監(jiān)測值的3～5倍，監(jiān)測靈敏度較高。根據點狀電極探針監(jiān)測電阻率變化比，基于變換的Archie公式可計算得到不同時刻土體中含氣飽和度。進一步根據實測含氣飽和度變化趨勢線特征，可有效判定氣體匯聚和消散速率。在本文試驗中3種速率氣體擴散過程的不同特征都在不同埋深電極陣列實測曲線上得到清晰的反映。

（2）雖然監(jiān)測靈敏度不及點狀電極探針，但環(huán)狀電極探針可實現一定空間內氣體擴散過程監(jiān)測，空間中不同時刻氣體分布區(qū)表現為相應位置的監(jiān)測電阻率變化比異常。該方法只能定性判定氣體的存在，并不能對氣體分布邊界進行精確判定。但當氣體沿監(jiān)測桿快速滲漏時，監(jiān)測異常會發(fā)生突變。

（3）兩種電極探針原理清晰、制作簡單、對氣體運移和擴散過程監(jiān)測能力較強，可作為海底淺層氣原位監(jiān)測的有效手段。

表A1 兩種電阻率探針純水中電阻率測試數據Table A1 Resistivity data of two resistivity probes tested in the pure water

表A2 兩種電阻率探針砂土中電阻率測試數據Table A2 Resistivity data of two resistivity probes tested in the sand