逆斷層工區(qū)淺層天然氣賦存及運(yùn)移特征研究
——以成都軌道交通30號(hào)線為例

蘇培東，何坤宸，*，李有貴，樂(lè) 建，紀(jì)佑軍，李 園，邱 鵬

(1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2.四川興蜀工程勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

淺層天然氣以低分子飽和烴類氣體為主，在沉積盆地中廣泛分布[1]，當(dāng)其運(yùn)移至地下施工場(chǎng)所后，會(huì)以中毒、窒息、爆炸等形式嚴(yán)重危害工程作業(yè)人員的生命安全。在油氣勘探中，類似于斷層的構(gòu)造間斷可以為氣體上升到淺部地層提供優(yōu)先通道[2]，尤其是深源氣體向淺層遷移的過(guò)程中，斷層等大尺度斷裂區(qū)域成為重要的滲流路徑[3-4]。但是對(duì)于逆斷層來(lái)說(shuō)，由于斷層兩盤的緊密研磨，巖石顆粒被碾磨成泥質(zhì)物質(zhì)，增加了斷層泥的來(lái)源，而且逆斷層更容易形成泥巖涂抹效應(yīng)，因此，在傳統(tǒng)的石油天然氣領(lǐng)域，處于休止期的逆斷層通常是作為一種封閉條件[5]而不作為油氣的運(yùn)移通道和儲(chǔ)集空間。然而，大量工程實(shí)例表明，逆斷層周圍是發(fā)育淺層天然氣的重點(diǎn)區(qū)段，如成都軌道交通19號(hào)線在穿越龍家埂逆斷層時(shí)，檢測(cè)到CH4體積分?jǐn)?shù)達(dá)到2.24%，絕對(duì)涌出量達(dá)到1.62 m3·min-1；成簡(jiǎn)快速路在穿越龍泉驛斷層時(shí)，CH4體積分?jǐn)?shù)達(dá)到3.42%；達(dá)成鐵路在穿越龍泉山箱型背斜F1、F2斷層時(shí)，CH4體積分?jǐn)?shù)為8.0%，絕對(duì)涌出量為3.03 m3·min-1。因此，逆斷層在工程建設(shè)和石油天然氣行業(yè)所發(fā)揮的作用有所差異。

在工業(yè)油氣行業(yè)中，為了探明油氣藏的成藏歷史和儲(chǔ)量，需要通過(guò)巖芯、測(cè)井、地球化學(xué)等方法來(lái)對(duì)斷層封閉性[6-7]、斷裂區(qū)域油氣運(yùn)移歷史[8-9]和運(yùn)移方式做出判斷。但是以上方法對(duì)樣本種類的多樣性和油氣體積分?jǐn)?shù)有較高的要求，而逆斷層工區(qū)所遇到的一般都是埋藏淺、體積分?jǐn)?shù)低、氣體成分單一(以CH4為主)、更容易運(yùn)移的淺層天然氣，并不滿足以上試驗(yàn)的要求；并且地下工程建設(shè)對(duì)氣體體積分?jǐn)?shù)更為敏感，往往低體積分?jǐn)?shù)的淺層天然氣就會(huì)造成嚴(yán)重的后果，因此對(duì)氣體的涌出、補(bǔ)給特征更為看重，而測(cè)井、地球化學(xué)等方法并不能直觀地反映這些特征。因此，采用傳統(tǒng)工業(yè)油氣的方法并不能滿足地下工程的特殊要求。而缺乏新的研究方法也就導(dǎo)致了從工程角度來(lái)研究逆斷層中淺層天然氣賦存和運(yùn)移特征的學(xué)者較少，大多是籠統(tǒng)地闡述斷層可以作為淺層天然氣運(yùn)移到地下工程內(nèi)部的運(yùn)移通道[10-11]，缺乏系統(tǒng)性研究。為了更好地指導(dǎo)地下工程的安全生產(chǎn)，本文以成都軌道交通30號(hào)線工程為例，運(yùn)用CH4短期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)、CH4補(bǔ)給試驗(yàn)以及CH4長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)等新方法系統(tǒng)研究了實(shí)際工程中逆斷層工區(qū)淺層天然氣的賦存和運(yùn)移特征，以期為相關(guān)工程的設(shè)計(jì)、施工提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境

