含水層構(gòu)造改建地下儲(chǔ)氣庫(kù)評(píng)價(jià)體系

賈善坡，鄭得文，金鳳鳴，張輝，孟慶春，林建品，魏強(qiáng)

(1. 中石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北 任丘，062552；2. 長(zhǎng)江大學(xué) 巖土力學(xué)與工程研究中心，湖北 荊州，434023；3. 中石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊，065007)

含水層構(gòu)造改建地下儲(chǔ)氣庫(kù)評(píng)價(jià)體系

賈善坡1,2,3，鄭得文3，金鳳鳴1，張輝1，孟慶春1，林建品1，魏強(qiáng)1

(1. 中石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北 任丘，062552；2. 長(zhǎng)江大學(xué) 巖土力學(xué)與工程研究中心，湖北 荊州，434023；3. 中石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊，065007)

在調(diào)研國(guó)外含水層儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)和咨詢專家的基礎(chǔ)上，對(duì)含水層構(gòu)造改建地下儲(chǔ)氣庫(kù)的影響要素進(jìn)行詳細(xì)歸類和分析，從選址技術(shù)、地質(zhì)安全、社會(huì)環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)性4個(gè)角度出發(fā)，選取23個(gè)基本評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)及層次分析法，構(gòu)建含水層構(gòu)造改建儲(chǔ)氣庫(kù)的可行性評(píng)價(jià)體系。運(yùn)用建立的評(píng)價(jià)體系對(duì)華北油田D5含水層區(qū)塊的建庫(kù)可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明：二疊系含水層圈閉的綜合評(píng)價(jià)值為7.2，處于“良”級(jí)，適宜改建儲(chǔ)氣庫(kù)；奧陶系含水層圈閉的綜合評(píng)價(jià)值為5.97，處于“差”級(jí)；評(píng)價(jià)結(jié)果與專家論證意見(jiàn)一致。

含水層儲(chǔ)氣庫(kù)；評(píng)價(jià)指標(biāo)；層次分析法；評(píng)價(jià)體系

含水層儲(chǔ)氣庫(kù)為地下儲(chǔ)氣庫(kù)的重要類型，目前，世界上建造在大工業(yè)中心和大城市附近的儲(chǔ)氣庫(kù)多為含水層型儲(chǔ)氣庫(kù)[1]。我國(guó)油氣藏主要富集在陸相地層中，油氣藏規(guī)模較小，利用枯竭油氣藏建造儲(chǔ)氣庫(kù)的潛力受到一定的限制。在大型工業(yè)城市中心和大城市附近，并非都有適合于建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)的枯竭油氣田，但總可以找到含水層構(gòu)造，在這種情況下，建造含水層型地下儲(chǔ)氣庫(kù)便成為首推方案。隨著我國(guó)東部輸配氣系統(tǒng)快速發(fā)展和不斷完善，供氣用戶不斷壯大，供氣規(guī)模迅速增大，僅利用我國(guó)東部枯竭油氣藏或分布有限的鹽巖層改建地下儲(chǔ)氣庫(kù)，難以滿足目前陜京線、陜京二線、忠武線、西氣東輸?shù)乳L(zhǎng)輸管線對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)季節(jié)及安全調(diào)峰氣量的迫切需求。因此，利用適宜的含水構(gòu)造改建地下儲(chǔ)氣庫(kù)，并形成相應(yīng)的配套技術(shù)，已經(jīng)到了刻不容緩的地步。國(guó)外含水層儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)已經(jīng)形成了一整套從勘探評(píng)價(jià)、氣藏工程、鉆井完井和地面工程的配套關(guān)鍵技術(shù)，而國(guó)內(nèi)利用含水層改建地下儲(chǔ)氣庫(kù)還沒(méi)有先例，非常缺乏必要的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于含水層儲(chǔ)氣庫(kù)的研究主要集中在注采參數(shù)控制、滲流數(shù)值模擬及運(yùn)行優(yōu)化等方面[2?6]，而在含水層儲(chǔ)氣庫(kù)選址方面的研究較少，缺乏系統(tǒng)、深入的研究。BENNION等[7]闡述了儲(chǔ)氣庫(kù)的功能、選址要點(diǎn)以及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，并給出了儲(chǔ)層滲透性、應(yīng)力敏感性、墊層氣測(cè)試、地層損害等技術(shù)方案。TABARI等[8]通過(guò)對(duì)巖芯試樣、測(cè)井、試井等資料的研究，對(duì)伊朗Yortshah斷塊含水層構(gòu)造進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。展長(zhǎng)虹等[9]對(duì)利用含水層建造天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)的選址、儲(chǔ)氣庫(kù)形成機(jī)理、注采井部署、墊層氣、最大允許壓力以及研究方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的論述。譚羽非等[10]對(duì)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)選址、注采井布置、試注、對(duì)周圍可能造成的影響、鉆井完井對(duì)地層的損害、注采周期如何控制氣體運(yùn)移和水錐進(jìn)、預(yù)防水化物沉積、確定儲(chǔ)庫(kù)氣體泄漏量等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了闡述, 并對(duì)其技術(shù)特性進(jìn)行了分析?？涤郎械萚11]針對(duì)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)址優(yōu)選問(wèn)題，在考慮天然氣消費(fèi)調(diào)峰需求、含水層滲透性、埋深、圈閉規(guī)模、鉆井費(fèi)用和壓縮機(jī)費(fèi)用等因素的基礎(chǔ)上，提出優(yōu)選含水層圈閉的定量評(píng)價(jià)方法，但未考慮地下資料豐富程度、蓋層質(zhì)量以及斷層監(jiān)測(cè)對(duì)庫(kù)址優(yōu)選的影響。陽(yáng)小平等[12]從構(gòu)造圈閉、封閉性、儲(chǔ)層物性、流體物性、埋深、老井情況、地理?xiàng)l件等方面，闡述了孔隙型儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)址的優(yōu)選指標(biāo)，但僅給出基本指標(biāo)的取值范圍，未對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性進(jìn)行排序。李玥洋等[13]基于儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提出了壓力設(shè)計(jì)、構(gòu)造力學(xué)監(jiān)測(cè)、安全評(píng)估等與目前常規(guī)設(shè)計(jì)思路相比更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，但未考慮儲(chǔ)氣庫(kù)地面工程條件對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)篩選和優(yōu)化的影響。基于上述研究現(xiàn)狀，本文作者以華北地區(qū)D5區(qū)塊為研究對(duì)象，在吸收國(guó)外含水層儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，采用定量與定性相結(jié)合的方法，考慮含水層構(gòu)造改建儲(chǔ)氣庫(kù)的關(guān)鍵影響要素，建立含水層儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)址評(píng)價(jià)體系，為我國(guó)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)勘探選區(qū)的評(píng)價(jià)和優(yōu)選提供參考。

