宁明盆地超浅层气地质赋存特征及其工程危害.pdf

书书书 工程地质学报 （）张帆，贾鹏飞，王勇，等 宁明盆地超浅层气地质赋存特征及其工程危害 工程地质学报，（）：，（）：宁明盆地超浅层气地质赋存特征及其工程危害张帆贾鹏飞王勇陈楷文（西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室，西安 ，中国）（中国科学院武汉岩土力学研究所，岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 ，中国）（桂林理工大学土木与建筑工程学院，桂林 ，中国）摘要浅层气是一种自然资源，同时也是一种地质灾害，在工程卸荷扰动下，浅层气在地层压力作用下逸出，进而诱发工程危害和事故。以广西宁明盆地内纳利大桥建设中遭遇到浅层气地质灾害为研究背景，通过地质钻孔取样和地球化学实验相结合的研究手段，对研究区超浅层天然气的赋存特征及其工程危害进行研究。结果表明：（）区域构造活动频繁，裂缝发育，泥岩所夹的薄层粉砂、粉砂岩和粉砂质泥岩厚度 不等，实测孔隙度约 ，渗透率约 ，浅层气以相控、缝控、壳控以及它们之间的过渡等形态赋存于各类储层中，呈独立、不连续、交错分布特征；（）区域内泥岩层深厚，有机碳含量（）为 ，有机质丰度较高，产气能力良好，是浅层气的烃源岩，泥岩盖层实测孔隙度 ，渗透率（），封闭能力一般；（）区域内超浅层天然气的地质赋存特征使得在工程勘探和施工深度（）范围内难以形成异常压力，桥梁钻孔灌注桩成桩过程中虽不会出现强烈的井喷事故，但会对桩基混凝土造成气侵危害，影响桩身完整性，建议采用超前排气和改善施工工艺等处置措施。关键词宁明盆地；泥岩；浅层气；分布特征；组分特征；烃源岩特征；储集特征；气侵中图分类号：文献标识码：收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金（资助号：）（）第一作者简介：张帆（），男，硕士生，主要从事岩土工程与工程地质方面的研究工作 ：通讯作者简介：贾鹏飞（），男，博士，副教授，博士生导师，主要从事岩土工程与工程地质方面的科研与教学工作 ：（，）（，）（，），：（），（）（），（）（），（），；引言浅层气是有机质在低温、未成熟、还原条件下经微生物生物化学作用产生的以甲烷为主要成分的天然气（，；，）。浅层气埋深较浅，一般在 以内，甚至在 范围内均有赋存（，；，）。近年来，超浅层（）天然气作为一种地质灾害越来越引起人们的关注和重视，因浅层气诱发的隧道、桩基、基坑、沉井失稳等工程事故频发。朱瑶宏等（）、孔令伟等（）、王勇等（）先后对杭州地铁、杭州湾大桥因浅层气释放引发的地铁隧道、桥梁桩基中的恶性工程事故进行了浅层气分布特征及工程危害方面的研究；近期 （）定量研究了杭州湾地区浅层气的气藏压力分布规律；另外，张小林等（）和魏安辉等（）研究了隧道浅层气的来源并对其危害等级进行了归类。与此同时，唐益群等（）、吕少伟等（）、王勇等（）、（）在浅层气赋存土体人工制备的基础上通过室内试验研究了含气土的力学特性及卸荷致灾机理；施家杰等（）在数值模拟基础上研究了水合物分解后含气土不稳定赋存诱发滑坡的致灾规律。在浅层气灾害防控方面，郭爱国等（）对杭州地铁 号线在工程勘察中发现浅层危害提出根据地铁建设的时间顺序分阶段有针对性的解决方案。刘治宇等（）对云南地铁 号线中发现浅层有害气体危害提出超前排气措施。