特長油氣田區高瓦斯隧道地質構造與瓦斯精準探測方法研究

姚海波 高 峰 張文選 孟慶明 羅世剛

(1.北方工業大學， 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.中國電建集團鐵路建設有限公司成都公司， 成都 610017)

21世紀以來，我國隧道與地下工程得到了長足的發展。僅就鐵路系統統計[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。規劃隧道6 327座，總長 15 634 km。

我國幅員遼闊，地質條件復雜多變，大規模的隧道建設，尤其是特長隧道的施工，經常引發惡性地質災害。其中，瓦斯隧道就是一類極具特點的高風險隧道工程。2015年2月24日,龍泉驛區洛帶鎮五洛路1號隧道發生瓦斯爆炸事故,造成7人死亡、19人受傷,直接經濟損失超過 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生特別重大瓦斯爆炸事故，造成44人死亡、11人受傷，直接經濟損失 2 035萬元。可見，瓦斯隧道施工風險極高，與瓦斯相關的事故后果異常嚴重。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。隧道區域為龍泉山油氣田分布區域，沿線地質條件多變，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。高瓦斯區域與低瓦斯區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。測區屬揚子準地臺四川臺坳川西臺陷構造單元，主要構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°。隧址區發育構造包括臥龍寺向斜、龍泉驛背斜、龍泉驛斷層和馬鞍山斷層。測區地層自上而下依次為第四系全新統粉質黏土、侏羅系上統蓬萊鎮組(J3p)泥巖夾砂巖、侏羅系上統遂寧組(J3s)泥巖夾砂巖、侏羅系中統上沙溪廟組(J2s)泥巖夾砂巖。

2 孕災機制研究

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

2.1 區域沉積建造與構造演化研究[2]

2.1.1寒武紀-三疊紀演化特征

研究區處于四川盆地，在區域構造上歸屬于揚子準地臺中二級構造單元—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，發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或寒武系平行不整合接觸。

早三疊世晚期，該區發育成為半封閉的內海盆地，以龍泉山和華鎣山為中心逐步形成“水下高地”，發育蒸發式建造。中三疊世時兩個水下高地進一步發展，周邊古陸擴大，使海盆封閉更趨完善，發育了蒸發式建造。內陸盆地的形成始于晚三疊世晚期。受印支運動末幕的影響，三疊紀后本區進入陸相沉積階段。紅色復陸屑建造西厚東薄，西部上三疊統-第四系發育齊全，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，可進一步劃分為深湖、淺湖、濱湖相，而且早世各期的深湖相區幾乎全位于四川湖的偏北部，大致以南充-達縣為中心。深湖相沉積物以黑色泥頁巖為主，發育水平層理；淺湖相為灰綠色砂泥巖夾泥灰巖；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，大區域屬淺湖-濱湖或濱湖沼澤環境。

晚新田溝期，以紫紅色泥巖、砂巖為主，發育交錯層理，沖刷構造，具有河流相沉積特征。

新田溝期末，燕山運動波及本區，隨四川西部山區的強烈隆升，盆地區也相繼隆升，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，水平層理發育，可見波痕、泥裂，局部含薄層石膏沉積，表明當時氣候干旱，為強氧化的淺湖沉積環境。

蓬萊鎮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 1 200～1 800 m的沖積扇相堆積，扇頂礫巖可達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，砂巖普遍發育交錯和平行層理，時見沖刷構造和滯留灰質礫巖透鏡體。這一時期的構造運動特點是以多次升降運動為主，臺區內部無褶皺運動。燕山運動在四川盆地的主要表現為震蕩升降，普遍存在的侏羅系下、中統之間和白堊系與上侏羅統之間的平行不整合是這種性質的表征。

本區喜馬拉雅運動發生于早第三紀-晚更新世。是四川東部最重要的構造運動，它席卷了整個四川盆地，使盆地自震旦紀以來的沉積蓋層全部褶皺隆升，結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，龍泉山油氣產自上三疊統須家河組烴源層[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

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

(2)有機質豐度高

11月中旬，中國石油測井公司有3名員工被授予“陜西省技術能手”光榮稱號，這是對他們參加第九屆陜西省“測井杯”職業技能大賽獲得優異成績的嘉獎，也是對測井公司員工培養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

南部地區油氣儲量大于50 ×108m3/km2，北部地區油氣儲量為 20～40 ×108m3/km2。上三疊統烴源巖生烴高峰期為白堊紀-早第三紀。現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基礎 ，如圖1所示。從圖中可知，龍泉山區域油氣儲量為 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烴源層的地層為侏羅系巨厚砂泥巖地層，沉積厚度可達 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。龍泉山是四川境內一條區域深大的斷裂，隧址區位于該構造帶北段，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造主體， 直達東翼斷層下方，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 隧址區反“y”型區域斷裂帶

2.2.3圈閉構造

天然氣作為流體，遵從自高地應力區向低地應力區運移的規律，因此，其富集的前提是具有封閉的空間構造。典型的封閉構造包括褶皺型圈閉構造、逆斷層型圈閉構造和巖性型圈閉構造[4]以及成生于各個地質時代的短軸背斜、穹隆、傾覆背斜等構造。油氣藏與侏羅紀沙溪廟組地層穹隆與傾覆褶皺構造之間密切的空間關系如圖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 川西白堊紀沉積前沙溪廟組頂古構造與油氣運聚關系圖

