逆断层工区浅层天然气赋存及运移特征研究——以成都轨道交通30号线为例

苏培东，何坤宸，*，李有贵，乐 建，纪佑军，李 园，邱 鹏

(1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2.四川兴蜀工程勘察设计集团有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

浅层天然气以低分子饱和烃类气体为主，在沉积盆地中广泛分布[1]，当其运移至地下施工场所后，会以中毒、窒息、爆炸等形式严重危害工程作业人员的生命安全。在油气勘探中，类似于断层的构造间断可以为气体上升到浅部地层提供优先通道[2]，尤其是深源气体向浅层迁移的过程中，断层等大尺度断裂区域成为重要的渗流路径[3-4]。但是对于逆断层来说，由于断层两盘的紧密研磨，岩石颗粒被碾磨成泥质物质，增加了断层泥的来源，而且逆断层更容易形成泥岩涂抹效应，因此，在传统的石油天然气领域，处于休止期的逆断层通常是作为一种封闭条件[5]而不作为油气的运移通道和储集空间。然而，大量工程实例表明，逆断层周围是发育浅层天然气的重点区段，如成都轨道交通19号线在穿越龙家埂逆断层时，检测到CH4体积分数达到2.24%，绝对涌出量达到1.62 m3·min-1；成简快速路在穿越龙泉驿断层时，CH4体积分数达到3.42%；达成铁路在穿越龙泉山箱型背斜F1、F2断层时，CH4体积分数为8.0%，绝对涌出量为3.03 m3·min-1。因此，逆断层在工程建设和石油天然气行业所发挥的作用有所差异。

在工业油气行业中，为了探明油气藏的成藏历史和储量，需要通过岩芯、测井、地球化学等方法来对断层封闭性[6-7]、断裂区域油气运移历史[8-9]和运移方式做出判断。但是以上方法对样本种类的多样性和油气体积分数有较高的要求，而逆断层工区所遇到的一般都是埋藏浅、体积分数低、气体成分单一(以CH4为主)、更容易运移的浅层天然气，并不满足以上试验的要求；并且地下工程建设对气体体积分数更为敏感，往往低体积分数的浅层天然气就会造成严重的后果，因此对气体的涌出、补给特征更为看重，而测井、地球化学等方法并不能直观地反映这些特征。因此，采用传统工业油气的方法并不能满足地下工程的特殊要求。而缺乏新的研究方法也就导致了从工程角度来研究逆断层中浅层天然气赋存和运移特征的学者较少，大多是笼统地阐述断层可以作为浅层天然气运移到地下工程内部的运移通道[10-11]，缺乏系统性研究。为了更好地指导地下工程的安全生产，本文以成都轨道交通30号线工程为例，运用CH4短期监测试验、CH4补给试验以及CH4长期监测试验等新方法系统研究了实际工程中逆断层工区浅层天然气的赋存和运移特征，以期为相关工程的设计、施工提供理论指导。

1 研究区地质环境

1.1 工程概况

成都轨道交通30号线为连接国际航空枢纽综合功能区、金融城片区及龙泉地区的城区南部外围加密线，线路长约26.427 km。线路工程整体位于川西北凹陷的断陷盆地——成都平原上(见图1)。该断陷盆地内，西部的大邑—彭州和东部的蒲江—新津—成都—广汉2条隐伏断裂将断陷盆地分为西部边缘构造带、中央凹陷和东部边缘构造带3部分。成都轨道交通30号线工程则主要位于东部边缘构造带，所处区域大部分被厚层—巨厚层砂卵石土或黏性土地层所覆盖。

区域内主要的含气层位为侏罗系蓬莱镇组砂泥岩地层，线路涉及到的气田主要是苏码头气田，该气田位于线路东南方，储气层位为莱镇组，为典型的负压—常压浅层远源次生气藏。区域含气层的盖层为白垩系中统灌口组泥岩、砂质泥岩，该层位泥质含量较多，封闭性较好。全线在逆断层工区检测到高体积分数浅层天然气体(见图1)。

