通過(guò)地下水文學(xué)研究評(píng)估含水層儲(chǔ)氣庫(kù)蓋層密封性

李國(guó)韜 劉在同 劉 寧

中國(guó)石油大港油田公司石油工程研究院

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，天然氣消費(fèi)量不斷增加，“十二五”期間累計(jì)消費(fèi)量已達(dá)到8 300h108m3。根據(jù)國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn)，需建設(shè)工作氣量占天然氣總消費(fèi)量15%～25%的地下儲(chǔ)氣庫(kù)作為調(diào)峰和應(yīng)急保障供氣，如美國(guó)約17%，俄羅斯約15%，德國(guó)約22%，法國(guó)約30%，而我國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)工作氣量占年消費(fèi)量?jī)H為4%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的水平[1-2]。此外，我國(guó)建設(shè)地下儲(chǔ)氣庫(kù)的庫(kù)址資源與巨大的市場(chǎng)需求之間存在著較大矛盾。中國(guó)東部地區(qū)是天然氣主要消費(fèi)區(qū)，但東部斷陷盆地多復(fù)雜破碎的斷塊構(gòu)造，其儲(chǔ)層也多為復(fù)雜的陸相河流沉積，難以尋找到合適的圈閉構(gòu)造[3]。因此，利用含水層建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)是一種突破辦法。

含水層地下儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際上就是建造在自然含水層中的人造氣藏，要求含水層是一個(gè)良好的、有足夠延伸的被不滲透巖石覆蓋的儲(chǔ)集層，儲(chǔ)存于其中的氣體能夠穩(wěn)定地占據(jù)體積，不會(huì)泄露。因此，在研究某一含水層建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)的可行性時(shí)，確定蓋層的密封性是最為關(guān)鍵的問(wèn)題之一[4-5]。通常要鉆取蓋層巖心，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室分析獲取巖心的各項(xiàng)物性數(shù)據(jù)以確定其密閉性，但它只能得出蓋層的基質(zhì)特性，并不能從中獲得蓋層的總體特征。在美國(guó)的一些儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)項(xiàng)目中，盡管巖心數(shù)據(jù)表明蓋層物性是滿足要求的，但仍發(fā)生了嚴(yán)重的天然氣泄露[6]，說(shuō)明評(píng)估含水層蓋層整體密封性能是必要的。

因此，綜合國(guó)外開(kāi)展的研究與實(shí)踐情況，對(duì)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)蓋層密封性研究的系列技術(shù)進(jìn)行了闡述、分析，為在我國(guó)開(kāi)展含水層儲(chǔ)氣庫(kù)的研究和建設(shè)工作提供理論依據(jù)及可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 通過(guò)研究地下水靜態(tài)評(píng)估蓋層密封性

1.1 注氣前測(cè)量靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估

通過(guò)地質(zhì)勘探初步選定一個(gè)適宜的含水構(gòu)造后，在全面投入儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)之前，先進(jìn)行試注氣。在氣體注入之前，首先測(cè)取建庫(kù)區(qū)域的地下水靜壓頭資料。

根據(jù)國(guó)外已建成的含水層儲(chǔ)氣庫(kù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在儲(chǔ)氣的含水層上方會(huì)存在若干個(gè)滲透性較強(qiáng)的孔隙型含水構(gòu)造。在這些區(qū)域內(nèi)鉆1～2口觀測(cè)井，進(jìn)行水壓頭永久觀測(cè)。觀測(cè)井中靜液壓頭的測(cè)量結(jié)果和每個(gè)含水層中水樣分析結(jié)果，用于判定待建儲(chǔ)氣庫(kù)含水層和上部含水層之間泄漏的可能性。

如圖1所示2個(gè)含水層，其中hA是含水層A中一口井的靜水柱位于海平面之上的高度；hB是含水層B中的相應(yīng)高度，2個(gè)層靜壓頭之間的高度差為hA－h(huán)B，計(jì)劃在含水層B中儲(chǔ)氣。當(dāng)兩口井的靜壓頭數(shù)據(jù)差異明顯時(shí)，從某種程度上可以認(rèn)為位于含水層B上方的蓋層是一個(gè)低滲透甚至無(wú)滲透的隔層。壓頭差異越大，基于這些數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可信度就越高。從國(guó)外應(yīng)用實(shí)例來(lái)看，測(cè)量結(jié)果顯示靜壓頭差異超過(guò)10 m時(shí)，可以視為明顯差異。

