孫翔，郭秀軍，吳景鑫

( 1. 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2. 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；3. 中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

1 引言

適宜條件下，海底土中會(huì)以多種方式生成氣體。氣體形成后，在浮力和動(dòng)、靜壓力作用下，會(huì)在高滲透性土中發(fā)生垂直和水平方向的運(yùn)移、聚集[1-2]。土中存在的斷層、不整合面和底辟構(gòu)造會(huì)形成良好的輸氣通道，更有利于氣體運(yùn)移到淺層，形成淺層氣藏[3]。土中氣體聚集，會(huì)造成土體有效應(yīng)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(huì)劇烈擾動(dòng)含氣層，降低土體抗剪強(qiáng)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(zāi)害[2]。近年來(lái)在我國(guó)渤海油田、東部沿海和長(zhǎng)江中下游地區(qū)都遇到過(guò)含氣土造成的工程事故[4]。在美國(guó)墨西哥灣、英國(guó)北海等水域進(jìn)行海洋油氣資源勘探開(kāi)發(fā)時(shí)，也因?qū)瑲馔琳{(diào)查不足發(fā)生過(guò)嚴(yán)重災(zāi)害[5]。在一些海洋工程建設(shè)區(qū)對(duì)海底氣體運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不僅具有重要的工程意義，同樣具有環(huán)境意義。

當(dāng)前海底淺層氣運(yùn)移監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有針對(duì)溶解態(tài)氣體擴(kuò)散的溫度、礦化度、壓力監(jiān)測(cè)[6]，對(duì)氣態(tài)氣體擴(kuò)散和逸出的聲學(xué)探測(cè)[7-8]、對(duì)土體內(nèi)部氣體擴(kuò)散的孔壓監(jiān)測(cè)[9]以及對(duì)土體中氣體遷移和滲漏的電阻率監(jiān)測(cè)[10]。電阻率探針?lè)▽儆陔娮杪时O(jiān)測(cè)技術(shù)。該技術(shù)不同于線纜式的電阻率剖面測(cè)量方法，是一種將探針直插在土中的點(diǎn)式測(cè)量技術(shù)，其測(cè)量精度遠(yuǎn)高于線纜式測(cè)量，目前已在液體中氣泡流動(dòng)運(yùn)移監(jiān)測(cè)方面取得了一些進(jìn)展[11]。此外，在淺表海洋土電阻率測(cè)試中也取得了良好效果：比如Rosenberger等[12]設(shè)計(jì)的自由落體式點(diǎn)電極探針和丁忠軍[13]設(shè)計(jì)的四點(diǎn)電極探針都應(yīng)用在海洋土電阻率原位測(cè)試中；夏欣[14]和Jia等[15]設(shè)計(jì)的環(huán)狀電極探針在海水-沉積物界面變化監(jiān)測(cè)中得到較好的應(yīng)用。在點(diǎn)狀電極和環(huán)狀電極探針對(duì)比研究方面，Demuth等[16]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)兩種探針在長(zhǎng)時(shí)間工作后的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了對(duì)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(huì)直接改變土體導(dǎo)電性，產(chǎn)生電性異常。但點(diǎn)狀和環(huán)狀電極探針對(duì)土體中氣體擴(kuò)散過(guò)程的監(jiān)測(cè)能力尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，監(jiān)測(cè)效果亦未可知。

為分析兩種電阻率探針對(duì)氣體在砂土中遷移過(guò)程的監(jiān)測(cè)能力，本文在前人研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作了環(huán)狀和點(diǎn)狀電極探針，通過(guò)分析探針檢定實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了兩種探針測(cè)試誤差和相應(yīng)校正系數(shù)；通過(guò)分析砂土中氣體運(yùn)移過(guò)程監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，確定了不同氣體擴(kuò)散階段兩種探針監(jiān)測(cè)電阻率典型異常特征，估算了含氣飽和度，并根據(jù)含氣量變化規(guī)律確定了氣體匯聚和擴(kuò)散速度。研究結(jié)果證實(shí)了兩種探針均具有良好的探測(cè)能力。

2 電阻率監(jiān)測(cè)探針制作與檢定

2.1 探針設(shè)計(jì)與制作

根據(jù)Won[18]的環(huán)狀電極測(cè)試?yán)碚摵蚏osenberger等[12]的點(diǎn)狀電極設(shè)計(jì)思想，本文制作了兩種電阻率實(shí)驗(yàn)探針，如圖1所示。

