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

2016年1月第13卷第32期（石油）

Journal of Yangtze University (Natural Science Edition) Nov. 2016, Vol. 13 No. 32

长江大学学报（自科版）

[引著格式]孟样杰，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.

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

(中石油华北油田分公司勘探幵发研究院，河北任丘062552)

刘团辉，林建品

张辉(中石油华北油田分公司，河北任丘062552)

陈® (中石油华北油田分公司勘探幵发研究院，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)

[摘要]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。

[关键词]含水层；地下储气库；盖层；封闭能力；评价模型

[中图分类号]TE122. 2

[文献标志码]A

[文章编号]1673 1409 (2016) 32 0032 08

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,]。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,]。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

[收稿

B期]

2016 04 12

jy

[基金顷目]中国石油天然气集团公司重大专顶（2015E-4002)。

[作者简介]孟样杰（19 -)，男，硕士，助理工程师，从事天然气幵发及储气库建设方面的研究工作，y

com.

_nix;j(@petrochi-

第13卷第32期

孟祥杰等：含水层构造改建地下储气库盖层封闭能力评价研究

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74km2，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[]。

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[]。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。

(a) 2272.0m，深灰色泥岩岩心照片(b) 2292.50m，紫红色泥岩岩心照片(c) 2316.6m，含粉砂泥岩岩心薄片，单偏光

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%。

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

• 34 •石油天然气地质206年1月

电阻率

取/(*)

深度

nm

沉积相

实测物性

心置

相

1

孔隙度

/%0 25

渗透率

/m

0

150位

/mD

/MPa

0 50

突破

压力

1〇-5 1

2280-

寸

2300-

曲z

流(N河

(N e(N~ oz

洪泛平原

2320-

图2 大5-1C井石千峰组盖层柱状图

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[]。在 大5-C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

矿物种类石英钾长石斜长石方解石菱铁矿赤铁矿

黏土矿物

体积分数/%24~590〜6丄〜丄丄0〜60〜60〜622〜7丄

平均值/%38. 383. 635. 8丄0. 940.88

丄.丄349. 25

样品数/个

16161616161616

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

矿物种类高岭石绿泥石伊利石蒙脱石伊蒙混层

体积分数/ %

2~420〜丄2丄〜90~940~92

平均值/%22. 52.943.7525.9444.88

样品数/个

1616161616

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[0]。

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。

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孟祥杰等：含水层构造改建地下储气库盖层封闭能力评价研究

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 X 10 5〜3. 75X10 imD,平均为1.0X10 3mD (小于1.0X10 3mD的样品占73%), 水平向渗透率均小于1.0X10 2mD，平均为1.7X10 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[]。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[]。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、纵向连通性及注人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

编号丄2

测试类型射孔射孔

测试层段/m2307—23 丄 32259. 4~2262 6

大5区二叠系石千峰组盖层地层测试数据表

工作制度

测液面丄474. 2:〜丄4n

m

曰产水/m30.0060.026

测试结果水层水层

，24h 升 3. 2m

测液面丄47丄〜丄458m，24h 升丄3m

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-C井储 层^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人压力计监测 压力变化，评价盖层垂向封闭能力。

对^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

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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3

大5-1C井垂向干扰试井示意图

500 1000 1500

2000 2500

时间

()大5-1井砂组（激动层）

aCm

/h

30003500 4000

()大5_1井

22800

bCI砂组（反应层）

22600

22400

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

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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

评价参数

沉积环境岩石岩性泥质体积分数/%直接盖层单层厚度/m累计盖层厚度/m孔隙度/%渗透率/mD裂隙发育情况

优

海陆盆相盐膏岩、膏泥岩>75>20>100<2. 5<0. 001裂隙不发育

角洲前缘相钙质泥岩、泥岩50~7510 〜2070~1002. 5~50. 001 〜0. 01裂隙少量发育

含水层构造改建储气库盖层评价标准

等级划分

良

中

洲分流平原相

砂质泥岩、泥质粉砂岩25~502. 5〜1020~705〜80. 01 〜0. 1

泥质砂岩、致密灰岩<25<2. 5<20>8>0. 1

差

半深深湖相、盆地相、广 台地相、滨浅湖相、三 台地边缘、滨岸相、三角 河流相、冲积扇相

裂隙有一定的发育，未形 裂隙发育，存在贯通性的

裂隙成贯通性裂隙10〜5

号，但信号弱，延时短

<5

号，信号强，几乎无延时

排替压力/MPa干扰试井结果

>15号

15 〜10

号，但信号极弱，延时长

反应层未检测到激动层信 反应层检测到激动层信 反应层检测到激动层信 反应层检测到激动层信

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

取值135792， 4， 6, 8

表5因素相对重要程度分类标准

说明

比较，两者对目标的贡献相等

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)

AAAA

,与心比较，前者比后者稍微有利,与八;比较，前者比后者更有利

,与八;比较，前者比后者有利，且优势明显,与八;比较，前者比后者绝对有利

重要程度分别介于两相邻的值之间

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Ci?<0.1时 (式（）），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]。

A1A 2AnA 12A22

…An _

(1)

… An…AnnA n2,)1.

(nA

(7=1

2，…，n)(2)

• 38 •石油天然气地质2016年11月

(z = 1 , 2 ,n)(3)

(A…

A,

CRA

1RI()式中：A为判别矩阵；Ai;为要素尔与要素A;重要性比较结果；^为矩阵A各行各个元素乘积的n次

方根；叫为矩阵队归一化处理后的矩阵；⑴为特征权向量；Almlx为最大特征值；CR为随机一致性检验 指标；RJ为随机一致性指标，当n为1〜10时，RI取值分别为0, 0, 0.58, 0.90, 1.12, 1.24,1. 32, 1. 41 , 1. 45, 1. 49。

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：

1 1/31/41/73

1

1/21/511/33 4

12

1/81/61/41/211/51113

1/21245 19879

1/81/81/21/311/911/21/2

1/61/31/21/211/82147

1/51/41/31/211/721/41

1/91/81/61/71/31/91/21/71/5

(5)

42 7 8

^盖层质量

5 6 1 8 3 4 8

2 8 6 5 9

1/2 1/42 2 3 6

3227

干扰试井结果”最低为“沉积环境”大小分别为0.3304和 经计算，10项参数的权重值最高为“

0.0155。各项参数的权重值大小见图5。CR=0. 0557C0. 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

33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^,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：

10

M• m (6)

i 1

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

= ,)〇, =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、

第13卷第32期

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10、4、8、6、1()、：1()。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

参数综合值M

9〜10 8〜9 6〜8 <6

含水层构造改建地下储气库盖层评价模型

应对措施与建议

盖层密封能力好、安全性高，很适宜建库

盖层条件比较适宜建库，但需在运营期加强储气库密封性监测

盖层条件基本适于改建地下储气库，建议开展探测性注气试验监测密封性盖层条件差，不适于改建地下储气库

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

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) 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。

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

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