大港地区板中南储气库运行压力界限研究

2018-11-02宋宪强马小明苏立萍杨树合

中国锰业 2018年5期

宋宪强，马小明，苏立萍，杨树合

(1. 东北石油大学地球科学学院,黑龙江大庆 163318； 2. 中国石油大港油田公司勘探开发研究院,天津 300280)

0 前言

天然气地下储气库将长输管道输送来的天然气重新注入地下空间而形成的一种人工气藏，具备储存量大、机动性强、经久耐用及安全性高的特点[1]，并已经成为当今世界储存天然气的最主要方式[2-3]。大港油田所属板桥油气田已建成7座储气库，为京津冀地区的社会发展与经济建设提供了天然气保障。由于大港油田属歧口凹陷复杂断陷区，断层类型多、封堵强度差异大，对气库盖层和断层的封闭强度要求极高。1987年Watts提出了盖层毛细管封闭机理和水力封闭机理[4]。当盖层极为致密、渗透率极低时，毛细管压力过大，毛细管所能封闭的烃柱高度远大于最大可能封闭的烃柱高度，使得油气不能通过毛细管进行渗漏散失。因此，油气只能通过盖层的破裂来进行渗漏，这种由于孔隙流体压力增加而导致的岩石脆性破裂作用为水力破裂[5]。对于断层而言，稳定断层封闭机理本质是断裂带与围岩之间的差异渗透能力，即毛细管封闭。而当流体不断向稳定的断层中充注，断层内的孔隙流体压力逐渐增加，导致断层内岩石所受的有效应力降低而发生破裂，使得断层发生再活动，从而使油气沿断层散失[6]。由于储气库高低压往复变化、多周期强注强采，且气体通过毛细管渗漏较缓慢，在高压条件下更易发生水力破裂和断层再活动，因此本论文着重探讨盖层的水力封闭和断层的稳定性，从而确定储气库的运行压力上限。

1 研究区地质概况

板中南储气库位于渤海湾盆地歧口凹陷中北部，歧口凹陷属于复杂断陷区，先后大体经历了古近纪多期断陷和新近纪—第四纪坳陷等构造演化阶段，并发生前期构造格局改造和沉积中心迁移等[7]。现今构造格局为经历了多期、复杂的构造变动和改造的结果，具有断裂活动多期叠加，断裂复杂的特点[8]。板中南储气库位于大张坨断层上盘，断层控圈部分断距介于260～510 m之间(图1)。含气目的层段为第三系沙一段板2-1～2-4小层，岩性为灰白色砂岩与灰色、深灰色泥岩互层，以细、粉砂岩为主；埋深2 580～2 785 m，其上覆区域性盖层为厚度200～500 m的大段深灰色泥岩，分布范围大，能对气库起到良好的封闭作用。

2 盖层水力封闭能力评价

2.1 盖层水力封闭评价机理

图1 板中南储气库板2-1～2-4小层最大注气面积平面分布

1987年Watts对盖层水力封闭的机理及封闭能力的理论计算方法进行了详细阐述，认为水力封闭的盖层具有较高的毛细管封闭能力，随着地层压力的逐渐增加，流体难以通过毛细管渗漏方式有效地卸载孔隙流体压力，致使盖层所受有效应力逐渐降低，并最终发生水力破裂形成微裂缝[4,9]。盖层的水力封闭阈值压力(临界压力)为盖层所受最小水平主应力和岩石抗张强度之和[4]。但由于埋深原因，水平最小主应力往往较岩石的抗张强度高十几甚至几十倍，同时考虑泥岩抗张强度在平面上分布的不均一性，常忽略岩石抗张强度，将泥岩盖层水力封闭阈值压力保守估算为水平最小主应力，据此进一步计算出不同深度下盖层封闭的烃柱高度。基于该原理，提出了评价盖层水力封闭的评价方法：水平最小主应力与孔隙流体压力之差越大说明盖层封闭能力越强，若其小于零，则说明盖层具有极大的破裂风险(图2)。把与水平最小主应力相等时的孔隙流体压力作为水力封闭阈值压力。