1.1 工程概況

成都軌道交通30號(hào)線為連接國(guó)際航空樞紐綜合功能區(qū)、金融城片區(qū)及龍泉地區(qū)的城區(qū)南部外圍加密線，線路長(zhǎng)約26.427 km。線路工程整體位于川西北凹陷的斷陷盆地——成都平原上(見(jiàn)圖1)。該斷陷盆地內(nèi)，西部的大邑—彭州和東部的蒲江—新津—成都—廣漢2條隱伏斷裂將斷陷盆地分為西部邊緣構(gòu)造帶、中央凹陷和東部邊緣構(gòu)造帶3部分。成都軌道交通30號(hào)線工程則主要位于東部邊緣構(gòu)造帶，所處區(qū)域大部分被厚層—巨厚層砂卵石土或黏性土地層所覆蓋。

區(qū)域內(nèi)主要的含氣層位為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組砂泥巖地層，線路涉及到的氣田主要是蘇碼頭氣田，該氣田位于線路東南方，儲(chǔ)氣層位為萊鎮(zhèn)組，為典型的負(fù)壓—常壓淺層遠(yuǎn)源次生氣藏。區(qū)域含氣層的蓋層為白堊系中統(tǒng)灌口組泥巖、砂質(zhì)泥巖，該層位泥質(zhì)含量較多，封閉性較好。全線在逆斷層工區(qū)檢測(cè)到高體積分?jǐn)?shù)淺層天然氣體(見(jiàn)圖1)。

1.2 逆斷層工區(qū)工程地質(zhì)條件

在工區(qū)內(nèi)共發(fā)育3條壓性斷層F1、F2、F3。由于F2斷層為隱伏斷層，對(duì)該工程危害相對(duì)較小，本文主要以F1、F3逆斷層工區(qū)為研究對(duì)象。

F1斷層為雙流隱伏斷層的一條次級(jí)斷裂，該斷層在西南端有良好的出露，斷面傾向SE、走向NE，傾角18°～25°，具有明顯的擠壓沖斷性質(zhì)，垂直斷距為30～45 m。斷層影響深度至下白堊統(tǒng)，可以作為下伏油氣向上運(yùn)移的良好通道。F1逆斷層工區(qū)下伏基巖為灌口組砂泥巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，可以作為淺層天然氣良好的儲(chǔ)集空間和運(yùn)移通道。上覆厚層卵石土加薄層黏土，其封蓋性較差，主要依靠下伏強(qiáng)風(fēng)化泥巖作為氣體蓋層(見(jiàn)圖1)。在該工區(qū)基覆界線以下5 m的深度監(jiān)測(cè)到大量淺層天然氣的存在。

圖1 成都軌道交通30號(hào)線淺層天然氣體積分?jǐn)?shù)分布及區(qū)域構(gòu)造圖

F3斷層處于蘇碼頭—鹽井溝背斜西北翼，為壓扭性斷裂，斷裂走向NE40°～50°，傾向SE，傾角20°～30°，垂直斷距30～50 m，斷層影響深度至下白堊統(tǒng)并且溝通蘇碼頭氣田，可以作為油氣的運(yùn)移通道。F3逆斷層工區(qū)下伏基巖特性與F1逆斷層工區(qū)相似，發(fā)育良好的儲(chǔ)集空間和運(yùn)移通道，上覆蓋層為Q3厚層黏土，封閉性較好，勘察結(jié)果顯示一般在覆蓋層以下的地層中淺層天然氣體積分?jǐn)?shù)較大。