1.2 逆断层工区工程地质条件

在工区内共发育3条压性断层F1、F2、F3。由于F2断层为隐伏断层，对该工程危害相对较小，本文主要以F1、F3逆断层工区为研究对象。

F1断层为双流隐伏断层的一条次级断裂，该断层在西南端有良好的出露，断面倾向SE、走向NE，倾角18°～25°，具有明显的挤压冲断性质，垂直断距为30～45 m。断层影响深度至下白垩统，可以作为下伏油气向上运移的良好通道。F1逆断层工区下伏基岩为灌口组砂泥岩，节理裂隙发育，可以作为浅层天然气良好的储集空间和运移通道。上覆厚层卵石土加薄层黏土，其封盖性较差，主要依靠下伏强风化泥岩作为气体盖层(见图1)。在该工区基覆界线以下5 m的深度监测到大量浅层天然气的存在。

图1 成都轨道交通30号线浅层天然气体积分数分布及区域构造图

F3断层处于苏码头—盐井沟背斜西北翼，为压扭性断裂，断裂走向NE40°～50°，倾向SE，倾角20°～30°，垂直断距30～50 m，断层影响深度至下白垩统并且沟通苏码头气田，可以作为油气的运移通道。F3逆断层工区下伏基岩特性与F1逆断层工区相似，发育良好的储集空间和运移通道，上覆盖层为Q3厚层黏土，封闭性较好，勘察结果显示一般在覆盖层以下的地层中浅层天然气体积分数较大。

综上，F1、F3逆断层工区浅层天然气的“储、运、保”条件发育良好，对工程的危害大。

2 逆断层特征

根据安德森模式可知，在最大主应力轴σ1与中间主应力轴σ2水平、最小主应力σ3平行断层走向的情况下，随着σ1和σ3的差值逐渐增大，岩石开始发生破裂，随后上盘沿着破裂面发生明显位移，形成逆断层。从结构上来看，逆断层可划分为断层核、破碎带、裂缝发育带3部分。

断层核通常形成于断裂带中心部位，在两侧巨大压力作用下吸收了断层的大部分位移，由滑动面、构造透镜体、各种断层岩组成，具有低孔低渗的特点。工区中F1、F3逆断层切割较浅，断层核的发育较差，主要由破碎带和裂缝发育带2部分组成。1)破碎带是在一定的范围内由成组的、复杂的断裂滑动面和破碎体组成。F1、F3断层周围岩芯显示破碎带浅部岩芯呈块状—短柱状，节理裂隙发育，一般为张开状态，部分填充黏土(见图2(a)和(b))。因此，该区域孔隙度、渗透率相比于围岩大大增加[12]，其参数最高可以达到围岩的6倍，通常也是浅层天然气的运移通道和赋存空间。2)裂缝发育带是在断层的统一应力场或次一级应力场中形成。现场岩芯显示，该区域裂缝以高陡裂隙为主，裂隙的分布和连通具有不均匀性和不连续性，因此其对气体的运移效果和储集效果稍逊于破碎带。逆断层构造特征见图3。

(a)F3断层破碎带岩芯照

图3 逆断层构造特征

成都轨道交通30号线工区内F1、F3断层切断的地层中泥质含量很高，拥有较好的侧向和垂向封闭作用，能够较好地封闭邻近苏码头气田[1,13]。但是在工程领域中，逆断层并不能完全封闭气体的扩散和渗流，而通过这2种作用运移到逆断层浅部的浅层天然气，虽然其体量对油气藏不会形成破坏作用，但是其体积分数足以对工程造成危害。

3 浅层天然气在逆断层中的运移模式

浅层天然气在断层等断裂构造中的运移主要以渗流作用和扩散作用进行[14-15]，其运移动力主要包括压力差、体积分数差、浮力等。在不同性质的逆断层的不同构造部位，其运移动力和运移模式是有差别的。

3.1 浅层天然气在活动逆断层中的运移模式

当逆断层连通气源并处于休止状态时，由于逆断层的封闭作用，大量的浅层天然气在逆断层和区域盖层所圈闭的储层中聚集，导致在断层开启前，储层部位具有较高的剩余压力。当逆断层活动时，断层中大量之前处于闭合或胶结状态的裂隙发生引张作用，岩石发生膨胀，渗透率、孔隙度增大，形成构造裂隙中的负压环境。而流体都倾向于从流体高势区向低势区流动[16-17]，因此砂岩储层中的天然气，由于垂直方向上盖层的限制，将快速向断裂带中汇聚(见图4)。这种由于储层剩余压力所驱动的运移模式具有非线性层流或紊流特征，其运移速度快，运移量大，短时间内能造成大量的天然气聚集。