圖1　含水層地下儲(chǔ)氣庫(kù)基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of structure sketch of aquifer gas storage

1　含水層儲(chǔ)氣庫(kù)勘探選區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

含水層儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際上就是建造在自然條件下含水地層中的人造氣藏，通過(guò)向地下含水層中注入高壓氣體，氣體一般在含水構(gòu)造的高點(diǎn)或高點(diǎn)附近注入，注入含水層的氣體將水從孔隙中驅(qū)出，并在構(gòu)造頂部非滲透蓋層下積蓄起來(lái)，形成儲(chǔ)氣庫(kù)氣藏(見(jiàn)圖1)。在建庫(kù)時(shí)，往往先向儲(chǔ)氣庫(kù)中注入墊層氣(惰性氣體)，墊層氣將水驅(qū)開并形成一定的氣區(qū)；當(dāng)墊層氣能夠維持直至采氣結(jié)束所需的地層壓力時(shí)，即停止注入，并開始向儲(chǔ)氣庫(kù)中注入天然氣。

1.1選址技術(shù)因素

與常規(guī)氣藏單向從高壓到低壓開采過(guò)程不同，含水層儲(chǔ)氣庫(kù)要求在較短的時(shí)間內(nèi)反復(fù)強(qiáng)注強(qiáng)采，儲(chǔ)層壓力頻繁變化，同時(shí)，為了增加儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)容和提高單井產(chǎn)量，儲(chǔ)氣庫(kù)工作上限壓力達(dá)到高于原始地層壓力的40%以上，對(duì)圈閉條件要求極高。作為含水層儲(chǔ)氣庫(kù)的氣藏，一般要求構(gòu)造簡(jiǎn)單，儲(chǔ)層物性好，單井具有較高的產(chǎn)能以滿足配注和配產(chǎn)的要求[14?16]。因此，在儲(chǔ)氣庫(kù)評(píng)價(jià)時(shí)需要獲取詳細(xì)的地質(zhì)參數(shù)，以便比較、分析與論證。

1.1.1圈閉條件

構(gòu)造閉合為含水層圈閉能否改建儲(chǔ)氣庫(kù)的關(guān)鍵因素之一。對(duì)于油氣構(gòu)造成藏的枯竭氣藏建庫(kù)，通常可在原始油氣范圍內(nèi)形成庫(kù)容，對(duì)構(gòu)造幅度沒(méi)有特殊的要求。含水層圈閉必需具備構(gòu)造高點(diǎn)和溢出點(diǎn)，并具有一定的構(gòu)造閉合度。根據(jù)國(guó)外含水層儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[1,17]，理想的含水層構(gòu)造是形態(tài)陡、范圍大，形態(tài)完整的背斜構(gòu)造，適宜于天然氣聚集，構(gòu)造幅度應(yīng)不小于100 m，因?yàn)閮?chǔ)氣庫(kù)注采周期短、速度快，氣體溢出圈閉風(fēng)險(xiǎn)高(除非含水層是滲透率很高的理想儲(chǔ)層)。然而，在實(shí)際工程中，需要建造儲(chǔ)氣庫(kù)的區(qū)域并非都具有理想的圈閉，斷層圈閉也是一種可選類型，如果斷層具有較強(qiáng)的封堵能力，也可改建成含水層儲(chǔ)氣庫(kù)。

1.1.2含水層特征

含水層物性特征是決定儲(chǔ)氣庫(kù)是否適合建造的另一個(gè)重要因素，含水層的注入能力可用注入指數(shù)I來(lái)表示[18]：數(shù)與有效厚度呈正比)。根據(jù)國(guó)外含水層儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[1,17]，在已建的含水層儲(chǔ)氣庫(kù)中，含水層的孔隙度一般分布在15%～30%之間，僅1個(gè)已建儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)層孔隙度小于5%(圖2[17])；含水層滲透率一般不小于1×10?13m2，滲透率大于1×10?13m2的孔隙約占總孔隙的80%；含水層凈厚度不小于4 m，凈厚度大于5 m的約占總孔隙的80%(圖3[17]，縱坐標(biāo)為累計(jì)概率，即有效厚度大于某一數(shù)值的儲(chǔ)氣庫(kù)數(shù)占總數(shù)的比例)。

