逆斷層工區淺層天然氣賦存及運移特征研究
——以成都軌道交通30號線為例

蘇培東，何坤宸，*，李有貴，樂 建，紀佑軍，李 園，邱 鵬

(1.西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500；2.四川興蜀工程勘察設計集團有限公司，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]，當其運移至地下施工場所后，會以中毒、窒息、爆炸等形式嚴重危害工程作業人員的生命安全。在油氣勘探中，類似于斷層的構造間斷可以為氣體上升到淺部地層提供優先通道[2]，尤其是深源氣體向淺層遷移的過程中，斷層等大尺度斷裂區域成為重要的滲流路徑[3-4]。但是對于逆斷層來說，由于斷層兩盤的緊密研磨，巖石顆粒被碾磨成泥質物質，增加了斷層泥的來源，而且逆斷層更容易形成泥巖涂抹效應，因此，在傳統的石油天然氣領域，處于休止期的逆斷層通常是作為一種封閉條件[5]而不作為油氣的運移通道和儲集空間。然而，大量工程實例表明，逆斷層周圍是發育淺層天然氣的重點區段，如成都軌道交通19號線在穿越龍家埂逆斷層時，檢測到CH4體積分數達到2.24%，絕對涌出量達到1.62 m3·min-1；成簡快速路在穿越龍泉驛斷層時，CH4體積分數達到3.42%；達成鐵路在穿越龍泉山箱型背斜F1、F2斷層時，CH4體積分數為8.0%，絕對涌出量為3.03 m3·min-1。因此，逆斷層在工程建設和石油天然氣行業所發揮的作用有所差異。

在工業油氣行業中，為了探明油氣藏的成藏歷史和儲量，需要通過巖芯、測井、地球化學等方法來對斷層封閉性[6-7]、斷裂區域油氣運移歷史[8-9]和運移方式做出判斷。但是以上方法對樣本種類的多樣性和油氣體積分數有較高的要求，而逆斷層工區所遇到的一般都是埋藏淺、體積分數低、氣體成分單一(以CH4為主)、更容易運移的淺層天然氣，并不滿足以上試驗的要求；并且地下工程建設對氣體體積分數更為敏感，往往低體積分數的淺層天然氣就會造成嚴重的后果，因此對氣體的涌出、補給特征更為看重，而測井、地球化學等方法并不能直觀地反映這些特征。因此，采用傳統工業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致了從工程角度來研究逆斷層中淺層天然氣賦存和運移特征的學者較少，大多是籠統地闡述斷層可以作為淺層天然氣運移到地下工程內部的運移通道[10-11]，缺乏系統性研究。為了更好地指導地下工程的安全生產，本文以成都軌道交通30號線工程為例，運用CH4短期監測試驗、CH4補給試驗以及CH4長期監測試驗等新方法系統研究了實際工程中逆斷層工區淺層天然氣的賦存和運移特征，以期為相關工程的設計、施工提供理論指導。

1 研究區地質環境

1.1 工程概況

成都軌道交通30號線為連接國際航空樞紐綜合功能區、金融城片區及龍泉地區的城區南部外圍加密線，線路長約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(見圖1)。該斷陷盆地內，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造帶、中央凹陷和東部邊緣構造帶3部分。成都軌道交通30號線工程則主要位于東部邊緣構造帶，所處區域大部分被厚層—巨厚層砂卵石土或黏性土地層所覆蓋。

區域內主要的含氣層位為侏羅系蓬萊鎮組砂泥巖地層，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，儲氣層位為萊鎮組，為典型的負壓—常壓淺層遠源次生氣藏。區域含氣層的蓋層為白堊系中統灌口組泥巖、砂質泥巖，該層位泥質含量較多，封閉性較好。全線在逆斷層工區檢測到高體積分數淺層天然氣體(見圖1)。