图4 浅层天然气在活动逆断层中运移模式图

3.2 浅层天然气在休止期逆断层中的运移模式

当逆断层处于休止期时，主要对油气起到封闭作用，因此在断层内不能进行由压力驱动的气体运移。但是断面压力的变化以及地下水中矿物质含量的变化，会导致埋深方向上逆断层的封闭性发生改变。在断层深部岩石胶结作用和泥岩涂抹作用更发育、断面压力更大，从而不能发生气体渗流；但是浅层天然气分子小、活动性强、质量轻，可以在体积分数差的作用下通过断层向上发生扩散作用。这种运移模式的运移量微弱，主要依靠时间累计效应对浅层天然气在逆断层中的赋存做出贡献。

在逆断层浅部，断面压力小且岩石普遍具有脆性性质[18]，通常形成未被胶结的开启裂缝，便于气体运移。浅层天然气的工程危害也主要集中在这一区域[19]。但是不同的结构部位，气体运移特征也各不相同(见图5)。在浅部的破碎带中发育密集的贯通裂隙，但是由于压力小，浅层天然气补给不足，气体只能发生以浮力为主要驱动力的浮力流作用。此种运移机制相比于压力驱动的渗流来说，速度较慢，运移量较少[20]。而在裂隙不均匀、不贯通的裂隙发育带，则只能发生扩散和短距离浮力流的共同作用。在该运移作用下，气体不能发生长距离的运移，运移量和速度相比于单纯的浮力流更低。

图5 浅层天然气在休止期逆断层中运移模式图

4 逆断层区域浅层天然气的运移特征

为深入研究逆断层工区浅层天然气的运移特征，本文通过以下3个试验具体研究逆断层工区内不同结构部位中浅层天然气的涌出、补给、聚集特征。1)CH4短期监测试验(对检测钻孔进行为期7 d的CH4体积分数监测，每次测试前先敞孔12 h，再封孔12 h)，测定浅层天然气的体积分数以及含量，以评价浅层天然气的涌出和聚集能力。2)CH4补给试验(试验开始前先对孔内进行大功率通风2～4 h，将CH4体积分数临时降至100×10-6以下，再封孔并每隔2 min测试1次钻孔内体积分数)，用以定量评价浅层天然气补给速度和体积分数。3)CH4长期监测试验(对检测孔进行为期30 d的CH4体积分数监测)，旨在监测、评价在长期敞孔通风和短期封孔条件交替作用下浅层天然气的体积分数变化和涌出、补给特征。

4.1 活动逆断层中浅层天然气的运移特征

成都轨道交通30号线临港路站至长城路站区间被F1断层切穿(见图6(a))，对该区域的部分钻孔实行了浅层天然气体积分数短期监测。在对M301Z3-TLCC-10号孔监测过程中，绵阳安州区发生震源深度为10 km的4.6级地震，由于地震期间构造应力场骤变导致流体高压[21-22]，引起F1地下深部压性断裂结构面发生开启，从而引起蓬莱镇组气藏上部浅层天然气快速向上涌流，在第2天的检测数据中各项数据的体积分数大幅度增加。以CH4为例，2019年12月7日检测显示孔内CH4体积分数为1 035×10-6，而在12月10日的检测中其上升了30倍，达到30 000×10-6。随着地震结束，结构面重新闭合，气体运移通道封闭，在12月12日钻孔中CH4体积分数又下降到463×10-6(见图6(b))。结合气体在活动逆断层中的运移模式可知，在地下工程中，活动的逆断层相当于一根连接地下储层和施工现场的“吸管”，在“吸管”范围内，浅层天然气具有短期聚集能力强、补给速度快、涌出量大等特点，但持续性较差，往往断层停止活动后，补给速度和涌出量便急剧下降。因此，逆断层活动期间，通风不到位或施工防护欠缺，很容易造成天然气中毒、爆炸、燃烧等危险事故。

图6 活动逆断层浅层天然气涌出监测曲线

4.2 休止期逆断层中浅层天然气的运移特征

根据工区F1、F3断层周围钻孔岩芯裂隙发育情况，划分了破碎带和裂隙发育带的范围(见图7)。以CH4为测试对象，在逆断层F1、F3周围布置共7个测试孔进行CH4短期监测试验、CH4补给试验以及CH4长期监测试验，以评价休止期逆断层中不同部位的浅层天然气涌出、补给、聚集等特征。为了保证试验准确性，钻孔均深入到工区基岩中一定深度(见图7)。

