蘇4潛山儲氣庫密封性評價研究

閆愛華

（長江大學地球物理與石油資源學院，湖北 武漢430100）

（中石油華北油田分公司勘探開發研究院，河北 任丘062552）

孟慶春，林建品，席增強 （中石油華北油田分公司勘探開發研究院，河北 任丘062552）

隨著陜京二線、三線系統的建設和京津地區城市燃氣的快速發展，天然氣消費量隨季節性變化幅度較大，調峰問題日益突出，冬季日用氣量為夏季的7～8倍。華北油田蘇4潛山儲氣庫是陜京二線、三線系統的配套儲氣庫，屬于季節調峰型儲氣庫。儲氣庫密封性的好壞不僅決定儲氣庫能否儲存天然氣，還關系到儲氣庫周圍人們的生命財產安全。為此，對蘇4儲氣庫的密封性評價進行研究。

蘇4潛山氣藏為一個四周被斷層切割的近矩形斷塊山，東西2側被北東向斷層、南北2端被北西向斷層切割，前者構成潛山帶，后者構成斷塊山頭。潛山走向北東20～30°，構造為南北長5.2km，東西寬2.23km，奧陶系斷塊面積11.5km2，閉合幅度650m，高點埋深4440m。奧陶系為該潛山氣藏的產層，石炭系～二疊系為氣藏的蓋層。蘇4潛山奧陶系凝析氣藏的封閉性受上覆蓋層和斷層側向封堵條件的控制，即表明對該氣藏的封閉條件研究應包括2部分內容：一是蓋層的封閉條件；二是斷層的封閉條件。該氣藏能夠形成并保存至今的實事，已經說明其蓋層和斷層都具有良好的封閉條件。在此僅從蓋層巖性、厚度及斷層的受力性質、產狀等方面的封閉要素進行定性或定量分析。

1 蓋層封閉性分析

1.1 蓋層巖性組合特征

鉆井揭示緊鄰蘇4潛山且直接覆蓋其上的地層為本溪組地層，與奧陶系潛山地層呈平行不整合接觸。本溪組地層據鉆井揭開平均厚度達80余米，厚度大，分布面積廣，地層巖性主要為深灰色泥巖，測井電性以自然電位曲線平直、電阻率曲線低平為主要特征，特別是底部直接與奧陶系潛山接觸且分布穩定的鋁土泥巖，各井鉆遇厚度5～11.5m，與上部60余米的泥巖聯合作用，形成一套有效的區域性直接蓋層，為蘇4潛山氣藏的聚集、保存提供了良好的封閉作用。

此外，在蘇4潛山氣藏上覆的本溪組地層之上又覆蓋為二疊系山西組、石炭系太原組地層，這2套地層巖性以泥巖和煤巖互層為主要特征，夾致密砂巖層，這種直接蓋層與上覆蓋層組成的疊復合型蓋層使潛山氣藏的封閉能力得到了進一步的加強。

1.2 蓋層封閉機理

根據蘇4潛山氣藏基本特征，其蓋層的封閉機理為物性封閉。物性封閉是指依靠蓋層巖石的毛細管力對油氣運移的阻止作用。毛細管力也稱毛細管壓力，它與孔喉半徑、烴類性質和介質溫壓條件有關：

式中，Pc為毛細管壓力，Pa；r為巖石孔喉半徑，cm；θ為固液相接觸角，（°）；σ為兩相界面張力，N／m。

油氣要通過蓋層微細孔隙向上運移，必須首先排替孔隙中的水，克服毛細管壓力的阻力，才能突破蓋層的阻隔。如果驅使油氣運移的浮力未能克服該毛細管壓力的阻力，則油氣就被遮擋于蓋層之下。對于泥質巖層來說，由于壓實作用，巖石孔喉半徑、孔隙度和滲透率都會隨埋深增加而變小。因此，排替壓力一般情況是隨深度增加而增加的，蓋層的封閉能力也隨著增大。

據華北地區任102井泥巖樣品注氮氣貫穿壓力試驗：樣品直徑3.8cm，長度23.87cm，氣測滲透率為零，在溫度26℃、壓力30MPa的條件下，貫穿壓力達40MPa。試驗結果表明，以泥巖作為蓋層，具有良好的封閉性能［1］。

2 斷層封閉性分析

在油氣運移聚集中，斷層既可成為油氣運移的通道，又可成為油氣聚集的遮擋物，因而對油氣的聚集與分布有重要的控制作用；在油氣開發過程中，斷層的存在既可以阻礙油水運動，又可以為注入水提供泄壓通道，影響注水開發效果。斷層究竟在油氣運移、聚集和注水開發中起何作用，關鍵取決于斷層的封閉性。斷層封閉性是指斷層上、下盤或斷裂帶上、下盤巖石由于巖性、物性差異所導致排替壓力的差異，該差異的大小決定斷層封閉與通道作用的性質。在地質空間上，主要表現斷層的垂向封閉性和側向封閉性［2］。

2.1 斷層應力分析

蘇4潛山周圍發育有4條張性正斷層，它們不但共同控制蘇4潛山及其氣藏的規模與構造形態；同時，對蘇4氣藏的形成及保存均起著決定性的作用。在成因研究中，這些斷層形成的應力機制應屬于拉張或剪切拉張力學效應，從力學機制方面分析，斷層的側向封堵性能應該較差。但蘇4潛山凝析氣藏能夠形成并保存至今，說明上述斷層均具有良好的封閉作用。分析其原因，應該是斷層在形成過程中上下2盤地層沿斷層面具有明顯的滑脫作用，導致斷層面巖石破碎、涂抹，形成致密巖性膠結帶所致。