圖2　含水層孔隙度范圍分布Fig. 2 Porosity distribution of aquifer

圖3　含水層有效厚度范圍分布Fig. 3 Distribution of net thickness of aquifer

式中：q為井筒中的流速，m3/d；h為含水層的厚度，m；?p為含水層及井筒間的壓差，MPa；k為含水層滲透率，m2；μ為注入氣體的黏度，MPa·s；re為等效泄流半徑，m；rw為井筒半徑，m。

合格的含水層必須滿足以下條件：有充足的孔隙體積儲(chǔ)存氣體，要求有較高的孔隙度；為確保注采期間利用合理井?dāng)?shù)實(shí)現(xiàn)氣體的高流速(易注、易采)，要求有較高的滲透率；要有一定的厚度，以確保儲(chǔ)氣庫(kù)具有較大的庫(kù)容，并有利于儲(chǔ)層中的氣體循環(huán)(傳導(dǎo)系

1.1.3含水層埋藏深度

儲(chǔ)氣庫(kù)埋深的選擇應(yīng)結(jié)合鉆采工藝技術(shù)、庫(kù)容、單井產(chǎn)能、地面設(shè)施等方面綜合考慮，現(xiàn)階段最為成熟配套、安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效的鉆完井工藝適合于壓力為35 MPa以內(nèi)、溫度為120 ℃以內(nèi)的地層[12]。目前，枯竭油氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)最大深度約為3.5 km(見(jiàn)圖4)，含水層儲(chǔ)氣庫(kù)最大深度約為2.1 km，前蘇聯(lián)專家建議理想的含水層構(gòu)造應(yīng)在250～2 000 m的深度范圍優(yōu)選[1]。

圖4　含水層儲(chǔ)氣庫(kù)深度范圍Fig. 4 Depth distribution of aquifer

1.2地質(zhì)安全因素

不同于枯竭油氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)，圈閉系統(tǒng)本身是密封的，對(duì)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)來(lái)說(shuō)，圈閉的密封性和穩(wěn)定性為未知。圈閉密封性為含水層儲(chǔ)氣庫(kù)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵性因素，也是最難確定的參數(shù)。

1.2.1蓋層封閉性

蓋層必需為阻滲層，對(duì)含水層圈閉起密封作用，應(yīng)具有足夠的密封性，以阻止氣體沿垂直向泄漏和側(cè)向運(yùn)移逸散[19?20]。蓋層多為沉積巖，其內(nèi)部被地層水所潤(rùn)濕，氣體要想通過(guò)它運(yùn)移要排替孔隙中的水才能進(jìn)入其中，排替壓力為衡量蓋層物性封閉能力的主要參數(shù)，排替壓力越大，越有利于蓋層封閉。

蓋層的橫向分布連續(xù)性與蓋層厚度有密切的聯(lián)系，蓋層厚度越大，橫向分布的連續(xù)性越好，往往分布的面積也大，易形成區(qū)域性蓋層，有利于圈閉系統(tǒng)的密封，但對(duì)于蓋層厚薄變化較大的地層，氣體易在薄處地層泄漏。蓋層厚度較大，可有效地消減注氣造成的不利影響，蓋層中的裂隙不易貫通，延緩或阻止天然氣通過(guò)蓋層泄漏。若蓋層連續(xù)均勻、致密且裂隙少，即使厚度較小也能有良好的密封性，裂縫對(duì)蓋層封閉能力的破壞程度主要視其性質(zhì)和發(fā)育程度而定，若蓋層中的裂縫發(fā)育，且密度大，改變蓋層的孔?滲條件，則其封閉能力就降低。

1.2.2斷層封堵性

理想的含水層儲(chǔ)氣庫(kù)為無(wú)斷層切割的背斜圈閉構(gòu)造，但在實(shí)際工作中很難滿足這一條件。與枯竭油氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)類似，斷層的封堵性評(píng)價(jià)包括如下2方面[21]：1) 斷層的側(cè)向封堵性，即斷層面在側(cè)向上阻止氣體穿越斷層運(yùn)移的能力；2) 斷層的垂向封閉性，即斷裂物質(zhì)阻止氣體沿?cái)嗔褞Эv向運(yùn)移的能力。

斷層封閉性為含水層斷層圈閉評(píng)價(jià)以及后期勘探評(píng)價(jià)的核心，而在選址階段，這些資料較缺乏，因此，只能借助前期相關(guān)的地震、鉆探開發(fā)等資料進(jìn)行初步評(píng)估。斷層評(píng)價(jià)貫穿含水層儲(chǔ)氣庫(kù)勘探與建設(shè)全過(guò)程，需要借助品質(zhì)好的三維地震數(shù)據(jù)，并通過(guò)適當(dāng)?shù)母蓴_測(cè)試評(píng)價(jià)斷層的密封性。

1.2.3儲(chǔ)氣庫(kù)場(chǎng)地穩(wěn)定性

場(chǎng)地穩(wěn)定性也是影響儲(chǔ)氣庫(kù)選址的重要因素，主要包括地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)、地震特征以及地面不良地質(zhì)災(zāi)害(如泥石流、塌陷區(qū)、洪泛區(qū)或火山運(yùn)動(dòng)等)。若圈閉附近有活動(dòng)斷層，則將給含水層中儲(chǔ)存的天然氣的穩(wěn)定性造成較大的不穩(wěn)定因素，天然氣可隨活動(dòng)斷層活動(dòng)逃逸，大大削弱了含水層中儲(chǔ)存天然氣的穩(wěn)定性。以圈閉溢出點(diǎn)范圍所形成的圈閉面積為界，理想的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)條件為圈閉外圍1 km內(nèi)無(wú)活動(dòng)斷層，構(gòu)造應(yīng)力不強(qiáng)烈。

