碳酸盐岩储气库盖层动态密封性评价研究

滕振超 张品金 贾善坡 徐 萌 张广权 贾跃玮

1. 东北石油大学土木建筑工程学院, 黑龙江 大庆 163000;

2. 东北石油大学非常规油气研究院, 黑龙江 大庆 163000;

3. 东北石油大学地球科学学院, 黑龙江 大庆 163000;

4. 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院, 北京 100089

0 前言

盖层密封性是储气库密封性的重要指标,是评价储气库安全性的重要依据[1]。与常规气藏相比,储气库具有多周期、强注强采的特性;由于碳酸盐岩具有很强的非均质性,其封闭性远不如泥岩和膏盐岩,与常规泥岩盖层相比,碳酸盐岩盖层具有脆性程度高受构造影响大的特性[2],因此传统的盖层密封性评价标准已经不适用于碳酸盐岩储气库盖层的评价。

目前,不少学者针对盖层密封性评价开展了不同程度的研究,舒萍等人[3]通过盖层岩性、厚度分布、物性、微观孔喉结构对盖层密封性进行了定性评价,通过盖层突破压力计算模型进行了定量评价;林建品等人[4]开展了枯竭气藏型储气库盖层能力综合评价,建立基于全应力—应变特征的盖层岩石脆性评价标准。目前盖层的密封性评价多为静态下的突破压力测试[5],未考虑交变应力对原始毛细管密封性的影响,不能准确地反映出储气库的动态封闭能力。同时,注采过程中应力的交替变化会导致盖层岩石逐渐损伤,渗透性有增大的趋势,因此,碳酸盐岩储气库需考虑交变应力下的盖层损伤及弹塑性变形特征[6-10]。

针对碳酸盐岩储气库高速往复注采的特点,本文基于地质特征、毛细管物性密封和宏观力学完整性三个方面,综合盖层沉积环境、岩性特征、盖层厚度、静态密封性、动态密封性及岩石力学特征等因素,提出了一种碳酸盐岩储气库动态密封性的综合评价方法。建立基于AHP及可拓学理论的评价模型,为碳酸盐岩储气库建库提供理论依据。

1 地质背景

Q储气库位于川东北达县—宣汉探区的东南部,构造简单,是一个受南、北断层控制的北西向长轴背斜构造。其构造的形成与演化主要受三个方向的挤压应力构成的非均—联合应力场以及早期构造形迹的控制,气藏原始地层压力77.0 MPa,压力系数1.82,为超高压压力系统[11]。

1.1 沉积环境

碳酸盐岩的形成受原始沉积环境的控制,沉积环境控制着沉积物的展布。沉积环境对盖层侧向分布和垂向叠置关系影响较大,不同地貌单元、不同相带的盖层发育特征相差各异。利用FMI成像资料对Q储气库进行沉积相分析,盖层沉积环境主要为开阔台地浅滩亚相及开阔台地滩间亚相。开阔台地浅滩亚相为开阔台地环境中的浅水高能地带,沉积时能量较高,以亮晶砂屑灰岩为主；多呈块状层理,泥质含量较滩间亚相泥质含量低。开阔台地滩间为浅滩之间的深水沉积区,沉积时海水较深,能量较小,沉积物粒度细,以泥—微晶灰岩为主夹少量泥岩薄层,水平层理发育。

1.2 岩性特征

根据岩性特征,盖层主要分为蒸发岩类盖层、泥岩类盖层及碳酸盐岩类盖层。对储气库而言,泥岩和蒸发岩是理想的盖层岩性[12]。在碳酸盐岩盖层的研究中,泥质含量是影响封闭能力的重要因素。泥质含量一般通过常规测井中的自然伽马值来标定,即自然伽马值越大,则泥质含量越高,当盖层自然伽马值大于20 API时,盖层具有封闭能力[13]。同时,在碳酸盐岩中会存在泥质含量较高或裂缝不太发育的纯岩性致密层,其电性特征表现为电阻率值高[14]。

盖层所在地层FMI测试结果,该段地层岩性主要以灰色灰岩夹薄层含云灰岩为主。4 523.9～4 530 m段的岩性为含云灰岩,泥质含量稍高,电阻率平均值为400 Ω,自然伽马平均值为41 gAPI,密度平均值为2.735 g/cm3。4 530～4 549 m段的岩性为泥质灰岩,电阻率平均值为650 Ω,自然伽马平均值为37 gAPI,密度平均值为2.715 g/cm3。FMI静态图像颜色较亮,地层成层性非常好,为薄层灰岩,同时可见高阻的质较纯的灰岩发育。表明目的盖层岩性较好且裂缝不太发育,有利于盖层封闭。