目前，国内对浅层气灾害研究取得了一些成果，但研究区域并不广泛，主要集中于长江三角洲和杭州湾一带，其他地区研究相对缺乏。随着我国大规模地下空间的开发，由浅层气造成的工程灾害及其防治问题日趋突出，需要对浅层气地质灾害进行精准定位与科学评价，并纳入“五位一体”防控范畴（刘传正等，），以帮助工程顺利实施。广西宁明盆地属于新生代小型油气盆地，年，正在建设的纳利大桥工程首次遭遇到超浅层天然气（）气侵危害，造成桥桩桩身完整性受损。本文拟以该盆地纳利大桥工程勘探和施工深度范围内的浅层气为研究对象，通过钻探取样、地球物理探测和地球化学实验相结合的手段，对盆地内超浅层气的分布特征、组分特征、烃源岩特征以及储集特征进行研究，并以此为基础对分析浅层气的工程危害，并提出相应的防控建议。区域地质背景宁明盆地位于广西宁明县境内，是叠置在十万大山盆地中生界侏罗系和三叠系陆相地层之上的古近系残留盆地，长 ，宽 ，总面积约 （邵昌民等，）。宁明盆地由 向张扭性断裂和 向压扭性断裂控制所形成似纺锤形向斜构造，盆地南北不对称，南翼宽缓，地层倾角一般为 ，不整合于侏罗系之上，北翼断层接 工程地质学报 触，地层倾角较陡，一般 ，超覆不整合于三叠系、侏罗系。据盆内断层的分割和坳陷的相对位置，盆地可进一步分为北部断陷带、中央凹陷带、东部断阶带及周边斜坡带 个次一级构造单元（李嵘等，）。盆地的总体形态及其次级构造单元直接控制着古近纪沉积的发育与展布。宁明盆地地层缺失古近系古新统，沉积了始新统大闸组，渐新统宁明组和弄怀组，盆地在后期的抬升过程中，已经沉积的弄怀组被剥蚀殆尽（邝国敦等，）。宁明盆地区域地质简图及地层概况如图 所示。图 （）宁明盆地区域地质简图和地层概况；（）研究区钻孔布置图 （）；（）研究区超浅层天然气的赋存特征 地层及分布特征研究区位于宁明盆地纳利屯和驮龙屯，横跨明江两岸，为探明该区域地层岩性及浅层气分布特征，分别在研究区内明江两侧进行地质钻孔，孔径 ，孔深 ，钻孔位置如图 所示。由地质钻孔情况显示，明江西侧地层主要分为 层，由上至下依次为 素填土层，左右的淤泥质土层以及巨厚泥岩层。各钻孔均有气体冒出，但均未出现气体喷发的现象。每孔岩芯取样发现，巨厚泥岩层以灰色泥岩为主，但夹有较多的粉细砂薄层、粉砂质泥岩层和砂岩薄层，厚度 不等，常见碳化有机质碎屑。明江东侧上覆土层为耕植土、素土、冲洪积的粉细砂、粗砂、卵石层等，以下与西侧相同。除距明江较近的钻孔遇到少量天然气外，其余钻孔均未遇到浅层气。各钻孔地层柱状图如图 所示。在地质钻孔过程中，对出现气体的钻孔采用便 （）张帆等：宁明盆地超浅层气地质赋存特征及其工程危害图 宁明盆地研究区明江两岸 孔，孔，孔，孔地层柱状图 ，孔；孔；孔；孔携红外沼气分析仪进行孔内气体浓度测试，图 是获取的 孔处浅层气甲烷浓度随深度的变化情况。由图可以看出，在钻孔深度为 甲烷气体出现大幅上升，附近处甲烷气体浓度达到 ，说明此处附近是浅层气体的储集层位；在 之间甲烷气体高低交错，说明储集层不连续，间隔分布。结合孔内地层剖面发现，甲烷气体浓度升高的层位均为砂泥岩层。以上地层中虽然也分布有砂泥岩层，但砂泥岩层较薄，且盖层较薄，难以形成有效的储集体。组分特征气样采集采用排水取气法，将取样带内装满清水，倒置于取样水桶中，连接好取样胶管，使孔内排出的气体放空 ，然后将胶管插入水桶中，稍排空气后，再倒插入取样带中，待取样带中剩余四分之一的水时，关闭取样带阀门，从水中取出并封存。