含水層構造改建地下儲氣庫蓋層封閉能力評價研究——以冀中坳陷大5目標為例

孟祥杰，郭發軍，陳洪，劉團輝，林建品

(中石油華北油田分公司勘探開發研究院，河北 任丘 062552)

張輝

(中石油華北油田分公司，河北 任丘 062552)

陳曦

(中石油華北油田分公司勘探開發研究院，河北 任丘 062552)

趙政嘉

(中石油華北油田分公司，河北 任丘 062552)

賈善坡

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

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含水層構造改建地下儲氣庫蓋層封閉能力評價研究
——以冀中坳陷大5目標為例

孟祥杰，郭發軍，陳洪，劉團輝，林建品

(中石油華北油田分公司勘探開發研究院，河北 任丘 062552)

張輝

(中石油華北油田分公司，河北 任丘 062552)

陳曦

(中石油華北油田分公司勘探開發研究院，河北 任丘 062552)

趙政嘉

(中石油華北油田分公司，河北 任丘 062552)

賈善坡

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

蓋層封閉能力，是決定含水層構造能否成功改建為地下儲氣庫的關鍵因素之一。以冀中坳陷大5目標為研究對象，在巖心、地震、測井、室內試驗、地層測試、干擾試井等資料綜合分析的基礎上，從蓋層巖性、厚度、物性特征、排替壓力等方面開展封閉能力靜態評價，從地層測試、干擾試井等方面開展封閉能力動態評價。綜合靜態、動態評價研究，建立含水層構造改建地下儲氣庫蓋層封閉能力評價模型。根據評價模型，認為大5目標蓋層封閉能力良好，符合建庫密封條件。該項研究對國內含水層儲氣庫建設具有一定指導意義。

含水層；地下儲氣庫；蓋層；封閉能力；評價模型

天然氣以其清潔、高效等特點已成為現代化城市燃氣發展的主要方向[1]。我國天然氣用戶市場主要集中在東部和東南部地區，但天然氣資源區主要集中在西北、西南和中西部地區。天然氣資源區與消費市場的分離，對天然氣長距離輸送及安全供氣提出了很高要求[2]。同時，城市民用氣的峰谷變化，特別是北方北京、天津等地區季節性用氣不均勻，容易造成夏季資源供應過剩、冬季資源供應緊張等問題。建設地下儲氣庫可以較好地解決以上問題，是目前各國開發利用天然氣時采用最多的一種安全供氣、調峰手段[1,3]。地下儲氣庫的另一個重要作用是用于天然氣的戰略儲備，以保障長輸管線供氣中斷情況下天然氣的有效供給[4]。

根據儲層、地質等特點，地下儲氣庫主要分為：枯竭油氣藏型、含水層型、鹽穴型、廢棄礦坑及巖洞型。利用枯竭油氣藏進行儲氣庫改建是世界上最常用同時也是最經濟的一種儲氣方法，凡是有枯竭氣田的國家都首選發展這種儲氣庫。但是在大型工業城市中心和大城市附近，并非都有適合于建設地下儲氣庫的枯竭油氣田，但總可以找到含水層構造[4，5]。在這種情況下，建造含水層型地下儲氣庫便成為首推方案。目前，世界上建造在大工業中心和大城市附近的地下儲氣庫基本上都是含水層型儲氣庫。國外含水層地下儲氣庫建庫相關技術已經有很長的歷史，而中國目前尚處于前期庫址篩選評價和建庫理論探索研究階段[6]。隨著2013年中石油華北油田分公司“華北油田含水層建庫目標評價”項目的展開，標志著國內首個含水層儲氣庫工程建設正式啟動[7]。在含水層儲氣庫工程建設中，蓋層的封閉能力尤為重要，是決定含水層構造能否成功改建為地下儲氣庫的關鍵因素之一。

筆者以冀中坳陷大5目標為研究對象，在巖心、地震、測井、室內分析等資料綜合分析的基礎上，從影響蓋層密封性的巖性、厚度、物性特征、排替壓力等因素方面對蓋層密封性展開靜態評價，結合地層測試、干擾試井等動態評價結果，建立含水層構造改建地下儲氣庫蓋層密封性綜合評價模型，對國內后續含水層儲氣庫建設具有一定指導意義。

冀中坳陷大5井區位于河北省大城縣，目前共完鉆大5井、大5-1C井2口井，其中大5井為該區域第一口風險探井，大5-1C井是以含水層改建儲氣庫為目的的第一口水文地質調查井。建庫目的層為二疊系石盒子組含水砂巖，上覆厚層泥巖蓋層，圈閉整體呈背斜形態，面積7.4km2，高點埋深2325m，閉合幅度275m。