綜上，F(xiàn)1、F3逆斷層工區(qū)淺層天然氣的“儲(chǔ)、運(yùn)、?！睏l件發(fā)育良好，對(duì)工程的危害大。

2 逆斷層特征

根據(jù)安德森模式可知，在最大主應(yīng)力軸σ1與中間主應(yīng)力軸σ2水平、最小主應(yīng)力σ3平行斷層走向的情況下，隨著σ1和σ3的差值逐漸增大，巖石開始發(fā)生破裂，隨后上盤沿著破裂面發(fā)生明顯位移，形成逆斷層。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，逆斷層可劃分為斷層核、破碎帶、裂縫發(fā)育帶3部分。

斷層核通常形成于斷裂帶中心部位，在兩側(cè)巨大壓力作用下吸收了斷層的大部分位移，由滑動(dòng)面、構(gòu)造透鏡體、各種斷層巖組成，具有低孔低滲的特點(diǎn)。工區(qū)中F1、F3逆斷層切割較淺，斷層核的發(fā)育較差，主要由破碎帶和裂縫發(fā)育帶2部分組成。1)破碎帶是在一定的范圍內(nèi)由成組的、復(fù)雜的斷裂滑動(dòng)面和破碎體組成。F1、F3斷層周圍巖芯顯示破碎帶淺部巖芯呈塊狀—短柱狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，一般為張開狀態(tài)，部分填充黏土(見(jiàn)圖2(a)和(b))。因此，該區(qū)域孔隙度、滲透率相比于圍巖大大增加[12]，其參數(shù)最高可以達(dá)到圍巖的6倍，通常也是淺層天然氣的運(yùn)移通道和賦存空間。2)裂縫發(fā)育帶是在斷層的統(tǒng)一應(yīng)力場(chǎng)或次一級(jí)應(yīng)力場(chǎng)中形成。現(xiàn)場(chǎng)巖芯顯示，該區(qū)域裂縫以高陡裂隙為主，裂隙的分布和連通具有不均勻性和不連續(xù)性，因此其對(duì)氣體的運(yùn)移效果和儲(chǔ)集效果稍遜于破碎帶。逆斷層構(gòu)造特征見(jiàn)圖3。

(a)F3斷層破碎帶巖芯照

圖3 逆斷層構(gòu)造特征

成都軌道交通30號(hào)線工區(qū)內(nèi)F1、F3斷層切斷的地層中泥質(zhì)含量很高，擁有較好的側(cè)向和垂向封閉作用，能夠較好地封閉鄰近蘇碼頭氣田[1,13]。但是在工程領(lǐng)域中，逆斷層并不能完全封閉氣體的擴(kuò)散和滲流，而通過(guò)這2種作用運(yùn)移到逆斷層淺部的淺層天然氣，雖然其體量對(duì)油氣藏不會(huì)形成破壞作用，但是其體積分?jǐn)?shù)足以對(duì)工程造成危害。

3 淺層天然氣在逆斷層中的運(yùn)移模式

淺層天然氣在斷層等斷裂構(gòu)造中的運(yùn)移主要以滲流作用和擴(kuò)散作用進(jìn)行[14-15]，其運(yùn)移動(dòng)力主要包括壓力差、體積分?jǐn)?shù)差、浮力等。在不同性質(zhì)的逆斷層的不同構(gòu)造部位，其運(yùn)移動(dòng)力和運(yùn)移模式是有差別的。

3.1 淺層天然氣在活動(dòng)逆斷層中的運(yùn)移模式

當(dāng)逆斷層連通氣源并處于休止?fàn)顟B(tài)時(shí)，由于逆斷層的封閉作用，大量的淺層天然氣在逆斷層和區(qū)域蓋層所圈閉的儲(chǔ)層中聚集，導(dǎo)致在斷層開啟前，儲(chǔ)層部位具有較高的剩余壓力。當(dāng)逆斷層活動(dòng)時(shí)，斷層中大量之前處于閉合或膠結(jié)狀態(tài)的裂隙發(fā)生引張作用，巖石發(fā)生膨脹，滲透率、孔隙度增大，形成構(gòu)造裂隙中的負(fù)壓環(huán)境。而流體都傾向于從流體高勢(shì)區(qū)向低勢(shì)區(qū)流動(dòng)[16-17]，因此砂巖儲(chǔ)層中的天然氣，由于垂直方向上蓋層的限制，將快速向斷裂帶中匯聚(見(jiàn)圖4)。這種由于儲(chǔ)層剩余壓力所驅(qū)動(dòng)的運(yùn)移模式具有非線性層流或紊流特征，其運(yùn)移速度快，運(yùn)移量大，短時(shí)間內(nèi)能造成大量的天然氣聚集。