浅层气组分分析采用 气相色谱仪，载气为氦气，采用 的 型色谱柱。色谱仪进样口温度为 ，检 测 器 温 度 。色 谱 柱 在 恒 温 ，之后以 的速率升至 ，再以 速率升至 。浅层气碳同位素分析采用 型气相色谱仪与 型气体同位素质谱仪联用检测。气样先通过 色谱柱进行分离，分离后的烃类气体经氧化炉氧化成 后进入同位素质谱仪进行碳同位素检测。氧化炉温度为 ，色谱仪进样口温度为 。色谱柱先以 的速率从 升至 ，然后以 的速率升至 组分及同位素测定结果见表 。天然气烃类气体包含 、和 ；其中 为主要烃类气体，含量占 ，平均为 ；重烃气体含量很低，平均总含量只占 ；非烃类气体包含、和 ，其中 占 ，平均为 ；占 ，平均为 ；占 ，平均为 。其中轻烃含量高，重烃含量低，样品干燥系数（）均大于 ，为干气。试验显 工程地质学报 表 浅层气组分与碳氢同位素数据表 样品编号天然气组分 干燥系数 碳同位素 平均 示所有样品 的值均 ，由戴金星（）提出的对于烷烃气鉴别方法可推断该处浅层气属于甲烷型生物成因气。烃源岩特征通过对不同深度泥岩层中的有机质进行取样发现，在不同深度范围内泥岩中存在大量碳化有机物，图 不同深度泥岩层中的烃源岩特征 深度泥炭；深度碳质泥岩；深度碳化木屑；碳化夹层；碳质泥岩；碳质碎屑物如图 所示。在室内开展有机碳含量 、母质类型（干酪根）以及镜质体反射率的实验测定分析。根据分析测试实验结果，不同深度泥岩中有机碳含量（）为 ，平均为 ，生烃潜量为 ，平均为 ，以陈建平等（）提出的烃源岩生烃潜力的判别标准，研究区泥岩有机质丰度高，产气能力良好（图 ），具备持续不断产气条件。从氢指数（）与氧指数（）关系图（图 ）可以看出，泥岩样品的氢指数为 ，氧指数为 ，研究区烃源岩干酪根为型，均有，干酪根类型较好。同时，从测定的烃源岩干酪根中镜质体反射率 均小于 ，处在低成熟阶段。由此可判图 （）研究区古近系宁明组浅层气烃源岩生烃潜量；（）母质类型 （）；（）定，研究区泥岩是浅层气的烃源岩。储集特征从地质钻孔地层来看，该研究区巨厚泥岩中蕴含大量薄粉细砂、粉砂岩和泥质粉砂岩，薄层粉细砂 （）张帆等：宁明盆地超浅层气地质赋存特征及其工程危害约 ，粉砂岩和泥质粉砂岩约 。砂岩中石英含量仅 左右，长石 ，岩屑 。胶结物以泥、钙质为主，含少量硅质。砂岩中较纯的粉砂岩较少，多以泥质粉砂岩或粉砂质泥岩居多。采用 孔渗测定仪对不同深度泥岩及夹层粉砂岩和泥质粉砂岩样品测定其孔隙度和渗透率。粉砂质泥岩实测孔隙度约 ，渗透率约 。依据由孔隙度、渗透率和岩性建立的浅层天然气储层分类表（表 ）可看出，该研究区岩性储层属于较差的储层类型。表 浅层气储层分类简表（李明宅等，）（，）级别特征储层岩性孔隙度 渗透率 好高孔渗砂岩 粉砂岩较好中孔渗粉砂岩 泥质粉砂岩较差低孔渗泥质粉砂岩 粉砂质泥岩研究区泥岩盖层的实测孔隙度 ，平均 ，渗透率（），平均 ，比表面积 ，平均 、孔隙流体能 ，平均 。由于富含有机质颗粒，研究区泥岩的孔隙类型和常规泥岩有所不同，采用电场发射扫描电镜（）对采集的泥岩样品进行观察可以看出，该地区泥岩内部孔隙类型丰富，以晶间孔（图 ）为主，孔径大小在 之间，孔不具有连续性，在较高有机质丰度的样品中看到大量的有机质粒间孔和生物格架（图 图 ），这主要是有机质在生烃过程中干酪根转化为浅层气所产生。泥岩内部有黄铁矿发育，在黄铁矿等细小矿石周围发现细小裂缝（图 ），呈网状发育，这些细小裂缝有一定吸附、储集甲烷气体的能力。