图7 工区破碎带、裂隙发育带划分示意图

4.2.1 破碎区浅层天然气运移特征

根据前述可知，F1、F3逆断层破碎带工区下伏基岩节理裂隙连续发育，渗透率远高于围岩(见图7)，因此，在该区域浅层天然气可以依靠浮力持续向上运移。

1)破碎带工区中M301Z3-TLCC-03、M301Z3-TLCC-07、M301Z3-THLJ-04、M301Z3-THLJ-07 4个孔的CH4短期监测结果(见图8(a)、8(b)、9(a)、9(b))显示工区盖层以下的破碎带中CH4封孔体积分数在监测期间普遍维持在20 000×10-6左右(M301Z3-THLJ-07号孔在12月9日的体积分数突变是由于绵阳地震的影响)，曲线起伏不大。说明破碎带区域浅层天然气含量充足、涌出量大，短期的敞孔并不会削弱它的短期聚集能力。

2)对破碎带中的M301Z3-TLCC-07、M301Z3-THLJ-04号孔进行了CH4补给试验，结果见图8(c)、9(c)。图中曲线显示CH4体积分数先随封孔时间增长而直线上升，随后在较短的时间内达到7 000×10-6～13 000×10-6的平衡体积分数。说明发生气体浮力流作用的破碎带区域，浅层天然气对钻孔的补给体量、补给速率较高。

3)为了进一步监测破碎带区域在长期敞孔通风和短期封闭条件交替作用下钻孔中浅层天然气的体积分数变化和涌出、补给等特征，对M301Z3-TLCC-03、M301Z3-THLJ-04号孔进行CH4长期监测试验(见图8(d)、9(d))。结果显示：M301Z3-TLCC-03号孔内CH4体积分数经过1周的敞孔通风后由20 000×10-6降到了600×10-6；M301Z3-THLJ-04号孔经过前后2个5 d的敞孔通风，体积分数分别由23 147×10-6和19 000×10-6降到了1 000×10-6和458×10-6。2个孔位的12 h封孔体积分数也由最开始的22 000×10-6和24 589×10-6下降到6 000×10-6和9 000×10-62个稳定的体积分数。

图8 F1断层破碎带CH4监测曲线

对比短期CH4监测试验可知，长期的敞孔通风条件会导致破碎带区域浅层天然气的短期聚集能力和涌出量大幅下降；在结束长期敞孔通风后，钻孔中浅层天然气体积分数会逐渐回升，气体的短期聚集能力也会逐渐达到一个新的聚集平衡体积分数，且该体积分数与浅层天然气的补给体积分数相符合。另一方面，长期敞孔后的封孔测试，钻孔中始终存在较高体积分数的气体，因此发生浮力流作用的破碎带中浅层天气的补给具有持续性和稳定性。

图9 F3断层破碎带CH4监测曲线

4.2.2 裂隙发育区浅层天然气运移特征

由于F1、F3逆断层工区下伏基岩在裂隙发育带中主要发育高陡裂隙，且裂隙发育不连贯(见图7)。因此，在该区下伏气体主要以扩散和浮力的共同作用向上侵染工区，并且其运移和储存系统也有相对的孤立特性。1)CH4短期监测曲线(见图10(a)—(c))显示，CH4体积分数随着时间增长呈下降趋势，孔内体积分数较低，说明裂隙发育带内浅层天然气含量不充足，涌出量小。短期敞孔条件可以降低该区域浅层天然气的聚集能力和涌出量。2)CH4补给曲线(见图10(d)—(e))的形态与破碎带的补给曲线相似，但是裂隙发育带中CH4体积分数升高2 800×10-6～3 082×10-6用时为6～8 min，破碎带中6～8 min内CH4体积分数可以上升7 000×10-6～10 000×10-6。相比于破碎带，裂隙发育带中浅层天然气补给速度和体积分数较小。3)CH4长期监测结果显示(见图10(f))，经过5 d长期敞孔通风后，M301Z2-TKXJ-08号孔内12 h封闭体积分数长期接近600×10-6，钻孔中浅层天然气逸散殆尽，说明裂隙发育带内的浅层天然气补给不具有持久性和稳定性，长期的敞孔通风条件可以排放掉钻孔周围裂隙发育带中的大部分浅层天然气。