若在含水層圈閉或其附近發(fā)生地震或其他震動(dòng)，則會(huì)影響圈閉的完整性和密封性，地震或其他震動(dòng)級(jí)別越大，影響越大。另外，為確保儲(chǔ)氣庫(kù)地面設(shè)施的安全，儲(chǔ)氣庫(kù)地面工程場(chǎng)地的選擇應(yīng)避開泥石流、滑坡、火山、地面塌陷、洪水等地質(zhì)災(zāi)害的影響。

1.3社會(huì)環(huán)境因素

含水層改建地下儲(chǔ)氣庫(kù)既要有注采性良好，足以使用50 a以上的地質(zhì)儲(chǔ)存系統(tǒng)，又要有穩(wěn)固的蓋層，且儲(chǔ)氣庫(kù)地面工程不受外部不良地質(zhì)因素影響，選址應(yīng)盡量避開自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景區(qū)、農(nóng)業(yè)保護(hù)區(qū)及其他需要特別保護(hù)的區(qū)域，含水層構(gòu)造中的地下水應(yīng)具有較好的可控制性，源匯匹配合理，不影響淡水源，并符合當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，滿足相關(guān)法律政策和環(huán)境保護(hù)要求[22]。另外，含水層儲(chǔ)氣庫(kù)的選址應(yīng)遠(yuǎn)離人口稠密區(qū)、重要工商業(yè)區(qū)等敏感地區(qū)，避免遭受儲(chǔ)氣庫(kù)泄漏威脅。對(duì)于含水層儲(chǔ)氣庫(kù)位于有一定人口密集程度區(qū)的情況，庫(kù)址是否可行在一定程度上取決于公眾的認(rèn)可程度。

1.4經(jīng)濟(jì)性因素

含水層儲(chǔ)氣庫(kù)一般作為調(diào)峰型儲(chǔ)氣庫(kù)，有效儲(chǔ)量越大越經(jīng)濟(jì)，儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)容越大，調(diào)峰能力越強(qiáng)，建庫(kù)越經(jīng)濟(jì)。另外，儲(chǔ)氣庫(kù)距用戶地的距離也將直接影響輸氣管道的建設(shè)費(fèi)用及運(yùn)營(yíng)期的天然氣的輸送費(fèi)用，距離天然氣長(zhǎng)輸管線或目標(biāo)城市較近便于天然氣的存儲(chǔ)與輸送，達(dá)到季節(jié)性調(diào)峰的目的。

1.4.1儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰能力

儲(chǔ)氣庫(kù)上限壓力為反映氣庫(kù)規(guī)模和調(diào)峰能力的重要參數(shù)。在不破壞儲(chǔ)氣庫(kù)圈閉封閉性的原則下，增大儲(chǔ)氣壓力一方面可增加庫(kù)容量，另一方面可提高輸氣速度和單井產(chǎn)能，增強(qiáng)儲(chǔ)氣庫(kù)的調(diào)峰能力。在已建的含水層儲(chǔ)氣庫(kù)中[17]，儲(chǔ)氣庫(kù)上限壓力系數(shù)小于1.36的儲(chǔ)氣庫(kù)比例約為50%，上限壓力系數(shù)小于1.45的儲(chǔ)氣庫(kù)比例約為80%(見(jiàn)圖5)。目前，含水層儲(chǔ)氣庫(kù)最大上限壓力系數(shù)約為1.77，如前蘇聯(lián)的波托拉茨儲(chǔ)氣庫(kù)。

圖5　含水層儲(chǔ)氣庫(kù)上限壓力范圍分布Fig. 5 Distribution of the maximum storage pressure of aquifer

儲(chǔ)氣庫(kù)的實(shí)際調(diào)峰能力取決于有效工作氣量Qe，可表示為

式中：T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣的溫度；T為含水層溫度；p0為地面壓力；Z為天然氣偏差系數(shù)；pmop為上限壓力；pmin為最小壓力；A為圈閉面積；φ為含水層孔隙度；Swi為含水層的束縛水飽和度。

墊氣量為儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中的1個(gè)重要參數(shù)，它起到保持地層壓力、防止采氣井被水淹和保證儲(chǔ)氣庫(kù)能夠順利循環(huán)操作的作用。墊氣量決定著含水層儲(chǔ)氣庫(kù)允許的最小壓力，根據(jù)法國(guó)STORENGY公司的經(jīng)驗(yàn)[17]，在選址階段，目前存在眾多不確定因素的情況下，可將工作氣量/總儲(chǔ)氣量比保守地定為35%，由此可根據(jù)總儲(chǔ)氣量推測(cè)出工作氣量。

1.4.2勘探投資

含水層構(gòu)造改建地下儲(chǔ)氣庫(kù)是一次性投資巨大、投資回收期較長(zhǎng)的項(xiàng)目。與枯竭油氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)相比，建庫(kù)信息更少，沒(méi)有詳細(xì)的地質(zhì)資料和已知的生產(chǎn)歷史來(lái)證明圈閉的密封性以及含水層的注采性能，其可行性研究和圈閉描述更復(fù)雜，需要較高的勘探成本和較長(zhǎng)的建設(shè)周期。

