朱家墩儲氣庫密封性評價

奧立德，林 波

（中國石化江蘇油田分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇揚(yáng)州 225009）

伴隨能源消費的升級，中國對天然氣的需求增速明顯，季節(jié)性、區(qū)域性差異也更加明顯，地下儲氣庫在調(diào)峰和保障供氣安全方面的作用和意義也愈發(fā)凸顯。地下儲氣庫就是將天然氣重新注入地下可以保存氣體的空間而形成的天然氣氣藏，是集季節(jié)調(diào)峰、事故應(yīng)急供氣、國家能源戰(zhàn)略儲備等功能于一身的能源基礎(chǔ)性設(shè)施［1-2］。作為天然氣產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)，儲氣庫不可替代，也無法替代。此外，地下儲氣庫還可以在氣源中斷或管網(wǎng)出現(xiàn)技術(shù)故障時，保證不間斷供氣。因此，儲氣庫的選址尤為重要，要同時解決“注得進(jìn)、存得住、采得出”等重大難題［3］。

1 工區(qū)概況

朱家墩氣田位于長三角地區(qū)江蘇省鹽城市射陽縣境內(nèi)，距青寧輸氣管道約126 km，距中俄東線輸氣管道約46 km。構(gòu)造上位于蘇北盆地鹽阜坳陷鹽城凹陷南洋次凹深凹帶。該區(qū)的油氣勘探工作始于1956 年，鹽參1 井1991 年6 月完鉆，發(fā)現(xiàn)和落實朱家墩構(gòu)造，在阜一段段獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，落實含氣面積3.0 km2，地質(zhì)儲量10.58×108m3。

2 氣藏地質(zhì)特征

2.1 構(gòu)造特征

朱家墩氣藏是由鹽②、鹽③兩條北掉斷層夾持（見表1）、依附于鹽③斷層的北東向長軸背斜構(gòu)造，高點埋深3 750 m，圈閉幅度50 m，斷層封閉性良好（見圖1）。主力含氣層為阜一段，氣藏類型為地層水次活躍受構(gòu)造控制的層狀干氣藏。

圖1 朱家墩氣藏阜一段氣層頂面構(gòu)造

表1 朱家墩地區(qū)斷層要素

鹽③斷層走向NE，傾向NW，傾角30°～35°，斷距100～250 m，在區(qū)內(nèi)延伸長度大于18 km，為氣藏西北部邊界斷層，對氣藏形成起控制作用。下降盤為泥巖對接，具有天然的封堵條件［4］。

2.2 儲層特征

阜一段沉積環(huán)境處于陸上和水下淺水的過渡環(huán)境，主要沉積相類型為河流、三角洲和湖相沉積，主要發(fā)育水下分流河道、決口沉積和河道間漫灘等沉積微相，其中河道砂體是最重要的儲集層。阜一段儲層屬于中低孔、中低滲儲層，平均孔隙度15.03%，平均滲透率111.8×10-3μm2。朱家墩氣藏阜一段儲層敏感性表現(xiàn)為無—弱速敏、強(qiáng)—極強(qiáng)水敏性。

2.3 流體性質(zhì)與溫度壓力系統(tǒng)

朱家墩氣藏埋深3 760～3 812 m，儲層呈層狀展布，局部受巖性控制，為巖性構(gòu)造層狀氣藏。朱家墩氣藏天然氣成分主要為甲烷，含量91.89%～96.12%，重?zé)N含量低；非烴類主要為N2（1.18%～2.16%）和CO2（0.48%～1.49%），不含H2S，干燥系數(shù)50.44～245.28，為干氣。

朱家墩氣藏實測地層壓力、地層溫度統(tǒng)計表明，氣藏地層壓力36.87～40.24 MPa，地層壓力系數(shù)0.94～1.03；地層溫度119.80～136.02 ℃，地溫梯度3.22～3.58 ℃/100 m，為正常溫度壓力系統(tǒng)。

