含水层构造改建地下储气库盖层封闭能力评价研究——以冀中坳陷大5目标为例

孟祥杰，郭发军，陈洪，刘团辉，林建品

(中石油华北油田分公司勘探开发研究院，河北 任丘 062552)

张辉

(中石油华北油田分公司，河北 任丘 062552)

陈曦

(中石油华北油田分公司勘探开发研究院，河北 任丘 062552)

赵政嘉

(中石油华北油田分公司，河北 任丘 062552)

贾善坡

(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)



含水层构造改建地下储气库盖层封闭能力评价研究
——以冀中坳陷大5目标为例

孟祥杰，郭发军，陈洪，刘团辉，林建品

(中石油华北油田分公司勘探开发研究院，河北 任丘 062552)

张辉

(中石油华北油田分公司，河北 任丘 062552)

陈曦

(中石油华北油田分公司勘探开发研究院，河北 任丘 062552)

赵政嘉

(中石油华北油田分公司，河北 任丘 062552)

贾善坡

(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

盖层封闭能力，是决定含水层构造能否成功改建为地下储气库的关键因素之一。以冀中坳陷大5目标为研究对象，在岩心、地震、测井、室内试验、地层测试、干扰试井等资料综合分析的基础上，从盖层岩性、厚度、物性特征、排替压力等方面开展封闭能力静态评价，从地层测试、干扰试井等方面开展封闭能力动态评价。综合静态、动态评价研究，建立含水层构造改建地下储气库盖层封闭能力评价模型。根据评价模型，认为大5目标盖层封闭能力良好，符合建库密封条件。该项研究对国内含水层储气库建设具有一定指导意义。

含水层；地下储气库；盖层；封闭能力；评价模型

天然气以其清洁、高效等特点已成为现代化城市燃气发展的主要方向[1]。我国天然气用户市场主要集中在东部和东南部地区，但天然气资源区主要集中在西北、西南和中西部地区。天然气资源区与消费市场的分离，对天然气长距离输送及安全供气提出了很高要求[2]。同时，城市民用气的峰谷变化，特别是北方北京、天津等地区季节性用气不均匀，容易造成夏季资源供应过剩、冬季资源供应紧张等问题。建设地下储气库可以较好地解决以上问题，是目前各国开发利用天然气时采用最多的一种安全供气、调峰手段[1,3]。地下储气库的另一个重要作用是用于天然气的战略储备，以保障长输管线供气中断情况下天然气的有效供给[4]。

根据储层、地质等特点，地下储气库主要分为：枯竭油气藏型、含水层型、盐穴型、废弃矿坑及岩洞型。利用枯竭油气藏进行储气库改建是世界上最常用同时也是最经济的一种储气方法，凡是有枯竭气田的国家都首选发展这种储气库。但是在大型工业城市中心和大城市附近，并非都有适合于建设地下储气库的枯竭油气田，但总可以找到含水层构造[4，5]。在这种情况下，建造含水层型地下储气库便成为首推方案。目前，世界上建造在大工业中心和大城市附近的地下储气库基本上都是含水层型储气库。国外含水层地下储气库建库相关技术已经有很长的历史，而中国目前尚处于前期库址筛选评价和建库理论探索研究阶段[6]。随着2013年中石油华北油田分公司“华北油田含水层建库目标评价”项目的展开，标志着国内首个含水层储气库工程建设正式启动[7]。在含水层储气库工程建设中，盖层的封闭能力尤为重要，是决定含水层构造能否成功改建为地下储气库的关键因素之一。

笔者以冀中坳陷大5目标为研究对象，在岩心、地震、测井、室内分析等资料综合分析的基础上，从影响盖层密封性的岩性、厚度、物性特征、排替压力等因素方面对盖层密封性展开静态评价，结合地层测试、干扰试井等动态评价结果，建立含水层构造改建地下储气库盖层密封性综合评价模型，对国内后续含水层储气库建设具有一定指导意义。