1 封閉能力靜態評價

形成儲氣庫的必要條件之一是具備能夠阻止天然氣滲漏和散失的蓋層。蓋層阻止天然氣漏失的方式主要有：憑借蓋層本身毛細管力阻止天然氣滲漏的物性封閉；依據蓋層含烴濃度抑制天然氣擴散的烴濃度封閉；由于蓋層內部異常壓力的存在使天然氣得以保存的超壓封閉等[8]。

大5含水層構造鉆井過程中均未發現超壓異常，同時，地層測試資料表明，地層壓力因數為1，表明蓋層壓力為正常壓力系統。另外，對于含水層構造，不存在烴濃度封閉及其他封閉，因此，對大5井區二疊系石盒子蓋層進行封閉性評價，只需考慮物性封閉機理。

1.1 蓋層巖性

蓋層的巖石巖性、泥質含量和形成的沉積環境不同，其封閉能力不同。氣藏蓋層中，封堵性能最好的為鹽巖和膏鹽，其次為泥巖、致密灰巖。鹽巖封閉性能相比其他巖類最好，是因為在產生裂縫的情況下鹽巖具有自愈合的特點[8]。對于泥巖、致密灰巖來說，泥質含量越高，蓋層可塑性越強，構造裂縫和溶蝕孔洞變得不發育，封閉能力越好。而同樣是泥巖，形成的沉積環境不同，封閉能力存在差異，例如，湖泊相水平層理泥巖比河流相斜層理泥巖有更強的封堵能力[9]。

大5含水層構造蓋層為二疊系石千峰組灰色泥巖與紫紅色泥巖，呈塊狀構造(圖1)，夾少量薄層淺灰色粉砂巖與灰色泥質粉砂巖，泥巖單層厚度一般7～10m，最大27m。自然電位曲線呈現微波狀-平直狀(圖2)，為曲流河相洪泛平原亞相沉積。

圖1 大5-1C井石千峰組蓋層巖心及巖石薄片照片

對大5-1C井二疊系石千峰組泥質巖蓋層進行X-射線衍射分析(表1)表明，蓋層巖石由黏土礦物、石英、鉀長石、斜長石、方解石、菱鐵礦和赤鐵礦等礦物組成，非黏土礦物體積分數范圍為29%～78%(平均50.75%)，黏土礦物總量為22%～71%(平均49.25%)。非黏土礦物中石英所占比重最大，在24%～59%范圍內變化，平均為38.38%，其次為斜長石和鉀長石，體積分數平均值分別為5.81%和3.63%。

圖2 大5-1C井石千峰組蓋層柱狀圖

黏土礦物對泥巖物性封閉能力的影響主要與其可塑性和濕潤性(吸水性)有關。可塑性強可抵制蓋層變形中次生裂縫的發育；礦物吸水膨脹使孔隙喉道半徑縮小，氣-水界面與礦物顆粒接觸角度變小，強吸水性增加毛細管壓力，使巖石的密封性變好。在黏土礦物中，可塑性排序為：蒙脫石>伊-蒙混層>伊利石>綠泥石>高嶺石；吸水性排序為：蒙脫石>伊-蒙混層>高嶺石>伊利石>綠泥石[8]。在大5-1C井泥巖蓋層黏土礦物組成中，蒙脫石和伊-蒙混層體積分數占絕對優勢(平均為70.8%)，其含量之和在所有礦物中也占34.9%(表2)。從巖石可塑性的角度來評價，大5目標二疊系泥巖蓋層巖石的可塑性和吸水性較強。

表1 大5-1C井泥質巖蓋層X-射線衍射分析礦物成分與含量統計表

表2 大5-1C井泥質巖蓋層X-射線衍射分析黏土礦物種類及相對含量

1.2 蓋層厚度

對于深部成巖蓋層而言，泥巖的物性封閉能力強弱取決于突破壓力大小，而與其厚度沒有直接關系。蓋層厚度較大可以彌補其質量的不足，并對其物性封閉能力有重要的補償作用。對于同一種蓋層而言，蓋層厚度越大，其空間展布面積越大，橫向連續性越好，越易形成區域性蓋層，有利于天然氣的保存；相反，薄的蓋層要大面積保持不破不裂是相當困難的[10]。

經統計，大5井區2口井的泥巖蓋層厚度分別為125m和247.5m，直接單層厚度分別為15m和7m。地震資料表明，泥巖蓋層橫向分布連續，平面分布廣。對比國外已建含水層儲氣庫最小蓋層總厚度為9m[11]，大5目標泥巖蓋層厚度條件相對良好。