2.4 氣藏開發(fā)與動態(tài)儲量計算

朱家墩氣田于2003 年5 月投入開發(fā)，先后有鹽城1-2、鹽參1 井、鹽城3 井和鹽城1-3 井投入生產(chǎn)，主要以鹽參1井生產(chǎn)為主，到2020年12月累計采出氣量4.57×108m3，采出程度43.2%。利用壓降法計算動態(tài)儲量6.62×108m3，動態(tài)儲量采出程度69%。氣藏壓力下降了27.1 MPa，單位壓降產(chǎn)氣量1 579×104m3/MPa，累計采出量與壓力降呈良好的線性關(guān)系（見圖2）。

圖2 朱家墩氣藏累計采氣與視地層壓力關(guān)系

3 蓋層密封性研究

3.1 蓋層分布

利用區(qū)內(nèi)9 口井的GR巖性識別建立單井巖性剖面，GR與波阻抗巖性交匯分析表明，波阻抗具有較好的巖性區(qū)分能力，波阻抗反演顯示阜一段整體以泥巖為主，蓋層厚度大，橫向穩(wěn)定展布，零星夾雜砂巖條帶。

阜一段底部發(fā)育薄層砂體，橫向斷續(xù)展布，鹽城1-2井—鹽城3井一帶厚度略大，到鹽城1井砂體不發(fā)育（見圖3）。

圖3 朱家墩地區(qū)上覆泥巖蓋層剖面

朱家墩氣藏阜一段泥巖沉積厚度大，平面發(fā)育較穩(wěn)定，預(yù)測主體部位厚度400～600 m，其孔隙度為0.06%～0.60%，滲透率為（0.08～0.09）×10-3μm2。

3.2 蓋層泥巖突破壓力空間分布

基于力學(xué)實驗的突破壓力預(yù)測：當(dāng)加載壓力為單軸抗壓強(qiáng)度的65%時，巖石內(nèi)部開始產(chǎn)生微裂縫，可近似認(rèn)為此時對應(yīng)的應(yīng)力是巖石的突破壓力，即p=65%UCS。

單軸抗壓強(qiáng)度UCS可通過單軸/三軸抗壓實驗獲得，或者通過經(jīng)驗公式計算得到，其中McNally 公式最為常用：

式中，ρ為地層巖石密度，g/cm3；vS為橫波速度，m/s；vP為縱波速度，m/s。

ρ、vS、vP均可通過測井得到，三者之間存在函數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，因此單軸抗壓強(qiáng)度也可近似表示為UCS≈f（ρ，vP）或UCS≈f（vP）。

通過計算，朱家段阜一段氣藏蓋層的UCS≈73 MPa，因此突破壓力p≈47.75 MPa。

3.3 蓋層動態(tài)突破壓力

通過泥巖三軸加載壓縮實驗與滲透率同步測試實驗［5-6］，分析蓋層泥巖在注氣過程中內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的滲透率變化特征，揭示其損傷機(jī)理，獲得臨界壓力50 MPa（見表2）。隨著軸向載荷的增加，泥巖滲透系數(shù)逐漸降低，表明加載導(dǎo)致樣品壓密。當(dāng)加載至50 MPa 后，滲透系數(shù)增加，表明樣品產(chǎn)生有效裂縫通道；當(dāng)加載至65 MPa 時，滲透率大幅提升，表明樣品內(nèi)部產(chǎn)生連續(xù)通道裂縫；載荷加至80 MPa，滲透率下降，表明裂縫部分閉合，之后隨著載荷的增加，產(chǎn)生新裂縫，隨后又被壓密，直至破壞。

表2 泥巖三軸加載同步滲透率試驗測試結(jié)果

3.4 三軸循環(huán)加卸載同步滲透試驗

儲氣庫壽命一般為50 a，在儲氣庫設(shè)計中，需要模擬儲、蓋層在多周期交變載荷下的損傷情況。選擇泥巖樣品進(jìn)行三軸加卸載實驗，通過分析滲透的變化，揭示樣品的損傷過程，建立損傷演化模型，模擬儲氣庫注采過程中蓋層的損傷情況。

XINZHU1-82-3 樣品載荷增加，泥巖滲透系數(shù)增加；樣品內(nèi)產(chǎn)生微裂縫損傷，形成連續(xù)裂縫，直至樣品破壞；總加卸載循環(huán)60次后樣品破壞（見表3）。