冀中坳陷大5井区位于河北省大城县，目前共完钻大5井、大5-1C井2口井，其中大5井为该区域第一口风险探井，大5-1C井是以含水层改建储气库为目的的第一口水文地质调查井。建库目的层为二叠系石盒子组含水砂岩，上覆厚层泥岩盖层，圈闭整体呈背斜形态，面积7.4km2，高点埋深2325m，闭合幅度275m。

1 封闭能力静态评价

形成储气库的必要条件之一是具备能够阻止天然气渗漏和散失的盖层。盖层阻止天然气漏失的方式主要有：凭借盖层本身毛细管力阻止天然气渗漏的物性封闭；依据盖层含烃浓度抑制天然气扩散的烃浓度封闭；由于盖层内部异常压力的存在使天然气得以保存的超压封闭等[8]。

大5含水层构造钻井过程中均未发现超压异常，同时，地层测试资料表明，地层压力因数为1，表明盖层压力为正常压力系统。另外，对于含水层构造，不存在烃浓度封闭及其他封闭，因此，对大5井区二叠系石盒子盖层进行封闭性评价，只需考虑物性封闭机理。

1.1 盖层岩性

盖层的岩石岩性、泥质含量和形成的沉积环境不同，其封闭能力不同。气藏盖层中，封堵性能最好的为盐岩和膏盐，其次为泥岩、致密灰岩。盐岩封闭性能相比其他岩类最好，是因为在产生裂缝的情况下盐岩具有自愈合的特点[8]。对于泥岩、致密灰岩来说，泥质含量越高，盖层可塑性越强，构造裂缝和溶蚀孔洞变得不发育，封闭能力越好。而同样是泥岩，形成的沉积环境不同，封闭能力存在差异，例如，湖泊相水平层理泥岩比河流相斜层理泥岩有更强的封堵能力[9]。

大5含水层构造盖层为二叠系石千峰组灰色泥岩与紫红色泥岩，呈块状构造(图1)，夹少量薄层浅灰色粉砂岩与灰色泥质粉砂岩，泥岩单层厚度一般7～10m，最大27m。自然电位曲线呈现微波状-平直状(图2)，为曲流河相洪泛平原亚相沉积。

图1 大5-1C井石千峰组盖层岩心及岩石薄片照片

对大5-1C井二叠系石千峰组泥质岩盖层进行X-射线衍射分析(表1)表明，盖层岩石由黏土矿物、石英、钾长石、斜长石、方解石、菱铁矿和赤铁矿等矿物组成，非黏土矿物体积分数范围为29%～78%(平均50.75%)，黏土矿物总量为22%～71%(平均49.25%)。非黏土矿物中石英所占比重最大，在24%～59%范围内变化，平均为38.38%，其次为斜长石和钾长石，体积分数平均值分别为5.81%和3.63%。

图2 大5-1C井石千峰组盖层柱状图

黏土矿物对泥岩物性封闭能力的影响主要与其可塑性和湿润性(吸水性)有关。可塑性强可抵制盖层变形中次生裂缝的发育；矿物吸水膨胀使孔隙喉道半径缩小，气-水界面与矿物颗粒接触角度变小，强吸水性增加毛细管压力，使岩石的密封性变好。在黏土矿物中，可塑性排序为：蒙脱石>伊-蒙混层>伊利石>绿泥石>高岭石；吸水性排序为：蒙脱石>伊-蒙混层>高岭石>伊利石>绿泥石[8]。在大5-1C井泥岩盖层黏土矿物组成中，蒙脱石和伊-蒙混层体积分数占绝对优势(平均为70.8%)，其含量之和在所有矿物中也占34.9%(表2)。从岩石可塑性的角度来评价，大5目标二叠系泥岩盖层岩石的可塑性和吸水性较强。