逆斷層型圈閉構造包含背沖式地壘構造和單斷式逆沖構造兩種類型，是水平巖層遭受橫向擠壓條件下，產生褶斷效應，形成寬緩背斜與逆沖斷層或逆掩推覆構造分別組合而成。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造。

巖性型圈閉構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 龍泉山瓦斯災害孕育機制

四川盆地、龍泉山油氣藏成藏機制，即孕災機制如下：

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

(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，對四川臺坳產生了強烈的水平擠壓和大規模的褶斷作用，形成大型的表皮滑脫構造(如龍泉山斷褶帶)，同時伴生了規模各異的短軸背斜、穹隆和鼻狀等表層圈閉構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多次構造運動，發育了數量巨大的斷層與節理構造帶。(2)對瓦斯的探測可以轉化為對裂隙構造的探測。作為隧道圍巖的沙溪廟組地層與蓬萊鎮組地層，泥巖占絕對優勢，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。

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

3.1 Google-Earth 3D衛星場景構造影像識別

Google-Earth是一款由Google公司開發的的虛擬地球儀軟件，將衛星圖像、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1 m，而且可以獲取自1984年以來的各個階段的衛星圖片。本次研究采用構造地貌解譯方法，對隧址區50 km2區域進行構造解譯，可識別出對施工具有重大影響的大型線狀構造、地表水體等風險源。

3.2 無人機LiDAR技術微地貌構造解譯

LiDAR即激光探測與測量，利用GPS和IMU進行機載激光掃描，其所測得的數據為數字表面模型。應用分類技術在這些原始數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，該技術具有3cm的超高分辨率，可以為構造微地貌解譯提供精準的三維數據模型。

3.3 重點靶區EH4地表深層構造探測

龍泉驛背斜谷地與隧道相交處有一個水庫，此處為重要風險源。采用EH4實施探測，利用其測深大(最大探測深度可達1 000 m)、對水反應敏感的特點，進一步查明深部構造發育情況及其含水性，為隧道施工提供準確依據。

3.4 隧道風險分級分區體系研究與建立

通過對龍泉山孕災機制的研究和不同尺度構造帶的識別、重點靶區的EH4探測，結合隧道勘察設計文件，依據瓦斯賦存條件，將龍泉山隧道圍巖分為3級風險區段和9個瓦斯分區。3級風險區段即高瓦斯風險區段、中瓦斯風險區段和低瓦斯風險區段。

(1)高瓦斯風險區段：具有背斜或穹隆圈閉構造、緩傾單斜構造、山形完整，隧道埋深大。

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

(3)低瓦斯風險區段：通天斷層及其影響帶，隧道埋深淺，主要在洞口附近。

龍泉山隧道瓦斯風險分級分區評價如表1所示。

表1 龍泉山隧道瓦斯風險分級分區評價表

3.5 TSP洞內構造探測

瓦斯風險分級分區的確立，為施工過程中瓦斯的進一步探測指明了方向，為瓦斯防治奠定了基礎。在隧道開挖過程中，采用TSP對開挖面前方實施超前探測，尋找構造裂隙帶。在該階段，借助前述工作建立的地質構造知識體系，結合掌子面地質觀測與推斷，可以有效規避TSP物探解譯的多解性，提高構造識別的精度。現場地質跟蹤實證研究表明，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

對構造帶空間位置的精細預報包含兩個指標，一是構造面的隧道中心里程，二是構造面的首次揭露里程，即隧道橫截面開挖凈空范圍內與構造面首次交接位置的里程。本文所指的裂隙帶里程預報誤差就是以上指標預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依賴于兩方面的工作，一是在區域地質分析-孕災機制研究-瓦斯風險分級分區-瓦斯構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上，提前根據掌子面前方圍巖質量與構造發育狀態、瓦斯風險的狀況，建立起三維系統的知識體系。二是采用30 m超前水平鉆探，精確鎖定構造面空間位置。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，量測鉆孔揭露構造帶的深度與鉆孔傾覆角，計算構造面該探測點空間坐標，如此獲得同一構造面3點坐標，即可計算該構造面的產狀[5]，進而計算隧道中心里程與首次揭露里程。在鉆進過程中，每進尺1 m，均要利用瓦斯檢測儀量測鉆孔瓦斯含量，以確定構造帶的瓦斯賦存情況。

5 結論

(1)基于沉積建造與構造演化及油氣成生、運移與儲集機理的孕災機制研究，是進行地質構造與瓦斯精準預測的必要前提。

(2)利用高分辨率LiDAR技術實施微地貌構造精確解譯，創新了隧道施工細部構造識別方法，有效提高了地質預報精度。

(3)在油氣儲集機制研究的基礎上，對特長油氣田瓦斯隧道進行瓦斯風險分級、分區，為地質構造精準預報和瓦斯施工防治奠定了堅實的基礎。

(4)依托孕災機制研究、構造地貌三維影像精確解譯、針對性物理探測、構造帶鉆探精查層次遞進四位一體的預測模式，實現了特長油氣田高瓦斯隧道地質構造與瓦斯的亞米級誤差精準預報，形成了系統的探測方法。

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