1.3 蓋層物性特征

蓋層孔隙度和滲透率越小，毛細管阻力越大，封閉能力越好。在大5-1C井二疊系石千峰組泥質巖蓋層中鉆取了19個(其中垂向巖心鉆取13個，水平向巖心鉆取6個)有代表性的巖樣進行了孔隙度和滲透率測試。孔隙度相對較高，范圍為5.28%～26.29%，平均為12.14%；滲透率相對較低，垂向滲透率范圍為1.22×10-5～3.75×10-1mD，平均為1.0×10-3mD(小于1.0×10-3mD的樣品占73%)，水平向滲透率均小于1.0×10-2mD，平均為1.7×10-3mD。由此可見，該蓋層屬于中低孔、特低滲型泥質巖蓋層。

與常規氣藏蓋層相比，泥巖孔隙度相對較高。但泥巖的滲透能力和封存能力具有特殊性，例如，歐洲比利時等國的高放射性廢料處置庫圍巖即為高孔、低滲型泥巖[11]，孔隙度為39%，但其滲透率的量級卻為10～4mD，孔隙與孔隙之間連通性差，盡管孔隙部分對應的孔隙度很大，但喉道部分對應的孔隙度極小，有效防止了核廢料的泄漏。另外，淺層生物氣藏形成機理研究表明，時代新、氣藏埋深淺等因素造成蓋層孔隙度與儲層接近，不能用孔隙度來評價蓋層的物性封閉能力[8]。因此，泥巖蓋層封閉能力評價中可不考慮孔隙度因素。

1.4 蓋層排替壓力

據理論計算，泥頁巖蓋層只要具備1MPa的突破壓力，即可阻擋住約400m高的油藏或125m高的氣藏，0.1MPa的壓差即可阻擋住約40m高的油藏或12.5m高的氣藏[8]。大5含水層目標圈閉閉合幅度為275m，封蓋氣柱最小突破壓力理論計算為2.2MPa。

在大5-1C井二疊系石千峰組泥質巖蓋層中鉆取14塊有代表性的巖樣進行了突破壓力測試，其中蓋層巖心11塊，隔層巖心3塊。地層條件下飽和水時突破壓力的變化范圍為12.82 ～46.99MPa，平均為34.31MPa，突破壓力值大于35MPa的占72.7%；3個隔層巖心的突破壓力分別為21.08、26.60、31.07MPa，突破壓力較高，具有良好的封閉性。

2 封閉能力動態評價

在靜態評價結果較為樂觀的情況下，對蓋層可開展動態評價，主要方法有地層測試、干擾試井、探測性注氣試驗等，通過檢測蓋層的產出能力、縱向連通性及注入氣體有無逸出等判斷蓋層的封閉能力。

2.1 地層測試

對大5-1C井蓋層段中測井解釋物性相對較好的砂巖層2307～2313m和2259.4～2262.6m進行了2組測試(表3)，采用油管抽汲，液面分別降至1474.2m和1458m，24h液面上升僅為3.2m和13m，折合日產水0.006m3和0.026m3，計算地層滲透率只有0.001mD和0.004mD，表明蓋層段中的砂巖層物性極差，基本無產能，蓋層段的密封性良好。

表3 大5區二疊系石千峰組蓋層地層測試數據表

圖3 大5-1C井垂向干擾試井示意圖

2.2 干擾試井

為了驗證大5-1C井蓋層的垂向封堵性，開展了脈沖式干擾試井現場試驗研究(圖3)。以大5-1C井儲層Ⅲ砂組為激動層，儲層Ⅰ砂組和蓋層G砂組為觀測層，激動層與觀測層之間安裝封隔器下入壓力計監測壓力變化，評價蓋層垂向封閉能力。

對Ⅲ砂組共實施7個脈沖周期，每個脈沖周期注水7d、停注7d，日注水量為50～60m3，累計注水量為2722.6m3，注水壓力從0.3MPa升至1.6MPa。

儲層Ⅰ砂組和蓋層G砂組均監測到7個周期的壓力脈沖響應信號，但波形與激動層相反(圖4)。

分析認為是由于注水時井筒環空溫度降低引起的，說明并未檢測到激動層的壓力傳導信號，表明蓋層垂向上是封閉的。原因如下：①對比激動層實測壓力和觀察層G砂組壓力響應曲線可以發現，兩處壓力發生改變的時間基本為同一時刻，若G砂組壓力信號是由激動層引起，2個層相距65m，由蓋層相隔，且蓋層滲透能力極低，2個實測壓力信號之間的延遲時間不可能這樣短；②Ⅰ砂組壓力響應幅度非常小，若Ⅰ砂組壓力信號是由激動層引起，極短的延遲時間內的壓力響應幅度應該較為明顯，并且壓力響應幅度應該隨注水壓差逐漸增大而增大；③遠離激動層的G砂組比靠近激動層的Ⅰ砂組壓力響應幅度還大，若G砂組和Ⅰ砂組壓力信號是激動層引起，G砂組應該比Ⅰ砂組弱。