選址階段的投資成本主要取決于可利用的信息或資料豐富程度，是否能夠證實(shí)圈閉的密封性以及儲(chǔ)層的可儲(chǔ)可采性?？碧酵顿Y成本估算主要依據(jù)三維地震勘探規(guī)模、探井鉆探、儲(chǔ)蓋層水力測(cè)試、斷層干擾試井、巖芯室內(nèi)試驗(yàn)等。

老井或廢棄井是天然氣地下儲(chǔ)存主要的人為泄漏途徑之一，在選址階段應(yīng)查明含水層圈閉范圍內(nèi)老井的固井質(zhì)量。通過(guò)了解老井固井質(zhì)量、廢棄井封堵、地下資料、基礎(chǔ)設(shè)施(水、電、交通等)、新鉆井規(guī)劃等，分析改建地下儲(chǔ)氣庫(kù)的經(jīng)濟(jì)性?？衫玫牡叵沦Y料和地面基礎(chǔ)設(shè)施越多，老井修復(fù)數(shù)量和新鉆井?dāng)?shù)量越少，建庫(kù)越經(jīng)濟(jì)。

2　含水層儲(chǔ)氣庫(kù)勘探選區(qū)評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

將含水層儲(chǔ)氣庫(kù)綜合評(píng)價(jià)體系作為目標(biāo)層，選址技術(shù)、地質(zhì)安全性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境保護(hù)條件等4個(gè)因素作為準(zhǔn)則層(一級(jí)指標(biāo))，再將細(xì)化的23項(xiàng)基本指標(biāo)作為評(píng)價(jià)層(二級(jí)指標(biāo))，建立含水層構(gòu)造改建地下儲(chǔ)氣庫(kù)評(píng)價(jià)體系，層次結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外枯竭氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)及CO2咸水層地下封存等工程選址的相關(guān)研究成果，在對(duì)國(guó)外多個(gè)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)建造實(shí)際的調(diào)研基礎(chǔ)上，將含水層儲(chǔ)氣庫(kù)分為優(yōu)、良、中、差4級(jí)(表1)，以便對(duì)具體含水層構(gòu)造的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定量化分析。

3　評(píng)價(jià)模型

3.1目標(biāo)層計(jì)算方法

評(píng)價(jià)模型采用定性與定量分析相結(jié)合的層次分析法，并通過(guò)多因子綜合評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建含水層儲(chǔ)氣庫(kù)綜合評(píng)價(jià)公式，即

式中：Y為評(píng)分總得分；Ci為單項(xiàng)指標(biāo)的得分，等級(jí)優(yōu)、良、中、差分別取值為10，8，6和4分；ωi為單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重；Bj為準(zhǔn)則層權(quán)重；i和j分別為單項(xiàng)指標(biāo)數(shù)和準(zhǔn)則指標(biāo)數(shù)。

圖6　含水層儲(chǔ)氣庫(kù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 Layer structural diagram of comprehensive evaluation indexes for aquifer gas storage

表1　含水層儲(chǔ)氣庫(kù)評(píng)價(jià)體系分級(jí)表Table 1 Index classification of evaluation system for aquifer gas storage

參照單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)方式，將儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)址的綜合評(píng)判也分為4級(jí)：1) 一級(jí)：庫(kù)址狀況優(yōu)，綜合指數(shù)為9＜Y≤10，較適宜建庫(kù)，且安全性高、經(jīng)濟(jì)性好；2) 二級(jí)：庫(kù)址狀況良，綜合指數(shù)為7＜Y≤9，適宜建庫(kù)，但需在建設(shè)期開展儲(chǔ)氣庫(kù)圈閉安全評(píng)估投資；3) 三級(jí)：庫(kù)址狀況中，綜合指數(shù)為6＜Y≤7，基本適宜建庫(kù)，但建設(shè)期需預(yù)留專門款項(xiàng)用以評(píng)價(jià)和維護(hù)圈閉的安全性；4) 四級(jí)：庫(kù)址狀況差，綜合指數(shù)為Y≤6，不適宜建庫(kù)，另選其他庫(kù)址。

3.2權(quán)重的確定

指標(biāo)權(quán)重的合理選擇關(guān)系到綜合評(píng)價(jià)的正確性和科學(xué)性，根據(jù)層次分析法要求，采用“1～9”標(biāo)度法，通過(guò)儲(chǔ)氣庫(kù)專家咨詢和打分，按結(jié)構(gòu)圖的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行判別比較，分別構(gòu)造判斷矩陣，然后計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重[23]。

由圖6所示的目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型，儲(chǔ)氣庫(kù)綜合評(píng)價(jià)(B層)判斷矩陣為

權(quán)向量ωA?B=[0.460 0, 0.324 8, 0.066 5, 0.148 6]，最大特征值λmax=4.104 2，隨機(jī)一致性比率RC= 0.038 6＜0.1。根據(jù)層次分析法可知[23]，若RC＜0.1，即可認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，說(shuō)明權(quán)值分配合理；否則就需要重新形成判斷矩陣，直到取得滿意的隨機(jī)一致性為止。因此，在含水層儲(chǔ)氣庫(kù)綜合評(píng)價(jià)體系中，選址技術(shù)因素所占權(quán)重高達(dá)46%，其次為地質(zhì)安全因素權(quán)重為32.48%，經(jīng)濟(jì)因素和社會(huì)環(huán)境因素作用有限，權(quán)重分別為14.86%和6.65%。