2.2 板中南储气库盖层水力封闭能力定量评价

图2 盖层水力封闭莫尔圆

应用库5-9井的地应力测井结果，拟合了最小水平主应力随深度变化的定量关系(图3)见式(1)，据此可表示盖层的水力封闭阈值压力随深度变化的定量关系。板中南储气库盖层埋藏深度为2 580～2 785 m，将此深度数值代入式(1)中，得出盖层水力封闭压力区间为35.8～39.2 Mpa，并确定盖层水力封闭阈值压力为35.8 Mpa，当地层孔隙流体压力高于此值时，盖层具有极大的破裂风险。

图3 盖层水力封闭阈值压力随深度变化

Pc=0.0167·D-7.33

(1)

式中，Pc——盖层水力封闭阈值压力/MPa；D——埋深，m。

3 断层稳定性定量评价

3.1 断层稳定性定量评价原理

断层稳定性即断层再活动的趋势强弱，随断层边部储层内的注入量增加，压力逐渐增大，断层承受的应力场特征发生改变，有效应力(σ′)逐渐降低，并逼近断层活化压力临界值[10-11]。通过断层的应力莫尔圆与断层破裂包络线的关系可以看出(图4)，流体压力和差应力的增加都会引起莫尔圆的变化，当流体压力增加时，有效主应力等幅度减小，在莫尔圆上表现为逐渐左移，当代表断层面的点与破裂包络线相切时就会发生破裂，移动的水平距离即为断层再活动所需附加流体压力的大小(△P)。活化压力(PR)为初始地应力状态下断层发生活化所需总流体压力的大小，即某一深度下静水压力与断层再活动所需附加流体压力之和(式2)。

图4 断层稳定性原理示意图

PR=ρwgh+△P

(2)

式中，PR——断层活化压力，MPa；ρw——地层水密度，kg/m3；h——埋深，m；△P——附加流体压力。

3.2 板中南储气库断层稳定性定量评价

瑞士地质学家Heim认为垂向地应力是由上覆地层重力引起的，它是随着地层密度和深度而变化的，因此可用密度测井求得垂向地应力，根据此原理，统计了储气库密度测井资料拟合出垂向主应力随深度变化的关系式(3)。通过地应力测井可以获得研究区水平主应力大小随深度变化的关系式(4、5)。通过对原始气藏不同深度地层流体压力的统计，得出了流体压力随深度的变化特征，见式(6)，并对目的层位岩石进行三轴力学实验获得得岩石破裂包络线(图5)，结合断层面和层位地震数据体，进行断层稳定性地质力学建模。根据断层稳定性原理及评价方法，对研究深度范围内断层稳定性进行模拟计算。最终确定板中南储气库控圈断层活化所需附加流体压力为4.24 Mpa，活化压力为32.03 Mpa(图6)。

σ1=0.024 1×h-6.43

(3)

σ2=0.023 3×h-5.7

(4)

σ3=0.016 7×h-7.33

(5)

PW=0.010 3×h

(6)

式中，σ1为重向主应力，MPa；σ2为水平最大主应力，MPa；σ3为水平最小主应力，MPa；h为埋藏深度，m；PW为流体压力。

图5 泥岩抗剪包络线图

图6 板中南储气库控圈断层活化压力分布

4 板中南储气库运行压力界限确定

综合分析板中南储气库的盖层封闭能力和断层封闭能力，确定其运行压力界限。盖层封闭能力分为物性封闭和水力封闭，断层封闭能力则受静态的断层封闭性和动态的断层稳定性共同制约。但由于气体依靠毛细管作为通道通过盖层和稳定的断层，进行的较缓慢，难以快速有效地卸载孔隙流体压力，从而使盖层更易于发生水力破裂和断层再活动。因此，在确定运行压力上限时仅需要考虑盖层水力封闭能力和断层稳定性。综合两者的封闭上限，可以确定板中南储气库运行压力上限为32.03 Mpa(图7)。