圖1 帶有不同靜壓壓頭的含水層示意圖

在儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)址篩選時(shí)，一般會(huì)選擇由致密巖層（頁(yè)巖、粉砂巖、石灰?guī)r）作蓋層的構(gòu)造，一般認(rèn)為這些巖層屬于不可滲透型。然而，這些巖心的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅僅代表巖石基體性能，雖然也可能在巖心中觀察到裂縫，但并不能揭示裂縫體系的全貌。如果蓋層中存在一些裂縫體系，可能致使致密巖石基體產(chǎn)生泄漏路徑。如圖1所示，如果A、B層之間不是絕對(duì)不滲透的巖層，在壓頭差的影響下，大量的地層水會(huì)從含水層A向含水層B移動(dòng)，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)間里，2個(gè)含水層中的水會(huì)充分混合，壓差消失，水樣分析結(jié)果趨于相同或接近。據(jù)此，根據(jù)靜壓頭差異和水樣差異情況可大致判斷蓋層的密閉性（表1）。

1.2 注氣后測(cè)量壓頭變化進(jìn)行檢驗(yàn)

開(kāi)始注入氣體后，利用觀測(cè)井測(cè)量水壓頭數(shù)據(jù)是檢驗(yàn)蓋層密封性的最佳手段。氣體注入期間，儲(chǔ)氣層上方含水層中觀測(cè)井液面高度的變化為蓋層密封性判定提供了很好的依據(jù)。

美國(guó)北伊利諾伊斯天然氣公司的Troy Grove儲(chǔ)氣庫(kù)位于La Salle縣，用于保障芝加哥市及周邊地區(qū)的天然氣供應(yīng)。于1958年7月23日第1次注入天然氣，工作氣量4h108m3，日采氣量700h104m3。

該儲(chǔ)氣構(gòu)造是一個(gè)非對(duì)稱的東西走向的背斜，天然氣存儲(chǔ)在西蒙山（MT. SIMON）砂層及緊鄰其上的3個(gè)歐克萊爾（EAU CLAIRE）砂層中。西蒙山砂層頂部深度約450 m。每個(gè)砂層之上均為致密頁(yè)巖或黏土石灰石組成的蓋層。整個(gè)構(gòu)造被4條東西向斷層所切，這4條斷層幾乎彼此平行，相距約45 m。圖2為南北截面構(gòu)造簡(jiǎn)圖，顯示了構(gòu)造頂與其中2條斷層。

表1 地下水靜態(tài)環(huán)境下蓋層密封性解釋表

圖2 Troy Grove儲(chǔ)氣庫(kù)南北截面構(gòu)造簡(jiǎn)圖

該工程于1958年開(kāi)始勘探鉆井，在若干含水層中測(cè)量了靜壓頭，包括西蒙山砂層、3個(gè)歐克萊爾砂層及上方的蓋爾斯維爾砂層（Galesville）。蓋爾斯維爾砂層位于西蒙山砂層上方約150 m（圖2）。按照方案設(shè)計(jì)，在西蒙山砂層中注入天然氣，存在與上部砂層連通的問(wèn)題。

從靜壓頭測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，歐克萊爾A砂層靜壓頭比蓋爾斯維爾砂層的靜壓頭高8～10m。歐克萊爾各砂層與西蒙山砂層之間的靜壓頭差異并不明顯。以西蒙山砂層為基準(zhǔn)，C砂層具有同樣壓頭，B砂層約低2 m，A砂層約低5 m。根據(jù)靜壓頭數(shù)據(jù)差異判斷，構(gòu)造中斷層的存在影響了歐克萊爾各砂層和西蒙山砂層之間的密封性，但蓋爾斯維爾砂層與歐克萊爾A砂層之間的蓋層密封性仍較好。

對(duì)各個(gè)含水層進(jìn)行地層水水樣分析，歐克萊爾各砂層的地層水和西蒙山砂層的地層水幾乎無(wú)大的差異，而蓋爾斯維爾砂層的地層水與之存在明顯的差異，前者基本上是淡水而后者卻是含鹽量高達(dá)3 000 ppm的鹽水。綜合靜態(tài)數(shù)據(jù)分析，可以初步判定：①西蒙山砂層與C砂層之間的蓋層可能不滿足密封要求（表1，情況4）；②B和A砂層之間的蓋層可能具有一定的密封性（表1，情況3）。③蓋爾斯維爾砂層與下部含水層之間的蓋層密封性可能良好（表1，情況1）。

經(jīng)過(guò)3年的試注試驗(yàn)，證實(shí)了上述判斷的正確性。圖3顯示了Troy Grove儲(chǔ)氣庫(kù)各含水層水壓頭隨時(shí)間變化情況。其中給出的液面均從海平面算起，均為構(gòu)造頂部的壓頭。在儲(chǔ)氣庫(kù)的某些地方存在氣體累積，為便于比較，觀測(cè)到的氣壓被轉(zhuǎn)化為等價(jià)的水壓頭值。

