枯竭氣藏改建儲氣庫蓋層封閉能力綜合評價
——以川西北中壩氣田須二氣藏為例

劉 林 桑 琴 曹 建 張楚越 王旭麗 鄧茜雯

（1.西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500；2.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川 江油 621709）

0 引 言

地下儲氣庫是將天然氣重新注入枯竭油氣藏、含水層、鹽穴及廢棄礦坑等天然或人工的地下構造中而形成的一種人工氣田或氣藏［1］。目前全國建成儲氣庫約30 座，其中大部分都是由枯竭油氣藏改建而成，對庫址要求高［2］。中壩氣田位于川西北部，由于其地理位置優(yōu)越、氣質純（不含H2S）、儲量規(guī)模大、采出程度高（約75%）、埋深適中等優(yōu)勢，適宜改建枯竭型地下儲氣庫。在建庫前期工作中，蓋層封閉性是建庫可行性論證的重要指標。

前人對蓋層封閉性評價做了大量研究：王彬等［3］利用壓汞法獲取蓋層巖排驅壓力，研究新疆H 儲氣庫蓋層毛管壓力封閉能力；沈群等［4］以蓋儲排替壓力差為主要微觀特征對蓋層封閉能力的時間有效性進行評價；舒萍等［5］對實測突破壓力與縱波時差進行分析，建立儲氣庫蓋層突破壓力計算模型，實現(xiàn)蓋層封閉能力的定量評價。這些評價參數(shù)為常用的幾種單一指標或聯(lián)合指標，存在一定局限性。儲氣庫建設實踐表明，對于儲氣庫大流量強注強采的特殊工況，蓋層泥巖段厚度及連續(xù)性、巖石彈塑性變形及突破壓力等均是影響封閉能力的重要因素［6-9］。

本文基于蓋層宏觀特征和微觀封閉機理2 方面，綜合蓋層巖性、泥巖厚度、儲層物性、排替壓力、突破壓力及蓋層脆性等評價因素，提出一種改進的蓋層封閉性綜合評價方法，建立基于層次分析法確定權重系數(shù)的模糊綜合評判模型。將該方法應用于中壩氣田須三（T3x3）蓋層，優(yōu)選出滿足建庫封閉性要求的區(qū)域，支撐中壩氣田改建儲氣庫地質可行性評價工作，可對國內其他枯竭型氣藏改建地下儲氣庫的封閉性評價研究起到參考作用。

1 區(qū)域地質概況

中壩氣田區(qū)域構造位于四川盆地西北角龍門山前帶，跨龍門山-大巴山臺緣凹陷南緣及川北古中凹陷低緩構造區(qū)九龍山至中壩構造群［10］（圖1（a））。測區(qū)為一受斷層控制的潛伏背斜，被雙河口斷層、江油斷層和彰明斷層切割遮擋，并逐漸向南西方向自然傾伏，3 條逆斷層延伸長、構造規(guī)模大且封閉性良好，對氣藏邊水水域和天然氣的聚集分布范圍具有控制作用。氣田上三疊統(tǒng)須家河組一般可劃分6 段，須家河組頂部遭剝蝕，殘存須一段（T3x1）—須四段（T3x4），構造主體須一—須三地層較完整（圖1（b））。由于川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組本身受多起構造運動以及板塊擠壓，須二氣藏儲層物性差，屬于低孔滲的致密砂巖儲層。

圖1 研究區(qū)構造位置及地層系統(tǒng)Fig.1 Structural location and strata system of studied area

2 蓋層宏觀特征

蓋層封閉能力宏觀上主要受控于蓋層厚度、巖性、平面展布等因素的影響。

2.1 巖性

巖性是劃分蓋層與儲集層的關鍵條件。須家河組上覆的侏羅系泥巖發(fā)育，為1 套穩(wěn)定的區(qū)域蓋層，從蓋層巖性來看，自流井組及沙溪廟組以泥巖為主，屬于湖相沉積，是有效的區(qū)域蓋層。須二氣藏的直接蓋層為須三段，屬于濱淺湖沉積體系，須三中上部主要發(fā)育分流河道及河口壩微相，巖性主要為石英砂巖及巖屑砂巖。須三段下部主要是暗色泥質巖及砂泥巖互層，錄井顯示巖性主要為泥巖夾薄層細砂巖、石英砂巖及粉砂巖；取心觀察巖性以濱淺湖、三角洲前緣相的致密泥質粉砂巖、含泥細砂巖為主；測井資料顯示巖性為厚層泥巖夾薄層細砂巖，且須三段下部蓋層巖泥質含量較高，分布穩(wěn)定。

