郭珍琦，劉濤,2,3*，吳琛，蘇秀婷,4，李三鵬

( 1. 中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室，山東 青島 266237；3. 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室，山東 青島 266100；4. 上?？辈煸O(shè)計研究院(集團)有限公司青島分公司，山東 青島 266199)

1 引言

含氣土普遍存在于世界五大洲的臨海港灣，包括美洲墨西哥灣、非洲幾內(nèi)亞灣、歐洲北海、大洋洲的普倫蒂灣等海洋工程建設(shè)較為頻繁的海域[1]，黃海、渤海、東海、南海等海域離岸200 km以內(nèi)，水深2～200 m的地層以下廣泛分布著含氣土[2]。針對含氣土的識別、賦存形式、儲層特征，從宏觀到微觀特征均已經(jīng)積累了許多成果[3]。由于在含氣土中，氣體含量和氣泡的尺寸分布對含氣土的力學(xué)性質(zhì)存在著重要影響[4]，部分學(xué)者將有效介質(zhì)理論、CT掃描技術(shù)運用到了含氣土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)表征的研究[5]。

Anderson等[6]認(rèn)為，含氣土氣泡微觀結(jié)構(gòu)主要有3種類型：間隙氣泡、儲藏氣泡、置換氣泡。基于土孔隙微觀尺度的有效介質(zhì)理論，Warner等[7]的實驗結(jié)果也表明了氣泡存在會使得飽和基質(zhì)中的有效應(yīng)力和孔隙比不均勻分布。Sham[8]對重塑含氣高嶺黏土的不排水剪切過程中氣泡淹水現(xiàn)象很難發(fā)生（即含氣量很難超過臨界含氣量）做出了解釋。Wheeler[9]將含大氣泡土視為包含球形填充物的復(fù)合材料。Sultan等[10]研究了不排水卸載過程中氣體析出和氣泡擴張對含氣土固結(jié)和不排水剪切特性的影響，也得到了相似的結(jié)果。Best等[11]對保壓取樣的含氣土利用CT證實了潮汐作用下土中的氣泡的存在，但當(dāng)時CT精度僅為0.5 mm。Kim等[12]通過CT測試等手段，對微觀尺度下氣泡與聲速的關(guān)系進行了研究，并得到了微觀氣泡大小與聲速的經(jīng)驗關(guān)系式，但并未深入剖析含氣土的三相介質(zhì)互相之間的關(guān)系。Hong等[13]和Thomas等[14]分別從我國舟山5 m水深海域和非洲幾內(nèi)亞灣280 m水深海域取得了含氣黏土樣，從宏觀尺度上分析了含氣土的土樣表面明顯的氣孔。Duffy等[15]通過扭轉(zhuǎn)應(yīng)力?應(yīng)變環(huán)和扭轉(zhuǎn)共振柱試驗研究了含氣量對含氣土彈性剪切模量的影響。試驗結(jié)果表明，很少量的氣體就會導(dǎo)致土體不排水剪切模量減少50%。張巍等[16]通過分辨率為14 μm的工業(yè)顯微CT對砂雨法制作的不含水粉砂土樣進行了掃描，計算土樣的體積和表觀孔隙率。Liu等[17]和Zhang等[18]利用數(shù)碼相機及時記錄產(chǎn)生的氣泡大小并利用傳感器記錄壓力以及產(chǎn)氣量等隨時間的變化。

綜上所述，目前的研究表明，含氣土的力學(xué)性質(zhì)會因為土體中“氣”的存在而發(fā)生改變，在外部荷載的作用下，含氣土體會發(fā)生蠕動導(dǎo)致下陷[19]，但影響不同儲氣壓力下含氣土中孔隙細(xì)觀三相介質(zhì)的機制仍不清晰，制約了對海底淺層氣的探測和研究。本文利用工業(yè)級CT反應(yīng)器對不同氣藏壓力的土樣品進行CT掃描試驗，掃描后獲取了含氣土X-Y平面、X-Z平面和Y-Z平面各1000張原始CT圖像，進一步提取不同氣藏壓力下含氣土的固、液、氣組分及氣泡數(shù)、體積等微觀參數(shù)，分析了氣泡數(shù)與氣泡等效半徑的關(guān)系，為海洋工程建設(shè)中針對含氣土安全性研究提供了實驗支持。