2.2 斷層兩盤巖性配置分析

蘇4潛山上覆地層是以巨厚泥巖為主要巖性特征且具有蓋層封閉能力的地層，與斷層上升盤潛山地層對接的下降盤泥巖不但加劇了泥巖涂抹帶的固結性能，還進一步起到了側向巖性封堵作用。

1）1號斷層 1號斷層最大斷距為1440m，是氣藏上傾方向封堵斷層。從該地區構造條件和沉積條件分析，在該斷層下降盤與潛山地層對接為石炭系～二疊系。石炭系～二疊系地層在上部石千峰組～上石盒子組上段巖性主要為泥巖，厚度250m左右，是良好的封堵層；中上部 （上石盒子組的中下部）發育一套儲集層，厚度為150m左右；下部的下石盒子組～本溪組巖性主要為泥巖，最大地層厚度700多米，也是良好的封堵層。從與潛山對接的下降盤地層巖性條件來看，除具有良好封閉條件的泥巖地層外，上石盒子組中下部的碎屑巖儲集層也與潛山對接。分析認為這種對接的巖性條件能夠使氣藏形成，并得以保存至今的主要原因是在斷層形成過程中，由于劇烈的構造活動沿斷層面附近形成斷層泥，從而使該斷層具有了良好的封堵性能。

2）2號斷層 2號斷層最大斷距950m左右，是氣藏下傾方向封堵斷層。與1號斷層性質類似，在該斷層下降盤與潛山對接的地層同樣為石炭系～二疊系。由于該斷層位于氣藏低部位，氣柱高度僅200m左右，在含氣高度范圍內與之對接的地層應為石千峰組和上石盒子組上部的泥巖層，因此該斷層在目前含氣高度范圍內具有良好的封閉作用。

3）3號斷層 3號斷層是蘇4潛山北部的控邊斷層，不但控制著潛山的規模，而且是油氣運移的主要通道，最大斷距1280m左右，是氣藏北側的側向封堵斷層。在斷層下降盤與潛山對接的地層同樣為石炭系～二疊系。從該斷層的斷距分析來看，與1號斷層類似，上石盒子組中下部的儲集層也應與氣藏儲層對接，在與儲層對接部分起封閉作用的仍然是斷層泥的涂抹作用。

4）4號斷層 與上述3條斷層相比，4號斷層雖然斷距相對較小，但在封閉作用方面與上述3條斷層具有同樣的封堵作用。

2.3 斷層封閉系數分析

斷層封閉的實質是兩盤排驅壓力的差異。設C為構造封堵系數（反映封堵幾率大小），m2，R為儲集系數，m2，反映封堵油氣量大小；G為巖性封堵系數（當封堵層為泥巖和當斷層面為不滲透物質時取1，當砂質泥巖時取0.75，為泥質砂巖時取0.5，為砂巖時取0）；F為斷層橫向封閉系數，m2。則：

式中，φ為斷層傾角，（°）；α為儲層傾角，（°）；H 為蓋層厚度，m；L為垂直斷距，m；h為儲層厚度，m。斷層橫向封閉系數F反映了影響斷層封閉性的各種因素對斷層側向封閉程度的影響，F越大，斷層封閉能力越好。

對蘇4潛山氣藏控制斷層要素及儲、蓋層參數的計算結果表明 （見表1），4條斷層的封閉系數遠大于非洲陶丹尼盆地志留系油氣藏的遮擋斷層的橫向封堵系數10897.2，說明斷層具有良好的封閉性能。

表1 蘇4潛山氣藏控制斷層封閉系數計算參數表

2.4 斷層面物質涂抹分析法

斷層帶內非儲層物質的摻入可降低孔喉半徑，使斷層帶內孔隙度降低，滲透率減小，從而形成封閉。

1）泥巖涂抹能力CSP 泥巖涂抹能力 （CSP）表示沿斷面某點某泥巖層被涂抹的相對量值，其值隨泥巖層厚度或泥巖層數的增加呈正相關關系，隨斷距的增大呈相反關系：

CSP可以判斷斷層的相對封閉程度，CSP值越大，斷層的封閉性越好。

2）涂抹因子SSF 壓入型涂抹的涂抹因子 （SSF）與斷距成正比，與源巖層厚度、層數成反比：

3）斷層泥比率SGR 斷層泥比率 （SGR）的計算方法如下：

斷層的斷距越大，斷開泥巖的厚度越小，泥巖涂抹層在空間上的連續性越差；斷層的斷距越小，斷開泥巖層厚度越大，泥巖涂抹層在空間上的連續性越好。

CSP適用于斷面剪切型的涂抹，SSF適用于壓入型的涂抹，它們不適合厚層非均質的碎屑巖巖層。斷層泥比率SGR對于砂泥巖層序，用斷面中各泥巖層的厚度之和與斷距之比SGR來評價斷面的封閉性，其方法簡單實用。根據CSP、SSF、SGR計算公式，分布對4條邊界斷層進行計算，其結果如表2所示。從表2可以看出，4條斷層都具有良好的封閉性。

表2 蘇4潛山邊界斷層泥巖涂抹數據表

3 結 論

（1）蘇4潛山儲氣庫深灰色泥巖作為蓋層，厚度大，分布廣，特別是底部直接與奧陶系潛山接觸且分布穩定的鋁土泥巖，厚度5～11.5m，與上部60余米的泥巖聯合作用，為蘇4潛山儲氣庫提供了良好的封閉作用。

（2）蘇4潛山周圍發育有4條張性正斷層，與斷層上升盤潛山地層對接的下降盤泥巖加劇了泥巖涂抹帶的固結性能，還進一步起到了側向巖性封堵作用。根據CSP、SSF、SGR計算公式，4條斷層都具有良好的封閉性。