圖4 大5-1C井垂向干擾試井激動層與反應層壓力變化曲線

3 綜合評價模型

由于含水層構造改建地下儲氣庫前期評價資料少，單方面通過靜態或者動態評價蓋層密封性存在較大風險，需要建立評價模型綜合考慮動、靜態資料。

3.1 評價標準確立

通過調研國外已建含水層儲氣庫蓋層參數，結合我國天然氣藏蓋層特征，提出適宜該區的含水層構造改建儲氣庫蓋層評價標準(表4)。對比大5目標蓋層特征，評價結果為“優”的參數有累計蓋層厚度、排替壓力、干擾試井結果，評價結果為“良”的參數有巖石巖性、直接蓋層單層厚度、滲透率，評價結果為“中”的參數有泥質含量、裂隙發育情況，評價結果為“差”的參數有沉積環境、孔隙度。

表4 含水層構造改建儲氣庫蓋層評價標準

表5 因素相對重要程度分類標準

3.2 權重系數賦予

由于每項評價參數對蓋層密封性的影響程度強弱不一，需要對每項參數賦予相應的權重系數。為了降低人為主觀因素的影響，采用定性與定量相結合的層次分析法[12]。根據層次分析法要求，采用1～9標度法，通過調研國外已有相關研究成果，并面向儲氣庫專家咨詢打分，獲得同級影響因素間相對重要性比值(表5)。

構建判斷矩陣(式(1))，求出最大特征值及其對應的特征向量(式(2)～(4))，該特征向量即為各評價參數的權重。為了檢驗權重系數分配是否合理，可以利用隨機一致性指標，當CR<0.1時(式(5))，即可認為判斷矩陣具有滿意的一致性，說明權值分配合理；否則就需要重新評價矩陣，直到取得滿意的隨機一致性為止[12]。

(1)

(2)

(3)

(4)

含水層構造改建地下儲氣庫，蓋層密封性評價參數相對重要性判斷矩陣為：

(5)

經計算，10項參數的權重值最高為“干擾試井結果”，最低為“沉積環境”，大小分別為0.3304和0.0155。各項參數的權重值大小見圖5。CR=0.0557<0.1，說明權重分配合理。

圖5 含水層構造改建地下儲氣庫蓋層評價參數權重大小

3.3 綜合評價模型

通過將評價標準的“優”“良”“中”“差”分值分別量化為10分、8分、6分、4分，結合層次分析法得到的各項參數相對蓋層密封性的權重值ωi，即可構建含水層構造改建地下儲氣庫蓋層評價模型(表6)。

評價模型中，指標綜合值M的計算過程如下：

(6)

式中：mi為各評價參數的量化分值；ωi為各項參數相對砂巖儲層的權重值；i=1,2,…,9,10。

根據前述分析，大5井區二疊系石盒子組含水構造蓋層10項評價參數的得分依次為：4、8、6、8、10、4、8、6、10、10。結合各項指標的權重，得出大5含水層構造改建地下儲氣層蓋層封閉能力參數綜合值M為8.74分。對照表6可知，大5目標蓋層比較適宜改建地下儲氣層，但需在運營期加強儲氣庫密封性監測。

表6 含水層構造改建地下儲氣庫蓋層評價模型

4 結論

1)分析了影響蓋層封閉能力的巖性、厚度、物性特征、排替壓力等因素，對大5目標泥巖蓋層展開靜態評價。

2)結合地層測試、干擾試井資料，對大5目標泥巖蓋層展開動態評價。

3)綜合靜態、動態評價研究，提出一套含水層構造改建地下儲氣庫蓋層封閉能力評價標準，建立評價模型。

4)根據評價模型，認為大5目標蓋層封閉能力良好，符合建庫密封條件。

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[編輯] 黃鸝

2016-04-12

中國石油天然氣集團公司重大專項(2015E-4002)。

孟祥杰(1989-)，男，碩士，助理工程師，從事天然氣開發及儲氣庫建設方面的研究工作，yjy_mxj@petrochina.com.cn。

TE122.2

A

1673-1409(2016)32-0032-08

[引著格式]孟祥杰，郭發軍，陳洪，等.含水層構造改建地下儲氣庫蓋層封閉能力評價研究[J].長江大學學報(自科版),2016,13(32):32～39.