2 含氣土實驗測試原理

2.1 含氣土樣品制備

實驗采用黃河入?？诤┩烈灾苽浜瑲馔翗悠罚瑲怏w采用濃度為99.9%的甲烷氣體。含氣土樣品的制作可分為4個主要步驟：（1）將取回的原狀樣品土用操作盤置于溫度為95℃馬弗爐內(nèi)烘干6 h以上；（2）將干燥土樣碾碎，使用孔隙直徑為0.7 mm的篩子進行初步篩分，去除原狀樣品土中的粗粒土與有機物雜質(zhì)；（3）對樣品稱重并取出干土樣0.5 kg，將其等分為5份，同時每100 g干燥土樣品加水40 g，使其含水率為40%，混合均勻，保存在保濕袋中；（4）對實驗反應(yīng)釜進行氣密性測試，將氣壓加壓至8 MPa后關(guān)閉反應(yīng)釜注氣閥，若反應(yīng)釜內(nèi)部壓力保持30 min不變，證明其氣密封性良好，制樣所用土樣、甲烷、反應(yīng)釜如圖1所示。

圖1 制樣所用的土樣、甲烷和反應(yīng)釜Fig. 1 Soil sample, methane and reactor used for sample preparation

參考《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的方法，對樣品砂土進行相關(guān)實驗，測得實驗樣品的粒徑、比重、含水率、孔隙度、飽和度等參數(shù)（表1）。

表1 實驗砂土基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of experimental sand

對實驗樣品進行顆粒粒度分析，獲得樣品粒徑級配曲線（圖2），樣品屬于粉砂，其中粗顆粒較多。同時，實驗樣品土的設(shè)計尺寸直徑為2.5 cm，高為5 cm的圓柱體，計算可知體積為24.5 cm3。

圖2 實驗樣品顆粒級配曲線Fig. 2 Particle grading curve of experimental sample

2.2 CT掃描測試與圖像預(yù)處理

本實驗CT設(shè)備為Phoenix V | Tome | X型工業(yè)CT，其主要參數(shù)：180 kV/15 W高功率納米焦點X射線管；240 kV/320 W微米焦點射線管，幀頻可達(dá)30 fps；平板探測器面積為20 cm×20 cm。

實驗采集的圖像為1000體素×1000體素，每個體素大小（空間分辨率）為21.74 μm。將土樣均勻裝入反應(yīng)釜。將裝填樣品完畢的反應(yīng)釜固定在CT工作室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)臺，設(shè)定旋轉(zhuǎn)步長為0.3°/s，樣品沿XY平面方向勻速旋轉(zhuǎn)360°以獲得土樣的完整微觀圖像，掃描一次約用20 min。同一個土樣品在不同注氣壓力下的CT測試，其位置均不再變動，以便對同一樣品在不同壓力下的CT圖像進行比較。實驗所用耐高壓反應(yīng)釜的硬鋁材質(zhì)，最高承受的壓力為15 MPa，氣體為99.99%的高純甲烷，通過多頭金屬閥控制注氣。

每張CT掃描切片的左上角標(biāo)記有掃描樣品的編號，有效切片高度的截取范圍設(shè)定為0.011～21.760 mm，圖示比例為5 mm。分割所得到圖像的固、液、氣圖像與原始CT灰度圖像會存在微小差別，但總體上能夠得到質(zhì)量較高的分割結(jié)果（圖3）。

圖3 X-CT圖像切片與三維樣品預(yù)重構(gòu)Fig. 3 X-CT image slice and 3D sample pre-reconstruction

3 含氣土細(xì)觀結(jié)構(gòu)表征

3.1 CT掃描圖像切片分析

以注氣加壓得到氣藏壓力為2 MPa時的含氣土樣截取切片高度位置為2.166 mm、4.260 mm、6.160 mm的掃描圖像為例進行分析。從圖4整體可以看出，含氣土CT圖像可以較為明顯的識別出對X射線吸收最弱的，呈現(xiàn)顏色最深（黑色）的部分是氣泡；對X射線吸收最強的，呈現(xiàn)顏色最淺的部分是土骨架，部分顆粒密度較高甚至呈現(xiàn)為白色，應(yīng)為石英等高密度固體顆粒；介于氣泡和固體顆粒之間的灰色應(yīng)為孔隙水，填充在顆?？紫堕g，部分孔隙水則直接占據(jù)土骨架中的空腔。

