特長油氣田區(qū)高瓦斯隧道地質(zhì)構(gòu)造與瓦斯精準(zhǔn)探測方法研究

姚海波 高 峰 張文選 孟慶明 羅世剛

(1.北方工業(yè)大學(xué)， 北京100088；2.中國水利水電第七工程局有限公司第一分局， 四川 眉山 620860；3.中國電建集團(tuán)鐵路建設(shè)有限公司成都公司， 成都 610017)

21世紀(jì)以來，我國隧道與地下工程得到了長足的發(fā)展。僅就鐵路系統(tǒng)統(tǒng)計[1]，2018年新增開通運營線路隧道550座，總長1 005 km。其中，長度10 km以上的特長隧道12座，總長約144 km；在建鐵路隧道 3 477座，總長7 465 km。規(guī)劃隧道6 327座，總長 15 634 km。

我國幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，大規(guī)模的隧道建設(shè)，尤其是特長隧道的施工，經(jīng)常引發(fā)惡性地質(zhì)災(zāi)害。其中，瓦斯隧道就是一類極具特點的高風(fēng)險隧道工程。2015年2月24日,龍泉驛區(qū)洛帶鎮(zhèn)五洛路1號隧道發(fā)生瓦斯爆炸事故,造成7人死亡、19人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失超過 1 620萬元；2017年5月2日，成貴高速鐵路七扇巖隧道發(fā)生瓦斯爆炸，造成12人死亡、12人受傷。而上溯至2005年12月22日，四川省都江堰至汶川高速公路董家山隧道工程發(fā)生特別重大瓦斯爆炸事故，造成44人死亡、11人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失 2 035萬元?？梢?，瓦斯隧道施工風(fēng)險極高，與瓦斯相關(guān)的事故后果異常嚴(yán)重。因此，加強瓦斯探測方法的研究，提高探測精度是瓦斯防治的重要前提。

1 工程背景

某鐵路隧道分為左、右線，左線隧道起止里程為ZCK 41+295～ZCK 50+952，全長 9 657 m；右線隧道起止里程為YCK 41+295～YCK 50+990，全長 9 695 m，隧道最大埋深275 m。隧道區(qū)域為龍泉山油氣田分布區(qū)域，沿線地質(zhì)條件多變，為高瓦斯隧道。其中YCK 42+017～YCK 43+750和YCK 44+450～YCK 47+500為高瓦斯段，其余段落為低瓦斯段。高瓦斯區(qū)域與低瓦斯區(qū)域各約占隧道長度的50%。

龍泉山由北東走向南西，橫亙于川西平原與川中丘陵之間，為天然的地理分界線。山體地面高程可達(dá)480～985 m，其地勢高聳，山形險峻，相對高差50～300 m，因而地貌起伏大，多處懸崖峭壁。測區(qū)屬揚子準(zhǔn)地臺四川臺坳川西臺陷構(gòu)造單元，主要構(gòu)造體系為龍泉山斷褶束，以龍泉山箱狀大背斜為主，含一系列褶皺、沖斷層，走向北東20°～30°。隧址區(qū)發(fā)育構(gòu)造包括臥龍寺向斜、龍泉驛背斜、龍泉驛斷層和馬鞍山斷層。測區(qū)地層自上而下依次為第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)泥巖夾砂巖、侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J3s)泥巖夾砂巖、侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)泥巖夾砂巖。

2 孕災(zāi)機制研究

在漫長的地質(zhì)歷史中，龍泉山經(jīng)歷了特殊的沉積建造和構(gòu)造演化過程，從而賦予了龍泉山獨特的油氣富集機制。

2.1 區(qū)域沉積建造與構(gòu)造演化研究[2]

2.1.1寒武紀(jì)-三疊紀(jì)演化特征

研究區(qū)處于四川盆地，在區(qū)域構(gòu)造上歸屬于揚子準(zhǔn)地臺中二級構(gòu)造單元—四川臺坳。呈北東向的菱形盆地狀，西以江油-灌縣斷裂、東以七曜山斷裂為界。它在古生代是一個相對隆起區(qū)，發(fā)育了海相地臺型建造序列，沉積物厚度比周邊薄。臺坳核部是一北東向的陸核。川中普遍缺失泥盆系和石炭系，古隆起核部二疊系常與下奧陶統(tǒng)或寒武系平行不整合接觸。

