金壇鹽穴儲氣庫微滲層分布規(guī)律及物理特性研究

丁雙龍

中石化川氣東送天然氣管道有限公司

金壇鹽穴儲氣庫是中石化川氣東送天然氣管道的重要配套工程，在建設(shè)過程中發(fā)現(xiàn)一個厚度約為0.8 m 的微滲層大范圍存在，微滲層作為一種特殊的地質(zhì)構(gòu)造，與常規(guī)建庫地層相比具有強度低、滲透率高等特征，是天然氣泄漏的潛在通道［1］。這給布井、儲氣庫建造和后期運行安全帶來了較大的挑戰(zhàn)，已成為了制約該區(qū)域建庫的主要因素。本文擬對該微滲層分布規(guī)律、微滲層巖心特征、微滲層成分和滲透率等方面進行研究，加深對該區(qū)域微滲層認識，為降低微滲層對該區(qū)域建庫影響提供參考。

圖1 T1、T2、5#、T3 井對比剖面圖Fig. 1 Correlation section of Well T1, T2, 5# and T3

1 微滲層分布特征

目前儲氣庫已經(jīng)完成了T1、T2、T3 和5#井的鉆井工作，實鉆數(shù)據(jù)表明(圖1)：該微滲層與建庫目標(biāo)鹽層頂部之間鹽巖的厚度分布在0～43.3 m 之間。以5#井為中心，該厚度整體向西與東南方向上變薄，與鹽巖厚度分布具有較好的一致性，鹽巖厚度大的區(qū)域，該厚度也相對較大。鉆完井之后進行了氣密封測試，均存在一定的漏失性，漏失層位位于微滲層附近，對儲氣庫建設(shè)造成了一定影響。

通過三維地震勘探并和已鉆井進行對比，對該工區(qū)的微滲層分布進行了預(yù)測，該區(qū)域內(nèi)微滲層分布穩(wěn)定，統(tǒng)計厚度在0.5～1.3 m 之間，埋深860～890 m。從微滲泥巖夾層平面分布圖上可以看出，該工區(qū)預(yù)測鉆遇平均厚度0.8 m，夾層分布與鹽巖分布具有較好的一致性，鹽巖厚度大的區(qū)域，夾層厚度也相對較大。微滲層厚度分布整體趨勢是由南向北方向變厚，在東西方向微滲層呈現(xiàn)由兩邊向中間(5#井)變厚的趨勢，巖性由含鹽泥巖向含泥質(zhì)鹽巖轉(zhuǎn)變，即鹽巖含量逐漸增加。

2 微滲層巖心特征描述

為加深對微滲層的認識，對5#井進行了鉆井取心。5#井微滲層位于888.89～889.71 m，巖心觀察發(fā)現(xiàn)：該微滲層為灰綠色含鹽(團塊)泥巖(圖2)，裂縫非常發(fā)育，絕大多數(shù)為高角度縫(常見直角縫)，被鹽巖晶體充填縫，在鹽巖團塊周圍可見低角度近水平縫發(fā)育，裂縫長10～200 mm，開度1～15 mm。從圖2中可以看出，裂縫連通性較好，局部可見網(wǎng)狀縫。巖心線性(沿巖心直徑方向)裂縫密度為10～20 條/m，軸向線性裂縫密度為10～50 條/m。

圖2 5#井微滲層巖心照片F(xiàn)ig. 2 Core picture of the micro-infiltrated layer in Well 5#

通過對裂縫產(chǎn)狀及幾何形態(tài)、構(gòu)造發(fā)育狀況和斷層分布規(guī)律分析認為裂縫為構(gòu)造縫和非構(gòu)造縫共存。本區(qū)斷層發(fā)育，加之火成巖噴發(fā)侵入，使局部地層上拱變形，應(yīng)力釋放形成構(gòu)造縫，延伸較長，分布不均勻。同時存在礦物的相變作用形成的收縮縫，即非構(gòu)造形成的非構(gòu)造縫，它是泥巖干燥失水收縮、脫水、熱收縮、礦物相變、風(fēng)化、剝蝕、巖熔等表面作用的結(jié)果。沉積巖中的碳酸鹽巖和黏土組成的礦物相變引起的體積減小而導(dǎo)致；鹽巖團塊周圍發(fā)育低角度近水平縫，應(yīng)為沉積載荷作用與脫水作用共同引起，在后期成巖壓實過程中，因鹽巖團塊與泥巖壓縮比不同造成差異壓實，并在泥巖脫水作用下收縮形成。