表1 大5-1C井泥质岩盖层X-射线衍射分析矿物成分与含量统计表

表2 大5-1C井泥质岩盖层X-射线衍射分析黏土矿物种类及相对含量

1.2 盖层厚度

对于深部成岩盖层而言，泥岩的物性封闭能力强弱取决于突破压力大小，而与其厚度没有直接关系。盖层厚度较大可以弥补其质量的不足，并对其物性封闭能力有重要的补偿作用。对于同一种盖层而言，盖层厚度越大，其空间展布面积越大，横向连续性越好，越易形成区域性盖层，有利于天然气的保存；相反，薄的盖层要大面积保持不破不裂是相当困难的[10]。

经统计，大5井区2口井的泥岩盖层厚度分别为125m和247.5m，直接单层厚度分别为15m和7m。地震资料表明，泥岩盖层横向分布连续，平面分布广。对比国外已建含水层储气库最小盖层总厚度为9m[11]，大5目标泥岩盖层厚度条件相对良好。

1.3 盖层物性特征

盖层孔隙度和渗透率越小，毛细管阻力越大，封闭能力越好。在大5-1C井二叠系石千峰组泥质岩盖层中钻取了19个(其中垂向岩心钻取13个，水平向岩心钻取6个)有代表性的岩样进行了孔隙度和渗透率测试。孔隙度相对较高，范围为5.28%～26.29%，平均为12.14%；渗透率相对较低，垂向渗透率范围为1.22×10-5～3.75×10-1mD，平均为1.0×10-3mD(小于1.0×10-3mD的样品占73%)，水平向渗透率均小于1.0×10-2mD，平均为1.7×10-3mD。由此可见，该盖层属于中低孔、特低渗型泥质岩盖层。

与常规气藏盖层相比，泥岩孔隙度相对较高。但泥岩的渗透能力和封存能力具有特殊性，例如，欧洲比利时等国的高放射性废料处置库围岩即为高孔、低渗型泥岩[11]，孔隙度为39%，但其渗透率的量级却为10～4mD，孔隙与孔隙之间连通性差，尽管孔隙部分对应的孔隙度很大，但喉道部分对应的孔隙度极小，有效防止了核废料的泄漏。另外，浅层生物气藏形成机理研究表明，时代新、气藏埋深浅等因素造成盖层孔隙度与储层接近，不能用孔隙度来评价盖层的物性封闭能力[8]。因此，泥岩盖层封闭能力评价中可不考虑孔隙度因素。

1.4 盖层排替压力

据理论计算，泥页岩盖层只要具备1MPa的突破压力，即可阻挡住约400m高的油藏或125m高的气藏，0.1MPa的压差即可阻挡住约40m高的油藏或12.5m高的气藏[8]。大5含水层目标圈闭闭合幅度为275m，封盖气柱最小突破压力理论计算为2.2MPa。

在大5-1C井二叠系石千峰组泥质岩盖层中钻取14块有代表性的岩样进行了突破压力测试，其中盖层岩心11块，隔层岩心3块。地层条件下饱和水时突破压力的变化范围为12.82 ～46.99MPa，平均为34.31MPa，突破压力值大于35MPa的占72.7%；3个隔层岩心的突破压力分别为21.08、26.60、31.07MPa，突破压力较高，具有良好的封闭性。

2 封闭能力动态评价

在静态评价结果较为乐观的情况下，对盖层可开展动态评价，主要方法有地层测试、干扰试井、探测性注气试验等，通过检测盖层的产出能力、纵向连通性及注入气体有无逸出等判断盖层的封闭能力。

2.1 地层测试

对大5-1C井盖层段中测井解释物性相对较好的砂岩层2307～2313m和2259.4～2262.6m进行了2组测试(表3)，采用油管抽汲，液面分别降至1474.2m和1458m，24h液面上升仅为3.2m和13m，折合日产水0.006m3和0.026m3，计算地层渗透率只有0.001mD和0.004mD，表明盖层段中的砂岩层物性极差，基本无产能，盖层段的密封性良好。