早三疊世晚期，該區(qū)發(fā)育成為半封閉的內(nèi)海盆地，以龍泉山和華鎣山為中心逐步形成“水下高地”，發(fā)育蒸發(fā)式建造。中三疊世時兩個水下高地進(jìn)一步發(fā)展，周邊古陸擴(kuò)大，使海盆封閉更趨完善，發(fā)育了蒸發(fā)式建造。內(nèi)陸盆地的形成始于晚三疊世晚期。受印支運動末幕的影響，三疊紀(jì)后本區(qū)進(jìn)入陸相沉積階段。紅色復(fù)陸屑建造西厚東薄，西部上三疊統(tǒng)-第四系發(fā)育齊全，厚度巨大，具多層礫巖，向東厚度減薄，甚至缺失。

2.1.2侏羅紀(jì)巖相古地理

(1)早侏羅世珍珠沖期-自流井期

本期屬湖泊相沉積，可進(jìn)一步劃分為深湖、淺湖、濱湖相，而且早世各期的深湖相區(qū)幾乎全位于四川湖的偏北部，大致以南充-達(dá)縣為中心。深湖相沉積物以黑色泥頁巖為主，發(fā)育水平層理；淺湖相為灰綠色砂泥巖夾泥灰?guī)r；濱湖相則為紫紅色砂巖、含礫砂巖等粗粒且分選較好的沉積物。

(2)中侏羅世新田溝期-上沙溪廟期

中侏羅世，四川盆地大范圍抬升，在新田溝期之初，盆底出露水面，遭受剝蝕，形成礫巖堆積。隨后小幅下降，沉入水下，接受灰綠、紫紅色砂巖、泥巖沉積，大區(qū)域?qū)贉\湖-濱湖或濱湖沼澤環(huán)境。

晚新田溝期，以紫紅色泥巖、砂巖為主，發(fā)育交錯層理，沖刷構(gòu)造，具有河流相沉積特征。

新田溝期末，燕山運動波及本區(qū)，隨四川西部山區(qū)的強烈隆升，盆地區(qū)也相繼隆升，致使新田溝組被剝蝕殆盡或大部遭受剝蝕致使在龍門山地中段前緣，下沙溪廟組底部厚達(dá)千米的沖積扇相礫巖、砂礫巖超覆于自流井組之上。

上、下沙溪廟期則沉積了近千余米厚紅色碎屑巖沉積，其粒度粗、分選差，發(fā)育平行層理與交錯層理，顯示為河流沖擊與洪積物沉積。泥巖中見薄層石膏沉積，表明中侏羅世中、晚期的氣候已趨于干旱。

(3)晚侏羅世遂寧期-蓬萊鎮(zhèn)期

遂寧期四川盆地相對寧靜，沉積了大面積的紫紅色厚層泥巖夾粉砂巖地層，水平層理發(fā)育，可見波痕、泥裂，局部含薄層石膏沉積，表明當(dāng)時氣候干旱，為強氧化的淺湖沉積環(huán)境。

蓬萊鎮(zhèn)期龍門山強烈褶皺隆起，四川盆地(川西臺陷部分)接受了深達(dá) 1 200～1 800 m的沖積扇相堆積，扇頂?shù)[巖可達(dá)50～500 m。盆地中部和東南部為典型的河流-洪泛盆地，沉積物主要為韻律式的砂泥巖，砂巖普遍發(fā)育交錯和平行層理，時見沖刷構(gòu)造和滯留灰質(zhì)礫巖透鏡體。這一時期的構(gòu)造運動特點是以多次升降運動為主，臺區(qū)內(nèi)部無褶皺運動。燕山運動在四川盆地的主要表現(xiàn)為震蕩升降，普遍存在的侏羅系下、中統(tǒng)之間和白堊系與上侏羅統(tǒng)之間的平行不整合是這種性質(zhì)的表征。

本區(qū)喜馬拉雅運動發(fā)生于早第三紀(jì)-晚更新世。是四川東部最重要的構(gòu)造運動，它席卷了整個四川盆地，使盆地自震旦紀(jì)以來的沉積蓋層全部褶皺隆升，結(jié)束了湖盆沉積的歷史。

2.1.3龍泉山深大斷裂帶

2.2 油氣成生、運移、儲集機制研究

2.2.1氣源成生特點

研究表明，龍泉山油氣產(chǎn)自上三疊統(tǒng)須家河組烴源層[4]，上覆的侏羅系地層無生烴能力。該地層具有以下特征：

(1)生氣烴源巖厚度大

上三疊統(tǒng)須家河組地層厚度300～1 100 m, 一般大于500 m,坳陷中心高達(dá) 1 100 m。

(2)有機質(zhì)豐度高

11月中旬，中國石油測井公司有3名員工被授予“陜西省技術(shù)能手”光榮稱號，這是對他們參加第九屆陜西省“測井杯”職業(yè)技能大賽獲得優(yōu)異成績的嘉獎，也是對測井公司員工培養(yǎng)長效機制的最好肯定。

