遼寧某重點輸水隧洞油氣瓦斯形成機(jī)理與風(fēng)險分級研究

季 旭

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006)

遼寧某重點長距離輸水工程，朝陽境內(nèi)C1#主洞控制樁號C3+318～C2+000，在開挖至樁號C3+122.7掌子面進(jìn)行爆破鉆孔作業(yè)過程中，發(fā)生可燃?xì)怏w涌出、并燃燒的現(xiàn)象。通過洞內(nèi)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測，掌子面可燃?xì)怏w燃燒歷時75天。該種情況，對隧洞開挖的安全施工及直線工期都產(chǎn)生了較大影響，因此，對本段進(jìn)行補充地質(zhì)勘察工作，分析、查明本段瓦斯隧洞的工程地質(zhì)特性，提出合理的處理建議。

1 綜合勘察方法及布置情況

本次勘察首先收集了大量的資料，主要是金羊盆地相關(guān)的區(qū)域資料，及區(qū)域內(nèi)相關(guān)的油氣資料；根據(jù)收集的區(qū)域資料，初步判斷洞室內(nèi)涌出的瓦斯氣體為油層氣，補充勘察首先進(jìn)行了區(qū)域地質(zhì)測繪和物探EH4測試，結(jié)合測繪和物探成果，在主洞軸線附近布置垂直鉆孔(鉆至孔深237.4m揭露斷層破碎帶，孔內(nèi)伴有瓦斯氣體涌出，鉆探作業(yè)暫停)；在洞內(nèi)掌子面火焰熄滅后，在掌子面進(jìn)行水平鉆探；鉆探作業(yè)期間，在孔內(nèi)/洞內(nèi)氣體各項指標(biāo)取樣和檢測、洞內(nèi)滲出油質(zhì)取樣和檢測等相關(guān)工作。

2 工程區(qū)地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)主要位于遼西金嶺寺—羊山盆地的中部，為遼西早中生代陸相盆地。金羊盆地位于華北地臺燕山臺褶帶東北緣的中段，是早侏羅世-中侏羅世坳陷型盆地，盆地內(nèi)堆積了侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)火山沉積地層。區(qū)內(nèi)以燕山早期構(gòu)造為主，多為逆斷層，規(guī)模較大，它們多集中于構(gòu)造盆地邊緣，控制著各期火山巖的分布。

2.2 地層巖性

金羊盆地構(gòu)成基底的地層與華北地層分區(qū)一致，由下而上為：太古界變質(zhì)巖系、中上元古界碎屑巖和碳酸鹽巖、古生界海相碎屑巖和碳酸鹽巖建造及海陸交互相含煤建造和陸相紅色碎屑巖建造。主要地層自下而上分別為：侏羅系北票組、海房溝組、髫髻山組、土城子組和白堊系義縣組。本段隧洞主要穿越侏羅系髫髻山組，上部土城子組缺失，直接由白堊系義縣組所覆蓋。

3 勘察工作成果

3.1 收集資料分析

3.1.1金羊盆地油氣發(fā)育情況

金羊盆地長約300km，東西寬約39km，面積約5530km2，呈NE向展布。盆地西側(cè)以南天門斷裂為界與北票盆地相接，東側(cè)以元古宇與古生界構(gòu)造層構(gòu)成的松嶺隆起為界，與阜新—義縣盆地相接。前人研究表明，該盆地內(nèi)充填物尤其是侏羅系下統(tǒng)北票組所含的一套湖相泥巖具有良好的油氣潛力。工程區(qū)所處金羊盆地位置如圖1所示。

圖1 金嶺寺—羊山盆地及鄰區(qū)地質(zhì)概圖

2002年至今，根據(jù)沈陽地質(zhì)調(diào)查局在金羊盆地內(nèi)不同部位布置的多口地質(zhì)調(diào)查井勘察成果可知，侏羅系中統(tǒng)髫髻山組火山巖中見多處油氣顯示，侏羅系下統(tǒng)北票組暗色泥頁巖現(xiàn)場解析出含甲烷氣體。分析原油可能來自盆地侏羅系下統(tǒng)北票組烴源巖。北票組在金羊盆地分布廣泛，其烴源巖可能具有較好的生油潛力，金羊盆地天然氣生氣量為5147.4×108m3，資源量為(7.14～240)×108m3，石油資源量為(0.165～1.26)×108t，油氣資源較豐富。

3.1.2油氣生、儲、蓋層條件

金羊盆地整體主要以泥質(zhì)巖類烴源巖與煤質(zhì)烴源巖為主，其中北票組分布廣泛，是盆地主要烴源巖生層，為盆地油氣生成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；根據(jù)地震解釋資料和大地電磁測深資料分析，北票組埋深一般在400～1100m，最大埋深1400m，其中章吉營子—巴圖營子凹陷埋深600～1000m，厚度400～700m。

金羊盆地儲集層在縱向上發(fā)育5套，即北票組、海房溝組、髫髻山組、土城子組和義縣組，儲集類型為火山巖和碎屑巖，但有效儲集層僅為北票組。儲集層按粒級分類有：礫巖、砂礫巖、含礫粗砂巖、粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖。儲集層的好與壞，主要反映在砂巖的物性上。北票組孔隙度最大為10.2%，最小0.3%，平均為3.71%。滲透率較小，屬特低孔特低滲儲層。

