枯竭气藏改建储气库盖层封闭能力综合评价——以川西北中坝气田须二气藏为例

刘 林 桑 琴 曹 建 张楚越 王旭丽 邓茜雯

（1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2.中国石油西南油气田公司川西北气矿，四川 江油 621709）

0 引 言

地下储气库是将天然气重新注入枯竭油气藏、含水层、盐穴及废弃矿坑等天然或人工的地下构造中而形成的一种人工气田或气藏［1］。目前全国建成储气库约30 座，其中大部分都是由枯竭油气藏改建而成，对库址要求高［2］。中坝气田位于川西北部，由于其地理位置优越、气质纯（不含H2S）、储量规模大、采出程度高（约75%）、埋深适中等优势，适宜改建枯竭型地下储气库。在建库前期工作中，盖层封闭性是建库可行性论证的重要指标。

前人对盖层封闭性评价做了大量研究：王彬等［3］利用压汞法获取盖层岩排驱压力，研究新疆H 储气库盖层毛管压力封闭能力；沈群等［4］以盖储排替压力差为主要微观特征对盖层封闭能力的时间有效性进行评价；舒萍等［5］对实测突破压力与纵波时差进行分析，建立储气库盖层突破压力计算模型，实现盖层封闭能力的定量评价。这些评价参数为常用的几种单一指标或联合指标，存在一定局限性。储气库建设实践表明，对于储气库大流量强注强采的特殊工况，盖层泥岩段厚度及连续性、岩石弹塑性变形及突破压力等均是影响封闭能力的重要因素［6-9］。

本文基于盖层宏观特征和微观封闭机理2 方面，综合盖层岩性、泥岩厚度、储层物性、排替压力、突破压力及盖层脆性等评价因素，提出一种改进的盖层封闭性综合评价方法，建立基于层次分析法确定权重系数的模糊综合评判模型。将该方法应用于中坝气田须三（T3x3）盖层，优选出满足建库封闭性要求的区域，支撑中坝气田改建储气库地质可行性评价工作，可对国内其他枯竭型气藏改建地下储气库的封闭性评价研究起到参考作用。

1 区域地质概况

中坝气田区域构造位于四川盆地西北角龙门山前带，跨龙门山-大巴山台缘凹陷南缘及川北古中凹陷低缓构造区九龙山至中坝构造群［10］（图1（a））。测区为一受断层控制的潜伏背斜，被双河口断层、江油断层和彰明断层切割遮挡，并逐渐向南西方向自然倾伏，3 条逆断层延伸长、构造规模大且封闭性良好，对气藏边水水域和天然气的聚集分布范围具有控制作用。气田上三叠统须家河组一般可划分6 段，须家河组顶部遭剥蚀，残存须一段（T3x1）—须四段（T3x4），构造主体须一—须三地层较完整（图1（b））。由于川西地区上三叠统须家河组本身受多起构造运动以及板块挤压，须二气藏储层物性差，属于低孔渗的致密砂岩储层。

图1 研究区构造位置及地层系统Fig.1 Structural location and strata system of studied area

2 盖层宏观特征

盖层封闭能力宏观上主要受控于盖层厚度、岩性、平面展布等因素的影响。

2.1 岩性

岩性是划分盖层与储集层的关键条件。须家河组上覆的侏罗系泥岩发育，为1 套稳定的区域盖层，从盖层岩性来看，自流井组及沙溪庙组以泥岩为主，属于湖相沉积，是有效的区域盖层。须二气藏的直接盖层为须三段，属于滨浅湖沉积体系，须三中上部主要发育分流河道及河口坝微相，岩性主要为石英砂岩及岩屑砂岩。须三段下部主要是暗色泥质岩及砂泥岩互层，录井显示岩性主要为泥岩夹薄层细砂岩、石英砂岩及粉砂岩；取心观察岩性以滨浅湖、三角洲前缘相的致密泥质粉砂岩、含泥细砂岩为主；测井资料显示岩性为厚层泥岩夹薄层细砂岩，且须三段下部盖层岩泥质含量较高，分布稳定。