圖3 Troy Grove儲(chǔ)氣庫(kù)含水層壓頭隨注氣時(shí)間的變化圖

1958年7月23日在西蒙山砂層開(kāi)始注氣，導(dǎo)致1958年7月和8月之間該層的壓頭迅速上升。幾乎同時(shí)，位于C砂層的觀測(cè)井的液面也開(kāi)始上升，同樣在B砂層中也出現(xiàn)類似的現(xiàn)象（因?yàn)榕c砂層C曲線幾乎平行，圖3中未顯示砂層B的曲線）。幾個(gè)月后，2個(gè)砂層中都出現(xiàn)天然氣。這說(shuō)明，西蒙山砂層與砂層C和砂層B之間連通良好。砂層A的壓頭響應(yīng)較為緩慢，大約1年以后才開(kāi)始上升。歐克萊爾砂層對(duì)西蒙山砂層注氣的響應(yīng)速度體現(xiàn)了氣體遷移的難易程度。

在試注期間，蓋爾斯維爾砂層的壓頭基本保持不變（180f0.5 m）。即使在1959—1960年冬天和1960—1961年冬天的采氣階段，西蒙山砂層和歐克萊爾砂層的氣壓迅速降低，也沒(méi)有影響到蓋爾斯維爾砂層的壓頭，蓋爾斯維爾砂層中也一直沒(méi)有出現(xiàn)天然氣。

即使發(fā)生了類似西蒙山砂層向歐克萊爾砂層氣體泄漏的情況，也不能說(shuō)明儲(chǔ)氣工程失敗了。上方的含水層可以被當(dāng)作收集器，將泄露的天然氣收集，這些收集區(qū)域與最初的儲(chǔ)氣庫(kù)結(jié)合，形成了更加復(fù)雜的地下儲(chǔ)氣系統(tǒng)。美國(guó)的一些成功運(yùn)行多年的含水層儲(chǔ)氣庫(kù)就是以這種方式處理氣體泄漏的[6]。

2 通過(guò)抽水測(cè)試評(píng)估蓋層密封性

除利用靜態(tài)資料評(píng)估蓋層密封性外，還可以借鑒水文地質(zhì)的研究方法形成另外一種評(píng)估方案，即從選定的用于存儲(chǔ)天然氣的含水層中抽取一定量的水，觀察整個(gè)系統(tǒng)的壓力變化，從而評(píng)估蓋層的密封性[6]。這個(gè)方案具有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①抽水引起的壓力變化能迅速傳遍整個(gè)構(gòu)造，測(cè)試時(shí)間較短，僅需幾天或幾周時(shí)間。②測(cè)試所需設(shè)備和儀器容易獲得，投資不高。

用地質(zhì)勘探的方法選定的待建儲(chǔ)氣庫(kù)的構(gòu)造是一個(gè)蓋層—含水層體系，含水層被一定厚度的蓋層覆蓋。

2.1 蓋層滲透率低，不會(huì)發(fā)生滲漏

研究發(fā)現(xiàn)，這種情況符合地下水文學(xué)研究中的Theis函數(shù)模型。利用Theis函數(shù)模型將含水層抽水試驗(yàn)資料建模，可以得出滲透率、導(dǎo)水系數(shù)等地層參數(shù)。Theis函數(shù)模型可以描述徑向距離比抽水井半徑大30倍以上可輕微壓縮體系的壓力變化[6-7]。目前儲(chǔ)氣庫(kù)常規(guī)井的井筒直徑一般不超過(guò)0.3 m，因此Theis函數(shù)可以描述距抽水井4.5 m或更遠(yuǎn)含水層中任意一點(diǎn)的壓力變化。

進(jìn)行抽水測(cè)試后，可采用配線法直接利用Theis標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算含水層的性能參數(shù)。將實(shí)測(cè)的壓降Δp隨時(shí)間t變化的數(shù)據(jù)，畫在與Theis標(biāo)準(zhǔn)曲線有相同刻度的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試曲線與Theis標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行匹配后，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線上任何一個(gè)點(diǎn)，都可以通過(guò)匹配的Theis標(biāo)準(zhǔn)曲線讀出相應(yīng)的無(wú)量綱壓力（pD）和無(wú)量綱時(shí)間（tD）[8]。僅需要知道水層厚度、孔隙度和黏度值，就可以計(jì)算出含水層的性能參數(shù)。

2.2 蓋層滲透率高，發(fā)生滲漏

如果含水層上方覆蓋的是疏松巖層，當(dāng)從含水層中抽水時(shí)，外部水層會(huì)補(bǔ)給抽水含水層。研究發(fā)現(xiàn)，這種情況符合Hantush函數(shù)模型。利用Hantush函數(shù)模型，將疏松的蓋層當(dāng)作含水層的額外補(bǔ)充水源，并假設(shè)含水層中水的流動(dòng)符合達(dá)西定律，蓋層作為補(bǔ)充水源的強(qiáng)度取決于含水層的壓力大小。仍可采用配線法，直接利用Hantush曲線計(jì)算含水層的性能參數(shù)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能夠與某一條Hantush函數(shù)β曲線相匹配[9-10]。