金羊盆地上部受火山噴發(fā)作用覆蓋白堊系火成巖地層，地層巖性主要為安山巖、玄武巖、玄武質(zhì)集塊巖、火山巖角礫巖等，多為隱晶質(zhì)、致密性結(jié)構(gòu)。白堊系地層形成以后燕山晚期構(gòu)造活動較弱，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育較差。因此，盆地上部的地層巖體整體完整性較好，對下部的沉積巖地層有較好的封閉作用，在區(qū)域內(nèi)白堊系火成巖地層為相對的油氣蓋層[1]。

3.2 勘察測試及取樣

3.2.1鉆孔測試

本次不同時間段的勘察過程中，分別對地面鉆孔孔口、隧洞掌子面水平鉆孔中及掌子面附近3個部位進(jìn)行了原位瓦斯氣體檢測，其中地面鉆孔孔內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?00%，因此，安裝封閉器后，對瓦斯流量和壓力進(jìn)行檢測，檢測成果詳見表1—2。

3.2.2氣樣測試成果

勘察期間，2018年11月15日、23日和26日在地面鉆孔孔內(nèi)共采集氣樣7件組，7組試樣氣體中可燃?xì)怏wCH4含量都較高，達(dá)到2.90%～9.72%，除氣樣2濃度為2.90%，小于CH4燃爆極限外，其余氣樣濃度均大于CH4燃爆極限。氣樣成分分析詳見表3。

3.2.3巖石樣測試成果

洞室內(nèi)鉆孔巖芯樣和掌子面附近巖塊樣，巖石含氣性試驗成果詳見表4。試驗表明，3組樣中，殘余氣成分主要以氧氣和氮氣為主，占到了總氣量的99.9%以上，此外還含量少量的氫氣、甲烷、乙烷、丙烷和二氧化碳?xì)怏w，其中甲烷含量小于0.01%。

表1 地面鉆孔孔口瓦斯流量、壓力檢測成果表

表2 C3+122.7掌子面水平鉆孔瓦斯檢測成果表

地面鉆孔ZK1巖芯樣含氣性試驗成果詳見表5。解析出的氣體成分也主要以氧氣和氮氣為主，同樣占到了總氣量的99.9%以上，3組巖樣都含有少量二氧化碳，比例占到0.51%～0.66%，3組巖樣中有2組巖樣含有可燃?xì)怏w甲烷，甲烷含量在0.02%～0.03%。

通過上述幾項巖石試驗成果可知，巖石解析出的甲烷氣體含量極小，部分存在的含量可能為一些裂隙間賦存的甲烷氣體，由此可見，洞室部位上部的白堊系義縣組地層和侏羅系髫髻山組地層不是油層氣的生成地層(即為非生烴層)。

3.2.4原油試驗成果

主洞掌子面附近的左側(cè)邊墻位置均揭露有黑色石油質(zhì)液體滲出，將已噴護(hù)好的混凝土浸潤成黑色。對滲出的油質(zhì)取樣，進(jìn)行了室內(nèi)試驗，兩樣品的族組分分組成飽和烴含量均最高，達(dá)到70%以上，這部分是受運移作用的影響，但更主要的是反映了其烴源巖良好，有機(jī)質(zhì)類型生油能力較高。試樣成果見表6。

表3 氣樣成分分析成果表

表4 巖石解析殘余氣成分試驗成果

表5 巖芯解析殘余氣成分試驗成果

表6 原油試驗報告

圖2 EH4探測I號剖面電阻率反演剖面圖

3.3 物探測試成果

本次在可燃?xì)庖绯龇秶闹鞫淳€布置順洞軸線和垂直洞軸線剖面兩條，其中順洞軸線的I號剖面150～350m之間為主要電阻率異常區(qū)，且高阻異常主要呈現(xiàn)自上而下的串珠狀高阻異常，串珠狀高阻異常推測為斷裂構(gòu)造F1，產(chǎn)狀為NE44° NW∠78°-84°。沿F1兩側(cè)的高阻異常主要為節(jié)理裂隙發(fā)育且部分充填天然氣或石油質(zhì)物質(zhì)所形成，隧洞線路影響長度約159m，樁號范圍為C2+969～C3+128。I號剖面電阻率反演剖面圖如圖2所示。

4 隧洞瓦斯氣體分析與評價

4.1 勘察成果綜合分析

現(xiàn)場地面鉆孔和水平鉆孔均檢測到瓦斯氣體。地面鉆孔檢測到最大涌出流量為70L/min，壓力為28kPa，若將孔口封閉器拆除，讓瓦斯氣體向空氣中自然散逸，涌出流量和壓力在短時間內(nèi)減小較為明顯；重新封閉后，涌出流量和壓力均逐步上升。由此可見，隧洞下部的瓦斯氣體仍有持續(xù)補給。