1.3 盖层厚度

盖层的封闭能力主要取决于盖层岩石的物性特征,与厚度没有直接联系。但目前储气库盖层厚度对封闭能力的影响程度还没有统一的评价标准,但发育较厚的盖层对其封闭能力具有补偿作用,厚度越大、其空间展布面积越大,横向连续性越好,越有利于气体封存[12]。

对碳酸盐岩来说,除沉积过程中沉积环境的横向和纵向变化,多种成岩改造的联合作用均在不同程度上影响着碳酸盐岩的特征,使大多数碳酸盐岩呈现出较强的非均质性且延展性差的特性,所以,相较于泥岩类、膏盐岩类盖层,碳酸盐岩盖层厚度在影响盖层封盖能力各因素指标中所占的比重较小[13]。

根据地震资料等显示,Q储气库盖层平均厚度300 m左右,最薄处110 m左右,厚度较大。按照盖层厚度可将盖层封闭能力分为四个等级,当厚度>100 m时,可以认为盖层封闭能力较强,有利于气体封存。

1.4 地质综合分析

根据以往研究成果[12],从地层特征、岩性特征和盖层厚度对盖层封闭能力进行划分,评价指标见表1。

表1 储气库盖层封闭能力等级划分标准表Tab.1 Standard table for sealing ability grade classification of gas storage cap layer

2 注采条件下毛细管密封性

目前,盖层的封闭机理主要为物性封闭(毛细管封闭)、压力封闭及烃浓度封闭三种,盖层的物性封闭是最常见、最重要的盖层封闭机理[13]。

毛细管封闭指的是通过盖层最大喉道的毛细管压力差来封闭圈闭中的油气。排替压力是指岩石中最大连通孔隙的润湿相流体被非润湿相流体排替所需的最低压力,是反应盖层微观封盖能力的最直接、最根本的参数[14-15]。

2.1 静态排替压力特征

盖层岩石静态突破压力测试主要为间接法和直接法。间接法是指压汞法,压汞法具有测试简洁快速的优点[16],本文通过压汞法对G1-1和G1-2盖层岩石进行排替压力测试,盖层岩石毛细管压力曲线见图1。

图1 盖层岩石毛细管压力曲线图Fig.1 Capillary pressure curve of cap rock

根据行业标准[17],岩石的排替压力为非湿润性开始连续进入岩心吼道时所对应的毛细管压力,从图1可知,半对数坐标沿着毛细管压力曲线平坦部分的第一个拐点做切线,切线延长线余纵坐标轴的交点压力值即为排替压力。根据排替压力测试结果可知,两块盖层岩心的排替压力值分别为13.7 MPa、14.27 MPa,均值为13.98 MPa。可根据排替压力值大小将盖层密封性等级分为四类[12]：>15 MPa为优,10～15 MPa为良,5～10 MPa为中,<5 MPa为差。因此,可认为灰岩盖层为良好盖层,封闭能力良好。

2.2 动态渗透率与排替压力演化特征

通过开展室内试验模拟储气库注采过程,围压模拟有效水平应力(即水平应力减地层压力),通过轴压交变范围模拟注采过程中偏应力变化。根据注采条件下的有效应力变化规律,围压设置为14.29～55.56 MPa,交变荷载范围为3.26～39.2 MPa,交变次数设置为60次,分别在交变次数0次、15次、30次、45次、60次时进行渗透性测试。获得交变次数对渗透率的影响规律,绘制交变次数与渗透率关系图,见图2。

根据试验结果,不同围压下四块盖层岩石的渗透率随交变次数的变化趋势基本一致,渗透率呈现出下降—平缓—升高的趋势。曲线分为压密阶段、平缓阶段及发展阶段三个阶段。

1)压密阶段:随着循环荷载次数的增加,岩心骨架受到压缩,内部裂隙及孔喉通道被挤密,渗透率出现下降趋势。

图2 不同围压下渗透率变化规律图Fig.2 Diagram of permeability variation under different confining pressures

2)平缓阶段:随着交变荷载的持续加载,岩心骨架进一步压缩,但岩石内部未出现较大损伤,渗透率呈现出稳定状态。

3)发展阶段:交变荷载作用下,岩石内部发展出新的裂纹及微裂缝,产生新的渗流通道,渗透率出现上升趋势。

本文的渗透率演化曲线中发展阶段不明显,交变后渗透率(60次)均未超过初始渗透率(0次),主要是因为注采条件下的交变荷载幅值范围较小,未对岩石产生较大损伤,这也表明了当前注采条件下,有效应力对盖层密封性影响较弱,这一规律在下文中的基于声发射的岩石损伤演化中有进一步的探究。

根据国外储气库盖层评价经验,若盖层岩石的渗透率已知,则盖层的排替压力可以通过与渗透率之间的相关模型获得,目前行业内广泛使用的盖层排替压力的预测模型的是由LK Thomas等人建立的相关性模型[12]。针对室内岩心排替压力测试,研究了排替压力与渗透率之间的相关关系,其拟合公式为:

