黃家梁隧道油砂特征與含油氣性分析

趙天彪

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000)

0 引言

位于劍閣縣下寺鎮(zhèn)與金子山鎮(zhèn)之間的黃家梁隧道是西成客運(yùn)專(zhuān)線上埋深較大、延伸較長(zhǎng)的穿越油砂地層的隧道，也是線路廣元至江油段的控制性工程。隧道起始里程是DK431+931，終點(diǎn)里程是DK443+313，總長(zhǎng)為11382m。隧道最大埋深處約265m，洞身淺埋處僅約20m。

線路定測(cè)階段，黃家梁隧道兩個(gè)鉆孔DZ-HJL-07和DZ-HJL-08均鉆遇侏羅系沙溪廟組下段的油砂地層，累計(jì)厚度分別約為22.65m和26.40m。鉆進(jìn)過(guò)程中，由于油砂中原油和天然氣大量溢出，出現(xiàn)鉆孔堵水和鉆機(jī)裹鉆的現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆機(jī)無(wú)法正常鉆進(jìn)。油砂中儲(chǔ)集的原油和天然氣混合物，不僅會(huì)對(duì)人體造成直接傷害（比如硫化氫和一氧化碳的毒害作用），還可能在施工過(guò)程中一定條件下形成隧道瓦斯爆炸，造成嚴(yán)重后果[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)油砂隧道的研究成果較少，大多是從能源勘探開(kāi)發(fā)的角度開(kāi)展相關(guān)研究。本文以黃家梁隧道油砂為研究對(duì)象，結(jié)合區(qū)域油氣地質(zhì)背景，利用野外露頭資料、室內(nèi)試驗(yàn)成果，分析油砂的特征和含油氣性，為隧道設(shè)計(jì)和施工提供參考，也為今后類(lèi)似隧道的建設(shè)提供借鑒。

1 區(qū)域油氣地質(zhì)概況

1.1 烴源巖和儲(chǔ)層

區(qū)域范圍內(nèi)各時(shí)代地層總體上發(fā)育較全，由老到新依次包含古生界的震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系，中生界的三疊系、侏羅系和新生界的第四系，新近系和古近系地層普遍缺失。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和隧道鉆孔巖芯觀察可知，隧道區(qū)域范圍內(nèi)未發(fā)育白堊系地層，但鄰近地區(qū)顯示發(fā)育部分白堊系地層。

研究區(qū)是我國(guó)重要的油氣聚集帶，油源十分豐富，多處地表露頭有良好的油氣苗和瀝青顯示[2-4]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅綿陽(yáng)安州區(qū)至廣元之間的區(qū)域，就有超過(guò)260處的油氣苗或?yàn)r青顯示。區(qū)域內(nèi)的烴源巖具有多層位特征，縱向上由老到新包括震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系和三疊系都含有烴源巖，總的厚度很大。

研究區(qū)油氣儲(chǔ)集層位眾多，由老至新包括寒武系、志留系、泥盆系、二疊系、三疊系和侏羅系，都具備良好的儲(chǔ)集條件。其中，泥盆系平驛鋪組以及侏羅系沙溪廟組又因油砂厚度較大，儲(chǔ)層物性較好，含油氣量較高，成為本地區(qū)最重要的油砂儲(chǔ)集層[5]。

黃家梁隧道洞身穿越地層為第四系和侏羅系，第四系地層主要為崩坡積塊石土、坡洪積粉質(zhì)黏土、坡殘積粉質(zhì)黏土等，侏羅系地層主要為中統(tǒng)沙溪廟組下段泥巖夾砂巖和下統(tǒng)白田壩組砂巖夾泥巖，砂巖中普遍含有油氣。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