圖4 2 MPa壓力下含氣土CT圖像切片F(xiàn)ig. 4 CT image slices of gas bearing sediments under 2 MPa pressure

進一步分析模擬不同氣藏壓力狀態(tài)下含氣土微觀結(jié)構(gòu)的差異，提取不同注氣壓力下反應(yīng)釜中相同位置的CT圖像。圖5為0 MPa、2 MPa、4 MPa和6 MPa 4個氣藏壓力下CT圖像中截取X-Z平面6.107 mm位置的土圖像，圖像尺寸為300×300像素，換算成土空間大小為6.52 mm×6.52 mm。對比觀察CT圖像左上角部分的腔體，在0～2 MPa時，圖5a和圖5b顯示腔體被孔隙水填充；當(dāng)加壓至4 MPa時，圖5c顯示腔體中心部分被甲烷氣體替代，氣泡成球形狀，而和土骨架接觸的部分仍然被孔隙水占據(jù)；繼續(xù)加壓到6 MPa時，圖5c中固、液、氣分布的基礎(chǔ)上，腔體周圍的大孔隙也被甲烷氣體替代，表明加壓注氣過程中甲烷氣含量逐漸升高。氣藏壓力為4 MPa時氣相比例最高。比較圖5c和圖5d左下角空腔可以發(fā)現(xiàn)，4 MPa時的部分孔隙會再次被氣體填充。

圖5 不同注氣壓力下的土在X-Z平面CT圖像比較Fig. 5 Comparison of X-Z plane CT images of sediments under different gas injection pressures

實驗樣品從標(biāo)準(zhǔn)大氣壓壓力下增加到2 MPa時，圖像中間局部原來被氣泡填充的孔隙會被水填充；氣藏壓力增加之后的氣泡形狀大小都是不規(guī)則的，而且可能存在兩個主體氣腔中間有一個小的通道相連接。從圖像中可以直觀得到含氣土中固體顆粒和孔隙水介質(zhì)在整個樣品上的廣泛分布，而氣泡或大或小的分布在局部位置，為典型的液相（孔隙水）連續(xù)、氣相不連續(xù)的特殊非飽和土。另一方面應(yīng)該注意到，除了0 MPa時的氣泡稍微接近球形，氣藏壓力增加之后的氣泡形狀大都是形狀不規(guī)則的，而且可能存在兩個主體氣腔中間有一個小的通道相連接。

為更形象直觀地比較不同氣藏壓力下的微觀特征，對截取切片高度為2.17 mm的CT圖像局部位置進行切片灰度分析（圖6）。對比發(fā)現(xiàn)，截取位置土顆粒骨架段在不同氣藏壓力下較為穩(wěn)定，整體隨著氣藏壓力的改變變化度較?。划?dāng)加壓注氣由2 MPa增加至4 MPa時（注氣時間為20 min），切片氣泡灰度值增加，其中相同大小的氣泡灰度值明顯上升；繼續(xù)加壓注氣至6 MPa，切片小氣泡段灰度值減小，大氣泡灰度值增加明顯；另一方面應(yīng)該注意到，除了0 MPa時的氣泡稍微接近球形，氣藏壓力增加之后的氣泡形狀大都是形狀不規(guī)則的，而且可能存在兩個主體氣腔中間有一個小的通道相連接。同時可以發(fā)現(xiàn)，實驗樣品中土顆粒密度也有差異，個別密度較大的顆粒呈現(xiàn)紅色，體積較周圍顆粒突出，可能為沉積物中的石英礦物顆粒；樣品中液相連通性較好，可以看到孔隙水成團占據(jù)空腔的現(xiàn)象，周圍隨機分布有多個大氣泡，中部則零星分散著小氣泡。

圖6 不同氣藏壓力下的樣品切片灰度值比較（高度：2.17 mm）Fig. 6 Comparison of grey degree of sample slices under different gas reservoir pressures (height: 2.17 mm)