2.2 厚度

泥岩厚度是盖层宏观发育特征的直观表现参数。盖层厚度越大，分布越连续，空间展布面积越大，封闭油气能力越强，有利于油气藏聚集和保存。须三段泥岩厚度大（图2），表明该区域沉积环境稳定，泥岩被断裂破坏的可能性小［11］。钻录井、测井及地震资料综合显示，须二气藏的区域盖层为侏罗系自流井组及沙溪庙组，地层厚度990～1 720 m，区内分布稳定。作为气藏直接盖层的须三段部分区域遭受剥蚀，最北端中坝15 井区剥蚀至须一段，中坝5 和中坝26 井区剥蚀至须二段，但主体构造须三段地层较为完整。构造主体区域须三段残存厚度为234～638 m，泥岩累计厚度60～160 m，均值为137 m。基于前人研究的盖层宏观封闭能力等级评判标准，直接盖层厚度为10～20 m时，被认定为封盖性较好［12］。区块须三段泥岩纵向分布的连井剖面显示（图3），须三段中下部及底部发育3 套大于10 m 连续稳定的泥岩段，累计厚度55.6～115.4 m，有利于气藏保存。

图2 须三段盖层泥岩厚度Fig.2 Mudstone thickness of caprock in Member Xu 3

图3 盖层分布连井剖面Fig.3 Well-tie section of caprock distribution

3 盖层微观特征

3.1 物性

孔隙度与渗透率是评价盖层封闭性的基本参数。一般来说，孔渗越大，物性越好，盖层封闭性越差；反之，则封闭性越好。中坝气田须二段为典型的低孔低渗致密砂岩储层，该区储层有效孔隙下限值为4.8%［13］。对于其上覆盖层是否为非渗透层，除满足岩性、厚度等宏观条件外，应该保证其孔隙度与渗透率比储层更小，孔隙度低于储层下限。对6 口井29 块须三段盖层的岩心样品进行孔渗测试分析，孔隙度为1.0%～7.4%，低于储层有效孔隙度下限4.8%的占72%，平均孔隙度为3.8%；渗透率一般为0.000 1×10-3～0.001×10-3μm2，69%样品的渗透率低于0.1×10-3μm2，绝大部分样品表现为孔渗低、物性较差或特差的特征，部分岩样虽孔隙度大于储层下限，但其渗透率极低。盖层岩石整体物性差，若依据常规盖层孔渗评级标准判别，该区泥岩盖层封闭能力属中等偏上。

3.2 孔隙结构

盖层岩多为水润湿或水饱和，毛细管压力较高，成为油气运移通过盖层的门槛，从而具有封闭一定高度烃柱的能力［14］。须三段盖层埋藏浅且无生烃潜力，不具备超压封闭和烃浓度封闭能力，主要依靠毛细管压力封盖须二气藏。通过压汞实验测试得到毛细管压力参数（表1），该区盖层岩中值压力较高（均值为93.0 MPa）、排替压力（均值为26.4 MPa）较大、中值半径较小（均值为0.01 μm），其中值半径均小于束缚水膜厚度（约0.1 μm），盖层岩孔隙连通性差，以小孔隙居多；其最小润湿相饱和度为9.7%～39.6%，均值为30.4%，该数值较大，表明岩石物性较差，孔隙结构较差；其中中坝72 井、中坝73 井排替压力较低，可能是由于岩样砂岩含量较大而导致。从毛细管压力曲线特征可看出（图4），当压力达到门槛压力时，非润湿相饱和度逐渐增加，而相应压力变化较小，此时汞逐渐进入岩石孔隙，但进液段整体较陡不平滑且位置较高，表明盖层岩石喉道分布不集中，分选较差；且毛细管压力曲线整体靠右上方，表明盖层岩明显细歪度，孔隙喉道大小分布对称性差。综上，盖层岩整体孔隙较小、渗透性差，孔喉连通性差，物性封闭能力较好，利于封盖储层气藏，阻止天然气向上逸散。