構(gòu)造上，研究區(qū)處于龍門(mén)山北段推覆體構(gòu)造帶的單斜構(gòu)造單元內(nèi)，歸屬于前龍門(mén)山推覆體構(gòu)造帶的斷層隱伏前鋒構(gòu)造帶內(nèi)。龍門(mén)山北段推覆體構(gòu)造帶南起安縣永安鎮(zhèn)附近，北至廣元朝天區(qū)一帶，延伸距離超過(guò)180km。在斷層隱伏前鋒構(gòu)造帶內(nèi)，存在幾個(gè)重要的褶皺構(gòu)造，如礦山梁背斜、天井山背斜、中壩背斜、碾子壩背斜等（圖1）。地表構(gòu)造軸線多呈北東-南西向，核部大多出露二疊系以下地層。

圖1 黃家梁隧道位置與含油氣構(gòu)造位置關(guān)系

2 油砂特征

2.1 巖石學(xué)特征

隧道油砂的巖性以中-粗巖屑砂巖和巖屑石英砂巖為主。巖石粒徑普遍介于0.2～0.5mm之間，分選中等，磨圓度為次棱角狀-次圓狀。巖屑含量普遍大于30%，最高可達(dá)35%，巖屑以燧石和泥質(zhì)粉砂巖為主，含有少量的千枚巖和安山巖。長(zhǎng)石含量很小，普遍不足10%，由長(zhǎng)石蝕變而成的水云母或高嶺石，可以在表面觀察到解理縫。石英含量70%左右，表面干凈，偶見(jiàn)石英次生加大及被綠泥石交代。巖石中主要的次生礦物是云母，可見(jiàn)黑云母大量向綠泥石轉(zhuǎn)變。巖石中還含有重礦物，以綠簾石和鋯石為主。

2.2 儲(chǔ)集空間特征

儲(chǔ)集空間包含孔隙和裂縫兩大類(lèi)。孔隙類(lèi)型有殘余粒間孔、粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和粒內(nèi)裂紋孔隙。其中，殘余粒間孔占儲(chǔ)層總孔隙的比重最大，約為60%；其次是粒間溶孔，占儲(chǔ)層總孔隙的比重約為30%；粒內(nèi)溶孔和粒內(nèi)裂紋孔隙的占比都不高，合計(jì)占比約為10%。地層中的裂縫主要為構(gòu)造縫和節(jié)理縫，構(gòu)造縫較為發(fā)育，延伸較遠(yuǎn)，長(zhǎng)度可達(dá)100m，成束分布；節(jié)理縫主要分布在層面，延伸長(zhǎng)度一般為幾厘米至幾十厘米。

2.3 物性特征

據(jù)隧道區(qū)域范圍內(nèi)油砂剖面露頭及鉆孔巖心共30個(gè)樣品的常規(guī)物性分析（圖2、圖3），研究區(qū)油砂儲(chǔ)層物性變化較大，孔隙度為3.89%～20.56%，平均值為14.34%；滲透率為（0.89～44.37）×10-3μm2，平均值為11.85×10-3μm2。由此可知，隧道油砂巖為中高孔中滲儲(chǔ)層，物性較好。

圖2 油砂樣品孔隙度試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

圖3 油砂樣品滲透率試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

3 油砂含油氣性分析

3.1 油砂厚度

根據(jù)前人在該地區(qū)的研究成果[6-7]，結(jié)合隧道附近油砂地層野外露頭測(cè)量結(jié)果可知，研究區(qū)的油砂層數(shù)較多、厚度較大，但不同地區(qū)存在較大差異。從隧道鉆孔油砂厚度統(tǒng)計(jì)表（表1）中可以看出：不同位置處鉆孔中油砂厚度存在差異，除開(kāi)DZ-HJL-06-1號(hào)油砂厚度較小以外，其余存在油砂的鉆孔中，油砂的厚度普遍較大，統(tǒng)計(jì)的5個(gè)鉆孔油砂巖層的平均厚度為18.81m，綜合可得隧道區(qū)域范圍的地層中具有足夠厚度的油砂。

表1 鉆孔油砂厚度統(tǒng)計(jì)