2.2 厚度

泥巖厚度是蓋層宏觀發(fā)育特征的直觀表現(xiàn)參數(shù)。蓋層厚度越大，分布越連續(xù)，空間展布面積越大，封閉油氣能力越強，有利于油氣藏聚集和保存。須三段泥巖厚度大（圖2），表明該區(qū)域沉積環(huán)境穩(wěn)定，泥巖被斷裂破壞的可能性?。?1］。鉆錄井、測井及地震資料綜合顯示，須二氣藏的區(qū)域蓋層為侏羅系自流井組及沙溪廟組，地層厚度990～1 720 m，區(qū)內分布穩(wěn)定。作為氣藏直接蓋層的須三段部分區(qū)域遭受剝蝕，最北端中壩15 井區(qū)剝蝕至須一段，中壩5 和中壩26 井區(qū)剝蝕至須二段，但主體構造須三段地層較為完整。構造主體區(qū)域須三段殘存厚度為234～638 m，泥巖累計厚度60～160 m，均值為137 m?；谇叭搜芯康纳w層宏觀封閉能力等級評判標準，直接蓋層厚度為10～20 m時，被認定為封蓋性較好［12］。區(qū)塊須三段泥巖縱向分布的連井剖面顯示（圖3），須三段中下部及底部發(fā)育3 套大于10 m 連續(xù)穩(wěn)定的泥巖段，累計厚度55.6～115.4 m，有利于氣藏保存。

圖2 須三段蓋層泥巖厚度Fig.2 Mudstone thickness of caprock in Member Xu 3

圖3 蓋層分布連井剖面Fig.3 Well-tie section of caprock distribution

3 蓋層微觀特征

3.1 物性

孔隙度與滲透率是評價蓋層封閉性的基本參數(shù)。一般來說，孔滲越大，物性越好，蓋層封閉性越差；反之，則封閉性越好。中壩氣田須二段為典型的低孔低滲致密砂巖儲層，該區(qū)儲層有效孔隙下限值為4.8%［13］。對于其上覆蓋層是否為非滲透層，除滿足巖性、厚度等宏觀條件外，應該保證其孔隙度與滲透率比儲層更小，孔隙度低于儲層下限。對6 口井29 塊須三段蓋層的巖心樣品進行孔滲測試分析，孔隙度為1.0%～7.4%，低于儲層有效孔隙度下限4.8%的占72%，平均孔隙度為3.8%；滲透率一般為0.000 1×10-3～0.001×10-3μm2，69%樣品的滲透率低于0.1×10-3μm2，絕大部分樣品表現(xiàn)為孔滲低、物性較差或特差的特征，部分巖樣雖孔隙度大于儲層下限，但其滲透率極低。蓋層巖石整體物性差，若依據(jù)常規(guī)蓋層孔滲評級標準判別，該區(qū)泥巖蓋層封閉能力屬中等偏上。

3.2 孔隙結構

蓋層巖多為水潤濕或水飽和，毛細管壓力較高，成為油氣運移通過蓋層的門檻，從而具有封閉一定高度烴柱的能力［14］。須三段蓋層埋藏淺且無生烴潛力，不具備超壓封閉和烴濃度封閉能力，主要依靠毛細管壓力封蓋須二氣藏。通過壓汞實驗測試得到毛細管壓力參數(shù)（表1），該區(qū)蓋層巖中值壓力較高（均值為93.0 MPa）、排替壓力（均值為26.4 MPa）較大、中值半徑較?。ň禐?.01 μm），其中值半徑均小于束縛水膜厚度（約0.1 μm），蓋層巖孔隙連通性差，以小孔隙居多；其最小潤濕相飽和度為9.7%～39.6%，均值為30.4%，該數(shù)值較大，表明巖石物性較差，孔隙結構較差；其中中壩72 井、中壩73 井排替壓力較低，可能是由于巖樣砂巖含量較大而導致。從毛細管壓力曲線特征可看出（圖4），當壓力達到門檻壓力時，非潤濕相飽和度逐漸增加，而相應壓力變化較小，此時汞逐漸進入巖石孔隙，但進液段整體較陡不平滑且位置較高，表明蓋層巖石喉道分布不集中，分選較差；且毛細管壓力曲線整體靠右上方，表明蓋層巖明顯細歪度，孔隙喉道大小分布對稱性差。綜上，蓋層巖整體孔隙較小、滲透性差，孔喉連通性差，物性封閉能力較好，利于封蓋儲層氣藏，阻止天然氣向上逸散。