图4 盖层岩样毛细管压力Fig.4 Capillary pressure of caprock samples

表1 盖层压汞测试参数Table 1 Mercury injection test parameters of caprock

3.3 剩余压力差

盖层对油气藏的封闭能力是否有效，还取决于气藏的地层剩余压力和上覆盖层的排替压力的相对大小（Δp），若排替压力大于地层剩余压力（Δp＞0），则表明油气向上逸散时所需动力不足，盖层封闭油气能力较强；反之，则油气将会穿过盖层向上运移，以达到动态平衡为止［15］。据生产数据资料显示，目前气藏中部整体压力降至4～7 MPa，南、北区压力约20 MPa。由压汞实验测得盖层排替压力为8～50 MPa，平均值为26.4 MPa。按照高效气藏盖层排替压力不小于20 MPa 的标准，研究区盖层排替压力较高，可作为优质的直接盖层。测试岩样相对应的5 口井的地层剩余压力为5.5～8.7 MPa，均值为6.9 MPa。通过排替压力与中坝气田须二气藏剩余压力对比（图5），岩样具有较高排替压力，其值远大于气藏地层剩余压力，表明须三段盖层具有良好的静态压力封闭能力。

图5 盖层排替压力与储层剩余压力对比Fig.5 Comparison of caprock displacement pressure and reservoir residual pressure

3.4 脆性

岩石力学参数可有效表征岩石在外界应力作用下发生破坏产生裂缝的能力，而脆性是与岩性、岩石力学及孔隙结构等密切相关的综合特性［16］。偏脆的盖层岩在构造应力下容易发生断裂破坏产生裂缝，导致渗透性发生变化，与盖层内泥质岩夹杂的薄砂体组合，易形成连续逸散运移通道，导致天然气穿越盖层垂向运移。中坝气田须三盖层泥质岩含石英砂岩，石英作为脆性矿物，含量变化大，盖层泥质岩脆韧性变形特征不清。对须三盖层岩柱塞样开展单轴压缩力学实验，获得盖层岩石在施加载荷条件下的应力-应变曲线，并计算出岩石静态弹性模量、静态泊松比、单轴抗压强度及脆性指数等力学参数（表2）。岩性不同，其抗压强度、弹性模量、脆性指数之间都存在较大差异，其中页岩及砂质页岩脆性指数较泥岩高。研究区脆性指数为7.0～30.0，均值为16.9，中低脆性岩样最直观特征就是有单一剪切缝，无过多的微裂缝产生。根据单轴抗压强度-峰值应变划分脆性的方法，研究区盖层岩属于低—中度脆性，表明须三段盖层岩塑性较好，不易受构造应力作用破坏，对气藏保存具有一定控制作用。

表2 单轴抗压强度实验基础参数Table 2 Basic parameters of uniaxial compressive strength experiment

3.5 突破压力

作为衡量毛细管封闭能力的尺度，突破压力是反映盖层封闭能力最根本、最直接的评价参数。邓祖佑等［17］通过对大量盖层样品进行突破压力及相关配套测试，总结了中国多个气藏的气柱高度与排替压力的关系，综合多个评价指标，最终选取以突破压力为主要评价参数，认为岩石突破压力越高，则岩样岩性越致密，封闭能力越好，将盖层封闭能力划分6 个等级，对应饱含地层水时岩石的突破压力分别为 3.70、 6.67、 11.40、 17.30、 24.30、30.00 MPa。本文研究选择须三段不同构造位置及盖层下部（靠近须二气藏）的岩样，对岩样进行饱和地层水状态下的突破压力测试（表3）。结果表明：突破压力较大的盖层岩性为泥质粉砂岩，其次为泥质条带发育的砂岩；实测突破压力整体较大，为28.5～48.0 MPa，均值为40.2 MPa；中坝潜伏构造中部的中坝46 井、中坝53 井突破压力较大，均值为46.5 MPa，而位于中坝潜伏构造西南部的中坝73 井突破压力最低，均值为30.0 MPa；总体呈现出气藏主体突破压力较大，而南北较小的趋势。