3.2 含油率

對(duì)隧道區(qū)域沙溪廟組和白田壩組油砂的30個(gè)樣品（包括露頭樣品和巖芯樣品）進(jìn)行含油率測(cè)試，結(jié)果表明露頭樣品和巖芯樣品的含油率存在差別。露頭樣品的含油率普遍較低，處于0.56%～2.89%之間，大部分樣品含油率在1.3%左右；巖芯樣品含油率較露頭樣品高，處于0.89%～4.32%之間，大部分樣品含油率在2.1%左右。根據(jù)國(guó)內(nèi)外油砂開(kāi)采利用時(shí)對(duì)油砂的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)油砂屬于貧礦范疇。不可忽視的是，在DZ-HJL-07和DZHJL-08兩個(gè)鉆孔中，均發(fā)現(xiàn)稠油流出，說(shuō)明部分地層砂巖中仍可能存在很高的含油率。

3.3 含氣性

線路定測(cè)階段，通過(guò)對(duì)鉆孔DZ-HJL-07和DZ-HJL-08鉆遇的油砂地層進(jìn)行天然氣測(cè)試可知，鉆孔DZ-HJL-07多套油砂地層中檢測(cè)出的天然氣最大濃度達(dá)到2.525%，鉆孔DZ-HJL-08多套油砂地層中檢測(cè)出的天然氣最大濃度為2.845%，遠(yuǎn)超高瓦斯隧道判定的界限值。

施工過(guò)程中，采用超前地質(zhì)鉆孔的方式對(duì)油砂中的天然氣含量進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)釋放并排出油砂中的天然氣。根據(jù)超前地質(zhì)鉆孔檢測(cè)結(jié)果可知，黃家梁隧道油砂中普遍含有天然氣，總體含氣量不高，但是各個(gè)位置檢測(cè)結(jié)果差別較大，個(gè)別超前鉆孔中檢測(cè)出的天然氣濃度超過(guò)10%。油砂地層開(kāi)挖之后，對(duì)隧道掌子面附近進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)出的天然氣濃度普遍超過(guò)0.5%。

由此可知，油砂中普遍含有天然氣，并且含量較大。

4 結(jié)束語(yǔ)

黃家梁隧道油砂的巖性主要為中-粗巖屑砂巖和巖屑石英砂巖，儲(chǔ)集空間既有孔隙又有裂縫，油砂的物性變化較大，總體為中高孔中滲儲(chǔ)層。研究區(qū)油砂厚度約為26m；含油率介于0.56%～4.32%之間，露頭樣品含油率低于巖芯樣品，屬于貧礦油砂；定測(cè)鉆孔檢測(cè)天然氣濃度分別為2.525%和2.845%，超前鉆孔檢測(cè)出油砂中普遍含有天然氣，并且氣體濃度分布不均勻，施工時(shí)隧道內(nèi)掌子面附近檢測(cè)出天然氣濃度較大。

黃家梁隧道油砂中原油和天然氣含量總體較低，一般不易產(chǎn)生燃燒或爆炸危害，但是地層局部位置可能發(fā)生油氣富集，造成施工困難，甚至引發(fā)災(zāi)害性后果。因此，施工過(guò)程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)測(cè)，通過(guò)超前鉆孔的方式，檢測(cè)并分析不同位置處油砂中的油氣含量和孔滲參數(shù)，預(yù)測(cè)油氣溢出量與溢出速度，為選定施工方法提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；（2）加強(qiáng)施工通風(fēng)，通風(fēng)是防止天然氣發(fā)生聚集、燃燒或者爆炸的有利手段，亦可預(yù)防因天然氣濃度過(guò)高造成施工人員窒息等危害；（3）加強(qiáng)監(jiān)控測(cè)量，可采用天然氣監(jiān)控儀器與人工手持檢測(cè)儀相結(jié)合的方式，對(duì)隧道掌子面附近和回風(fēng)中天然氣的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；（4）加強(qiáng)施工人員培訓(xùn)管理，強(qiáng)化施工人員對(duì)油砂隧道施工安全的認(rèn)識(shí)，規(guī)范施工人員的操作，提高風(fēng)險(xiǎn)防范意識(shí)。