碳酸鹽巖儲氣庫蓋層動態密封性評價研究

滕振超 張品金 賈善坡 徐 萌 張廣權 賈躍瑋

1. 東北石油大學土木建筑工程學院, 黑龍江 大慶 163000;

2. 東北石油大學非常規油氣研究院, 黑龍江 大慶 163000;

3. 東北石油大學地球科學學院, 黑龍江 大慶 163000;

4. 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院, 北京 100089

0 前言

蓋層密封性是儲氣庫密封性的重要指標,是評價儲氣庫安全性的重要依據[1]。與常規氣藏相比,儲氣庫具有多周期、強注強采的特性;由于碳酸鹽巖具有很強的非均質性,其封閉性遠不如泥巖和膏鹽巖,與常規泥巖蓋層相比,碳酸鹽巖蓋層具有脆性程度高受構造影響大的特性[2],因此傳統的蓋層密封性評價標準已經不適用于碳酸鹽巖儲氣庫蓋層的評價。

目前,不少學者針對蓋層密封性評價開展了不同程度的研究,舒萍等人[3]通過蓋層巖性、厚度分布、物性、微觀孔喉結構對蓋層密封性進行了定性評價,通過蓋層突破壓力計算模型進行了定量評價;林建品等人[4]開展了枯竭氣藏型儲氣庫蓋層能力綜合評價,建立基于全應力—應變特征的蓋層巖石脆性評價標準。目前蓋層的密封性評價多為靜態下的突破壓力測試[5],未考慮交變應力對原始毛細管密封性的影響,不能準確地反映出儲氣庫的動態封閉能力。同時,注采過程中應力的交替變化會導致蓋層巖石逐漸損傷,滲透性有增大的趨勢,因此,碳酸鹽巖儲氣庫需考慮交變應力下的蓋層損傷及彈塑性變形特征[6-10]。

針對碳酸鹽巖儲氣庫高速往復注采的特點,本文基于地質特征、毛細管物性密封和宏觀力學完整性三個方面,綜合蓋層沉積環境、巖性特征、蓋層厚度、靜態密封性、動態密封性及巖石力學特征等因素,提出了一種碳酸鹽巖儲氣庫動態密封性的綜合評價方法。建立基于AHP及可拓學理論的評價模型,為碳酸鹽巖儲氣庫建庫提供理論依據。

1 地質背景

Q儲氣庫位于川東北達縣—宣漢探區的東南部,構造簡單,是一個受南、北斷層控制的北西向長軸背斜構造。其構造的形成與演化主要受三個方向的擠壓應力構成的非均—聯合應力場以及早期構造形跡的控制,氣藏原始地層壓力77.0 MPa,壓力系數1.82,為超高壓壓力系統[11]。

1.1 沉積環境

碳酸鹽巖的形成受原始沉積環境的控制,沉積環境控制著沉積物的展布。沉積環境對蓋層側向分布和垂向疊置關系影響較大,不同地貌單元、不同相帶的蓋層發育特征相差各異。利用FMI成像資料對Q儲氣庫進行沉積相分析,蓋層沉積環境主要為開闊臺地淺灘亞相及開闊臺地灘間亞相。開闊臺地淺灘亞相為開闊臺地環境中的淺水高能地帶,沉積時能量較高,以亮晶砂屑灰巖為主；多呈塊狀層理,泥質含量較灘間亞相泥質含量低。開闊臺地灘間為淺灘之間的深水沉積區,沉積時海水較深,能量較小,沉積物粒度細,以泥—微晶灰巖為主夾少量泥巖薄層,水平層理發育。

1.2 巖性特征

根據巖性特征,蓋層主要分為蒸發巖類蓋層、泥巖類蓋層及碳酸鹽巖類蓋層。對儲氣庫而言,泥巖和蒸發巖是理想的蓋層巖性[12]。在碳酸鹽巖蓋層的研究中,泥質含量是影響封閉能力的重要因素。泥質含量一般通過常規測井中的自然伽馬值來標定,即自然伽馬值越大,則泥質含量越高,當蓋層自然伽馬值大于20 API時,蓋層具有封閉能力[13]。同時,在碳酸鹽巖中會存在泥質含量較高或裂縫不太發育的純巖性致密層,其電性特征表現為電阻率值高[14]。

