苏4潜山储气库密封性评价研究

2013-12-01闫爱华

长江大学学报(自科版) 2013年16期

闫爱华

（长江大学地球物理与石油资源学院，湖北武汉430100）

（中石油华北油田分公司勘探开发研究院，河北任丘062552）

孟庆春，林建品，席增强（中石油华北油田分公司勘探开发研究院，河北任丘062552）

随着陕京二线、三线系统的建设和京津地区城市燃气的快速发展，天然气消费量随季节性变化幅度较大，调峰问题日益突出，冬季日用气量为夏季的7～8倍。华北油田苏4潜山储气库是陕京二线、三线系统的配套储气库，属于季节调峰型储气库。储气库密封性的好坏不仅决定储气库能否储存天然气，还关系到储气库周围人们的生命财产安全。为此，对苏4储气库的密封性评价进行研究。

苏4潜山气藏为一个四周被断层切割的近矩形断块山，东西2侧被北东向断层、南北2端被北西向断层切割，前者构成潜山带，后者构成断块山头。潜山走向北东20～30°，构造为南北长5.2km，东西宽2.23km，奥陶系断块面积11.5km2，闭合幅度650m，高点埋深4440m。奥陶系为该潜山气藏的产层，石炭系～二叠系为气藏的盖层。苏4潜山奥陶系凝析气藏的封闭性受上覆盖层和断层侧向封堵条件的控制，即表明对该气藏的封闭条件研究应包括2部分内容：一是盖层的封闭条件；二是断层的封闭条件。该气藏能够形成并保存至今的实事，已经说明其盖层和断层都具有良好的封闭条件。在此仅从盖层岩性、厚度及断层的受力性质、产状等方面的封闭要素进行定性或定量分析。

1 盖层封闭性分析

1.1 盖层岩性组合特征

钻井揭示紧邻苏4潜山且直接覆盖其上的地层为本溪组地层，与奥陶系潜山地层呈平行不整合接触。本溪组地层据钻井揭开平均厚度达80余米，厚度大，分布面积广，地层岩性主要为深灰色泥岩，测井电性以自然电位曲线平直、电阻率曲线低平为主要特征，特别是底部直接与奥陶系潜山接触且分布稳定的铝土泥岩，各井钻遇厚度5～11.5m，与上部60余米的泥岩联合作用，形成一套有效的区域性直接盖层，为苏4潜山气藏的聚集、保存提供了良好的封闭作用。

此外，在苏4潜山气藏上覆的本溪组地层之上又覆盖为二叠系山西组、石炭系太原组地层，这2套地层岩性以泥岩和煤岩互层为主要特征，夹致密砂岩层，这种直接盖层与上覆盖层组成的叠复合型盖层使潜山气藏的封闭能力得到了进一步的加强。

1.2 盖层封闭机理

根据苏4潜山气藏基本特征，其盖层的封闭机理为物性封闭。物性封闭是指依靠盖层岩石的毛细管力对油气运移的阻止作用。毛细管力也称毛细管压力，它与孔喉半径、烃类性质和介质温压条件有关：

式中，Pc为毛细管压力，Pa；r为岩石孔喉半径，cm；θ为固液相接触角，（°）；σ为两相界面张力，N／m。

油气要通过盖层微细孔隙向上运移，必须首先排替孔隙中的水，克服毛细管压力的阻力，才能突破盖层的阻隔。如果驱使油气运移的浮力未能克服该毛细管压力的阻力，则油气就被遮挡于盖层之下。对于泥质岩层来说，由于压实作用，岩石孔喉半径、孔隙度和渗透率都会随埋深增加而变小。因此，排替压力一般情况是随深度增加而增加的，盖层的封闭能力也随着增大。

据华北地区任102井泥岩样品注氮气贯穿压力试验：样品直径3.8cm，长度23.87cm，气测渗透率为零，在温度26℃、压力30MPa的条件下，贯穿压力达40MPa。试验结果表明，以泥岩作为盖层，具有良好的封闭性能［1］。

2 断层封闭性分析

在油气运移聚集中，断层既可成为油气运移的通道，又可成为油气聚集的遮挡物，因而对油气的聚集与分布有重要的控制作用；在油气开发过程中，断层的存在既可以阻碍油水运动，又可以为注入水提供泄压通道，影响注水开发效果。断层究竟在油气运移、聚集和注水开发中起何作用，关键取决于断层的封闭性。断层封闭性是指断层上、下盘或断裂带上、下盘岩石由于岩性、物性差异所导致排替压力的差异，该差异的大小决定断层封闭与通道作用的性质。在地质空间上，主要表现断层的垂向封闭性和侧向封闭性［2］。

2.1 断层应力分析

苏4潜山周围发育有4条张性正断层，它们不但共同控制苏4潜山及其气藏的规模与构造形态；同时，对苏4气藏的形成及保存均起着决定性的作用。在成因研究中，这些断层形成的应力机制应属于拉张或剪切拉张力学效应，从力学机制方面分析，断层的侧向封堵性能应该较差。但苏4潜山凝析气藏能够形成并保存至今，说明上述断层均具有良好的封闭作用。分析其原因，应该是断层在形成过程中上下2盘地层沿断层面具有明显的滑脱作用，导致断层面岩石破碎、涂抹，形成致密岩性胶结带所致。