環(huán)狀電極探針桿體上等距分布有10個(gè)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(diǎn)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(gè)點(diǎn)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(shè)計(jì)的點(diǎn)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(cè)量時(shí)環(huán)狀電極探針采用wenner裝置，自上到下依次選擇4個(gè)電極進(jìn)行測(cè)量；點(diǎn)狀電極探桿分別采用不同陣列進(jìn)行測(cè)量，其中A、B均設(shè)定為供電電極，M、N為測(cè)量電極。兩種探針測(cè)量過(guò)程的電場(chǎng)分布如圖1所示。對(duì)比兩種探針電場(chǎng)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(chǎng)分布范圍較大。測(cè)量電位差主要反映沿深度方向的電位變化，測(cè)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(nèi)流出流入，測(cè)量電位差主要反映沿水平方向的電位變化，測(cè)量視電阻率可視為橫向電阻率。與環(huán)狀電極探針相比，點(diǎn)狀電極探針電極間距小，對(duì)電極附近小范圍內(nèi)電場(chǎng)變化反映更精準(zhǔn)。

實(shí)際制作時(shí)，探針外殼選用高強(qiáng)度聚乙烯材料，電極選用黃銅。電極之間通過(guò)嵌套的方式連接，每個(gè)電極都連接一根導(dǎo)線，從桿體內(nèi)部穿過(guò)，與外部的測(cè)量?jī)x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(biāo)準(zhǔn)砂中分別對(duì)制作的兩種電阻率探針進(jìn)行40次穩(wěn)定性測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄。電阻率計(jì)算時(shí)環(huán)狀電極的裝置系數(shù)采用Won公式[18]，點(diǎn)狀電極裝置系數(shù)采用點(diǎn)電極裝置計(jì)算公式，測(cè)試結(jié)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(cè)量誤差均小于0.1%。

隨后利用飽和標(biāo)準(zhǔn)砂測(cè)試結(jié)果對(duì)兩種探針裝置系數(shù)進(jìn)行歸一化校正。首先利用探針在飽和標(biāo)準(zhǔn)砂中連續(xù)測(cè)試得到的40組電流和電壓值，計(jì)算電阻，取其平均值R平均。然后用高精度電導(dǎo)率儀測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)砂真實(shí)電阻率值為ρ，則裝置系數(shù)可校正為：。校正后得到環(huán)狀電極電阻率探針裝置系數(shù)為0.776 721 3，點(diǎn)狀電極陣列1裝置系數(shù)為0.264 001 0，陣列2裝置系數(shù)為0.263 397 8。

圖1 兩種探針設(shè)計(jì)及實(shí)物圖Fig. 1 Two kinds of probe designs and physical maps

圖2 兩種探針對(duì)純水（a）和標(biāo)準(zhǔn)砂（b）電阻率測(cè)試結(jié)果Fig. 2 Test results of two kinds of probes on pure water (a) and standard sand (b)

3 氣體擴(kuò)散過(guò)程電阻率探針監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

模型實(shí)驗(yàn)在 1 200 mm（L）×300 mm（W）×800 mm（H）的亞克力水槽中進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)砂模擬含氣土層，粗砂模擬氣體釋放通道。

填砂時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)采用空氣泵注氣，通過(guò)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行注氣速率的控制。在距離通道底部5 cm處埋設(shè)空氣泵注氣口，兩種探針?lè)謩e距離通道30 cm對(duì)稱埋設(shè)在滲氣通道兩端，點(diǎn)狀電極陣列左側(cè)測(cè)量電極正對(duì)氣體快速釋放通道。利用中國(guó)驕鵬集團(tuán)生產(chǎn)的E60DN分布式型電法儀進(jìn)行供電、測(cè)量。

圖3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)Fig. 3 Laboratory experiment model design

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

未注氣時(shí)，先用環(huán)狀電極和點(diǎn)狀電極分別測(cè)量背景電阻率數(shù)據(jù)。然后開(kāi)始注氣，通過(guò)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制注氣速率為2.25 L/min，隨著注氣過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，每隔2 min采集一組數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)包括環(huán)狀電極電阻率探針采集的7個(gè)不同深度電阻率以及兩組電極陣列采集電阻率。注氣過(guò)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(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)全程歷時(shí)12 min，結(jié)束后長(zhǎng)時(shí)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(fù)以上實(shí)驗(yàn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

未注氣時(shí)，點(diǎn)狀電極陣列1、2所測(cè)背景電阻率均為23.16 Ω·m；環(huán)狀電極所測(cè)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(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中兩種電阻率探針對(duì)氣體擴(kuò)散的監(jiān)測(cè)能力，定義計(jì)算公式為