1.2 逆斷層工區工程地質條件

在工區內共發育3條壓性斷層F1、F2、F3。由于F2斷層為隱伏斷層，對該工程危害相對較小，本文主要以F1、F3逆斷層工區為研究對象。

F1斷層為雙流隱伏斷層的一條次級斷裂，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，垂直斷距為30～45 m。斷層影響深度至下白堊統，可以作為下伏油氣向上運移的良好通道。F1逆斷層工區下伏基巖為灌口組砂泥巖，節理裂隙發育，可以作為淺層天然氣良好的儲集空間和運移通道。上覆厚層卵石土加薄層黏土，其封蓋性較差，主要依靠下伏強風化泥巖作為氣體蓋層(見圖1)。在該工區基覆界線以下5 m的深度監測到大量淺層天然氣的存在。

圖1 成都軌道交通30號線淺層天然氣體積分數分布及區域構造圖

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并且溝通蘇碼頭氣田，可以作為油氣的運移通道。F3逆斷層工區下伏基巖特性與F1逆斷層工區相似，發育良好的儲集空間和運移通道，上覆蓋層為Q3厚層黏土，封閉性較好，勘察結果顯示一般在覆蓋層以下的地層中淺層天然氣體積分數較大。

綜上，F1、F3逆斷層工區淺層天然氣的“儲、運、保”條件發育良好，對工程的危害大。

2 逆斷層特征

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

斷層核通常形成于斷裂帶中心部位，在兩側巨大壓力作用下吸收了斷層的大部分位移，由滑動面、構造透鏡體、各種斷層巖組成，具有低孔低滲的特點。工區中F1、F3逆斷層切割較淺，斷層核的發育較差，主要由破碎帶和裂縫發育帶2部分組成。1)破碎帶是在一定的范圍內由成組的、復雜的斷裂滑動面和破碎體組成。F1、F3斷層周圍巖芯顯示破碎帶淺部巖芯呈塊狀—短柱狀，節理裂隙發育，一般為張開狀態，部分填充黏土(見圖2(a)和(b))。因此，該區域孔隙度、滲透率相比于圍巖大大增加[12]，其參數最高可以達到圍巖的6倍，通常也是淺層天然氣的運移通道和賦存空間。2)裂縫發育帶是在斷層的統一應力場或次一級應力場中形成。現場巖芯顯示，該區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性，因此其對氣體的運移效果和儲集效果稍遜于破碎帶。逆斷層構造特征見圖3。

(a)F3斷層破碎帶巖芯照

圖3 逆斷層構造特征

成都軌道交通30號線工區內F1、F3斷層切斷的地層中泥質含量很高，擁有較好的側向和垂向封閉作用，能夠較好地封閉鄰近蘇碼頭氣田[1,13]。但是在工程領域中，逆斷層并不能完全封閉氣體的擴散和滲流，而通過這2種作用運移到逆斷層淺部的淺層天然氣，雖然其體量對油氣藏不會形成破壞作用，但是其體積分數足以對工程造成危害。

3 淺層天然氣在逆斷層中的運移模式

淺層天然氣在斷層等斷裂構造中的運移主要以滲流作用和擴散作用進行[14-15]，其運移動力主要包括壓力差、體積分數差、浮力等。在不同性質的逆斷層的不同構造部位，其運移動力和運移模式是有差別的。

3.1 淺層天然氣在活動逆斷層中的運移模式

當逆斷層連通氣源并處于休止狀態時，由于逆斷層的封閉作用，大量的淺層天然氣在逆斷層和區域蓋層所圈閉的儲層中聚集，導致在斷層開啟前，儲層部位具有較高的剩余壓力。當逆斷層活動時，斷層中大量之前處于閉合或膠結狀態的裂隙發生引張作用，巖石發生膨脹，滲透率、孔隙度增大，形成構造裂隙中的負壓環境。而流體都傾向于從流體高勢區向低勢區流動[16-17]，因此砂巖儲層中的天然氣，由于垂直方向上蓋層的限制，將快速向斷裂帶中匯聚(見圖4)。這種由于儲層剩余壓力所驅動的運移模式具有非線性層流或紊流特征，其運移速度快，運移量大，短時間內能造成大量的天然氣聚集。