圖4 淺層天然氣在活動(dòng)逆斷層中運(yùn)移模式圖

3.2 淺層天然氣在休止期逆斷層中的運(yùn)移模式

當(dāng)逆斷層處于休止期時(shí)，主要對(duì)油氣起到封閉作用，因此在斷層內(nèi)不能進(jìn)行由壓力驅(qū)動(dòng)的氣體運(yùn)移。但是斷面壓力的變化以及地下水中礦物質(zhì)含量的變化，會(huì)導(dǎo)致埋深方向上逆斷層的封閉性發(fā)生改變。在斷層深部巖石膠結(jié)作用和泥巖涂抹作用更發(fā)育、斷面壓力更大，從而不能發(fā)生氣體滲流；但是淺層天然氣分子小、活動(dòng)性強(qiáng)、質(zhì)量輕，可以在體積分?jǐn)?shù)差的作用下通過(guò)斷層向上發(fā)生擴(kuò)散作用。這種運(yùn)移模式的運(yùn)移量微弱，主要依靠時(shí)間累計(jì)效應(yīng)對(duì)淺層天然氣在逆斷層中的賦存做出貢獻(xiàn)。

在逆斷層淺部，斷面壓力小且?guī)r石普遍具有脆性性質(zhì)[18]，通常形成未被膠結(jié)的開啟裂縫，便于氣體運(yùn)移。淺層天然氣的工程危害也主要集中在這一區(qū)域[19]。但是不同的結(jié)構(gòu)部位，氣體運(yùn)移特征也各不相同(見(jiàn)圖5)。在淺部的破碎帶中發(fā)育密集的貫通裂隙，但是由于壓力小，淺層天然氣補(bǔ)給不足，氣體只能發(fā)生以浮力為主要驅(qū)動(dòng)力的浮力流作用。此種運(yùn)移機(jī)制相比于壓力驅(qū)動(dòng)的滲流來(lái)說(shuō)，速度較慢，運(yùn)移量較少[20]。而在裂隙不均勻、不貫通的裂隙發(fā)育帶，則只能發(fā)生擴(kuò)散和短距離浮力流的共同作用。在該運(yùn)移作用下，氣體不能發(fā)生長(zhǎng)距離的運(yùn)移，運(yùn)移量和速度相比于單純的浮力流更低。

圖5 淺層天然氣在休止期逆斷層中運(yùn)移模式圖

4 逆斷層區(qū)域淺層天然氣的運(yùn)移特征

為深入研究逆斷層工區(qū)淺層天然氣的運(yùn)移特征，本文通過(guò)以下3個(gè)試驗(yàn)具體研究逆斷層工區(qū)內(nèi)不同結(jié)構(gòu)部位中淺層天然氣的涌出、補(bǔ)給、聚集特征。1)CH4短期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)(對(duì)檢測(cè)鉆孔進(jìn)行為期7 d的CH4體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)，每次測(cè)試前先敞孔12 h，再封孔12 h)，測(cè)定淺層天然氣的體積分?jǐn)?shù)以及含量，以評(píng)價(jià)淺層天然氣的涌出和聚集能力。2)CH4補(bǔ)給試驗(yàn)(試驗(yàn)開始前先對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行大功率通風(fēng)2～4 h，將CH4體積分?jǐn)?shù)臨時(shí)降至100×10-6以下，再封孔并每隔2 min測(cè)試1次鉆孔內(nèi)體積分?jǐn)?shù))，用以定量評(píng)價(jià)淺層天然氣補(bǔ)給速度和體積分?jǐn)?shù)。3)CH4長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)(對(duì)檢測(cè)孔進(jìn)行為期30 d的CH4體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè))，旨在監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)在長(zhǎng)期敞孔通風(fēng)和短期封孔條件交替作用下淺層天然氣的體積分?jǐn)?shù)變化和涌出、補(bǔ)給特征。