(1)

根据式(1)可以得到循环次数及围压与排替压力的关系,见表2。

表2 动态突破压力信息表Tab.2 Dynamic breakout pressure informations

3 盖层岩石的力学特性分析

在储气库注采交变运行中,盖层微裂隙的渗漏是造成盖层有效性变差的主要因素。因此评价和界定盖层脆延性转化和注采造成的微裂缝是评价盖层有效性的关键问题[9-10]。

相较于泥岩,碳酸盐岩具有脆性程度高、在变形过程中易形成裂缝的特征,同时交变荷载作用下,岩石发生疲劳破坏的风险也较高。因此,碳酸盐岩盖层应当更加注重注采条件下的岩石力学特征。

3.1 盖层脆性特性

三轴应力—应变曲线见图3,岩心经交变荷载后弹性模量为29.92～32.04 GPa;峰值强度随着围压的逐渐增大而增大,因为岩石的非均质性,导致岩心G2峰值强度明显高于其他试样,这一效应在声发射信号中也有所体现;岩心在荷载作用下,峰值前后出现了明显的屈服平台,岩石表现出明显的脆—延性变形转化过程。

图3 交变循环后三轴应力—应变曲线图Fig.3 Stress-strain curve after alternating cycle

通过采用应力—应变曲线特征的方法来评价盖层岩石破坏机制,盖层的脆性程度可以通过峰值强度、残余强度、屈服阶段及峰后斜率来获取[18-19]。经过综合考虑峰前、峰后及屈服阶段的力学特征,建立盖层脆性评价体系，过程见图4。

图4 盖层脆性评价指标示意图Fig.4 Schematic diagram of brittleness evaluation of cap rock

(2)

(3)

(4)

(5)

根据上述分析,结合本文试验数据,获得注采条件下盖层岩石力学试验测试结果,根据试验结果可知岩石脆性指数分布为0.207 3～0.232 88之间,具体结果见表3[5]。

表3 注采条件下盖层岩石力学试验测试结果表Tab.3 Rock mechanics test results of cap rock under injection-production conditions

3.2 变形及声发射特征

岩石的损伤实际上是岩石受力作用下,天然微小裂纹及裂隙裂纹扩展成宏观裂纹及生成新裂纹的过程。通过模拟储气库运行过程,开展室内碳酸盐岩盖层岩石三轴交变力学试验,绘制应力—应变曲线,见图5。

a)岩心G1a)Rock G1

b)岩心G2b)Rock G2

c)岩心G4c)Rock G4

根据应力—应变曲线,加载初期轴向应变增幅较快,随着交变次数的增加,增幅趋于稳定。交变60次后,G3因应变计问题,数据采集不完整,其他岩心累计轴向应变为0.18%～0.26%,且岩石均未发生破坏,表明当前注采条件下盖层疲劳破坏风险较低。

在交变荷载作用下，岩石内部不断产生裂纹，进而产生声发射信号,声发射活动中的能量信息反映了声发射信号相对能量的大小,其与应力随时间在交变荷载下的规律基本一致,能量可以反映出碳酸盐岩在交变荷载过程中的损伤程度[20]。根据交变过程中声发射信号与时间的关系,获得声发射能量强度大小随时间变化的关系。在低应力条件下,岩石损伤随着交变次数的增加趋于平稳,故有损伤随交变次数的对数模型关系式[21]:

D=a+bln(N+c)

(6)

基于式(6),对本次试验损伤累计值和交变次数进行拟合,拟合结果与试验结果相关性均大于96%,可以认为试验结果与理论公式具有一定的相关性,见图6。

岩石周期加卸载过程是岩石内部原生微裂隙反复闭合、张开与扩展的过程。根据声发射信号能量随时间的分布可以看出,交变荷载初期,岩心内部微裂隙在力学作用下被压密,声发射信号较为强烈,损伤值急剧上升,此时的损伤值为岩石的原始损伤;交变荷载中期,随着交变次数的增加,声发射信号能量强度随着裂隙的压密逐步减小;交变荷载后期,随着岩石被进一步压缩,原始裂隙扩展的同时萌发出新的裂隙,岩石开始产生新的损伤,声发射信号逐步增强。整体来看,在低围压情况下,声发射信号整体较为强烈,信号强度随着围压的升高逐步减弱。围压加载过程中,岩石内部微裂纹逐步闭合,围压越高裂纹闭合程度越高[22]。

a)岩心G1a)Rock G1

b)岩心G2b)Rock G2

c)岩心G3c)Rock G3

d)岩心G4d)Rock G4

4 基于AHP的可拓学理论评价体系

4.1 评价指标选取

按照盖层动态密封性要求,结合地质信息,开展注采条件下的盖层动态密封性试验,根据试验结果,对碳酸盐岩储气库盖层动态密封性进行综合评价,根据以往研究[12,23]建立储气库盖层动态密封性单因素评价指标,见表4。