表3 大5区二叠系石千峰组盖层地层测试数据表

图3 大5-1C井垂向干扰试井示意图

2.2 干扰试井

为了验证大5-1C井盖层的垂向封堵性，开展了脉冲式干扰试井现场试验研究(图3)。以大5-1C井储层Ⅲ砂组为激动层，储层Ⅰ砂组和盖层G砂组为观测层，激动层与观测层之间安装封隔器下入压力计监测压力变化，评价盖层垂向封闭能力。

对Ⅲ砂组共实施7个脉冲周期，每个脉冲周期注水7d、停注7d，日注水量为50～60m3，累计注水量为2722.6m3，注水压力从0.3MPa升至1.6MPa。

储层Ⅰ砂组和盖层G砂组均监测到7个周期的压力脉冲响应信号，但波形与激动层相反(图4)。

分析认为是由于注水时井筒环空温度降低引起的，说明并未检测到激动层的压力传导信号，表明盖层垂向上是封闭的。原因如下：①对比激动层实测压力和观察层G砂组压力响应曲线可以发现，两处压力发生改变的时间基本为同一时刻，若G砂组压力信号是由激动层引起，2个层相距65m，由盖层相隔，且盖层渗透能力极低，2个实测压力信号之间的延迟时间不可能这样短；②Ⅰ砂组压力响应幅度非常小，若Ⅰ砂组压力信号是由激动层引起，极短的延迟时间内的压力响应幅度应该较为明显，并且压力响应幅度应该随注水压差逐渐增大而增大；③远离激动层的G砂组比靠近激动层的Ⅰ砂组压力响应幅度还大，若G砂组和Ⅰ砂组压力信号是激动层引起，G砂组应该比Ⅰ砂组弱。

图4 大5-1C井垂向干扰试井激动层与反应层压力变化曲线

3 综合评价模型

由于含水层构造改建地下储气库前期评价资料少，单方面通过静态或者动态评价盖层密封性存在较大风险，需要建立评价模型综合考虑动、静态资料。

3.1 评价标准确立

通过调研国外已建含水层储气库盖层参数，结合我国天然气藏盖层特征，提出适宜该区的含水层构造改建储气库盖层评价标准(表4)。对比大5目标盖层特征，评价结果为“优”的参数有累计盖层厚度、排替压力、干扰试井结果，评价结果为“良”的参数有岩石岩性、直接盖层单层厚度、渗透率，评价结果为“中”的参数有泥质含量、裂隙发育情况，评价结果为“差”的参数有沉积环境、孔隙度。

表4 含水层构造改建储气库盖层评价标准

表5 因素相对重要程度分类标准

3.2 权重系数赋予

由于每项评价参数对盖层密封性的影响程度强弱不一，需要对每项参数赋予相应的权重系数。为了降低人为主观因素的影响，采用定性与定量相结合的层次分析法[12]。根据层次分析法要求，采用1～9标度法，通过调研国外已有相关研究成果，并面向储气库专家咨询打分，获得同级影响因素间相对重要性比值(表5)。

构建判断矩阵(式(1))，求出最大特征值及其对应的特征向量(式(2)～(4))，该特征向量即为各评价参数的权重。为了检验权重系数分配是否合理，可以利用随机一致性指标，当CR<0.1时(式(5))，即可认为判断矩阵具有满意的一致性，说明权值分配合理；否则就需要重新评价矩阵，直到取得满意的随机一致性为止[12]。

(1)

(2)

(3)

(4)

含水层构造改建地下储气库，盖层密封性评价参数相对重要性判断矩阵为：

(5)

经计算，10项参数的权重值最高为“干扰试井结果”，最低为“沉积环境”，大小分别为0.3304和0.0155。各项参数的权重值大小见图5。CR=0.0557<0.1，说明权重分配合理。