蓋層所在地層FMI測試結果,該段地層巖性主要以灰色灰巖夾薄層含云灰巖為主。4 523.9～4 530 m段的巖性為含云灰巖,泥質含量稍高,電阻率平均值為400 Ω,自然伽馬平均值為41 gAPI,密度平均值為2.735 g/cm3。4 530～4 549 m段的巖性為泥質灰巖,電阻率平均值為650 Ω,自然伽馬平均值為37 gAPI,密度平均值為2.715 g/cm3。FMI靜態圖像顏色較亮,地層成層性非常好,為薄層灰巖,同時可見高阻的質較純的灰巖發育。表明目的蓋層巖性較好且裂縫不太發育,有利于蓋層封閉。

1.3 蓋層厚度

蓋層的封閉能力主要取決于蓋層巖石的物性特征,與厚度沒有直接聯系。但目前儲氣庫蓋層厚度對封閉能力的影響程度還沒有統一的評價標準,但發育較厚的蓋層對其封閉能力具有補償作用,厚度越大、其空間展布面積越大,橫向連續性越好,越有利于氣體封存[12]。

對碳酸鹽巖來說,除沉積過程中沉積環境的橫向和縱向變化,多種成巖改造的聯合作用均在不同程度上影響著碳酸鹽巖的特征,使大多數碳酸鹽巖呈現出較強的非均質性且延展性差的特性,所以,相較于泥巖類、膏鹽巖類蓋層,碳酸鹽巖蓋層厚度在影響蓋層封蓋能力各因素指標中所占的比重較小[13]。

根據地震資料等顯示,Q儲氣庫蓋層平均厚度300 m左右,最薄處110 m左右,厚度較大。按照蓋層厚度可將蓋層封閉能力分為四個等級,當厚度>100 m時,可以認為蓋層封閉能力較強,有利于氣體封存。

1.4 地質綜合分析

根據以往研究成果[12],從地層特征、巖性特征和蓋層厚度對蓋層封閉能力進行劃分,評價指標見表1。

表1 儲氣庫蓋層封閉能力等級劃分標準表Tab.1 Standard table for sealing ability grade classification of gas storage cap layer

2 注采條件下毛細管密封性

目前,蓋層的封閉機理主要為物性封閉(毛細管封閉)、壓力封閉及烴濃度封閉三種,蓋層的物性封閉是最常見、最重要的蓋層封閉機理[13]。

毛細管封閉指的是通過蓋層最大喉道的毛細管壓力差來封閉圈閉中的油氣。排替壓力是指巖石中最大連通孔隙的潤濕相流體被非潤濕相流體排替所需的最低壓力,是反應蓋層微觀封蓋能力的最直接、最根本的參數[14-15]。

2.1 靜態排替壓力特征

蓋層巖石靜態突破壓力測試主要為間接法和直接法。間接法是指壓汞法,壓汞法具有測試簡潔快速的優點[16],本文通過壓汞法對G1-1和G1-2蓋層巖石進行排替壓力測試,蓋層巖石毛細管壓力曲線見圖1。

圖1 蓋層巖石毛細管壓力曲線圖Fig.1 Capillary pressure curve of cap rock

根據行業標準[17],巖石的排替壓力為非濕潤性開始連續進入巖心吼道時所對應的毛細管壓力,從圖1可知,半對數坐標沿著毛細管壓力曲線平坦部分的第一個拐點做切線,切線延長線余縱坐標軸的交點壓力值即為排替壓力。根據排替壓力測試結果可知,兩塊蓋層巖心的排替壓力值分別為13.7 MPa、14.27 MPa,均值為13.98 MPa。可根據排替壓力值大小將蓋層密封性等級分為四類[12]：>15 MPa為優,10～15 MPa為良,5～10 MPa為中,<5 MPa為差。因此,可認為灰巖蓋層為良好蓋層,封閉能力良好。