地層泥巖有機碳含量 0.5%～6.5%, 平均為 1.83%。

(3)生氣強度高，目前正處于生氣高峰期

南部地區(qū)油氣儲量大于50 ×108m3/km2，北部地區(qū)油氣儲量為 20～40 ×108m3/km2。上三疊統(tǒng)烴源巖生烴高峰期為白堊紀(jì)-早第三紀(jì)?，F(xiàn)今上三疊烴源巖干酪根熱演化程度高，處于高成熟～過成熟階段，屬濕氣～干氣生氣范圍，現(xiàn)正處于生氣高峰期,為川西侏羅系沙溪廟組淺層氣藏形成提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ) ，如圖1所示。從圖中可知，龍泉山區(qū)域油氣儲量為 6×109m3/km2。

圖1 四川盆地侏羅系地層儲氣情況與氣藏分布圖

2.2.2油氣儲集空間

龍泉山油氣儲集空間分為兩類，砂巖空隙和構(gòu)造裂隙。

(1)砂巖空隙

沉積建造中富含空隙、溶隙和連通性的砂巖地層為油氣提供了原生的儲集空間。超覆于四川中生代油氣盆地?zé)N源層的地層為侏羅系巨厚砂泥巖地層，沉積厚度可達(dá) 2 500 m。

侏羅系沙溪廟組屬河湖相沉積，沉積砂層類型多樣，包含河流相的河道砂、邊灘砂，三角洲相的分流河道砂、席狀砂等類型，其體量巨大，成為沙溪廟組的主要含油氣砂體。

不同期次與尺度的斷裂構(gòu)造裂隙為油氣運移開辟了良好的通道和儲集空間。龍泉山是四川境內(nèi)一條區(qū)域深大的斷裂，隧址區(qū)位于該構(gòu)造帶北段，此處西翼斷層自西向東、由淺入深貫穿地腹深部，斷面斜切整個龍泉山構(gòu)造主體， 直達(dá)東翼斷層下方，與東翼次級斷裂一起組成反 “y”字型，如圖2所示。作為遭受擠壓推覆的上盤，龍泉山山體次級斷裂極為發(fā)育。地腹逆掩帶最寬處約 3 km，最大落差約 2 000 m[3]。

圖2 隧址區(qū)反“y”型區(qū)域斷裂帶

2.2.3圈閉構(gòu)造

天然氣作為流體，遵從自高地應(yīng)力區(qū)向低地應(yīng)力區(qū)運移的規(guī)律，因此，其富集的前提是具有封閉的空間構(gòu)造。典型的封閉構(gòu)造包括褶皺型圈閉構(gòu)造、逆斷層型圈閉構(gòu)造和巖性型圈閉構(gòu)造[4]以及成生于各個地質(zhì)時代的短軸背斜、穹隆、傾覆背斜等構(gòu)造。油氣藏與侏羅紀(jì)沙溪廟組地層穹隆與傾覆褶皺構(gòu)造之間密切的空間關(guān)系如圖3所示。從圖中可以看出，新場、平落壩、 大興西、白馬廟氣藏形成于開闊的古穹隆區(qū)域，而觀音寺、 鹽井溝、洛帶等氣藏均位于古傾覆背斜附近的古斜坡地帶。

圖3 川西白堊紀(jì)沉積前沙溪廟組頂古構(gòu)造與油氣運聚關(guān)系圖

逆斷層型圈閉構(gòu)造包含背沖式地壘構(gòu)造和單斷式逆沖構(gòu)造兩種類型，是水平巖層遭受橫向擠壓條件下，產(chǎn)生褶斷效應(yīng)，形成寬緩背斜與逆沖斷層或逆掩推覆構(gòu)造分別組合而成。具體而言，可以是兩個逆沖斷層夾持褶曲核部而成的地壘構(gòu)造，也可以是單個逆沖(逆掩)斷層與寬緩背斜組合而成的單斷式逆沖構(gòu)造。