圖4展示了3組不同注氣速率下兩種點(diǎn)狀電極探針?biāo)鶞y(cè)不同時(shí)刻電阻率變化比。圖中顯示不同注氣速率條件下點(diǎn)狀電極測(cè)試電阻率隨時(shí)間變化特征具有相似性。在注氣階段，隨著注氣時(shí)間增長(zhǎng)，兩個(gè)陣列點(diǎn)電極探針測(cè)試電阻率變化比都在不斷變大，說(shuō)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(shí)刻，說(shuō)明停止注氣后，注氣點(diǎn)氣體還在不斷向觀測(cè)點(diǎn)匯聚，觀測(cè)位置含氣量仍在增大；隨后電阻率值都開(kāi)始減小，說(shuō)明測(cè)量位置的氣體在不斷向外擴(kuò)散，含量在不斷變小。陣列1測(cè)量值達(dá)到極大值后的衰減規(guī)律和上升規(guī)律相似，說(shuō)明該布設(shè)位置氣體匯集的速率和擴(kuò)散速率相似，而陣列2測(cè)量值在低注氣速率時(shí)顯示到達(dá)極值后衰減緩慢，說(shuō)明氣體擴(kuò)散速率緩慢。對(duì)比不同注氣速率測(cè)試電阻率比曲線可以看到，隨注氣速率增大，相同時(shí)刻測(cè)量電阻率值呈梯度增大，說(shuō)明短時(shí)間內(nèi)匯集的氣體越快、越多。兩種不同電極排列方式陣列對(duì)氣體逸散過(guò)程的反映特征具有相似性，但陣列1測(cè)量結(jié)果更加穩(wěn)定。

圖4 3種速率注氣過(guò)程兩種陣列點(diǎn)狀電極探針實(shí)測(cè)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(guò)程環(huán)狀電極探針實(shí)測(cè)電阻率變化比，繪圖時(shí)以土層表面作為深度坐標(biāo)0點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注。圖中顯示當(dāng)注氣速率為4.5 L/min時(shí)，注氣過(guò)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(duì)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(duì)高值狀態(tài)，并保持到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。注氣速率為9 L/min時(shí)，注氣過(guò)程中靠近注氣點(diǎn)位置的電阻率比快速變大，并逐步向淺部擴(kuò)展。在注氣6 min時(shí)，不同深度位置電阻率值瞬間變大，在停止注氣2 min時(shí)處于相對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)變化特征不同反映了氣體擴(kuò)散規(guī)律不同。

4 問(wèn)題分析與討論

4.1 基于點(diǎn)狀電極探針探測(cè)結(jié)果的監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體運(yùn)移特征分析

（1）不同注氣條件監(jiān)測(cè)點(diǎn)含氣量變化分析

砂土電阻率可根據(jù)Archie[19]公式表示為

未注氣時(shí)，s=1，設(shè)飽和砂土（背景）電阻率。

當(dāng)砂土充氣時(shí)電阻率可表示為

則實(shí)測(cè)電阻率變化率可表示為

根據(jù)Breend等[20]含氣砂土模型實(shí)驗(yàn)，取n=2，則含氣飽和度表示為

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

根據(jù)公式（4）和圖4所示的實(shí)測(cè)電阻率變化比，可計(jì)算得到不同注氣過(guò)程探針實(shí)測(cè)的砂土中含氣量變化，如圖6所示。圖6顯示了不同注氣過(guò)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)含氣量變化規(guī)律不同，含氣飽和度最大可達(dá)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(guò)程點(diǎn)狀電極探針實(shí)測(cè)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(guò)程，兩個(gè)點(diǎn)電極探針實(shí)測(cè)含氣飽和度變化趨勢(shì)線，趨勢(shì)線斜率不同反映了氣體匯聚和擴(kuò)散速率不同。圖7顯示不同時(shí)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(shì)線斜率越高，但減小的趨勢(shì)線斜率基本相同，反映匯聚過(guò)程氣體運(yùn)移速率快，消散過(guò)程運(yùn)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(shì)線斜率降低說(shuō)明運(yùn)移速率減小。兩個(gè)電極陣列監(jiān)測(cè)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(cè)值趨勢(shì)線略低于陣列1，說(shuō)明氣體擴(kuò)散和匯聚速度較低。監(jiān)測(cè)曲線分析結(jié)果和實(shí)際氣體遷移過(guò)程具有一致性。

（3）注氣速率對(duì)電阻率觀測(cè)值影響分析

圖7 點(diǎn)狀電極探針監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體擴(kuò)散和消散過(guò)程趨勢(shì)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(duì)電阻率影響分析Fig. 8 Influences of gas injection rate on resistance rate