图10 裂隙发育带CH4监测曲线

5 逆断层区域浅层天然气的赋存特征

逆断层浅部由于张性裂隙发育，可以作为良好的储集空间，如果地表有较厚的黏土等沉积物，气体便可在此聚集[23]。在成都轨道交通30号线有害气体的勘察中发现，在破碎带区域浅层天然气体积分数较为接近，除去个别钻孔外，CH4检测值都在20 000×10-6以上，而且该区域裂隙联通性较好，浅层天然气含量充足，补给充分且持久，综合推断浅层天然气在该部位以连续性赋存为主。相反，在裂隙发育带一般则以浅层天然气气囊的形式赋存，气体含量不充足，从而天然气散失后没有持续性的补给(见图11)，而且该区域的甲烷检测值波动性也特别大。根据Celine等[8]的研究，断层伴生裂隙主要发育在以断层为中心的 1～2 km内，因此该范围同样也是浅层天然气的良好赋存区域。在成都轨道交通30号线工程中，经过CH4监测和对比，判断出断层周围浅层天然气富集区域的直线长度分别为1 800 m和2 700 m(见图7)，与上述理论较为符合。

图11 逆断层浅层天然气储存模式图

在同条件下轻烃分子量越大(碳数越多)，扩散系数越小，运移距离越短，成藏埋深越大。因此，在埋深方向浅层天然气藏组分也存在细微差别，同等条件下运移路径越长，则浅层天然气成分中C1/(C2+ C3)(C1为甲烷，C2为乙烷，C3为丙烷)的值将会升高[1]。在工程中表现为在浅部浅层天然气对工程的危害主要以CH4、H2、H2S等小分子气体为主，其他高碳数的气体较少。以30号线为例，对现场采集的6组气样进行气相色谱试验，结果见表1。数据显示有害气体以CH4为主，含有微量其他高碳气体。然而，邻近的苏码头气田显示气体组分中C1/C2+(C2+为碳原子数量大于2的气体)的值为10.7%～16.27%[24]，可见长距离运移对浅层天然气具有一定的分流作用。除此之外，气体在向上运移的过程中，区域上存在多套局部盖层，浅层天然气通过盖层向上扩散的同时，会造成盖层的烃体积分数封闭作用加强，气体扩散速率变小，下部储气体积分数增加，最后形成从下到上断层圈闭的浅层天然气体积分数逐渐变小，这也就造成越往下浅层天然气的补给越充分和持久，在纵向上形成体积分数分异。

表1 气体组分检测结果表

6 结论与建议

本文基于成都地铁30号线，通过一系列现场CH4监测试验和室内气相色谱试验，对逆断层工区的不同部位进行了浅层天然气的赋存和运移特征分析，得到主要结论如下。

1)活动逆断层中浅层天然气发生以压力驱动的渗流作用，在地下工程中具有短期聚集能力强、补给速度快、涌出量大等特点，但持续性较差。

2)休止期逆断层的破碎带区域中浅层天然气发生以浮力驱动的浮力流作用，在破碎带中连续赋存，含量充足，浅层天然气短期聚集能力强、涌出量大、补给效率高、补给持久稳定性好。长期的敞孔通风可以有效降低该区域浅层天然气的涌出量和聚集能力。

3)休止期逆断层的裂隙发育带中浅层天然气发生扩散和短距离浮力流的共同作用，以气囊的方式在裂隙发育带中不均匀分布，含量较少，浅层天然气短期聚集能力弱、涌出量小，补给效率和持久稳定性差。短期敞孔可以有效降低该区域浅层天然气的涌出量和聚集能力，长期敞孔通风则可以排放掉钻孔周围裂隙发育带中的绝大部分浅层天然气。

4)浅层天然气主要以扩散的方式通过逆断层封闭能力较强的部位，增加了局部的烃体积分数封闭能力，造成浅层天然气的体积分数随埋深的增大而增大以及浅层天然气在纵向上的组分分异。

后期建议对逆断层工区浅层天然气工程危害的评价体系或治理措施进行进一步的研究。