選址技術(shù)因素B1判斷矩陣為

地質(zhì)安全因素B2判斷矩陣為

社會(huì)環(huán)境因素B3判斷矩陣為

經(jīng)濟(jì)因素B4判斷矩陣為

蓋層封閉能力C7判斷矩陣為

斷層封閉性C8判斷矩陣為

場(chǎng)地穩(wěn)定性C9判斷矩陣為

含水層儲(chǔ)氣庫(kù)綜合評(píng)價(jià)體系最底層因素為C1～C6、D1～D10與C10～C16，如圖7所示，最底層因素權(quán)重順序?yàn)椋?。?quán)重超過(guò)5%的依次為：含水層孔隙度、圈閉容積、圈閉特征、蓋層封氣能力、斷層垂向密封能力、斷層側(cè)向封堵條件、調(diào)峰能力。圈閉特征所占權(quán)重最高，其值為16.72%。權(quán)重小于1%的評(píng)價(jià)因素為：地面地質(zhì)災(zāi)害、庫(kù)址區(qū)域性質(zhì)和蓋層巖性。

4　工程應(yīng)用

以華北油田某含水層儲(chǔ)氣庫(kù)候選場(chǎng)地為例,應(yīng)用本文提出的評(píng)價(jià)體系對(duì)其進(jìn)行建庫(kù)可行性綜合評(píng)價(jià)。

D5區(qū)塊地理位置位于河北大城縣某鄉(xiāng)鎮(zhèn)，地表為農(nóng)田區(qū)，涉及多個(gè)鄉(xiāng)村，距離天然氣管網(wǎng)45 km，該區(qū)屬于弱震區(qū)，近年來(lái)未發(fā)生過(guò)地震、洪澇等災(zāi)害。首口探井D5井位于構(gòu)造高部位，于1975年開始鉆探，井深為3 280 m，僅在二疊系和石炭系地層中發(fā)現(xiàn)一些油氣顯示，二疊系石盒子組和奧陶系灰?guī)r儲(chǔ)層試油后僅產(chǎn)水，盡管油氣勘探結(jié)果令人失望，但卻為目前的水層建庫(kù)項(xiàng)目賦予了新的價(jià)值。

D5區(qū)塊目標(biāo)含水層有2套：二疊系上部石盒子組砂巖和奧陶系灰?guī)r儲(chǔ)層(圖8和圖9)。構(gòu)造位于大城突起東側(cè)的里坦凹陷，由大城東斷層控制的逆牽引背斜構(gòu)造，沿大斷層下降盤發(fā)育，奧陶系頂和石炭—二疊系砂巖頂背斜形態(tài)清楚，長(zhǎng)軸走向?yàn)楸睎|向。

圖7　含水層儲(chǔ)氣庫(kù)評(píng)價(jià)因素權(quán)重柱狀圖(最底層)Fig. 7 Factor weight histogram of site selection for aquifer gas storage (the bottom layer)

圖8　D5目標(biāo)區(qū)二疊系儲(chǔ)層頂面構(gòu)造圖Fig. 8 Top surface structural map of Permian reservoir of site D5

圖9　D5目標(biāo)區(qū)奧陶系儲(chǔ)層頂面構(gòu)造圖Fig. 9 Top surface structural map of Ordovician reservoir of site D5

二疊系砂巖圈閉面積約為12 km2，閉合幅度為150 m，構(gòu)造高點(diǎn)埋深約為2 285 m。二維地震資料質(zhì)量較好，構(gòu)造較落實(shí)，斷層較少。含水層厚度約為185 m(深度為2 325～2 510 m)，有效厚度為106 m，巖石類型以長(zhǎng)石砂巖為主，其次為巖屑石英砂巖。通過(guò)5塊砂巖樣品進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得孔隙度為5.25%～11.70%。砂巖儲(chǔ)層共解釋水層141.6 m/12層(見(jiàn)表2)，孔隙度平均值為9.2%，滲透率平均值為5.52×10?15m2。另外，在儲(chǔ)層2 375～2 384 m井段進(jìn)行了試井測(cè)試，日產(chǎn)水為25.8 m3，儲(chǔ)集條件較好。目的儲(chǔ)層為泥巖集中發(fā)育段，厚度為125 m，目的儲(chǔ)層發(fā)現(xiàn)油氣顯示，說(shuō)明蓋層具有一定的封氣能力，屬于良好蓋層。

表2　二疊系砂巖儲(chǔ)層測(cè)井解釋結(jié)果Table 2 Logging interpretation results of Permian reservoir

表3　奧陶系儲(chǔ)層測(cè)井解釋結(jié)果Table 3 Logging interpretation results of Ordovician reservoir

奧陶系圈閉面積約為4.1 km2，閉合幅度為50 m，構(gòu)造高點(diǎn)埋深為3 050 m。目前的地震顯示，奧陶系沒(méi)有顯著的四面傾伏圈閉，圈閉的落實(shí)程度一般，是否形成有效圈閉取決于斷層的封閉性能。奧陶系目的層主要是灰?guī)r和白云巖，總厚度為198 m，有效厚度約為104 m。室內(nèi)試驗(yàn)和測(cè)井解釋結(jié)果表明，儲(chǔ)層孔隙度分布在2.7%～9.0%之間，滲透率分布在(0.12～ 8.30)×10?15m2之間，試井日產(chǎn)水為33.7 m3，儲(chǔ)層的基質(zhì)滲透率較低，注氣過(guò)程中把水從基質(zhì)中驅(qū)出非常困難，不利建庫(kù)(表3)。蓋層主要是石炭系本溪組—太原組泥巖、含煤層、碳酸鹽巖及砂巖層間層，厚度約為99 m，目的儲(chǔ)層未發(fā)現(xiàn)油氣顯示，說(shuō)明蓋層封氣能力一般。