巖性型圈閉構(gòu)造是指巨厚的泥巖與砂巖互層，形成泥包砂巖性層，封堵油氣上升通道而成為封閉良好的空間。

2.3 龍泉山瓦斯災(zāi)害孕育機制

四川盆地、龍泉山油氣藏成藏機制，即孕災(zāi)機制如下：

(1)三疊系須家河組地層是本區(qū)天然氣的生氣層，由于沉積層厚，有機質(zhì)豐度高且正處于生氣高峰期而成為優(yōu)質(zhì)氣源。

(2)上覆侏羅系、白堊系地層雖然同屬中生代沉積蓋層，但不具有生烴能力，因而本身不產(chǎn)氣。但其中的砂巖層空隙、次生溶孔形成了良好的儲氣空間。

(3)印支、喜山期的造山運動，對四川臺坳產(chǎn)生了強烈的水平擠壓和大規(guī)模的褶斷作用，形成大型的表皮滑脫構(gòu)造(如龍泉山斷褶帶)，同時伴生了規(guī)模各異的短軸背斜、穹隆和鼻狀等表層圈閉構(gòu)造和各種尺度的斷層與裂隙帶，為氣藏的運移和儲存提供了有利條件。

(4)中生代蓋層屬河湖相沉積，縱向上泥巖與砂巖頻繁互層且以泥巖為主，產(chǎn)狀平緩，為天然氣的富集提供了良好的蓋層條件。

3 裂隙帶米級誤差識別與評價方法研究

由以上對龍泉山瓦斯賦存與運移機制的研究可知，(1)龍泉山隧道瓦斯無處不在，這是因為龍泉山歷經(jīng)多次構(gòu)造運動，發(fā)育了數(shù)量巨大的斷層與節(jié)理構(gòu)造帶。(2)對瓦斯的探測可以轉(zhuǎn)化為對裂隙構(gòu)造的探測。作為隧道圍巖的沙溪廟組地層與蓬萊鎮(zhèn)組地層，泥巖占絕對優(yōu)勢，多為厚度超過1m的塊狀層，而與其互層的砂巖厚度則小得多，以20 cm常見，在體量上處于絕對的少數(shù)。

本層次對于裂隙帶的識別主要采取Google-Earth 3D衛(wèi)星場景影像、無人機3D LiDAR技術(shù)、地表EH4探測和洞內(nèi)TSP超前探測。

3.1 Google-Earth 3D衛(wèi)星場景構(gòu)造影像識別

Google-Earth是一款由Google公司開發(fā)的的虛擬地球儀軟件，將衛(wèi)星圖像、地圖整合在一起，形成全球地形地貌的三維模型。用戶可以在電腦上對地貌實施360°三維場景觀測。其影像有效分辨率在大城市可達(dá)1 m和0.5 m，視角高度分別約為500 m和 350 m。本次解譯采用的圖像分辨率可達(dá)1 m，而且可以獲取自1984年以來的各個階段的衛(wèi)星圖片。本次研究采用構(gòu)造地貌解譯方法，對隧址區(qū)50 km2區(qū)域進(jìn)行構(gòu)造解譯，可識別出對施工具有重大影響的大型線狀構(gòu)造、地表水體等風(fēng)險源。

3.2 無人機LiDAR技術(shù)微地貌構(gòu)造解譯

LiDAR即激光探測與測量，利用GPS和IMU進(jìn)行機載激光掃描，其所測得的數(shù)據(jù)為數(shù)字表面模型。應(yīng)用分類技術(shù)在這些原始數(shù)字表面模型中移除建筑物、人造物、覆蓋植物等測點，即可獲得數(shù)字高程模型(DEM)，從而剔除地表植被、地物對于地貌圖像的影響。同時，該技術(shù)具有3cm的超高分辨率，可以為構(gòu)造微地貌解譯提供精準(zhǔn)的三維數(shù)據(jù)模型。

3.3 重點靶區(qū)EH4地表深層構(gòu)造探測

龍泉驛背斜谷地與隧道相交處有一個水庫，此處為重要風(fēng)險源。采用EH4實施探測，利用其測深大(最大探測深度可達(dá)1 000 m)、對水反應(yīng)敏感的特點，進(jìn)一步查明深部構(gòu)造發(fā)育情況及其含水性，為隧道施工提供準(zhǔn)確依據(jù)。

3.4 隧道風(fēng)險分級分區(qū)體系研究與建立

通過對龍泉山孕災(zāi)機制的研究和不同尺度構(gòu)造帶的識別、重點靶區(qū)的EH4探測，結(jié)合隧道勘察設(shè)計文件，依據(jù)瓦斯賦存條件，將龍泉山隧道圍巖分為3級風(fēng)險區(qū)段和9個瓦斯分區(qū)。3級風(fēng)險區(qū)段即高瓦斯風(fēng)險區(qū)段、中瓦斯風(fēng)險區(qū)段和低瓦斯風(fēng)險區(qū)段。

(1)高瓦斯風(fēng)險區(qū)段：具有背斜或穹隆圈閉構(gòu)造、緩傾單斜構(gòu)造、山形完整，隧道埋深大。

(2)中瓦斯風(fēng)險區(qū)段：向斜核部，埋深淺，深部發(fā)育隱伏斷層；背斜核部侵蝕為V型谷，但埋深較大，發(fā)育通天逆斷層；山形完整的單斜巖層，但埋深居中。