2.2 動態滲透率與排替壓力演化特征

通過開展室內試驗模擬儲氣庫注采過程,圍壓模擬有效水平應力(即水平應力減地層壓力),通過軸壓交變范圍模擬注采過程中偏應力變化。根據注采條件下的有效應力變化規律,圍壓設置為14.29～55.56 MPa,交變荷載范圍為3.26～39.2 MPa,交變次數設置為60次,分別在交變次數0次、15次、30次、45次、60次時進行滲透性測試。獲得交變次數對滲透率的影響規律,繪制交變次數與滲透率關系圖,見圖2。

根據試驗結果,不同圍壓下四塊蓋層巖石的滲透率隨交變次數的變化趨勢基本一致,滲透率呈現出下降—平緩—升高的趨勢。曲線分為壓密階段、平緩階段及發展階段三個階段。

1)壓密階段:隨著循環荷載次數的增加,巖心骨架受到壓縮,內部裂隙及孔喉通道被擠密,滲透率出現下降趨勢。

圖2 不同圍壓下滲透率變化規律圖Fig.2 Diagram of permeability variation under different confining pressures

2)平緩階段:隨著交變荷載的持續加載,巖心骨架進一步壓縮,但巖石內部未出現較大損傷,滲透率呈現出穩定狀態。

3)發展階段:交變荷載作用下,巖石內部發展出新的裂紋及微裂縫,產生新的滲流通道,滲透率出現上升趨勢。

本文的滲透率演化曲線中發展階段不明顯,交變后滲透率(60次)均未超過初始滲透率(0次),主要是因為注采條件下的交變荷載幅值范圍較小,未對巖石產生較大損傷,這也表明了當前注采條件下,有效應力對蓋層密封性影響較弱,這一規律在下文中的基于聲發射的巖石損傷演化中有進一步的探究。

根據國外儲氣庫蓋層評價經驗,若蓋層巖石的滲透率已知,則蓋層的排替壓力可以通過與滲透率之間的相關模型獲得,目前行業內廣泛使用的蓋層排替壓力的預測模型的是由LK Thomas等人建立的相關性模型[12]。針對室內巖心排替壓力測試,研究了排替壓力與滲透率之間的相關關系,其擬合公式為:

(1)

根據式(1)可以得到循環次數及圍壓與排替壓力的關系,見表2。

表2 動態突破壓力信息表Tab.2 Dynamic breakout pressure informations

3 蓋層巖石的力學特性分析

在儲氣庫注采交變運行中,蓋層微裂隙的滲漏是造成蓋層有效性變差的主要因素。因此評價和界定蓋層脆延性轉化和注采造成的微裂縫是評價蓋層有效性的關鍵問題[9-10]。

相較于泥巖,碳酸鹽巖具有脆性程度高、在變形過程中易形成裂縫的特征,同時交變荷載作用下,巖石發生疲勞破壞的風險也較高。因此,碳酸鹽巖蓋層應當更加注重注采條件下的巖石力學特征。

3.1 蓋層脆性特性

三軸應力—應變曲線見圖3,巖心經交變荷載后彈性模量為29.92～32.04 GPa;峰值強度隨著圍壓的逐漸增大而增大,因為巖石的非均質性,導致巖心G2峰值強度明顯高于其他試樣,這一效應在聲發射信號中也有所體現;巖心在荷載作用下,峰值前后出現了明顯的屈服平臺,巖石表現出明顯的脆—延性變形轉化過程。

圖3 交變循環后三軸應力—應變曲線圖Fig.3 Stress-strain curve after alternating cycle

通過采用應力—應變曲線特征的方法來評價蓋層巖石破壞機制,蓋層的脆性程度可以通過峰值強度、殘余強度、屈服階段及峰后斜率來獲取[18-19]。經過綜合考慮峰前、峰后及屈服階段的力學特征,建立蓋層脆性評價體系，過程見圖4。

圖4 蓋層脆性評價指標示意圖Fig.4 Schematic diagram of brittleness evaluation of cap rock

(2)

(3)

(4)

(5)