參照表1所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)分類與分級(jí)，對(duì)上述相關(guān)信息及地質(zhì)資料進(jìn)行歸納綜合，得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的適宜度分級(jí)，二疊系圈閉和奧陶系圈閉各基本指標(biāo)的得分如表4所示。

表4　評(píng)價(jià)指標(biāo)得分結(jié)果Table 4 Scoring results of evaluation index system

將各指標(biāo)得分及由層次分析法得到的權(quán)重代入式(3)中，二疊系含水層圈閉庫(kù)址得分為7.20，屬于適宜庫(kù)址，表明該庫(kù)址有著適合建設(shè)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)的條件，而奧陶系含水層圈閉候選場(chǎng)址得分為5.97，表明該場(chǎng)址不適宜建設(shè)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)，評(píng)價(jià)結(jié)果與專家論證意見(jiàn)一致[17]。

5　結(jié)論

1) 建立了評(píng)價(jià)體系的目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算出評(píng)價(jià)體系中23個(gè)基本指標(biāo)的重要性權(quán)重，較重要的指標(biāo)依次為：含水層孔隙度、圈閉容積、圈閉特征、蓋層封氣能力、斷層垂向密封能力、斷層側(cè)向封堵條件、調(diào)峰能力，其他16項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重均小于5%。

2) 含水層圈閉構(gòu)造落實(shí)的程度是儲(chǔ)氣庫(kù)選址的關(guān)鍵，蓋層及斷層的密封能力是關(guān)系儲(chǔ)氣庫(kù)選址的重要因素，也是儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)中的最大風(fēng)險(xiǎn)；含水層的儲(chǔ)集條件及庫(kù)容是評(píng)價(jià)儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰能力和建庫(kù)經(jīng)濟(jì)性的重要標(biāo)志。

3) 以華北油田D5區(qū)塊含水層儲(chǔ)氣庫(kù)候選場(chǎng)地為例，應(yīng)用上述方法對(duì)目標(biāo)庫(kù)址進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到D5二疊系圈閉適宜建設(shè)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)，評(píng)價(jià)結(jié)果與專家論證意見(jiàn)一致，驗(yàn)證了該方法的有效性。

4) 本文提出的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系對(duì)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)的選址評(píng)價(jià)具有一定的參考作用，由于我國(guó)的水層建庫(kù)工作剛起步，有待進(jìn)一步實(shí)踐和完善。

[1] 苗承武, 尹凱平. 含水層地下儲(chǔ)氣庫(kù)工藝設(shè)計(jì)[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2000: 1?17. MIAO Chengwu, YIN Kaiping. Technology design of aquifer underground gas storage[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 2000: 1?17.

[2] PETER G B, MEMBER A. Calculation of the leak location gas storage field in an aquifer[J]. Journal of Petroleum Technology, 1967(5): 623?626.

[3] WANG Zhiming. Simulation studies concerning the mechanisms of gas storage in an aquifer[D]. Texas: Texas A&M University. School of Engineering and Mineral Resources, 2001: 6?16.

[4] 譚羽非. 天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)技術(shù)及數(shù)值模擬[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2007: 70?93. TAN Yufei. Construction technology and numerical simulation of underground gas storage[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 2007: 70?93.

[5] ALAN W B. Prediction of the effects of compositional mixing in a reservoir on conversion to natural gas storage[D]. Morgantown: West Virginia University. School of Engineering and Mineral Resources, 2011: 1?23.

[6] 郭平, 杜玉紅, 杜建芬. 高含水油藏及含水層構(gòu)造改建儲(chǔ)氣庫(kù)滲流機(jī)理研究[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2012: 1?14. GUO Ping, DU Yuhong, DU Jianfen. Seepage mechanism research of high water-cut reservoir and underground gas storage[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 2012: 1?14.

[7] BENNION D B, THOMAS F B, MA T, et al. Detailed protocol for the screening and selection of gas storage reservoirs[C]// SPE/CERI Gas Technology Symposium. Calgary, Canada: SPE, 2000: 3?5.

[8] TABARI K, TABARI M, TABARI O. Investigation of gas gtorage feasibility in Yortshah aquifer in the central of Iran[J]. Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 2011, 5(12): 1669?1673.

[9] 展長(zhǎng)虹, 焦文玲, 廉樂(lè)明, 等. 利用含水層建造地下儲(chǔ)氣庫(kù)[J].天然氣工業(yè), 2001, 21(4): 88?91. ZHAN Changhong, JIAO Wenling, LIAN Leming, et al. Underground gas storage reservoir constructed in water-bearing formation[J]. Natural Gas Industry, 2001, 21(4): 88?91.

[10] 譚羽非, 林濤. 利用地下含水層儲(chǔ)存天然氣應(yīng)考慮的問(wèn)題[J].天然氣工業(yè), 2006, 26(6): 114?117. TAN Yufei, LIN Tao. Critical technical problems of using underground aquifer to store natural gas[J]. Natural Gas Industry, 2006, 26(6): 114?117.

[11] 康永尚, 楊帆, 劉樹杰. 調(diào)峰地下含水層儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)址優(yōu)選定量決策方法[J]. 地球科學(xué): 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 32(2): 235?240. KANG Yongshang, YANG Fan, LIU Shujie. Method of quantified optimization selection of aquifer traps as underground natural gas storages for peak demand modulation[J]. Earth Science: Journal of China University of Geosciences, 2007, 32(2): 235?240.