X1 井為一口先導(dǎo)井，進行了全井段取心。X1井巖心觀察表明，該微滲層為灰色含鹽泥巖，鹽巖呈團塊狀分布，與5#井相比，鹽巖團塊的體積相對較小，分布密度較大，這與物源遠近有關(guān)。分析認為：當(dāng)時沉積環(huán)境因水體上升，水體沖刷攜帶大量前期沉積的鹽巖，在近物源5#井區(qū)域附近沉積鹽巖團塊較大，遠物源相對較小。該套泥巖與下伏地層呈突變接觸，裂縫非常發(fā)育，局部被次生鹽充填，裂縫產(chǎn)狀和幾何形態(tài)與5#井非常相似，多數(shù)為高角度縫。在鹽巖團塊周圍可見低角度近水平縫發(fā)育，開度較大的裂縫(＞1 mm)均被鹽巖晶體充填。從原巖與充填物的顏色對比上看，原巖沉積環(huán)境為還原環(huán)境，充填物含F(xiàn)e3+，具氧化環(huán)境特征，應(yīng)為后期充填。裂縫形成后被沿縫隙運移高礦化度地層水結(jié)晶充填。

3 微滲層XRD 成分分析

在制取孔、滲試樣時對5#井巖心斷面的粉末進行收集，而后用于成分分析，由于所取粉末為整個橫截斷面，因而成分具有統(tǒng)計意義上的代表性。表1給出了微滲層泥巖及鹽巖團塊成分分析結(jié)果。由表1 可見，該段礦物成分主要為石英(26.96%)、鈣芒硝(24.01%)、伊利石(14.25%)、白云石(14.06%)、鹽巖(9.66%)、方沸石(7.14%)、鐵白云石(2.42%)、高嶺石(1.79%)。鹽巖含量僅為9.66%，但呈裂隙狀分布，而鈣芒硝含量達到24.01%，說明其中的白色團塊物質(zhì)主要為鈣芒硝。

表1 微滲層泥巖成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of the mudstone compositions in the micro-infiltrated layer %

4 微滲層測試結(jié)果分析

5#井微滲層位于888.89～889.71 m 之間，經(jīng)觀察整個0.82 m 長度范圍內(nèi)的巖心外觀形態(tài)較為接近，且上部的鹽-泥混合程度比下段稍微嚴重一些，故選取了888.89～889.27 m 之間的巖心進行孔滲試驗。為便于和鹽巖結(jié)果進行對比，同時開展了鹽巖試樣孔滲試驗。為保證制樣成功率，均采用手工打磨精細加工而成。試樣的制樣方向為水平向，孔/滲試樣直徑25 mm，長30 mm，突破壓力試樣直徑25 mm，長10～15 mm［2］。所用巖心均充分考慮了巖性、層位、含次生鹽情況等多種因素，每一個試樣均具有較好的代表性。其中微滲層段泥巖樣品5 塊，含鹽泥巖樣品3 塊，測試結(jié)果表明：微滲層段泥巖樣品孔隙度7.52%～14.18%，平均值為11.74%，滲透率0.11×10?3～21.2×10?3μm2，平均值為8.155×10?3μm2；含鹽泥巖樣品孔隙度1.93%～4.07%，平均值為2.87%，滲透率0.010 7×10?3～0.19×10?3μm2，平均值為0.093 1×10?3μm2。

4.1 孔/滲測試結(jié)果分析

4.1.1 泥巖-泥巖對比

表2 給出了8 塊微滲層巖心孔/滲測試結(jié)果。通過對5 塊泥巖測試結(jié)果進行分析可知：對于完整的泥巖試樣(1-2～1-9 試樣)，如試樣1-2，其滲透率0.11×10?3μm2，屬于比較低的值［3-4］；而含有少些次生鹽的試樣，但鹽巖不貫穿，如試樣1-6，其滲透率0.825×10?3μm2，仍然較低［3-4］，但密閉性略差于完整鹽巖；隨著次生鹽增多，貫穿裂隙增加，滲透率增大，比完整試樣高出2 個數(shù)量級，如1-5、1-8、1-9試樣。