表3 盖层突破压力测试结果Table 3 Test result of caprock breakthrough pressure

4 盖层封闭能力综合评价

4.1 评价参数权重系数赋予

针对储气库改建对盖层封闭性的要求，结合该区盖层各特征因素对封闭能力的重要程度，确定了宏观评价因素（泥岩厚度及沉积相类型）和微观评价因素（孔隙度、渗透率、剩余压力差、脆性指数及突破压力）等7 个评价因素，构成因素集W=｛w1，w2，w3，w4，w5，w6，w7｝。由于每项评价因素的封闭能力不一，需对其权重系数进行合理分配。而层次分析（AHP）法可将半定性、半定量问题转化为定量问题，利用该方法确定各评价因素的权重系数能较好降低人为主观因素影响。对7 个评价因素两两进行重要性比较，比较时采用相对尺度标准度量，用数字1～9 及其倒数作为标度来构造比较矩阵（表4），再用Matlab 编程计算各评价参数的归一化权重系数，分别为0.08、0.04、0.04、0.04、0.15、0.25、0.40，且计算得到的一致性比率指标为0.039，该值小于0.1，则认为判断矩阵通过一致性检验，说明权重分配合理。

表4 盖层封闭能力综合评价标准Table 4 Comprehensive evaluation criteria of caprock sealing capacity

4.2 模糊综合评价

模糊数学能较好解决难以量化、模糊及非确定性的相关问题，因此被广泛应用于地质评价相关研究［18］。中坝气田须二气藏改建储气库的盖层封闭性优劣是一个多因素的综合问题，应采用模糊综合评判法。首先建立评价集V=｛v1，v2，v3，v4｝，分别代表评价因素优劣等级：好、较好、中等及差。采用离散隶属函数确定单因素评判隶属度值，根据各评价因素隶属度构造模糊关系矩阵（U），再与权重系数矩阵（W）通过加权平均模型进行合成运算，得到综合评判B。为了便于直观分析综合评价指标，令矩阵C=（4，3，2，1），且CT为评价集V的转置矩阵，得到综合评价指标D。其中涉及的运算模型为：

式中：bj——第j种因素合成算子结果；wi——第i种因素权重系数；uij——第i种因素单因素隶属度；j=1，2，…，n；i=1，2，…，m。

通过计算得到盖层岩封闭气藏能力的总权值，规定总权值大于3 为盖层封闭能力好，［2.5，3］为较好，［2，2.5）为中等，小于2 为差（表4）。依据上述评价标准，以实测结果为基础，选取以气藏中部为主，并兼顾气藏南北低渗区的6 口典型井，对须三段泥岩类盖层的封闭能力进行综合评价（图6）。

图6 盖层封闭能力总权值Fig.6 Total weight of caprock sealing capacity

区内须三段主要发育封闭能力好及较好的盖层，且主要分布于中坝潜伏构造中部（气田中部）；封闭能力中等的盖层主要分布于研究区的北鞍部地区（中坝50 井以北）以及局部的西南部区域；气田西南部区域（中坝73 井以南）则发育少量封闭能力较差的盖层。结合生产资料，中坝潜伏构造中部动态储量占总69.3%，累产气量占70.1%，其中累产气较高的中坝9 井、中坝31 井、中坝53 井及中坝44 井正处于封闭能力好的盖层区域内，与封闭能力评价结果相匹配。此外，对于泥质岩盖层封闭能力评价，前人提出封闭规模的工业气流的盖层其封闭能力应为较好及以上，表明中坝气田虽历经近40 a 生产开发，但其封盖能力依旧较好，能够封闭规模的工业气流，且满足改建枯竭型储气库的封闭性要求。

5 结 论

（1）中坝气田须家河组三段属滨浅湖沉积体系，发育泥质岩类盖层，其岩性为泥岩夹薄层细砂岩、石英砂岩及粉砂岩；泥岩累计厚度大（均值137 m）；须三段中下部及底部发育三套大于10 m的稳定泥岩段，累计厚度55.6～115.4 m，盖层宏观展布及发育较好。

（2）须三泥质岩盖层物性较差，中值半径较小（均值0.01 μm），排替压力大（均值26.4 MPa），且盖层排替压力远大于气藏剩余压力，具有较好的毛细管压力封闭能力；盖层岩呈低脆性—中度脆性，塑性较好，不易形成裂缝，利于储气库注气封存；突破压力较高（均值为40.2 MPa），能有效防止储层天然气突破盖层向上逸散。

（3）气田须三段盖层整体封闭能力较好，主要在气田中部发育封闭能力好及较好盖层，满足改建枯竭型地下储气库的要求，建议建库区域选择以气藏中部为主，北至中坝50 井，南至中坝80 井。