[12] 陽(yáng)小平, 程林松, 鄭賢斌, 等. 孔隙型儲(chǔ)層建設(shè)地下儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)址優(yōu)選[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2012, 31(8): 581?584. YANG Xiaoping, CHENG Linsong, ZHENG Xianbin, et al. Site preference of underground gas storage constructed in pore reservoirs[J]. Oil and Gas Storage and Transportation, 2012, 31(8): 581?584.

[13] 李玥洋, 田園媛, 曹鵬, 等. 儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)條件篩選與優(yōu)化[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 35(5): 123?129. LI Yueyang, TIAN Yuanyuan, CAO Peng, et al. Construction of underground gas storage conditions for screening and optimization[J]. Journal of Southwest Petroleum University, 2013, 35(5): 123?129.

[14] DIN EN 1918-1—1998, Gas supply systems-underground gas storage (Part 1): functional recommendations for storage in aquifers[S].

[15] DIN EN 1918-2—1998, Gas supply systems-underground gas storage (Part 2): functional recommendations for storage in oil and gas fields[S].

[16] CAN/CSA?Z341?02, Storage of hydrocarbons in underground formations[S].

[17] BONTEMPS C, CARIOU L, GALIBERT S, et al. Assessment of four prospective sites for the realization of underground gas storages in aquifer reservoirs[R]. Courbevoie: GDF Suez, 2013: 14?21.

[18] 葛秀珍, 趙玉軍, 苑惠明, 等. 國(guó)外二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存現(xiàn)狀與進(jìn)展[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 2012: 1?14. GE Xiuzhen, ZHAO Yujun, YUAN Huiming, et al. Overseas status and progress of geological storage of CO2[M]. Beijing: Geology Press, 2012: 1?14.

[19] 周雁, 金之鈞, 朱東亞, 等. 油氣蓋層研究現(xiàn)狀與認(rèn)識(shí)進(jìn)展[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì), 2012, 34(3): 234?245. ZHOU Yan, JIN Zhijun, ZHU Dongya, et al. Current status and progress in research of hydrocarbon cap rocks[J]. Petroleum Geology & Experiment, 2012, 34(3): 234?245.

[20] 張立含, 周廣勝. 氣藏蓋層封氣能力評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)及應(yīng)用——以我國(guó)46個(gè)大中型氣田為例[J]. 沉積學(xué)報(bào), 2010, 28(2): 388?394. ZHANG Lihan, ZHOU Guangsheng. Improvement and application of the methods of gas reservoir cap sealing ability[J]. Acta Sedmentologica Sinica, 2010, 28(2): 388?394.

[21] 羅勝元, 何生, 王浩. 斷層內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其對(duì)封閉性的影響[J].地球科學(xué)進(jìn)展, 2012, 27(2): 154?164. LUO Shengyuan, HE Sheng, WANG Hao. Review on fault internal structure and the influence on fault sealing ability[J]. Advances in Earth Science, 2012, 27(2): 154?164.

[22] 孫亮, 陳文穎. CO2地質(zhì)封存選址標(biāo)準(zhǔn)研究[J]. 生態(tài)經(jīng)濟(jì), 2012(7): 33?38. SUN Liang, CHEN Wenying. A review of selection criteria for the geological sequestration of CO2[J]. Ecological Economy, 2012(7): 33?38.

[23] 郭波, 龔時(shí)雨, 譚云濤, 等. 項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008: 62?150. GUO Bo, GONG Shiyu, TAN Yuntao, et al. Project risk management[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2008: 62?150.

(編輯 劉錦偉)

Evaluation system of selected target sites for aquifer underground gas storage

JIA Shanpo1,2,3, ZHENG Dewen3, JIN Fengming1, ZHANG Hui1, MENG Qingchun1, LIN Jianpin1, WEI Qiang1
(1. Exploration and Development Research Institute of Huabei Oilfield, CNPC, Renqiu 062552, China; 2. Research Center of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023, China; 3. Langfang Branch, Institute of Petroleum Exploration and Development, Langfang 065007, China)

Based on the investigation of foreign aquifer underground gas storages and the consultation of the related experts, the classifications of the influence factors of site selection were discussed detailedly for aquifer gas storage. The evaluation system was classified into four parts: selection technology, geological safety, society environment and economy. 23 influence factors were chosen from different parts, and a layer structural model with four indicator layers was built based on the analytic hierarchy process and the comprehensive index system. A case study based on the evaluation system was conducted in D5 of Huabei oilfield. The results show that the Permian reservoir of D5 is at a“good” level with the comprehensive evaluation 7.2 on the whole, and the Ordovician reservoir of D5 is at a “bad” level (5.97). The Permian reservoir of D5 is suitable to build aquifer gas storage, which is consistent with the expert opinions.

aquifer gas storage; evaluation index; analytic hierarchy process; evaluation system

TE822

A

1672?7207(2016)03?0857?11

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.019

2015?03?26；

2015?05?15

湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015CFB194)；中國(guó)博士后基金資助項(xiàng)目(2014M551055)；華北油田重大科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013HBZ1506) (Project(2015CFB194) supported by the Natural Science Foundation of Hubei Province; Project(2014M551055) supported by the China Postdoctoral Science Fund; Project(2013HBZ1506) supported by the Major Science Program of Huabei Oilfield)

賈善坡，博士(后)，副教授，從事地質(zhì)力學(xué)與工程方面的教學(xué)與研究；E-mail: jiashanporsm@163.com