3.2 樣品細(xì)觀尺度三維重構(gòu)特征分析

對不同氣藏壓力的含氣土進行三維重構(gòu)分析，得到了0～6 MPa下三維氣泡體積分?jǐn)?shù)，如表2所示。將氣藏壓力值與氣泡體積分?jǐn)?shù)擬合并建立了非線性擬合方程以量化兩者之間的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 氣藏壓力值與氣泡體積分?jǐn)?shù)非線性擬合曲線Fig. 7 Non-linear fitting curve of gas reservoir pressure values to bubble volume

表2 不同氣藏壓力下表觀含氣量Table 2 Apparent gas content under different gas reservoir pressures

選取4 MPa氣藏壓力下的CT圖像，對CT圖像中的固、液、氣組分標(biāo)記（圖8），可以得到CT截取部分含氣土的總體積為4039.25 mm3，其中氣泡總體積為200.877 mm3，含氣量為4.97%。

圖8 4 MPa下含氣土固、液、氣三相分布Fig. 8 Solid-liquid-gas distribution of gas-bearing soils at 4 MPa

3.3 細(xì)觀氣泡參數(shù)特征提取分析

提取4 MPa氣藏壓力下氣泡的數(shù)量和每個氣泡的體積進行分析，根據(jù)氣泡體積換算得到氣泡等效半徑的范圍為0.0135～2.513 mm，平均氣泡半徑為0.167 mm。CT圖像數(shù)據(jù)提取的最小氣泡為一個體素點，即邊長為21.74 μm的立方體，其等效半徑為13.5 μm。為分析氣泡數(shù)量、尺寸等特征，統(tǒng)計不同等效半徑范圍的累計氣泡數(shù)量和氣泡體積（圖9），呈現(xiàn)了土中不同等效半徑范圍的氣泡數(shù)量與體積分布。

由圖9可以發(fā)現(xiàn)在氣泡體積方面，大氣泡范圍的氣體體積占據(jù)絕對優(yōu)勢，等效半徑大于500 μm的氣泡，它的體積遠(yuǎn)超其他氣泡的體積，達(dá)到了157 mm3。而在氣泡數(shù)量上，小于40 μm等效半徑的氣泡占絕對優(yōu)勢，達(dá)到3000個以上，而大于500 μm等效半徑的氣泡數(shù)量在100個以下。因此在分析含氣土的物理力學(xué)性質(zhì)時，如果氣泡數(shù)量影響更大，則應(yīng)該重點分析小氣泡；若氣泡體積影響更大，則應(yīng)該重點分析大氣泡。

圖9 不同等效半徑范圍的氣泡數(shù)量與氣泡體積分布Fig. 9 Distribution of bubble number and bubble volume in different equivalent radius range

提取不同氣藏壓力下氣泡數(shù)量與等效半徑數(shù)據(jù)（圖10），各氣藏壓力下的氣泡數(shù)量和等效半徑均有較好的線性擬合關(guān)系。對比可以明顯發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)計范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，增壓階段整體呈現(xiàn)的是平移變化。具體來看，氣藏壓力從0 MPa增加到2 MPa時，統(tǒng)計數(shù)據(jù)內(nèi)對應(yīng)等效半徑的氣泡數(shù)量均呈現(xiàn)增加趨勢，但實際上等效半徑在80 μm以上的氣泡則是顯著降低的，應(yīng)該是氣藏壓力增加把稍大的氣泡“壓碎”了，導(dǎo)致大氣泡減少、小氣泡增加。氣藏壓力由2 MPa增加到4 MPa時，統(tǒng)計范圍內(nèi)的氣泡數(shù)量是降低的，壓力增加過程同時會導(dǎo)致氣體部分溶解和氣泡被壓縮，大氣泡變小而使得統(tǒng)計部分的數(shù)據(jù)整體向坐標(biāo)左下方移動。而氣藏壓力繼續(xù)增加到6 MPa時，氣泡數(shù)量則又會繼續(xù)增加。

圖10 不同氣藏壓力下氣泡數(shù)量與等效半徑的關(guān)系Fig. 10 The relationship between bubble number and equivalent radius under different gas reservoir pressures