4.1 活動(dòng)逆斷層中淺層天然氣的運(yùn)移特征

成都軌道交通30號(hào)線臨港路站至長(zhǎng)城路站區(qū)間被F1斷層切穿(見(jiàn)圖6(a))，對(duì)該區(qū)域的部分鉆孔實(shí)行了淺層天然氣體積分?jǐn)?shù)短期監(jiān)測(cè)。在對(duì)M301Z3-TLCC-10號(hào)孔監(jiān)測(cè)過(guò)程中，綿陽(yáng)安州區(qū)發(fā)生震源深度為10 km的4.6級(jí)地震，由于地震期間構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)驟變導(dǎo)致流體高壓[21-22]，引起F1地下深部壓性斷裂結(jié)構(gòu)面發(fā)生開啟，從而引起蓬萊鎮(zhèn)組氣藏上部淺層天然氣快速向上涌流，在第2天的檢測(cè)數(shù)據(jù)中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的體積分?jǐn)?shù)大幅度增加。以CH4為例，2019年12月7日檢測(cè)顯示孔內(nèi)CH4體積分?jǐn)?shù)為1 035×10-6，而在12月10日的檢測(cè)中其上升了30倍，達(dá)到30 000×10-6。隨著地震結(jié)束，結(jié)構(gòu)面重新閉合，氣體運(yùn)移通道封閉，在12月12日鉆孔中CH4體積分?jǐn)?shù)又下降到463×10-6(見(jiàn)圖6(b))。結(jié)合氣體在活動(dòng)逆斷層中的運(yùn)移模式可知，在地下工程中，活動(dòng)的逆斷層相當(dāng)于一根連接地下儲(chǔ)層和施工現(xiàn)場(chǎng)的“吸管”，在“吸管”范圍內(nèi)，淺層天然氣具有短期聚集能力強(qiáng)、補(bǔ)給速度快、涌出量大等特點(diǎn)，但持續(xù)性較差，往往斷層停止活動(dòng)后，補(bǔ)給速度和涌出量便急劇下降。因此，逆斷層活動(dòng)期間，通風(fēng)不到位或施工防護(hù)欠缺，很容易造成天然氣中毒、爆炸、燃燒等危險(xiǎn)事故。

圖6 活動(dòng)逆斷層淺層天然氣涌出監(jiān)測(cè)曲線

4.2 休止期逆斷層中淺層天然氣的運(yùn)移特征

根據(jù)工區(qū)F1、F3斷層周圍鉆孔巖芯裂隙發(fā)育情況，劃分了破碎帶和裂隙發(fā)育帶的范圍(見(jiàn)圖7)。以CH4為測(cè)試對(duì)象，在逆斷層F1、F3周圍布置共7個(gè)測(cè)試孔進(jìn)行CH4短期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)、CH4補(bǔ)給試驗(yàn)以及CH4長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)休止期逆斷層中不同部位的淺層天然氣涌出、補(bǔ)給、聚集等特征。為了保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性，鉆孔均深入到工區(qū)基巖中一定深度(見(jiàn)圖7)。

圖7 工區(qū)破碎帶、裂隙發(fā)育帶劃分示意圖

4.2.1 破碎區(qū)淺層天然氣運(yùn)移特征

根據(jù)前述可知，F(xiàn)1、F3逆斷層破碎帶工區(qū)下伏基巖節(jié)理裂隙連續(xù)發(fā)育，滲透率遠(yuǎn)高于圍巖(見(jiàn)圖7)，因此，在該區(qū)域淺層天然氣可以依靠浮力持續(xù)向上運(yùn)移。