根據上述分析,結合本文試驗數據,獲得注采條件下蓋層巖石力學試驗測試結果,根據試驗結果可知巖石脆性指數分布為0.207 3～0.232 88之間,具體結果見表3[5]。

表3 注采條件下蓋層巖石力學試驗測試結果表Tab.3 Rock mechanics test results of cap rock under injection-production conditions

3.2 變形及聲發射特征

巖石的損傷實際上是巖石受力作用下,天然微小裂紋及裂隙裂紋擴展成宏觀裂紋及生成新裂紋的過程。通過模擬儲氣庫運行過程,開展室內碳酸鹽巖蓋層巖石三軸交變力學試驗,繪制應力—應變曲線,見圖5。

a)巖心G1a)Rock G1

b)巖心G2b)Rock G2

c)巖心G4c)Rock G4

根據應力—應變曲線,加載初期軸向應變增幅較快,隨著交變次數的增加,增幅趨于穩定。交變60次后,G3因應變計問題,數據采集不完整,其他巖心累計軸向應變為0.18%～0.26%,且巖石均未發生破壞,表明當前注采條件下蓋層疲勞破壞風險較低。

在交變荷載作用下，巖石內部不斷產生裂紋，進而產生聲發射信號,聲發射活動中的能量信息反映了聲發射信號相對能量的大小,其與應力隨時間在交變荷載下的規律基本一致,能量可以反映出碳酸鹽巖在交變荷載過程中的損傷程度[20]。根據交變過程中聲發射信號與時間的關系,獲得聲發射能量強度大小隨時間變化的關系。在低應力條件下,巖石損傷隨著交變次數的增加趨于平穩,故有損傷隨交變次數的對數模型關系式[21]:

D=a+bln(N+c)

(6)

基于式(6),對本次試驗損傷累計值和交變次數進行擬合,擬合結果與試驗結果相關性均大于96%,可以認為試驗結果與理論公式具有一定的相關性,見圖6。

巖石周期加卸載過程是巖石內部原生微裂隙反復閉合、張開與擴展的過程。根據聲發射信號能量隨時間的分布可以看出,交變荷載初期,巖心內部微裂隙在力學作用下被壓密,聲發射信號較為強烈,損傷值急劇上升,此時的損傷值為巖石的原始損傷;交變荷載中期,隨著交變次數的增加,聲發射信號能量強度隨著裂隙的壓密逐步減小;交變荷載后期,隨著巖石被進一步壓縮,原始裂隙擴展的同時萌發出新的裂隙,巖石開始產生新的損傷,聲發射信號逐步增強。整體來看,在低圍壓情況下,聲發射信號整體較為強烈,信號強度隨著圍壓的升高逐步減弱。圍壓加載過程中,巖石內部微裂紋逐步閉合,圍壓越高裂紋閉合程度越高[22]。

a)巖心G1a)Rock G1

b)巖心G2b)Rock G2

c)巖心G3c)Rock G3

d)巖心G4d)Rock G4

4 基于AHP的可拓學理論評價體系

4.1 評價指標選取

按照蓋層動態密封性要求,結合地質信息,開展注采條件下的蓋層動態密封性試驗,根據試驗結果,對碳酸鹽巖儲氣庫蓋層動態密封性進行綜合評價,根據以往研究[12,23]建立儲氣庫蓋層動態密封性單因素評價指標,見表4。

表4 蓋層動態密封性單因素評價指標表Tab.4 Single factor evaluation index of dynamic sealing performance of cap rock

根據碳酸鹽巖儲氣庫蓋層地質特征及蓋層室內試驗,獲得碳酸鹽巖儲氣庫蓋層單因素待評價指標,見表5。

為方便計算,需將各單因素評價指標進行量綱一化處理,量綱一化處理規則如下:

(7)

表5 蓋層動態密封性單因素待評價指標表Tab.5 Index table of single factor to be evaluated for dynamic sealing of cap rock

表6 蓋層動態密封性單因素評價指標表(量綱一的量)Tab.6 Single factor evaluation index of dynamic sealing performance of cap rock (dimensionless quantity)

表7 單因素待評價指標表(量綱一的量)Tab.7 Single factor index to be evaluated (dimensionless quantity)