根據(jù)現(xiàn)場取樣的試驗分析來看，7組試樣氣體中可燃?xì)怏wCH4含量都較高，除氣樣2濃度為2.90%，小于CH4燃爆極限外，其余氣樣濃度均大于CH4燃爆極限；3組巖樣解析出的氣體成分主要以氧氣和氮氣為主，其中2組巖樣含有可燃?xì)怏w甲烷，甲烷含量在0.02%～0.03%；隧洞內(nèi)取兩組油樣的族組分分組成飽和烴含量均最高，達(dá)到70%以上，這部分是受運移作用的影響，主要反映了其烴源巖良好，有機(jī)質(zhì)類型生油能力較高。[2]

4.2 隧洞瓦斯氣體形成原因分析

通過對區(qū)域資料和綜合勘察的成果可知，輸水隧洞位于金羊盆地章吉營子-巴圖營子凹陷區(qū)，凹陷區(qū)內(nèi)北票組分布廣泛，沉積厚度大，保存條件相對較好，而北票組沉積期接受了一套富含有機(jī)質(zhì)的灰黑色砂巖、泥巖、頁巖為主夾煤層的湖沼、濱淺湖相-半深湖相沉積，成為盆地的主要烴源巖，為盆地油氣生成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

隧洞開挖部位的前方恰好有F1隱伏斷層帶通過，斷裂構(gòu)造和張開性裂隙是油氣運移的主要通道，瓦斯氣體通過這些構(gòu)造從北票組向上運移至淺部，浸染淺表部地層。工程區(qū)上部有白堊系火成巖地層形成的良好蓋層，封閉了油氣繼續(xù)向上運移和排泄的通道，因此，在蓋層以下一定深度的隱伏斷裂構(gòu)造和火山碎屑巖裂隙的賦存了部分油氣，形成了高瓦斯富集段，隧洞開挖至該部分，形成臨空面，油氣順掌子面及地面鉆孔向外釋放，從而對隧洞施工形成嚴(yán)重的危害。

4.3 隧洞瓦斯危害性評價

由于目前國內(nèi)外關(guān)于淺層天然氣和非煤地層瓦斯對于地下工程影響研究還處于探索階段，所以本次計算的隧洞單位時間、單位面積內(nèi)最大瓦斯氣體涌出量也只是一個估算值，僅供隧洞設(shè)計與施工參考。

表7 C1#主洞上游控制段瓦斯危害定性判別表

在計算掌子面單位時間最大涌出量時，考慮了隧洞所處構(gòu)造位置、隧洞穿越段巖性等，同時結(jié)合野外鉆孔測試中瓦斯流量，以及鉆孔孔徑與隧洞斷面之間的尺寸效應(yīng)，綜合計算得到C1#主洞上游掌子面單位時間瓦斯最大涌出量估算值為0.72m3/min。

根據(jù)瓦斯的涌出量，并結(jié)合隧道所處的油氣構(gòu)造位置，地層、巖性等條件，參考《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB10120- 2002)，綜合判定C1#上游控制段為高瓦斯隧道，其中C2+400～C3+122.7為高瓦斯地層風(fēng)險段，其余開挖段為低瓦斯地層風(fēng)險段。瓦斯危害定性詳見表7。[3]

4.4 瓦斯隧洞施工處理措施建議

(1)建議下一步施工采用“先探后掘”的方式，瓦斯地層洞段應(yīng)采用超前鉆探和超前探孔相結(jié)合的方式，在查明洞室前方瓦斯氣體發(fā)育情況后，方可進(jìn)行開挖施工，并加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報工作。

(2)由于地質(zhì)情況的復(fù)雜性，鉆孔位置的局限性及測試中可能出現(xiàn)的偶然性，故不排除瓦斯局部富集的可能。

(3)隧洞施工過程中加強(qiáng)瓦斯的預(yù)測預(yù)報和監(jiān)測工作，建議加強(qiáng)隧洞通風(fēng)工作。

(4)建議重點對隱伏斷層發(fā)育段、不同巖性接觸蝕變段加強(qiáng)瓦斯氣體監(jiān)測。

(5)隧洞施工過程中加強(qiáng)高濃度二氧化碳的監(jiān)測工作。

5 結(jié)論

本次在揭露瓦斯的隧洞段采取了綜合勘察的手段，分別進(jìn)了深層次的區(qū)域地質(zhì)測繪、垂直和水平鉆探、EH4物探，對不同部位的瓦斯氣體進(jìn)行監(jiān)測，并對施工中所揭露的固、液、氣分別進(jìn)行了取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗。通過對各方面的成果資料的分析，查明了隧洞瓦斯的性質(zhì)、形成機(jī)理及對隧洞的影響方式和范圍。

遼寧地區(qū)近年來，水利隧洞施工蓬勃發(fā)展，但揭露高瓦斯隧洞實屬首例。根據(jù)本工程的經(jīng)驗，日后在深埋長隧洞的勘察過程中，對洞室下部深層的地層情況及隱伏斷層的發(fā)育情況要做深入的研究，特別是穿越侏羅系、白堊系沉積巖地層時，要加強(qiáng)對是否存在油氣生層、儲層的研究。