宁明盆地超浅层气地质赋存特征及其工程危害.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、 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
8、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
9、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
10、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
11、、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;
12、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
13、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
14、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
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