从定量和定性两方面看，泥岩封盖层封闭气体的能力一般。讨论从研究区地质钻孔所揭露的浅层气分布特征来看，浅层气分布浅，遇到泥岩层后就会遭遇浅层气，浅层气为甲烷型生物成因气，泥岩为它的烃图 泥岩样品电场发射扫描电镜下孔隙类型特征 有机质内部粒间孔；生物格架；矿物晶间孔；黄铁矿颗粒边缘收缩裂缝源岩。从整个盆地来看，宁明盆地沉积的泥岩遍布全盆地，占盆地地层厚度的 以上，累计厚度 之间。宁明盆地古近系地层划分为两个组，自下而上分别为大闸组和宁明组，宁明组与下覆地层呈局部不整合、假整合和整合接触关系，渐新统宁明组地层厚度 ，始新统大闸组大套灰褐色泥岩，厚度为 ，一般层厚 ，显示了良好的烃源岩物质条件，是盆地的主力烃源岩（邵昌民等，）。通过对宁明组烃源岩和大闸组烃原岩母质类型对比发现（图 ），该研究区超浅部所揭露宁明组赋存的浅层气与大闸组赋存的浅层气属于不同的母质类型，不是深部大闸组产生的气体通过运移赋存于宁明组地层中，它是由宁明组烃源岩直接产生并赋存于该地层。从宁明盆地整体上来看，浅层气地层经历了湖相到河流相的沉积过程，其分布受沉积和构造控制。自新生代以来，宁明盆地在各种沉积环境中形成了巨厚泥岩以及砂岩、粉细砂、砂质泥岩等夹层，从超浅部所揭露的地层来看，薄夹层的厚度 不等，这些内部发育的特定岩相的储层从储层特征来看属于较差的储层类型，有效储集气体的能力有限，以之为基础，构造变形和风化淋滤等成储地质环境在盆地不同位置和不同演化阶段，叠加控制着各类储层的发育状态。作为构造演化过程中形成的残留盆地，宁明盆地西侧构造活动频繁，强烈的构造改造，褶皱和断裂等控制形成的裂缝系统发育，浅层气会以相控、缝控和壳控以及它们之间的过渡 工程地质学报 图 宁明盆地宁明组和大闸组浅层气母质类型对比（大闸组数据据邵昌民等（）（）形态分布于巨厚泥岩层中。这些储层形态由于泥岩图 宁明盆地浅层气主要分布类型示意图 相控型；缝控型；壳控型阻隔会形成独立、不连续、交错分布特征。相控型，如图 所示，主要沿河流岸边两侧分布，沉积体内部在强水动力作用下，由于流体 岩石相互作用，原生孔隙和次生孔隙发育，从而气体赋存于有利的储层中；缝控型（图 ）是指宁明盆地在构造变形过程中所产生的裂缝系统为浅层气富集区域，缝控型储层受特定岩相的限制相对较弱；壳控型，如图 所示，宁明盆地明江两岸在地质历史过程中遭受长期的剥蚀和隆起相成类似风化壳层状结构，在隆起的部分就会形成浅层气富集区。宁明盆地作为古今系残留盆地，前期由于地质隆起抬升弄怀组已被剥蚀殆尽（邝国敦等，），只保留宁明组泥岩，在后期的河流冲刷过程中，明江缓慢由东向西侵蚀，西侧卵砾石层不断剥蚀，最后形成明江东西两侧明显不同的第四系覆盖，明江东侧卵砾石层完整，而西侧卵砾石层完全剥蚀，在风化水解作用下形成淤泥质和风化黏土覆盖层。因此，如图 所示，明江西侧整体封盖性能较好，浅层气富集于相应有利的储层中，而东侧浅层气在自然状态下几乎逸出殆尽。从整体上来看，宁明盆地超浅部宁明组浅层气生烃能力良好，具备持续不断产气能力，但不具备良好的储集条件，在工程勘探和施工深度内难以形成异常压力，从地质钻孔中未出现气体喷发的现象可以进一步得到证明。研究区超浅层气工程危害及处理 气侵危害钻孔灌注桩是宁明盆地工程建设中常采用的基础形式。桩身成孔过程是一个卸荷过程，随着深度的增加，孔内上覆土层不断被清除，内外压力失衡，盖层微小裂隙扩展，从而诱发气体沿着裂隙从孔内侧壁逸出，成孔至含气层时，上覆压力小于浅层气地 （）张帆等：宁明盆地超浅层气地质赋存特征及其工程危害图 宁明盆地研究区宁明组浅层气在地层中的储集类型及分布特征示意图 层压力，浅层气会从孔内直接溢出。