表2 巖心孔/滲測試結(jié)果Table 2 Test results of core porosity/permeability

這說明，含有裂隙次生鹽的試樣，其滲透率將會較高，含貫穿及裂隙的次生鹽是影響密閉性的主要因素。

4.1.2 泥巖-鹽巖對比

灰色含泥鹽巖孔隙度介于1.93%～4.07%之間，平均值為2.87%，泥巖孔隙度介于7.52%～14.18%之間，平均值為9.6%；泥巖孔隙度平均值為鹽巖的3.3 倍。鹽巖滲透率介于0.01×10?3～0.19×10?3μm2之間，平均值為0.093×10?3μm2，而泥巖滲透率介于0.11×10?3～21.2×10?3μm2之間，平均值為8.16×10?3μm2；泥巖滲透率平均值為鹽巖的87.6 倍。

4.2 突破壓力測試結(jié)果分析

表3 給出了巖心突破壓力測試結(jié)果。對于次生鹽不貫通及貫通較少的試樣、泥巖樣，如5#井試樣1-1、1-3，X1 井試樣KSG-13、KSG-22，其突破壓力較高，分別達到4.8、3.0、8.43、5.36 MPa；對于含次生鹽、團塊狀鹽巖顆粒的試樣1-4、1-7，其突破壓力極低，僅0.48～0.94 MPa(圖3)。說明鹽顆粒/次生鹽裂隙的存在可能是造成突破壓力降低的重要原因。

低突破壓力、較高滲透率鹽巖有一個共性，即含有次生鹽、鹽顆粒；相反，凡是泥巖構(gòu)造較為完整、均一的試樣，都呈現(xiàn)出突破壓力高、滲透率低的情形。

測試結(jié)果分析表明，由于裂隙為成巖后期形成，并被鹽巖自然結(jié)晶充填，這就造成充填物處于未壓實或欠壓實以及裂隙未完全被結(jié)晶充填狀態(tài)，因此含有貫穿型及裂隙的次生鹽試樣滲透率較高，這是影響密閉性的主要因素［5-10］。

表3 巖心突破壓力測試結(jié)果Table 3 Test results of core breakthrough pressure

圖3 試樣1-4、1-7 鹽巖巖心照片F(xiàn)ig. 3 Core picture of salt rock sample 1-4 and 1-7

5 結(jié)論

(1)工區(qū)內(nèi)完鉆井均有微滲層分布，微滲層厚度0.5～1.3 m，該厚度整體向西與東南方向上變薄，與鹽巖厚度分布具有較好的一致性，氣密封測試顯示微滲層有一定的漏失性，對儲氣庫建設(shè)造成了一定影響。

(2)通過三維地震勘探并和已鉆井進行對比，微滲層在整個工區(qū)范圍內(nèi)均有分布，預(yù)測平均厚度0.8 m，微滲層厚度分布由南向北方向變厚，東西方向微滲層呈現(xiàn)由兩邊向中間(5#井)變厚的趨勢。

(3)從巖心觀察結(jié)果看，微滲泥巖層分布大量微裂縫，以縱向微裂縫為主，裂縫密度為10～20 條/m，裂縫長度為10～200 mm；縱向微裂縫大量被鹽硝等物質(zhì)充填，由于裂隙為成巖后期形成，并被鹽巖自然結(jié)晶充填，就造成充填物處于未壓實或欠壓實以及裂隙未完全被結(jié)晶充填狀態(tài)。因此，含有貫穿型及裂隙的次生鹽試樣，其滲透率較高，影響其密閉性。

(4)從巖心室內(nèi)測試來看，5#井微滲層段泥巖樣品孔隙度7.52%～14.18%，平均值為9.6%，滲透率0.11×10?3～21.2×10?3μm2，平均值為8.16×10?3μm2，分別為鹽巖試樣的3.3 倍和87.6 倍，是造成測試漏失的主要原因。