圖4 淺層天然氣在活動逆斷層中運移模式圖

3.2 淺層天然氣在休止期逆斷層中的運移模式

當逆斷層處于休止期時，主要對油氣起到封閉作用，因此在斷層內不能進行由壓力驅動的氣體運移。但是斷面壓力的變化以及地下水中礦物質含量的變化，會導致埋深方向上逆斷層的封閉性發生改變。在斷層深部巖石膠結作用和泥巖涂抹作用更發育、斷面壓力更大，從而不能發生氣體滲流；但是淺層天然氣分子小、活動性強、質量輕，可以在體積分數差的作用下通過斷層向上發生擴散作用。這種運移模式的運移量微弱，主要依靠時間累計效應對淺層天然氣在逆斷層中的賦存做出貢獻。

在逆斷層淺部，斷面壓力小且巖石普遍具有脆性性質[18]，通常形成未被膠結的開啟裂縫，便于氣體運移。淺層天然氣的工程危害也主要集中在這一區域[19]。但是不同的結構部位，氣體運移特征也各不相同(見圖5)。在淺部的破碎帶中發育密集的貫通裂隙，但是由于壓力小，淺層天然氣補給不足，氣體只能發生以浮力為主要驅動力的浮力流作用。此種運移機制相比于壓力驅動的滲流來說，速度較慢，運移量較少[20]。而在裂隙不均勻、不貫通的裂隙發育帶，則只能發生擴散和短距離浮力流的共同作用。在該運移作用下，氣體不能發生長距離的運移，運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移模式圖

4 逆斷層區域淺層天然氣的運移特征

為深入研究逆斷層工區淺層天然氣的運移特征，本文通過以下3個試驗具體研究逆斷層工區內不同結構部位中淺層天然氣的涌出、補給、聚集特征。1)CH4短期監測試驗(對檢測鉆孔進行為期7 d的CH4體積分數監測，每次測試前先敞孔12 h，再封孔12 h)，測定淺層天然氣的體積分數以及含量，以評價淺層天然氣的涌出和聚集能力。2)CH4補給試驗(試驗開始前先對孔內進行大功率通風2～4 h，將CH4體積分數臨時降至100×10-6以下，再封孔并每隔2 min測試1次鉆孔內體積分數)，用以定量評價淺層天然氣補給速度和體積分數。3)CH4長期監測試驗(對檢測孔進行為期30 d的CH4體積分數監測)，旨在監測、評價在長期敞孔通風和短期封孔條件交替作用下淺層天然氣的體積分數變化和涌出、補給特征。

4.1 活動逆斷層中淺層天然氣的運移特征

成都軌道交通30號線臨港路站至長城路站區間被F1斷層切穿(見圖6(a))，對該區域的部分鉆孔實行了淺層天然氣體積分數短期監測。在對M301Z3-TLCC-10號孔監測過程中，綿陽安州區發生震源深度為10 km的4.6級地震，由于地震期間構造應力場驟變導致流體高壓[21-22]，引起F1地下深部壓性斷裂結構面發生開啟，從而引起蓬萊鎮組氣藏上部淺層天然氣快速向上涌流，在第2天的檢測數據中各項數據的體積分數大幅度增加。以CH4為例，2019年12月7日檢測顯示孔內CH4體積分數為1 035×10-6，而在12月10日的檢測中其上升了30倍，達到30 000×10-6。隨著地震結束，結構面重新閉合，氣體運移通道封閉，在12月12日鉆孔中CH4體積分數又下降到463×10-6(見圖6(b))。結合氣體在活動逆斷層中的運移模式可知，在地下工程中，活動的逆斷層相當于一根連接地下儲層和施工現場的“吸管”，在“吸管”范圍內，淺層天然氣具有短期聚集能力強、補給速度快、涌出量大等特點，但持續性較差，往往斷層停止活動后，補給速度和涌出量便急劇下降。因此，逆斷層活動期間，通風不到位或施工防護欠缺，很容易造成天然氣中毒、爆炸、燃燒等危險事故。

圖6 活動逆斷層淺層天然氣涌出監測曲線

4.2 休止期逆斷層中淺層天然氣的運移特征

根據工區F1、F3斷層周圍鉆孔巖芯裂隙發育情況，劃分了破碎帶和裂隙發育帶的范圍(見圖7)。以CH4為測試對象，在逆斷層F1、F3周圍布置共7個測試孔進行CH4短期監測試驗、CH4補給試驗以及CH4長期監測試驗，以評價休止期逆斷層中不同部位的淺層天然氣涌出、補給、聚集等特征。為了保證試驗準確性，鉆孔均深入到工區基巖中一定深度(見圖7)。