4.2 構建AHP評價指標權重值

根據蓋層封閉能力的要求,結合靜態密封性特征,將蓋層動態封閉性作為目標層,將蓋層地層特征、蓋層孔滲特征及巖石力學特征3個因素作為準則層,再將經過細化后的8項基本指標作為評價層,建立基于AHP的目標層次結構模型。

通過目標層次結構的建立,對各個因素進行量化分析,確定了上下層因素之間的隸屬關系,從而構造出定性到定量轉化的判斷矩陣。根據Saaty提出的“1～9”標度法為依據,將任意層次的某個要素及其隸屬的要素作為評價目標,將各個要素的重要性進行兩兩比較,根據比較結果獲得判斷矩陣。

根據判斷矩陣求出最大特征值及其對應的特征向量,該特征向量即為各個評價因素的權重值,考慮到專家對各個因素評價時具有一定的主觀性,不能完全精確的判斷出權重值的大小,因此需定義一致性指標,計算公式為:

CR=[(λmax-n)/(n-1)]/RI

于是，8月初在香港見到呂楊的時候，我問了他這個問題。他一聽，也愣了，表示250萬瓶這個數字確實很高，“品嘗多少不是個問題。在品評酒的時候，學到多少，得到多少，可能更重要一點，對吧？”

(8)

對儲氣庫專家進行問卷調查,通過公式可以計算出各個評價因素的權重值,見表8。

表8 權重計算匯總表Tab.8 Weight calculation summary

4.3 可拓學評價體系構建

可拓學以物元理論和可拓數學為基礎,通過建立物元模型,將各個評價指標轉化為一種相容的問題,并從可行性和優化的角度評價指標,是一種定性與定量的評價方式[23]。

(9)

(10)

(11)

本文將碳酸鹽巖儲氣庫蓋層動態密封性分為Ⅰ級(極好)、Ⅱ級(較好)、Ⅲ級(好)、Ⅳ級(一般)四個等級,c1～c8為8個影響因素,通過單因素的評價標準獲得經典域參數取值。

通過碳酸鹽巖儲氣庫蓋層動態密封性評價指標的取值范圍確定節域,一般為評價指標全體:

(12)

通過測井信息、室內試驗等方法確定待評價蓋層參數,獲得待評物元R1={c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7,c8}={0.74,1.00,1.00,0.93,0.23,0.36,0.77,0.74}。

計算待評價物元關聯度。待評價物元與等級t的關聯函數為:

(13)

其中

(14)

ktj(Mj)=∑Wikij(vi)

(15)

kjt0(Mj)=max{kij(Mj)t=1,2,3,4}

(16)

5 結論與建議

1)基于AHP和可拓學理論,建立了碳酸鹽巖儲氣庫蓋層動態密封性評價體系,從地質特征、毛細管物性密封及宏觀力學完整性三個方面對碳酸鹽巖儲氣庫蓋層進行綜合評價。在靜態密封性能力的基礎上,開展了動態密封性評價,從巖石力學角度解釋了動態密封性機理,彌補了之前研究的不足。根據注采條件下的地應力變化規律,開展交變力學下的動態突破壓力試驗,獲得動態突破壓力變化規律,通過檢測聲發射信號,獲得交變荷載下巖石內部裂隙發展規律。

2)碳酸鹽巖蓋層相較于泥巖、膏巖蓋層,具有明顯的脆性特征,在注采過程中易形成裂縫,這極易導致蓋層密封性降低,應注重考慮碳酸鹽巖的脆性特征,防止碳酸鹽巖蓋層發生脆性破壞。

3)以碳酸鹽巖Q儲氣庫為例,采用上述評價方法對Q儲氣庫進行綜合評價,蓋層評價結果為Ⅰ級蓋層,封氣能力極好,評價結果與實際情況一致,證明該評價方法具有較高的有效性。

4)本文中碳酸鹽巖儲氣庫蓋層動態密封性評價體系的建立,對于碳酸鹽巖儲氣庫建庫具有一定的參考性,但隨著理論與技術的發展,評價體系還有待于進一步改進。