黄家梁隧道油砂特征与含油气性分析

赵天彪

(四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000)

0 引言

位于剑阁县下寺镇与金子山镇之间的黄家梁隧道是西成客运专线上埋深较大、延伸较长的穿越油砂地层的隧道，也是线路广元至江油段的控制性工程。隧道起始里程是DK431+931，终点里程是DK443+313，总长为11382m。隧道最大埋深处约265m，洞身浅埋处仅约20m。

线路定测阶段，黄家梁隧道两个钻孔DZ-HJL-07和DZ-HJL-08均钻遇侏罗系沙溪庙组下段的油砂地层，累计厚度分别约为22.65m和26.40m。钻进过程中，由于油砂中原油和天然气大量溢出，出现钻孔堵水和钻机裹钻的现象，导致钻机无法正常钻进。油砂中储集的原油和天然气混合物，不仅会对人体造成直接伤害（比如硫化氢和一氧化碳的毒害作用），还可能在施工过程中一定条件下形成隧道瓦斯爆炸，造成严重后果[1]。

目前，国内外对油砂隧道的研究成果较少，大多是从能源勘探开发的角度开展相关研究。本文以黄家梁隧道油砂为研究对象，结合区域油气地质背景，利用野外露头资料、室内试验成果，分析油砂的特征和含油气性，为隧道设计和施工提供参考，也为今后类似隧道的建设提供借鉴。

1 区域油气地质概况

1.1 烃源岩和储层

区域范围内各时代地层总体上发育较全，由老到新依次包含古生界的震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系，中生界的三叠系、侏罗系和新生界的第四系，新近系和古近系地层普遍缺失。根据区域地质调查和隧道钻孔岩芯观察可知，隧道区域范围内未发育白垩系地层，但邻近地区显示发育部分白垩系地层。

研究区是我国重要的油气聚集带，油源十分丰富，多处地表露头有良好的油气苗和沥青显示[2-4]。据不完全统计，仅绵阳安州区至广元之间的区域，就有超过260处的油气苗或沥青显示。区域内的烃源岩具有多层位特征，纵向上由老到新包括震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、二叠系和三叠系都含有烃源岩，总的厚度很大。

研究区油气储集层位众多，由老至新包括寒武系、志留系、泥盆系、二叠系、三叠系和侏罗系，都具备良好的储集条件。其中，泥盆系平驿铺组以及侏罗系沙溪庙组又因油砂厚度较大，储层物性较好，含油气量较高，成为本地区最重要的油砂储集层[5]。

黄家梁隧道洞身穿越地层为第四系和侏罗系，第四系地层主要为崩坡积块石土、坡洪积粉质黏土、坡残积粉质黏土等，侏罗系地层主要为中统沙溪庙组下段泥岩夹砂岩和下统白田坝组砂岩夹泥岩，砂岩中普遍含有油气。

1.2 地质构造

构造上，研究区处于龙门山北段推覆体构造带的单斜构造单元内，归属于前龙门山推覆体构造带的断层隐伏前锋构造带内。龙门山北段推覆体构造带南起安县永安镇附近，北至广元朝天区一带，延伸距离超过180km。在断层隐伏前锋构造带内，存在几个重要的褶皱构造，如矿山梁背斜、天井山背斜、中坝背斜、碾子坝背斜等（图1）。地表构造轴线多呈北东-南西向，核部大多出露二叠系以下地层。

图1 黄家梁隧道位置与含油气构造位置关系

2 油砂特征

2.1 岩石学特征

隧道油砂的岩性以中-粗岩屑砂岩和岩屑石英砂岩为主。岩石粒径普遍介于0.2～0.5mm之间，分选中等，磨圆度为次棱角状-次圆状。岩屑含量普遍大于30%，最高可达35%，岩屑以燧石和泥质粉砂岩为主，含有少量的千枚岩和安山岩。长石含量很小，普遍不足10%，由长石蚀变而成的水云母或高岭石，可以在表面观察到解理缝。石英含量70%左右，表面干净，偶见石英次生加大及被绿泥石交代。岩石中主要的次生矿物是云母，可见黑云母大量向绿泥石转变。岩石中还含有重矿物，以绿帘石和锆石为主。

2.2 储集空间特征

储集空间包含孔隙和裂缝两大类。孔隙类型有残余粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔和粒内裂纹孔隙。其中，残余粒间孔占储层总孔隙的比重最大，约为60%；其次是粒间溶孔，占储层总孔隙的比重约为30%；粒内溶孔和粒内裂纹孔隙的占比都不高，合计占比约为10%。地层中的裂缝主要为构造缝和节理缝，构造缝较为发育，延伸较远，长度可达100m，成束分布；节理缝主要分布在层面，延伸长度一般为几厘米至几十厘米。