圖4 蓋層巖樣毛細管壓力Fig.4 Capillary pressure of caprock samples

表1 蓋層壓汞測試參數(shù)Table 1 Mercury injection test parameters of caprock

3.3 剩余壓力差

蓋層對油氣藏的封閉能力是否有效，還取決于氣藏的地層剩余壓力和上覆蓋層的排替壓力的相對大?。é），若排替壓力大于地層剩余壓力（Δp＞0），則表明油氣向上逸散時所需動力不足，蓋層封閉油氣能力較強；反之，則油氣將會穿過蓋層向上運移，以達到動態(tài)平衡為止［15］。據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)資料顯示，目前氣藏中部整體壓力降至4～7 MPa，南、北區(qū)壓力約20 MPa。由壓汞實驗測得蓋層排替壓力為8～50 MPa，平均值為26.4 MPa。按照高效氣藏蓋層排替壓力不小于20 MPa 的標準，研究區(qū)蓋層排替壓力較高，可作為優(yōu)質的直接蓋層。測試巖樣相對應的5 口井的地層剩余壓力為5.5～8.7 MPa，均值為6.9 MPa。通過排替壓力與中壩氣田須二氣藏剩余壓力對比（圖5），巖樣具有較高排替壓力，其值遠大于氣藏地層剩余壓力，表明須三段蓋層具有良好的靜態(tài)壓力封閉能力。

圖5 蓋層排替壓力與儲層剩余壓力對比Fig.5 Comparison of caprock displacement pressure and reservoir residual pressure

3.4 脆性

巖石力學參數(shù)可有效表征巖石在外界應力作用下發(fā)生破壞產(chǎn)生裂縫的能力，而脆性是與巖性、巖石力學及孔隙結構等密切相關的綜合特性［16］。偏脆的蓋層巖在構造應力下容易發(fā)生斷裂破壞產(chǎn)生裂縫，導致滲透性發(fā)生變化，與蓋層內泥質巖夾雜的薄砂體組合，易形成連續(xù)逸散運移通道，導致天然氣穿越蓋層垂向運移。中壩氣田須三蓋層泥質巖含石英砂巖，石英作為脆性礦物，含量變化大，蓋層泥質巖脆韌性變形特征不清。對須三蓋層巖柱塞樣開展單軸壓縮力學實驗，獲得蓋層巖石在施加載荷條件下的應力-應變曲線，并計算出巖石靜態(tài)彈性模量、靜態(tài)泊松比、單軸抗壓強度及脆性指數(shù)等力學參數(shù)（表2）。巖性不同，其抗壓強度、彈性模量、脆性指數(shù)之間都存在較大差異，其中頁巖及砂質頁巖脆性指數(shù)較泥巖高。研究區(qū)脆性指數(shù)為7.0～30.0，均值為16.9，中低脆性巖樣最直觀特征就是有單一剪切縫，無過多的微裂縫產(chǎn)生。根據(jù)單軸抗壓強度-峰值應變劃分脆性的方法，研究區(qū)蓋層巖屬于低—中度脆性，表明須三段蓋層巖塑性較好，不易受構造應力作用破壞，對氣藏保存具有一定控制作用。

表2 單軸抗壓強度實驗基礎參數(shù)Table 2 Basic parameters of uniaxial compressive strength experiment

3.5 突破壓力

作為衡量毛細管封閉能力的尺度，突破壓力是反映蓋層封閉能力最根本、最直接的評價參數(shù)。鄧祖佑等［17］通過對大量蓋層樣品進行突破壓力及相關配套測試，總結了中國多個氣藏的氣柱高度與排替壓力的關系，綜合多個評價指標，最終選取以突破壓力為主要評價參數(shù)，認為巖石突破壓力越高，則巖樣巖性越致密，封閉能力越好，將蓋層封閉能力劃分6 個等級，對應飽含地層水時巖石的突破壓力分別為 3.70、 6.67、 11.40、 17.30、 24.30、30.00 MPa。本文研究選擇須三段不同構造位置及蓋層下部（靠近須二氣藏）的巖樣，對巖樣進行飽和地層水狀態(tài)下的突破壓力測試（表3）。結果表明：突破壓力較大的蓋層巖性為泥質粉砂巖，其次為泥質條帶發(fā)育的砂巖；實測突破壓力整體較大，為28.5～48.0 MPa，均值為40.2 MPa；中壩潛伏構造中部的中壩46 井、中壩53 井突破壓力較大，均值為46.5 MPa，而位于中壩潛伏構造西南部的中壩73 井突破壓力最低，均值為30.0 MPa；總體呈現(xiàn)出氣藏主體突破壓力較大，而南北較小的趨勢。