3.4 表觀三相參數(shù)影響因素分析

為分析含氣土三相表觀參數(shù)特征，將體積為V，質(zhì)量為m的含氣土中土粒、水和氣體理想化地分離開來（圖11）。其中孔隙水體積（Vw）和游離氣泡的體積（Va）之和即為土粒間孔隙的體積（Vv）。任意位置的孔隙率（即液體介質(zhì)和氣體介質(zhì)的和）和固體體積總和是一定的，因此表觀孔隙度分布值的變化值可以等效固體體積變化值，但變化方向相反，因此通過CT圖像提取氣體含量和孔隙水含量即可得到沉積物的三相參數(shù)。

圖11 含氣土三相性示意圖Fig. 11 Three phase diagram of gas-bearing soils

提取體積含水率和體積孔隙率的變化（圖12），體積含水率由41.70%變?yōu)?1.58%，體積孔隙率由46.66%變?yōu)?6.21%，可以忽略。整體上加壓注氣前和2 MPa注氣加壓情況下，孔隙率隨土樣位置的變化路徑重合度較高，僅在17 mm位置孔隙率降低約0.4%，說明骨架整體的變化較小。而含水率局部變化明顯，4 mm以下位置含水率降低，11～12 mm位置的含水率增加，基本與含氣量的變化相反，進一步說明上部位置的加壓注氣過程，主要是沉積物中原氣泡在圍壓增加的情況下被孔隙水?dāng)D壓的微觀變化過程。對于含氣沉積物，孔隙率的變化值，即為含氣量和孔隙水的變化之和，與土骨架占總體積的變化之和是零。

圖12 0～2 MPa的表觀含水率與孔隙率分布曲線Fig. 12 Apparent water content and porosity distribution curve from 0 MPa to 2 MPa

分別提取樣品含氣量、含水率和土骨架含量的百分比變化值（圖13）。通過對含氣量、含水率和土骨架含量變化值在同一圖中的比較可以發(fā)現(xiàn)，加壓注氣使得土骨架含量整體上略微增加，考慮固體土顆粒難以壓縮的特點，應(yīng)該是注氣過程中造成的土體位移導(dǎo)致沉積物樣品的密實度更好。而沉積物上部位置，加壓注氣直接影響氣體含量，氣體變化占主導(dǎo)地位，隨之影響孔隙水運移，二者的變化趨勢相反。總的來說，加壓注氣會導(dǎo)致固、液、氣三相物質(zhì)局部變化，含氣量、含水率的變化幅度比土骨架含量（與孔隙率變化值相同）大。與0～2 MPa類似，當(dāng)2 MPa增壓到4 MPa、4 MPa增加到6 MPa過程中，含水率和土骨架含量整體降低，且變化波動非常劇烈，分析局部地區(qū)可能并不準(zhǔn)確，但觀察含氣量變化值可以非常明顯看出的不同位置的氣體含量上升且占據(jù)主導(dǎo)地位，驅(qū)動孔隙水減少和土骨架移動。

圖13 0～6 MPa的固、液、氣含量變化值比較Fig. 13 Comparison of changes of solid, liquid and gas contents between 0-6 MPa

4 結(jié)論

（1）通過對含氣土CT二維圖像和三維圖像的分析，在不對土產(chǎn)生任何擾動的情況下，可以直觀獲取含氣土內(nèi)部空間的微觀分布，改變氣藏壓力可以直觀地比較土中某一組分的變化，展示了CT技術(shù)在土微觀特征研究中具有較好的使用效果。

（2）通過對樣品不同位置CT圖像呈現(xiàn)的固、液、氣含量占比分析，獲取含氣量變化的體積信息和微觀信息。同時準(zhǔn)確的獲知氣藏壓力改變時，即使整體的含氣量、含水率和土骨架含量變化不大，但微觀局部位置會有較大的升高或降低，不同位置氣體含量的偏離值要比孔隙水和孔隙率的偏離值更大，表明氣體對土體的各向異性的影響要強于孔隙水和土骨架。

（3）含氣土在未加壓注氣時與其他氣藏壓力值下的氣泡體積差異較大，揭示了取樣測量后壓力釋放對微觀特征有難以忽略的影響。不同氣藏壓力下，以氣泡不同等效半徑范圍統(tǒng)計的氣泡的數(shù)量和體積會存在一定規(guī)律性的變化。整體上，隨著氣藏壓力的增加，小氣泡數(shù)量和體積降低，而大氣泡增加。