2.3 物性特征

据隧道区域范围内油砂剖面露头及钻孔岩心共30个样品的常规物性分析（图2、图3），研究区油砂储层物性变化较大，孔隙度为3.89%～20.56%，平均值为14.34%；渗透率为（0.89～44.37）×10-3μm2，平均值为11.85×10-3μm2。由此可知，隧道油砂岩为中高孔中渗储层，物性较好。

图2 油砂样品孔隙度试验统计

图3 油砂样品渗透率试验统计

3 油砂含油气性分析

3.1 油砂厚度

根据前人在该地区的研究成果[6-7]，结合隧道附近油砂地层野外露头测量结果可知，研究区的油砂层数较多、厚度较大，但不同地区存在较大差异。从隧道钻孔油砂厚度统计表（表1）中可以看出：不同位置处钻孔中油砂厚度存在差异，除开DZ-HJL-06-1号油砂厚度较小以外，其余存在油砂的钻孔中，油砂的厚度普遍较大，统计的5个钻孔油砂岩层的平均厚度为18.81m，综合可得隧道区域范围的地层中具有足够厚度的油砂。

表1 钻孔油砂厚度统计

3.2 含油率

对隧道区域沙溪庙组和白田坝组油砂的30个样品（包括露头样品和岩芯样品）进行含油率测试，结果表明露头样品和岩芯样品的含油率存在差别。露头样品的含油率普遍较低，处于0.56%～2.89%之间，大部分样品含油率在1.3%左右；岩芯样品含油率较露头样品高，处于0.89%～4.32%之间，大部分样品含油率在2.1%左右。根据国内外油砂开采利用时对油砂的分类标准，研究区油砂属于贫矿范畴。不可忽视的是，在DZ-HJL-07和DZHJL-08两个钻孔中，均发现稠油流出，说明部分地层砂岩中仍可能存在很高的含油率。

3.3 含气性

线路定测阶段，通过对钻孔DZ-HJL-07和DZ-HJL-08钻遇的油砂地层进行天然气测试可知，钻孔DZ-HJL-07多套油砂地层中检测出的天然气最大浓度达到2.525%，钻孔DZ-HJL-08多套油砂地层中检测出的天然气最大浓度为2.845%，远超高瓦斯隧道判定的界限值。

施工过程中，采用超前地质钻孔的方式对油砂中的天然气含量进行检测，同时释放并排出油砂中的天然气。根据超前地质钻孔检测结果可知，黄家梁隧道油砂中普遍含有天然气，总体含气量不高，但是各个位置检测结果差别较大，个别超前钻孔中检测出的天然气浓度超过10%。油砂地层开挖之后，对隧道掌子面附近进行检测，测出的天然气浓度普遍超过0.5%。

由此可知，油砂中普遍含有天然气，并且含量较大。

4 结束语

黄家梁隧道油砂的岩性主要为中-粗岩屑砂岩和岩屑石英砂岩，储集空间既有孔隙又有裂缝，油砂的物性变化较大，总体为中高孔中渗储层。研究区油砂厚度约为26m；含油率介于0.56%～4.32%之间，露头样品含油率低于岩芯样品，属于贫矿油砂；定测钻孔检测天然气浓度分别为2.525%和2.845%，超前钻孔检测出油砂中普遍含有天然气，并且气体浓度分布不均匀，施工时隧道内掌子面附近检测出天然气浓度较大。

黄家梁隧道油砂中原油和天然气含量总体较低，一般不易产生燃烧或爆炸危害，但是地层局部位置可能发生油气富集，造成施工困难，甚至引发灾害性后果。因此，施工过程中，应注意以下几点：（1）加强地质预测，通过超前钻孔的方式，检测并分析不同位置处油砂中的油气含量和孔渗参数，预测油气溢出量与溢出速度，为选定施工方法提供基础数据；（2）加强施工通风，通风是防止天然气发生聚集、燃烧或者爆炸的有利手段，亦可预防因天然气浓度过高造成施工人员窒息等危害；（3）加强监控测量，可采用天然气监控仪器与人工手持检测仪相结合的方式，对隧道掌子面附近和回风中天然气的浓度进行实时监测；（4）加强施工人员培训管理，强化施工人员对油砂隧道施工安全的认识，规范施工人员的操作，提高风险防范意识。