2.3 少量的蓋層滲漏

研究表明，含水層壓力變化受中等蓋層泄露的影響并不明顯[6]。通過(guò)Theis函數(shù)模型和Hantush函數(shù)模型描述含水層的壓力變化無(wú)法精確判斷蓋層的泄漏程度。為此，研究建立了有限差分模型（圖4），將含水層和蓋層一起考慮。

圖4 有限差分模型示意圖

該模型將蓋層和含水層視為一個(gè)整體，分為不同層，每層又細(xì)分為一組嵌套的圓環(huán)。這些圓環(huán)的半徑能夠按照幾何級(jí)數(shù)增加，這樣抽水井井筒周圍較小的徑向距離和遠(yuǎn)離抽水井的距離都能進(jìn)行描述。水從含水層的最內(nèi)環(huán)中以恒定的流量產(chǎn)出，但不能從蓋層的最內(nèi)環(huán)產(chǎn)出，而蓋層的其它地方，水能夠沿著徑向和垂向流動(dòng)。在有限時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)中流體是平衡的，利用迭代法能夠解出流體平衡方程，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分的壓力變化進(jìn)行足夠精細(xì)的描述。

該模型表現(xiàn)了在不同時(shí)間和位置，蓋層中的壓降Δp'與含水層壓降Δp的比率，由此定義了參數(shù)α。

式中tD表示Theis函數(shù)無(wú)因次時(shí)間；r 表示距抽水井的徑向距離，m；K表示含水層的滲透率，mD；K'表示蓋層的滲透率，mD。

由于蓋層中壓降Δp'的大小與蓋層中觀測(cè)點(diǎn)位置有關(guān)，又定義了無(wú)量綱的高度參數(shù)H。

式中h 表示含水層底部到蓋層中觀測(cè)點(diǎn)的高度，m；H 表示含水層的厚度，m。因此在蓋層和含水層的邊界位置，H = 1，Δp'/Δp = 1。研究發(fā)現(xiàn)，H的數(shù)值在實(shí)際應(yīng)用中不超過(guò)2。這表明，測(cè)試相對(duì)致密的蓋層，觀測(cè)井不能設(shè)置在距離含水層頂部以上距離過(guò)遠(yuǎn)的位置，最好小于含水層厚度。

利用有限差分模型，可計(jì)算得到不同α值情況下，Δp'/Δp — H關(guān)系曲線圖（圖5）。

對(duì)含水層進(jìn)行抽水測(cè)試，可以利用有限差分模型，計(jì)算得出蓋層的平均滲透率，從而評(píng)價(jià)蓋層的密封性能，例如：

某含水層具有下述性質(zhì)：厚度30 m，滲透率100 mD，孔隙度20%，壓縮系數(shù)5.2h10－4MPa－1。在含水層中的1口抽水井以159 m3/d的排量抽水1天。距抽水井152 m外，含水層頂部以上15 m處有1口觀測(cè)井，觀測(cè)到水位下降了0.1 m。如果水的黏度是1.0 mPags，那么蓋層的滲透率是多少？

圖5 有限差分模型計(jì)算結(jié)果曲線圖

可以利用Theis標(biāo)準(zhǔn)曲線求得含水層中距抽水井 152 m處的壓降 Δp = 0.088 MPa（tD= 2.53，pD=0.91）。

觀測(cè)到蓋層壓力變化是水位下降了0.1 m，折合壓力約0.001 MPa，因此計(jì)算壓降比Δp'/Δp=0.011

根據(jù)圖5，對(duì)應(yīng)Δp'/Δp及H的值，可以得出α=50。利用公式(1)即可計(jì)算出蓋層的平均滲透率K'=0.007 9 mD，為評(píng)估蓋層密封性提供了依據(jù)。

3 結(jié)論

1）建庫(kù)前，通過(guò)測(cè)量含水層靜壓頭變化，并與地層水樣分析相結(jié)合，可以大致評(píng)估蓋層密封性。這些數(shù)據(jù)之間存在明顯差異則表明蓋層具有良好密封性。

2）從含水層中抽水，觀察含水層壓力變化，是評(píng)價(jià)蓋層密封性的另一種方法。當(dāng)蓋層不發(fā)生泄漏時(shí)，符合Theis函數(shù)模型；當(dāng)蓋層發(fā)生泄漏時(shí)，符合Hantush函數(shù)模型。

3）當(dāng)蓋層泄漏量較小時(shí)，僅靠觀察含水層的壓力變化無(wú)法精確判斷蓋層的泄漏程度，需利用有限差分模型，將含水層和蓋層作為一個(gè)整體進(jìn)行分析研究。蓋層中壓力的變化是評(píng)估蓋層密封性的重要指標(biāo)。