1)破碎帶工區(qū)中M301Z3-TLCC-03、M301Z3-TLCC-07、M301Z3-THLJ-04、M301Z3-THLJ-07 4個(gè)孔的CH4短期監(jiān)測(cè)結(jié)果(見(jiàn)圖8(a)、8(b)、9(a)、9(b))顯示工區(qū)蓋層以下的破碎帶中CH4封孔體積分?jǐn)?shù)在監(jiān)測(cè)期間普遍維持在20 000×10-6左右(M301Z3-THLJ-07號(hào)孔在12月9日的體積分?jǐn)?shù)突變是由于綿陽(yáng)地震的影響)，曲線起伏不大。說(shuō)明破碎帶區(qū)域淺層天然氣含量充足、涌出量大，短期的敞孔并不會(huì)削弱它的短期聚集能力。

2)對(duì)破碎帶中的M301Z3-TLCC-07、M301Z3-THLJ-04號(hào)孔進(jìn)行了CH4補(bǔ)給試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖8(c)、9(c)。圖中曲線顯示CH4體積分?jǐn)?shù)先隨封孔時(shí)間增長(zhǎng)而直線上升，隨后在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到7 000×10-6～13 000×10-6的平衡體積分?jǐn)?shù)。說(shuō)明發(fā)生氣體浮力流作用的破碎帶區(qū)域，淺層天然氣對(duì)鉆孔的補(bǔ)給體量、補(bǔ)給速率較高。

3)為了進(jìn)一步監(jiān)測(cè)破碎帶區(qū)域在長(zhǎng)期敞孔通風(fēng)和短期封閉條件交替作用下鉆孔中淺層天然氣的體積分?jǐn)?shù)變化和涌出、補(bǔ)給等特征，對(duì)M301Z3-TLCC-03、M301Z3-THLJ-04號(hào)孔進(jìn)行CH4長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)(見(jiàn)圖8(d)、9(d))。結(jié)果顯示：M301Z3-TLCC-03號(hào)孔內(nèi)CH4體積分?jǐn)?shù)經(jīng)過(guò)1周的敞孔通風(fēng)后由20 000×10-6降到了600×10-6；M301Z3-THLJ-04號(hào)孔經(jīng)過(guò)前后2個(gè)5 d的敞孔通風(fēng)，體積分?jǐn)?shù)分別由23 147×10-6和19 000×10-6降到了1 000×10-6和458×10-6。2個(gè)孔位的12 h封孔體積分?jǐn)?shù)也由最開始的22 000×10-6和24 589×10-6下降到6 000×10-6和9 000×10-62個(gè)穩(wěn)定的體積分?jǐn)?shù)。

圖8 F1斷層破碎帶CH4監(jiān)測(cè)曲線

對(duì)比短期CH4監(jiān)測(cè)試驗(yàn)可知，長(zhǎng)期的敞孔通風(fēng)條件會(huì)導(dǎo)致破碎帶區(qū)域淺層天然氣的短期聚集能力和涌出量大幅下降；在結(jié)束長(zhǎng)期敞孔通風(fēng)后，鉆孔中淺層天然氣體積分?jǐn)?shù)會(huì)逐漸回升，氣體的短期聚集能力也會(huì)逐漸達(dá)到一個(gè)新的聚集平衡體積分?jǐn)?shù)，且該體積分?jǐn)?shù)與淺層天然氣的補(bǔ)給體積分?jǐn)?shù)相符合。另一方面，長(zhǎng)期敞孔后的封孔測(cè)試，鉆孔中始終存在較高體積分?jǐn)?shù)的氣體，因此發(fā)生浮力流作用的破碎帶中淺層天氣的補(bǔ)給具有持續(xù)性和穩(wěn)定性。