圖7 工區破碎帶、裂隙發育帶劃分示意圖

4.2.1 破碎區淺層天然氣運移特征

根據前述可知，F1、F3逆斷層破碎帶工區下伏基巖節理裂隙連續發育，滲透率遠高于圍巖(見圖7)，因此，在該區域淺層天然氣可以依靠浮力持續向上運移。

1)破碎帶工區中M301Z3-TLCC-03、M301Z3-TLCC-07、M301Z3-THLJ-04、M301Z3-THLJ-07 4個孔的CH4短期監測結果(見圖8(a)、8(b)、9(a)、9(b))顯示工區蓋層以下的破碎帶中CH4封孔體積分數在監測期間普遍維持在20 000×10-6左右(M301Z3-THLJ-07號孔在12月9日的體積分數突變是由于綿陽地震的影響)，曲線起伏不大。說明破碎帶區域淺層天然氣含量充足、涌出量大，短期的敞孔并不會削弱它的短期聚集能力。

2)對破碎帶中的M301Z3-TLCC-07、M301Z3-THLJ-04號孔進行了CH4補給試驗，結果見圖8(c)、9(c)。圖中曲線顯示CH4體積分數先隨封孔時間增長而直線上升，隨后在較短的時間內達到7 000×10-6～13 000×10-6的平衡體積分數。說明發生氣體浮力流作用的破碎帶區域，淺層天然氣對鉆孔的補給體量、補給速率較高。

3)為了進一步監測破碎帶區域在長期敞孔通風和短期封閉條件交替作用下鉆孔中淺層天然氣的體積分數變化和涌出、補給等特征，對M301Z3-TLCC-03、M301Z3-THLJ-04號孔進行CH4長期監測試驗(見圖8(d)、9(d))。結果顯示：M301Z3-TLCC-03號孔內CH4體積分數經過1周的敞孔通風后由20 000×10-6降到了600×10-6；M301Z3-THLJ-04號孔經過前后2個5 d的敞孔通風，體積分數分別由23 147×10-6和19 000×10-6降到了1 000×10-6和458×10-6。2個孔位的12 h封孔體積分數也由最開始的22 000×10-6和24 589×10-6下降到6 000×10-6和9 000×10-62個穩定的體積分數。

圖8 F1斷層破碎帶CH4監測曲線

對比短期CH4監測試驗可知，長期的敞孔通風條件會導致破碎帶區域淺層天然氣的短期聚集能力和涌出量大幅下降；在結束長期敞孔通風后，鉆孔中淺層天然氣體積分數會逐漸回升，氣體的短期聚集能力也會逐漸達到一個新的聚集平衡體積分數，且該體積分數與淺層天然氣的補給體積分數相符合。另一方面，長期敞孔后的封孔測試，鉆孔中始終存在較高體積分數的氣體，因此發生浮力流作用的破碎帶中淺層天氣的補給具有持續性和穩定性。

圖9 F3斷層破碎帶CH4監測曲線

4.2.2 裂隙發育區淺層天然氣運移特征

由于F1、F3逆斷層工區下伏基巖在裂隙發育帶中主要發育高陡裂隙，且裂隙發育不連貫(見圖7)。因此，在該區下伏氣體主要以擴散和浮力的共同作用向上侵染工區，并且其運移和儲存系統也有相對的孤立特性。1)CH4短期監測曲線(見圖10(a)—(c))顯示，CH4體積分數隨著時間增長呈下降趨勢，孔內體積分數較低，說明裂隙發育帶內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域淺層天然氣的聚集能力和涌出量。2)CH4補給曲線(見圖10(d)—(e))的形態與破碎帶的補給曲線相似，但是裂隙發育帶中CH4體積分數升高2 800×10-6～3 082×10-6用時為6～8 min，破碎帶中6～8 min內CH4體積分數可以上升7 000×10-6～10 000×10-6。相比于破碎帶，裂隙發育帶中淺層天然氣補給速度和體積分數較小。3)CH4長期監測結果顯示(見圖10(f))，經過5 d長期敞孔通風后，M301Z2-TKXJ-08號孔內12 h封閉體積分數長期接近600×10-6，鉆孔中淺層天然氣逸散殆盡，說明裂隙發育帶內的淺層天然氣補給不具有持久性和穩定性，長期的敞孔通風條件可以排放掉鉆孔周圍裂隙發育帶中的大部分淺層天然氣。