表3 泥巖三軸循環(huán)加卸載同步滲透試驗測試結(jié)果

4 斷層密封性評價

斷層封閉性除了受斷層兩盤的巖性配置關(guān)系、斷裂帶內(nèi)泥巖涂抹、斷裂帶內(nèi)成巖作用等多種地質(zhì)因素的影響外［7-9］，還受儲氣庫運(yùn)行后多周期強(qiáng)注強(qiáng)采，高低壓力交替變化的影響，因此利用靜態(tài)、動態(tài)及監(jiān)測資料對建庫前后斷層封閉性開展評價。

4.1 斷層靜態(tài)封閉性研究

斷層面泥巖涂抹分析法是斷層巖封閉法定量確定斷層封閉性的一種有效方法，其中斷層泥比率SGR是定量表征斷層封閉性的一個重要參數(shù)，該方法對砂泥互層斷層帶內(nèi)的泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)有較好的表征［10］。

計算公式為：

朱家墩氣藏鹽③斷層是氣藏的控制斷層，該區(qū)上覆泥巖厚度約600 m，斷層向上延伸至泥巖頂部，斷距平均180 m。因此，斷層泥比率（SGR）達(dá)到3.3，說明斷層封閉性良好。

4.2 斷層動態(tài)密封性評價

通過斷面正壓力與流體壓力耦合確定斷層開啟壓力，斷層開啟與封閉主要取決于斷面上正應(yīng)力和流體壓力的關(guān)系。斷層面所受正應(yīng)力的大小決定了斷層面結(jié)構(gòu)間的緊密度，從而決定了斷層的封啟。斷層面壓力是定性反映斷層垂向封啟的方法。如果斷層面受到的壓力越大，那么斷層面的緊閉程度就越好；反之就越差［11-12］（見圖4）。

圖4 斷層面壓力示意

斷層面壓力計算公式為：

式中，p是斷層面承受的正壓力，MPa；h是斷層面的埋深，m；ρα是上覆地層的平均密度，g/cm3；ρβ是地層水密度，g/cm3；g是重力加速度，m/s2；σ是水平地應(yīng)力，MPa；θ是斷層面傾角，（°）；ω是地應(yīng)力與斷層走向間的夾角，（°）。

斷層封閉系數(shù)（If）是指斷層面所受正應(yīng)力與流體壓力的比值，即

式中，f為異常壓力系數(shù)；ρw為水的密度，1.0 g/cm3，h是斷層面的埋深，m。

當(dāng)If＞1 時，斷層呈封閉狀態(tài)，If值越大，封閉程度越高；當(dāng)If≤1時，斷層開啟成為油氣運(yùn)移的通道，If值越小，開啟程度越高。

根據(jù)朱家墩氣藏斷層參數(shù)計算斷面的開啟壓力為45.8 MPa，氣藏原始地層壓力為37.6 MPa，因此朱家墩儲氣庫上限壓力用原始地層壓力不會破壞其密封性，其作為儲氣庫是安全的。

5 結(jié)論

（1）通過對朱家墩氣藏地質(zhì)特征、儲層發(fā)育狀況、氣藏開發(fā)以及動態(tài)儲量的分析，其儲層為扇三角洲水下分流河道，構(gòu)造為背斜圈閉，物性為中孔中滲，動態(tài)儲量采出程度達(dá)到69%，處于開發(fā)后期接近枯竭階段，作為儲氣庫的選址具有先天優(yōu)勢。

（2）朱家墩地區(qū)目的層上覆泥巖約600 m 厚，而砂巖儲層僅20 m 左右，側(cè)向封擋條件良好。綜合泥巖樣品三軸加卸載同步滲透率測試結(jié)果，朱家墩儲氣庫可滿足60個周期循環(huán)注采。

（3）通過斷面正壓力與流體壓力耦合確定斷層開啟壓力，斷層的開啟與封閉主要取決于斷面上正應(yīng)力和流體壓力的關(guān)系。朱家墩氣藏斷層參數(shù)計算斷面的開啟壓力為45.8 MPa，氣藏原始地層壓力為37.6 MPa，因此朱家墩儲氣庫上限壓力用原始地層壓力不會破壞其密封性。