图5 含水层构造改建地下储气库盖层评价参数权重大小

3.3 综合评价模型

通过将评价标准的“优”“良”“中”“差”分值分别量化为10分、8分、6分、4分，结合层次分析法得到的各项参数相对盖层密封性的权重值ωi，即可构建含水层构造改建地下储气库盖层评价模型(表6)。

评价模型中，指标综合值M的计算过程如下：

(6)

式中：mi为各评价参数的量化分值；ωi为各项参数相对砂岩储层的权重值；i=1,2,…,9,10。

根据前述分析，大5井区二叠系石盒子组含水构造盖层10项评价参数的得分依次为：4、8、6、8、10、4、8、6、10、10。结合各项指标的权重，得出大5含水层构造改建地下储气层盖层封闭能力参数综合值M为8.74分。对照表6可知，大5目标盖层比较适宜改建地下储气层，但需在运营期加强储气库密封性监测。

表6 含水层构造改建地下储气库盖层评价模型

4 结论

1)分析了影响盖层封闭能力的岩性、厚度、物性特征、排替压力等因素，对大5目标泥岩盖层展开静态评价。

2)结合地层测试、干扰试井资料，对大5目标泥岩盖层展开动态评价。

3)综合静态、动态评价研究，提出一套含水层构造改建地下储气库盖层封闭能力评价标准，建立评价模型。

4)根据评价模型，认为大5目标盖层封闭能力良好，符合建库密封条件。

[1]Hoagie M, Amorer G, Wang X, et al. The role of underground storage in large natural gas production operation[A]. IPTC 16495, Beijing, China, 2013-03-26～28.

[2]田静, 王影, 魏欢, 等. 中国天然气地下储气库储备规模及布局思考[J]. 天然气, 2014, 10(1): 1～4.

[3]Economides M J, Wang X. A modern approach to optimizing underground natural gas storage[J]. SPE166080, 2013.

[4]王丽娟, 郑雅丽, 李文阳, 等. 水层建库气驱水机理数值模拟[J]. 天然气工业, 2007, 27(11): 100～102.

[5]郭平, 杜玉洪, 杜建芬. 高含水油藏及含水构造改建储气库渗流机理研究[M]. 北京: 石油工业出版社, 2012.

[6]丁国生, 王皆明, 郑得文. 含水层地下储气库[M]. 北京: 石油工业出版社, 2014.

[7]贾善坡, 金凤鸣, 郑得文, 等. 含水层储气库的选址评价指标和分级标准及可拓综合判别方法研究[J]. 岩土力学与工程学报, 2015, 34(8): 1628～1640.

[8]李国平，郑德文，欧阳永林, 等. 天然气封盖层研究与评价[M]. 北京: 石油工业出版社, 1996.

[9]廖鲁海, 张厚福. 陕甘宁盆地中部上古生界气藏盖层宏观封闭性研究[J]. 天然气工业, 1998, 18(2): 4～7.

[10]林建品, 贾善坡, 刘团辉, 等. 枯竭气藏改建储气库盖层封闭能力综合评价研究——以兴9枯竭气藏为例[J]. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(S2): 4099～4107.

[11]Claude B, Laurent C, Stephane G, et al. Assessment of four prospective sites for the realization of Underground Gas Storages in aquifer reservoirs[R]. Courbevoie: GDF Suez, 2013.

[12]Saaty T L. The analytic hierarchy process[M]. New York: McGraw Hill, 1980.

[编辑] 黄鹂

2016-04-12

中国石油天然气集团公司重大专项(2015E-4002)。

孟祥杰(1989-)，男，硕士，助理工程师，从事天然气开发及储气库建设方面的研究工作，yjy_mxj@petrochina.com.cn。

TE122.2

A

1673-1409(2016)32-0032-08

[引著格式]孟祥杰，郭发军，陈洪，等.含水层构造改建地下储气库盖层封闭能力评价研究[J].长江大学学报(自科版),2016,13(32):32～39.