圖8 為注氣時(shí)間6 min時(shí)不同注氣速率對(duì)電阻率觀測(cè)值影響趨勢(shì)線，兩種探針電阻率觀測(cè)值均隨注氣速率增加呈現(xiàn)線性增加。注氣速率越快，經(jīng)過(guò)探針?biāo)鶞y(cè)區(qū)域內(nèi)的瞬態(tài)含氣量越大，對(duì)應(yīng)的電阻率觀測(cè)值越大。說(shuō)明氣體運(yùn)移速度對(duì)兩種探針的監(jiān)測(cè)效果具有一致性，氣量越大探針監(jiān)測(cè)效果越靈敏。

4.2 基于環(huán)狀電極探針探測(cè)結(jié)果的氣體空間運(yùn)移特征分析

對(duì)比環(huán)狀電極探針實(shí)測(cè)電阻率變化比和觀測(cè)的氣體溢出情況，可以判定氣體的空間運(yùn)移特征如圖9所示。

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

注氣初期氣體主要在通道中運(yùn)移，并同時(shí)向探針?lè)较驍U(kuò)散，在探針下部聚集，隨后向上擴(kuò)散，圖9顯示的電阻率變化比和這種擴(kuò)散規(guī)律相對(duì)應(yīng)。在9 L/min注氣過(guò)程的第6 min，觀測(cè)到氣體沿探針溢出，此時(shí)電阻率變化比整體突然變大就與這種情形相對(duì)應(yīng)。

4.3 兩種探針探測(cè)靈敏度分析

為對(duì)比兩種探針探測(cè)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(shí)測(cè)與對(duì)稱位置同樣深度處的電極陣列1實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖10a；取環(huán)狀電極探針F、G、H、I電極實(shí)測(cè)與電極陣列2實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖10b。該對(duì)比結(jié)果反映了不同探針對(duì)相同氣體狀態(tài)的探測(cè)能力。

圖10顯示高速注氣時(shí)兩種探針監(jiān)測(cè)值都能清晰的反映出氣體匯聚和消散過(guò)程，并具有相似變化特征，但點(diǎn)狀電極探針監(jiān)測(cè)值異常幅度可達(dá)環(huán)狀電極探針的3～5倍。低速注氣時(shí)，點(diǎn)狀電極探針監(jiān)測(cè)值仍能清晰的反映出氣體匯聚和消散過(guò)程，但環(huán)狀電極探針監(jiān)測(cè)值變化不明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，點(diǎn)狀電極探針探測(cè)靈敏度高于環(huán)狀電極探針。

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

5 結(jié)論

（1）相同氣體擴(kuò)散條件下，點(diǎn)狀電極探針實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電阻率異常幅度為環(huán)狀電極探針監(jiān)測(cè)值的3～5倍，監(jiān)測(cè)靈敏度較高。根據(jù)點(diǎn)狀電極探針監(jiān)測(cè)電阻率變化比，基于變換的Archie公式可計(jì)算得到不同時(shí)刻土體中含氣飽和度。進(jìn)一步根據(jù)實(shí)測(cè)含氣飽和度變化趨勢(shì)線特征，可有效判定氣體匯聚和消散速率。在本文試驗(yàn)中3種速率氣體擴(kuò)散過(guò)程的不同特征都在不同埋深電極陣列實(shí)測(cè)曲線上得到清晰的反映。

（2）雖然監(jiān)測(cè)靈敏度不及點(diǎn)狀電極探針，但環(huán)狀電極探針可實(shí)現(xiàn)一定空間內(nèi)氣體擴(kuò)散過(guò)程監(jiān)測(cè)，空間中不同時(shí)刻氣體分布區(qū)表現(xiàn)為相應(yīng)位置的監(jiān)測(cè)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(duì)氣體分布邊界進(jìn)行精確判定。但當(dāng)氣體沿監(jiān)測(cè)桿快速滲漏時(shí)，監(jiān)測(cè)異常會(huì)發(fā)生突變。

（3）兩種電極探針原理清晰、制作簡(jiǎn)單、對(duì)氣體運(yùn)移和擴(kuò)散過(guò)程監(jiān)測(cè)能力較強(qiáng)，可作為海底淺層氣原位監(jiān)測(cè)的有效手段。

表A1 兩種電阻率探針純水中電阻率測(cè)試數(shù)據(jù)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(cè)試數(shù)據(jù)Table A2 Resistivity data of two resistivity probes tested in the sand