圖10 裂隙發育帶CH4監測曲線

5 逆斷層區域淺層天然氣的賦存特征

逆斷層淺部由于張性裂隙發育，可以作為良好的儲集空間，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號線有害氣體的勘察中發現，在破碎帶區域淺層天然氣體積分數較為接近，除去個別鉆孔外，CH4檢測值都在20 000×10-6以上，而且該區域裂隙聯通性較好，淺層天然氣含量充足，補給充分且持久，綜合推斷淺層天然氣在該部位以連續性賦存為主。相反，在裂隙發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有持續性的補給(見圖11)，而且該區域的甲烷檢測值波動性也特別大。根據Celine等[8]的研究，斷層伴生裂隙主要發育在以斷層為中心的 1～2 km內，因此該范圍同樣也是淺層天然氣的良好賦存區域。在成都軌道交通30號線工程中，經過CH4監測和對比，判斷出斷層周圍淺層天然氣富集區域的直線長度分別為1 800 m和2 700 m(見圖7)，與上述理論較為符合。

圖11 逆斷層淺層天然氣儲存模式圖

在同條件下輕烴分子量越大(碳數越多)，擴散系數越小，運移距離越短，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微差別，同等條件下運移路徑越長，則淺層天然氣成分中C1/(C2+ C3)(C1為甲烷，C2為乙烷，C3為丙烷)的值將會升高[1]。在工程中表現為在淺部淺層天然氣對工程的危害主要以CH4、H2、H2S等小分子氣體為主，其他高碳數的氣體較少。以30號線為例，對現場采集的6組氣樣進行氣相色譜試驗，結果見表1。數據顯示有害氣體以CH4為主，含有微量其他高碳氣體。然而，鄰近的蘇碼頭氣田顯示氣體組分中C1/C2+(C2+為碳原子數量大于2的氣體)的值為10.7%～16.27%[24]，可見長距離運移對淺層天然氣具有一定的分流作用。除此之外，氣體在向上運移的過程中，區域上存在多套局部蓋層，淺層天然氣通過蓋層向上擴散的同時，會造成蓋層的烴體積分數封閉作用加強，氣體擴散速率變小，下部儲氣體積分數增加，最后形成從下到上斷層圈閉的淺層天然氣體積分數逐漸變小，這也就造成越往下淺層天然氣的補給越充分和持久，在縱向上形成體積分數分異。

表1 氣體組分檢測結果表

6 結論與建議

本文基于成都地鐵30號線，通過一系列現場CH4監測試驗和室內氣相色譜試驗，對逆斷層工區的不同部位進行了淺層天然氣的賦存和運移特征分析，得到主要結論如下。

1)活動逆斷層中淺層天然氣發生以壓力驅動的滲流作用，在地下工程中具有短期聚集能力強、補給速度快、涌出量大等特點，但持續性較差。

2)休止期逆斷層的破碎帶區域中淺層天然氣發生以浮力驅動的浮力流作用，在破碎帶中連續賦存，含量充足，淺層天然氣短期聚集能力強、涌出量大、補給效率高、補給持久穩定性好。長期的敞孔通風可以有效降低該區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育帶中淺層天然氣發生擴散和短距離浮力流的共同作用，以氣囊的方式在裂隙發育帶中不均勻分布，含量較少，淺層天然氣短期聚集能力弱、涌出量小，補給效率和持久穩定性差。短期敞孔可以有效降低該區域淺層天然氣的涌出量和聚集能力，長期敞孔通風則可以排放掉鉆孔周圍裂隙發育帶中的絕大部分淺層天然氣。

4)淺層天然氣主要以擴散的方式通過逆斷層封閉能力較強的部位，增加了局部的烴體積分數封閉能力，造成淺層天然氣的體積分數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。

后期建議對逆斷層工區淺層天然氣工程危害的評價體系或治理措施進行進一步的研究。