宁明盆地纳利大桥桩基施工中没有出现浅层气强烈的井喷，造成塌孔，但在钻孔灌注桩施工过程中，浅层气容易侵入尚未凝结的混凝土桩体内并部分聚集形成气泡。图 ，图 为浅层气侵入桩体内上溢的情景。成桩后，对混凝土灌注桩采用超声波透射法进行桩身完整性检测。所测试桩基位于明江河西岸浅层气富集区域，桩基编号为 ，桩径 ，根据公路规程规定，对于桩径大于 时，应埋设 根声测管，检测深度 。根据检测结果，声波平均波速为 ，平均波幅为 ，混凝土灌注桩桩身有明显缺陷，只达到类桩的完整性要求。桩身混凝土缺陷判别主要依据于实测声速、波幅及其随深度的变化曲线及声速判据、波幅判据和 判据进行综合分析后得出。相对波幅和频率而言，声速不容易受测试过程中换能器超声性质、耦合状态等因素的干扰，从而能更准确地判断混凝土的质量（徐飞等，）。图 为采集超声波检测数据后绘制的“声波 波幅”曲线，从图中可以看出，所有剖面在桩基距基准面深 至 处曲线陡变，声速急剧变小，波幅最小时变为 ，变化值从 到上万，剖面内存在明显缺陷。另外，在距基准面 至 处 剖面、剖面、剖面处曲线亦发生陡变，说明剖面内也存在明显 缺 陷。结 合 地 层 钻 孔 来 看，在 至 和 至 处均夹有厚度不等的砂泥岩层，这些砂泥岩过渡层在灌注桩施工中并不会使得桩周围土塌方侵入桩体内，而是砂泥岩层图 纳利大桥桩基施工过程中浅层气气侵危害 灌注桩成桩后气泡侧壁逸出；灌注桩成桩过程中孔内气泡逸出中赋存的甲烷气体侵入桩体内，导致桩基缺陷。在钻孔灌注桩施工过程中，浅层气侵入桩体内的灾害模式有两种，第 种模式为侧壁扩散式侵入，如图 所示。由图 的 、剖面 声波 波幅曲线显示，在灌注桩表面处存在 工程地质学报 图 声波 波幅曲线 图 浅层气侵入灌注桩模式 扩散式侵入；窜流式侵入明显缺陷。在钻孔灌注压浆过程中，浅层气在地层压力下通过护筒侧壁扩散侵入桩体内，扩散侵入的气体一般以微小气泡的形式存在于桩体外表面较浅部位，造成桩体表面麻面、坑洞等病害。第 种模式为底部窜流式侵入，如图 所示。由图 的 、剖面 声波 波幅曲线显示，在灌注桩内部存在明显缺陷。在钻孔灌注桩施工过程中，当地层压力大于井底压浆有效压力时，浅层气在压差作用下在灌注桩浆液底部聚集并以窜流方式侵入灌注桩内部，从而对周围的混凝土颗粒施加力的作用，在多相流环境中，由于两种流体不能相溶（或溶解度已达到饱和状态），气体和水之间的表面张力效应，导致气体和水之间的压力差不能通过多孔介质迅速耗散，这种压力差将进一步加剧在灌注桩体的气侵。底部窜流式侵入易造成不同程度的漏浆，进而使桩身完整性受损。处置建议从研究区超浅层气的地质赋存特征来看，浅层气分布呈不均匀、储层相互连通性差，渗透率低等特点，建议采取超前排气措施。超前排气措施是指在桥桩基础正式施工前的一段时间，在桥桩附近布设一定数量的工程超前排气井，对地下浅层气进行有控释放，以减小浅层气对桥桩正式施工时的风险。排气井位置的设置应结合含气层的位置与分布情况 （）张帆等：宁明盆地超浅层气地质赋存特征及其工程危害进行，排气井尺寸与数量根据储气层规模大小与连通性而定。该地区浅层气储层规模不大且连通性差，储层胶结性强，气体释放的扰动性小，建议排气井以桥墩承台中心为基准，对称均匀布置，原则上每桩位应布设一个排气井，位置可布置在桥桩的桩心，若考虑经济性因素，每墩台不宜少于 个排气井。