圖9 F3斷層破碎帶CH4監(jiān)測(cè)曲線

4.2.2 裂隙發(fā)育區(qū)淺層天然氣運(yùn)移特征

由于F1、F3逆斷層工區(qū)下伏基巖在裂隙發(fā)育帶中主要發(fā)育高陡裂隙，且裂隙發(fā)育不連貫(見(jiàn)圖7)。因此，在該區(qū)下伏氣體主要以擴(kuò)散和浮力的共同作用向上侵染工區(qū)，并且其運(yùn)移和儲(chǔ)存系統(tǒng)也有相對(duì)的孤立特性。1)CH4短期監(jiān)測(cè)曲線(見(jiàn)圖10(a)—(c))顯示，CH4體積分?jǐn)?shù)隨著時(shí)間增長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，孔內(nèi)體積分?jǐn)?shù)較低，說(shuō)明裂隙發(fā)育帶內(nèi)淺層天然氣含量不充足，涌出量小。短期敞孔條件可以降低該區(qū)域淺層天然氣的聚集能力和涌出量。2)CH4補(bǔ)給曲線(見(jiàn)圖10(d)—(e))的形態(tài)與破碎帶的補(bǔ)給曲線相似，但是裂隙發(fā)育帶中CH4體積分?jǐn)?shù)升高2 800×10-6～3 082×10-6用時(shí)為6～8 min，破碎帶中6～8 min內(nèi)CH4體積分?jǐn)?shù)可以上升7 000×10-6～10 000×10-6。相比于破碎帶，裂隙發(fā)育帶中淺層天然氣補(bǔ)給速度和體積分?jǐn)?shù)較小。3)CH4長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示(見(jiàn)圖10(f))，經(jīng)過(guò)5 d長(zhǎng)期敞孔通風(fēng)后，M301Z2-TKXJ-08號(hào)孔內(nèi)12 h封閉體積分?jǐn)?shù)長(zhǎng)期接近600×10-6，鉆孔中淺層天然氣逸散殆盡，說(shuō)明裂隙發(fā)育帶內(nèi)的淺層天然氣補(bǔ)給不具有持久性和穩(wěn)定性，長(zhǎng)期的敞孔通風(fēng)條件可以排放掉鉆孔周圍裂隙發(fā)育帶中的大部分淺層天然氣。

圖10 裂隙發(fā)育帶CH4監(jiān)測(cè)曲線

5 逆斷層區(qū)域淺層天然氣的賦存特征

逆斷層淺部由于張性裂隙發(fā)育，可以作為良好的儲(chǔ)集空間，如果地表有較厚的黏土等沉積物，氣體便可在此聚集[23]。在成都軌道交通30號(hào)線有害氣體的勘察中發(fā)現(xiàn)，在破碎帶區(qū)域淺層天然氣體積分?jǐn)?shù)較為接近，除去個(gè)別鉆孔外，CH4檢測(cè)值都在20 000×10-6以上，而且該區(qū)域裂隙聯(lián)通性較好，淺層天然氣含量充足，補(bǔ)給充分且持久，綜合推斷淺層天然氣在該部位以連續(xù)性賦存為主。相反，在裂隙發(fā)育帶一般則以淺層天然氣氣囊的形式賦存，氣體含量不充足，從而天然氣散失后沒(méi)有持續(xù)性的補(bǔ)給(見(jiàn)圖11)，而且該區(qū)域的甲烷檢測(cè)值波動(dòng)性也特別大。根據(jù)Celine等[8]的研究，斷層伴生裂隙主要發(fā)育在以斷層為中心的 1～2 km內(nèi)，因此該范圍同樣也是淺層天然氣的良好賦存區(qū)域。在成都軌道交通30號(hào)線工程中，經(jīng)過(guò)CH4監(jiān)測(cè)和對(duì)比，判斷出斷層周圍淺層天然氣富集區(qū)域的直線長(zhǎng)度分別為1 800 m和2 700 m(見(jiàn)圖7)，與上述理論較為符合。