2.2 断层两盘岩性配置分析

苏4潜山上覆地层是以巨厚泥岩为主要岩性特征且具有盖层封闭能力的地层，与断层上升盘潜山地层对接的下降盘泥岩不但加剧了泥岩涂抹带的固结性能，还进一步起到了侧向岩性封堵作用。

1）1号断层 1号断层最大断距为1440m，是气藏上倾方向封堵断层。从该地区构造条件和沉积条件分析，在该断层下降盘与潜山地层对接为石炭系～二叠系。石炭系～二叠系地层在上部石千峰组～上石盒子组上段岩性主要为泥岩，厚度250m左右，是良好的封堵层；中上部（上石盒子组的中下部）发育一套储集层，厚度为150m左右；下部的下石盒子组～本溪组岩性主要为泥岩，最大地层厚度700多米，也是良好的封堵层。从与潜山对接的下降盘地层岩性条件来看，除具有良好封闭条件的泥岩地层外，上石盒子组中下部的碎屑岩储集层也与潜山对接。分析认为这种对接的岩性条件能够使气藏形成，并得以保存至今的主要原因是在断层形成过程中，由于剧烈的构造活动沿断层面附近形成断层泥，从而使该断层具有了良好的封堵性能。

2）2号断层 2号断层最大断距950m左右，是气藏下倾方向封堵断层。与1号断层性质类似，在该断层下降盘与潜山对接的地层同样为石炭系～二叠系。由于该断层位于气藏低部位，气柱高度仅200m左右，在含气高度范围内与之对接的地层应为石千峰组和上石盒子组上部的泥岩层，因此该断层在目前含气高度范围内具有良好的封闭作用。

3）3号断层 3号断层是苏4潜山北部的控边断层，不但控制着潜山的规模，而且是油气运移的主要通道，最大断距1280m左右，是气藏北侧的侧向封堵断层。在断层下降盘与潜山对接的地层同样为石炭系～二叠系。从该断层的断距分析来看，与1号断层类似，上石盒子组中下部的储集层也应与气藏储层对接，在与储层对接部分起封闭作用的仍然是断层泥的涂抹作用。

4）4号断层与上述3条断层相比，4号断层虽然断距相对较小，但在封闭作用方面与上述3条断层具有同样的封堵作用。

2.3 断层封闭系数分析

断层封闭的实质是两盘排驱压力的差异。设C为构造封堵系数（反映封堵几率大小），m2，R为储集系数，m2，反映封堵油气量大小；G为岩性封堵系数（当封堵层为泥岩和当断层面为不渗透物质时取1，当砂质泥岩时取0.75，为泥质砂岩时取0.5，为砂岩时取0）；F为断层横向封闭系数，m2。则：

式中，φ为断层倾角，（°）；α为储层倾角，（°）；H 为盖层厚度，m；L为垂直断距，m；h为储层厚度，m。断层横向封闭系数F反映了影响断层封闭性的各种因素对断层侧向封闭程度的影响，F越大，断层封闭能力越好。

对苏4潜山气藏控制断层要素及储、盖层参数的计算结果表明（见表1），4条断层的封闭系数远大于非洲陶丹尼盆地志留系油气藏的遮挡断层的横向封堵系数10897.2，说明断层具有良好的封闭性能。

表1 苏4潜山气藏控制断层封闭系数计算参数表

2.4 断层面物质涂抹分析法

断层带内非储层物质的掺入可降低孔喉半径，使断层带内孔隙度降低，渗透率减小，从而形成封闭。

1）泥岩涂抹能力CSP 泥岩涂抹能力（CSP）表示沿断面某点某泥岩层被涂抹的相对量值，其值随泥岩层厚度或泥岩层数的增加呈正相关关系，随断距的增大呈相反关系：

CSP可以判断断层的相对封闭程度，CSP值越大，断层的封闭性越好。

2）涂抹因子SSF 压入型涂抹的涂抹因子（SSF）与断距成正比，与源岩层厚度、层数成反比：

3）断层泥比率SGR 断层泥比率（SGR）的计算方法如下：

断层的断距越大，断开泥岩的厚度越小，泥岩涂抹层在空间上的连续性越差；断层的断距越小，断开泥岩层厚度越大，泥岩涂抹层在空间上的连续性越好。

CSP适用于断面剪切型的涂抹，SSF适用于压入型的涂抹，它们不适合厚层非均质的碎屑岩岩层。断层泥比率SGR对于砂泥岩层序，用断面中各泥岩层的厚度之和与断距之比SGR来评价断面的封闭性，其方法简单实用。根据CSP、SSF、SGR计算公式，分布对4条边界断层进行计算，其结果如表2所示。从表2可以看出，4条断层都具有良好的封闭性。