据现场监测显示，在原有的桩基桩孔临近 处重新钻孔，孔内仍有大量气体冒出，但气体并非持续不断，而是间歇式涌冒，持续时间可长达 年之久，烃源岩层不断生成新的天然气，难免超前排气措施后气体再次回聚，因此除了超前排气措施后，在钻孔灌注桩施工中需改进施工工艺，以保证成桩质量符合一类桩基要求。结论根据对宁明盆地浅层气进行现场地质调查及对采集的浅层气室内试验分析，所得结论如下：（）该地区地层以深厚泥岩以及砂岩、粉细砂、砂质泥岩等夹层为主，常见大量碳化有机物，薄夹层的厚度 不等，实测孔隙度约 ，渗透率约 ，浅层气会以相控、缝控和壳控以及它们之间的过渡形态分布于深厚的泥岩层中，这些储层形态由于泥岩阻隔会形成独立、不连续、交错分布特征。（）该地区泥岩层深厚，泥岩中有机碳含量（）为 ，生烃潜量（）为 ，有机质丰度较高，具备良好的产气条件，泥岩实测孔隙度 ，渗透率（），明江西侧整体封闭能力较好，常见超浅层气富集，东侧封闭能力差，气体在自然状态下逸出殆尽。（）该地区所揭露浅层气独立分布，具有储层相互连通性低，孔渗性小，盖层的封闭性能较差等特征，使得在施工过程中不易被察觉，浅层气主要对钻孔灌注桩成桩过程产生灾害性影响，易发生浅层气侵，以扩散式或窜流式两种模式侵入桩身混凝土中，造成桩体质量和桩身完整性受损等工程病害，建议采用超前排气和改进施工工艺等措施。参考文献 ，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，工程地质学报 ，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：陈建平，赵长毅，何忠华 煤系有机质生烃潜力评价标准探讨 石油勘探与开发，（）：戴金星 各类烷烃气的鉴别 中国科学，（）：郭爱国，孔令伟，沈林冲，等 地铁建设中浅层气危害防治对策研究 岩土力学，（）：孔令伟，郭爱国，陈守义，等 浅层天然气井喷对地层的损伤影响与桩基工程危害分析 防灾减灾工程学报，（）：邝国敦，陈耿娇，陈运发，等 广西宁明盆地第三纪地层研究的新进展 地层学杂志，（）：李明宅，张洪年 生物气成藏规律研究 天然气工业，（）：李嵘，丘东洲，李国蓉 广西宁明地区第三系沉积相研究及对储集性的控制 岩性古地理，（）：刘传正，陈春利 中国地质灾害防治成效与问题对策 工程地质学报，（）：刘治宇，韩征，粟滨，等 地铁工程浅层有害气体特征与超前排气措施 地下空间与工程学报，（）：吕少伟，唐益群 上海地区浅层沼气地质灾害研究（二）浅层沼气释放后含气层中土的变形规律模拟试验 工程地质学报，（）：邵昌民，赵斌 广西合浦、南宁、宁明、百色盆地烃源岩有机地球化学特征与勘探潜力分析 海相油气地质，（）：施家杰，张巍，厉成阳，等 水合物分解诱发能源土滑坡的物质点法模拟 工程地质学报，（）：唐益群，吕少伟，叶为民，等 浅气层高孔压非饱和土固结规律研究 土木工程学报，（）：王勇，孔令伟，郭爱国，等 浅层气地层对地铁隧道稳定性影响模型试验研究 岩土力学，（）：王勇，孔令伟，郭爱国，等 含浅层气砂土的赋存特征及其非饱和参数预测 岩土力学，（）：魏安辉，马文涛，邬凯 川东北红层浅层天然气赋存特征隧道瓦斯等级判定 地下空间与工程学报，（）：徐飞，邓永锋 浅谈超声波透射法在灌注桩检测中的应用 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