圖11 逆斷層淺層天然氣儲(chǔ)存模式圖

在同條件下輕烴分子量越大(碳數(shù)越多)，擴(kuò)散系數(shù)越小，運(yùn)移距離越短，成藏埋深越大。因此，在埋深方向淺層天然氣藏組分也存在細(xì)微差別，同等條件下運(yùn)移路徑越長(zhǎng)，則淺層天然氣成分中C1/(C2+ C3)(C1為甲烷，C2為乙烷，C3為丙烷)的值將會(huì)升高[1]。在工程中表現(xiàn)為在淺部淺層天然氣對(duì)工程的危害主要以CH4、H2、H2S等小分子氣體為主，其他高碳數(shù)的氣體較少。以30號(hào)線為例，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的6組氣樣進(jìn)行氣相色譜試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。數(shù)據(jù)顯示有害氣體以CH4為主，含有微量其他高碳?xì)怏w。然而，鄰近的蘇碼頭氣田顯示氣體組分中C1/C2+(C2+為碳原子數(shù)量大于2的氣體)的值為10.7%～16.27%[24]，可見(jiàn)長(zhǎng)距離運(yùn)移對(duì)淺層天然氣具有一定的分流作用。除此之外，氣體在向上運(yùn)移的過(guò)程中，區(qū)域上存在多套局部蓋層，淺層天然氣通過(guò)蓋層向上擴(kuò)散的同時(shí)，會(huì)造成蓋層的烴體積分?jǐn)?shù)封閉作用加強(qiáng)，氣體擴(kuò)散速率變小，下部?jī)?chǔ)氣體積分?jǐn)?shù)增加，最后形成從下到上斷層圈閉的淺層天然氣體積分?jǐn)?shù)逐漸變小，這也就造成越往下淺層天然氣的補(bǔ)給越充分和持久，在縱向上形成體積分?jǐn)?shù)分異。

表1 氣體組分檢測(cè)結(jié)果表

6 結(jié)論與建議

本文基于成都地鐵30號(hào)線，通過(guò)一系列現(xiàn)場(chǎng)CH4監(jiān)測(cè)試驗(yàn)和室內(nèi)氣相色譜試驗(yàn)，對(duì)逆斷層工區(qū)的不同部位進(jìn)行了淺層天然氣的賦存和運(yùn)移特征分析，得到主要結(jié)論如下。

1)活動(dòng)逆斷層中淺層天然氣發(fā)生以壓力驅(qū)動(dòng)的滲流作用，在地下工程中具有短期聚集能力強(qiáng)、補(bǔ)給速度快、涌出量大等特點(diǎn)，但持續(xù)性較差。

2)休止期逆斷層的破碎帶區(qū)域中淺層天然氣發(fā)生以浮力驅(qū)動(dòng)的浮力流作用，在破碎帶中連續(xù)賦存，含量充足，淺層天然氣短期聚集能力強(qiáng)、涌出量大、補(bǔ)給效率高、補(bǔ)給持久穩(wěn)定性好。長(zhǎng)期的敞孔通風(fēng)可以有效降低該區(qū)域淺層天然氣的涌出量和聚集能力。

3)休止期逆斷層的裂隙發(fā)育帶中淺層天然氣發(fā)生擴(kuò)散和短距離浮力流的共同作用，以氣囊的方式在裂隙發(fā)育帶中不均勻分布，含量較少，淺層天然氣短期聚集能力弱、涌出量小，補(bǔ)給效率和持久穩(wěn)定性差。短期敞孔可以有效降低該區(qū)域淺層天然氣的涌出量和聚集能力，長(zhǎng)期敞孔通風(fēng)則可以排放掉鉆孔周圍裂隙發(fā)育帶中的絕大部分淺層天然氣。

4)淺層天然氣主要以擴(kuò)散的方式通過(guò)逆斷層封閉能力較強(qiáng)的部位，增加了局部的烴體積分?jǐn)?shù)封閉能力，造成淺層天然氣的體積分?jǐn)?shù)隨埋深的增大而增大以及淺層天然氣在縱向上的組分分異。

后期建議對(duì)逆斷層工區(qū)淺層天然氣工程危害的評(píng)價(jià)體系或治理措施進(jìn)行進(jìn)一步的研究。