(3)低瓦斯風(fēng)險區(qū)段：通天斷層及其影響帶，隧道埋深淺，主要在洞口附近。

龍泉山隧道瓦斯風(fēng)險分級分區(qū)評價如表1所示。

表1 龍泉山隧道瓦斯風(fēng)險分級分區(qū)評價表

3.5 TSP洞內(nèi)構(gòu)造探測

瓦斯風(fēng)險分級分區(qū)的確立，為施工過程中瓦斯的進(jìn)一步探測指明了方向，為瓦斯防治奠定了基礎(chǔ)。在隧道開挖過程中，采用TSP對開挖面前方實施超前探測，尋找構(gòu)造裂隙帶。在該階段，借助前述工作建立的地質(zhì)構(gòu)造知識體系，結(jié)合掌子面地質(zhì)觀測與推斷，可以有效規(guī)避TSP物探解譯的多解性，提高構(gòu)造識別的精度?，F(xiàn)場地質(zhì)跟蹤實證研究表明，對于寬度在3 m及以上裂隙帶的識別，基本可達(dá)100%，其里程誤差在1～6 m不等。

4 裂隙帶亞米級誤差識別與評價方法研究

對構(gòu)造帶空間位置的精細(xì)預(yù)報包含兩個指標(biāo)，一是構(gòu)造面的隧道中心里程，二是構(gòu)造面的首次揭露里程，即隧道橫截面開挖凈空范圍內(nèi)與構(gòu)造面首次交接位置的里程。本文所指的裂隙帶里程預(yù)報誤差就是以上指標(biāo)預(yù)測值與實際開挖揭露值之間的誤差。

裂隙帶亞米級誤差識別的實現(xiàn)依賴于兩方面的工作，一是在區(qū)域地質(zhì)分析-孕災(zāi)機制研究-瓦斯風(fēng)險分級分區(qū)-瓦斯構(gòu)造帶米級誤差識別這一系列由宏觀到微觀、層層深入研究工作的基礎(chǔ)上，提前根據(jù)掌子面前方圍巖質(zhì)量與構(gòu)造發(fā)育狀態(tài)、瓦斯風(fēng)險的狀況，建立起三維系統(tǒng)的知識體系。二是采用30 m超前水平鉆探，精確鎖定構(gòu)造面空間位置。本項目，要求掌子面開挖前至少有3個鉆孔控制。鉆探過程中，量測鉆孔揭露構(gòu)造帶的深度與鉆孔傾覆角，計算構(gòu)造面該探測點空間坐標(biāo)，如此獲得同一構(gòu)造面3點坐標(biāo)，即可計算該構(gòu)造面的產(chǎn)狀[5]，進(jìn)而計算隧道中心里程與首次揭露里程。在鉆進(jìn)過程中，每進(jìn)尺1 m，均要利用瓦斯檢測儀量測鉆孔瓦斯含量，以確定構(gòu)造帶的瓦斯賦存情況。

5 結(jié)論

(1)基于沉積建造與構(gòu)造演化及油氣成生、運移與儲集機理的孕災(zāi)機制研究，是進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造與瓦斯精準(zhǔn)預(yù)測的必要前提。

(2)利用高分辨率LiDAR技術(shù)實施微地貌構(gòu)造精確解譯，創(chuàng)新了隧道施工細(xì)部構(gòu)造識別方法，有效提高了地質(zhì)預(yù)報精度。

(3)在油氣儲集機制研究的基礎(chǔ)上，對特長油氣田瓦斯隧道進(jìn)行瓦斯風(fēng)險分級、分區(qū)，為地質(zhì)構(gòu)造精準(zhǔn)預(yù)報和瓦斯施工防治奠定了堅實的基礎(chǔ)。

(4)依托孕災(zāi)機制研究、構(gòu)造地貌三維影像精確解譯、針對性物理探測、構(gòu)造帶鉆探精查層次遞進(jìn)四位一體的預(yù)測模式，實現(xiàn)了特長油氣田高瓦斯隧道地質(zhì)構(gòu)造與瓦斯的亞米級誤差精準(zhǔn)預(yù)報，形成了系統(tǒng)的探測方法。

(5)通過縝密而精細(xì)的研究與探查工作，龍泉山隧道地質(zhì)預(yù)報工作取得了良好的效果，全線 20 km的隧道施工，未發(fā)生任何瓦斯事故，獲得了良好的安全效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。