表3 蓋層突破壓力測試結果Table 3 Test result of caprock breakthrough pressure

4 蓋層封閉能力綜合評價

4.1 評價參數(shù)權重系數(shù)賦予

針對儲氣庫改建對蓋層封閉性的要求，結合該區(qū)蓋層各特征因素對封閉能力的重要程度，確定了宏觀評價因素（泥巖厚度及沉積相類型）和微觀評價因素（孔隙度、滲透率、剩余壓力差、脆性指數(shù)及突破壓力）等7 個評價因素，構成因素集W=｛w1，w2，w3，w4，w5，w6，w7｝。由于每項評價因素的封閉能力不一，需對其權重系數(shù)進行合理分配。而層次分析（AHP）法可將半定性、半定量問題轉化為定量問題，利用該方法確定各評價因素的權重系數(shù)能較好降低人為主觀因素影響。對7 個評價因素兩兩進行重要性比較，比較時采用相對尺度標準度量，用數(shù)字1～9 及其倒數(shù)作為標度來構造比較矩陣（表4），再用Matlab 編程計算各評價參數(shù)的歸一化權重系數(shù)，分別為0.08、0.04、0.04、0.04、0.15、0.25、0.40，且計算得到的一致性比率指標為0.039，該值小于0.1，則認為判斷矩陣通過一致性檢驗，說明權重分配合理。

表4 蓋層封閉能力綜合評價標準Table 4 Comprehensive evaluation criteria of caprock sealing capacity

4.2 模糊綜合評價

模糊數(shù)學能較好解決難以量化、模糊及非確定性的相關問題，因此被廣泛應用于地質評價相關研究［18］。中壩氣田須二氣藏改建儲氣庫的蓋層封閉性優(yōu)劣是一個多因素的綜合問題，應采用模糊綜合評判法。首先建立評價集V=｛v1，v2，v3，v4｝，分別代表評價因素優(yōu)劣等級：好、較好、中等及差。采用離散隸屬函數(shù)確定單因素評判隸屬度值，根據(jù)各評價因素隸屬度構造模糊關系矩陣（U），再與權重系數(shù)矩陣（W）通過加權平均模型進行合成運算，得到綜合評判B。為了便于直觀分析綜合評價指標，令矩陣C=（4，3，2，1），且CT為評價集V的轉置矩陣，得到綜合評價指標D。其中涉及的運算模型為：

式中：bj——第j種因素合成算子結果；wi——第i種因素權重系數(shù)；uij——第i種因素單因素隸屬度；j=1，2，…，n；i=1，2，…，m。

通過計算得到蓋層巖封閉氣藏能力的總權值，規(guī)定總權值大于3 為蓋層封閉能力好，［2.5，3］為較好，［2，2.5）為中等，小于2 為差（表4）。依據(jù)上述評價標準，以實測結果為基礎，選取以氣藏中部為主，并兼顧氣藏南北低滲區(qū)的6 口典型井，對須三段泥巖類蓋層的封閉能力進行綜合評價（圖6）。

圖6 蓋層封閉能力總權值Fig.6 Total weight of caprock sealing capacity

區(qū)內須三段主要發(fā)育封閉能力好及較好的蓋層，且主要分布于中壩潛伏構造中部（氣田中部）；封閉能力中等的蓋層主要分布于研究區(qū)的北鞍部地區(qū)（中壩50 井以北）以及局部的西南部區(qū)域；氣田西南部區(qū)域（中壩73 井以南）則發(fā)育少量封閉能力較差的蓋層。結合生產(chǎn)資料，中壩潛伏構造中部動態(tài)儲量占總69.3%，累產(chǎn)氣量占70.1%，其中累產(chǎn)氣較高的中壩9 井、中壩31 井、中壩53 井及中壩44 井正處于封閉能力好的蓋層區(qū)域內，與封閉能力評價結果相匹配。此外，對于泥質巖蓋層封閉能力評價，前人提出封閉規(guī)模的工業(yè)氣流的蓋層其封閉能力應為較好及以上，表明中壩氣田雖歷經(jīng)近40 a 生產(chǎn)開發(fā)，但其封蓋能力依舊較好，能夠封閉規(guī)模的工業(yè)氣流，且滿足改建枯竭型儲氣庫的封閉性要求。

5 結 論

（1）中壩氣田須家河組三段屬濱淺湖沉積體系，發(fā)育泥質巖類蓋層，其巖性為泥巖夾薄層細砂巖、石英砂巖及粉砂巖；泥巖累計厚度大（均值137 m）；須三段中下部及底部發(fā)育三套大于10 m的穩(wěn)定泥巖段，累計厚度55.6～115.4 m，蓋層宏觀展布及發(fā)育較好。

（2）須三泥質巖蓋層物性較差，中值半徑較小（均值0.01 μm），排替壓力大（均值26.4 MPa），且蓋層排替壓力遠大于氣藏剩余壓力，具有較好的毛細管壓力封閉能力；蓋層巖呈低脆性—中度脆性，塑性較好，不易形成裂縫，利于儲氣庫注氣封存；突破壓力較高（均值為40.2 MPa），能有效防止儲層天然氣突破蓋層向上逸散。

（3）氣田須三段蓋層整體封閉能力較好，主要在氣田中部發(fā)育封閉能力好及較好蓋層，滿足改建枯竭型地下儲氣庫的要求，建議建庫區(qū)域選擇以氣藏中部為主，北至中壩50 井，南至中壩80 井。