表4 盖层动态密封性单因素评价指标表Tab.4 Single factor evaluation index of dynamic sealing performance of cap rock

根据碳酸盐岩储气库盖层地质特征及盖层室内试验,获得碳酸盐岩储气库盖层单因素待评价指标,见表5。

为方便计算,需将各单因素评价指标进行量纲一化处理,量纲一化处理规则如下:

(7)

表5 盖层动态密封性单因素待评价指标表Tab.5 Index table of single factor to be evaluated for dynamic sealing of cap rock

表6 盖层动态密封性单因素评价指标表(量纲一的量)Tab.6 Single factor evaluation index of dynamic sealing performance of cap rock (dimensionless quantity)

表7 单因素待评价指标表(量纲一的量)Tab.7 Single factor index to be evaluated (dimensionless quantity)

4.2 构建AHP评价指标权重值

根据盖层封闭能力的要求,结合静态密封性特征,将盖层动态封闭性作为目标层,将盖层地层特征、盖层孔渗特征及岩石力学特征3个因素作为准则层,再将经过细化后的8项基本指标作为评价层,建立基于AHP的目标层次结构模型。

通过目标层次结构的建立,对各个因素进行量化分析,确定了上下层因素之间的隶属关系,从而构造出定性到定量转化的判断矩阵。根据Saaty提出的“1～9”标度法为依据,将任意层次的某个要素及其隶属的要素作为评价目标,将各个要素的重要性进行两两比较,根据比较结果获得判断矩阵。

根据判断矩阵求出最大特征值及其对应的特征向量,该特征向量即为各个评价因素的权重值,考虑到专家对各个因素评价时具有一定的主观性,不能完全精确的判断出权重值的大小,因此需定义一致性指标,计算公式为:

CR=[(λmax-n)/(n-1)]/RI

于是，8月初在香港见到吕杨的时候，我问了他这个问题。他一听，也愣了，表示250万瓶这个数字确实很高，“品尝多少不是个问题。在品评酒的时候，学到多少，得到多少，可能更重要一点，对吧？”

(8)

对储气库专家进行问卷调查,通过公式可以计算出各个评价因素的权重值,见表8。

表8 权重计算汇总表Tab.8 Weight calculation summary

4.3 可拓学评价体系构建

可拓学以物元理论和可拓数学为基础,通过建立物元模型,将各个评价指标转化为一种相容的问题,并从可行性和优化的角度评价指标,是一种定性与定量的评价方式[23]。

(9)

(10)

(11)

本文将碳酸盐岩储气库盖层动态密封性分为Ⅰ级(极好)、Ⅱ级(较好)、Ⅲ级(好)、Ⅳ级(一般)四个等级,c1～c8为8个影响因素,通过单因素的评价标准获得经典域参数取值。

通过碳酸盐岩储气库盖层动态密封性评价指标的取值范围确定节域,一般为评价指标全体:

(12)

通过测井信息、室内试验等方法确定待评价盖层参数,获得待评物元R1={c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7,c8}={0.74,1.00,1.00,0.93,0.23,0.36,0.77,0.74}。

计算待评价物元关联度。待评价物元与等级t的关联函数为:

(13)

其中

(14)

ktj(Mj)=∑Wikij(vi)

(15)

kjt0(Mj)=max{kij(Mj)t=1,2,3,4}

(16)

5 结论与建议

1)基于AHP和可拓学理论,建立了碳酸盐岩储气库盖层动态密封性评价体系,从地质特征、毛细管物性密封及宏观力学完整性三个方面对碳酸盐岩储气库盖层进行综合评价。在静态密封性能力的基础上,开展了动态密封性评价,从岩石力学角度解释了动态密封性机理,弥补了之前研究的不足。根据注采条件下的地应力变化规律,开展交变力学下的动态突破压力试验,获得动态突破压力变化规律,通过检测声发射信号,获得交变荷载下岩石内部裂隙发展规律。

2)碳酸盐岩盖层相较于泥岩、膏岩盖层,具有明显的脆性特征,在注采过程中易形成裂缝,这极易导致盖层密封性降低,应注重考虑碳酸盐岩的脆性特征,防止碳酸盐岩盖层发生脆性破坏。

3)以碳酸盐岩Q储气库为例,采用上述评价方法对Q储气库进行综合评价,盖层评价结果为Ⅰ级盖层,封气能力极好,评价结果与实际情况一致,证明该评价方法具有较高的有效性。

4)本文中碳酸盐岩储气库盖层动态密封性评价体系的建立,对于碳酸盐岩储气库建库具有一定的参考性,但随着理论与技术的发展,评价体系还有待于进一步改进。