劉 林 桑 琴 曹 建 張楚越 王旭麗 鄧茜雯

（1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川 江油 621709）

0 引 言

地下儲(chǔ)氣庫是將天然氣重新注入枯竭油氣藏、含水層、鹽穴及廢棄礦坑等天然或人工的地下構(gòu)造中而形成的一種人工氣田或氣藏［1］。目前全國建成儲(chǔ)氣庫約30 座，其中大部分都是由枯竭油氣藏改建而成，對(duì)庫址要求高［2］。中壩氣田位于川西北部，由于其地理位置優(yōu)越、氣質(zhì)純（不含H2S）、儲(chǔ)量規(guī)模大、采出程度高（約75%）、埋深適中等優(yōu)勢，適宜改建枯竭型地下儲(chǔ)氣庫。在建庫前期工作中，蓋層封閉性是建庫可行性論證的重要指標(biāo)。

前人對(duì)蓋層封閉性評(píng)價(jià)做了大量研究：王彬等［3］利用壓汞法獲取蓋層巖排驅(qū)壓力，研究新疆H 儲(chǔ)氣庫蓋層毛管壓力封閉能力；沈群等［4］以蓋儲(chǔ)排替壓力差為主要微觀特征對(duì)蓋層封閉能力的時(shí)間有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)；舒萍等［5］對(duì)實(shí)測突破壓力與縱波時(shí)差進(jìn)行分析，建立儲(chǔ)氣庫蓋層突破壓力計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)蓋層封閉能力的定量評(píng)價(jià)。這些評(píng)價(jià)參數(shù)為常用的幾種單一指標(biāo)或聯(lián)合指標(biāo)，存在一定局限性。儲(chǔ)氣庫建設(shè)實(shí)踐表明，對(duì)于儲(chǔ)氣庫大流量強(qiáng)注強(qiáng)采的特殊工況，蓋層泥巖段厚度及連續(xù)性、巖石彈塑性變形及突破壓力等均是影響封閉能力的重要因素［6-9］。

本文基于蓋層宏觀特征和微觀封閉機(jī)理2 方面，綜合蓋層巖性、泥巖厚度、儲(chǔ)層物性、排替壓力、突破壓力及蓋層脆性等評(píng)價(jià)因素，提出一種改進(jìn)的蓋層封閉性綜合評(píng)價(jià)方法，建立基于層次分析法確定權(quán)重系數(shù)的模糊綜合評(píng)判模型。將該方法應(yīng)用于中壩氣田須三（T3x3）蓋層，優(yōu)選出滿足建庫封閉性要求的區(qū)域，支撐中壩氣田改建儲(chǔ)氣庫地質(zhì)可行性評(píng)價(jià)工作，可對(duì)國內(nèi)其他枯竭型氣藏改建地下儲(chǔ)氣庫的封閉性評(píng)價(jià)研究起到參考作用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

中壩氣田區(qū)域構(gòu)造位于四川盆地西北角龍門山前帶，跨龍門山-大巴山臺(tái)緣凹陷南緣及川北古中凹陷低緩構(gòu)造區(qū)九龍山至中壩構(gòu)造群［10］（圖1（a））。測區(qū)為一受斷層控制的潛伏背斜，被雙河口斷層、江油斷層和彰明斷層切割遮擋，并逐漸向南西方向自然傾伏，3 條逆斷層延伸長、構(gòu)造規(guī)模大且封閉性良好，對(duì)氣藏邊水水域和天然氣的聚集分布范圍具有控制作用。氣田上三疊統(tǒng)須家河組一般可劃分6 段，須家河組頂部遭剝蝕，殘存須一段（T3x1）—須四段（T3x4），構(gòu)造主體須一—須三地層較完整（圖1（b））。由于川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組本身受多起構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及板塊擠壓，須二氣藏儲(chǔ)層物性差，屬于低孔滲的致密砂巖儲(chǔ)層。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置及地層系統(tǒng)Fig.1 Structural location and strata system of studied area

2 蓋層宏觀特征

蓋層封閉能力宏觀上主要受控于蓋層厚度、巖性、平面展布等因素的影響。

2.1 巖性

巖性是劃分蓋層與儲(chǔ)集層的關(guān)鍵條件。須家河組上覆的侏羅系泥巖發(fā)育，為1 套穩(wěn)定的區(qū)域蓋層，從蓋層巖性來看，自流井組及沙溪廟組以泥巖為主，屬于湖相沉積，是有效的區(qū)域蓋層。須二氣藏的直接蓋層為須三段，屬于濱淺湖沉積體系，須三中上部主要發(fā)育分流河道及河口壩微相，巖性主要為石英砂巖及巖屑砂巖。須三段下部主要是暗色泥質(zhì)巖及砂泥巖互層，錄井顯示巖性主要為泥巖夾薄層細(xì)砂巖、石英砂巖及粉砂巖；取心觀察巖性以濱淺湖、三角洲前緣相的致密泥質(zhì)粉砂巖、含泥細(xì)砂巖為主；測井資料顯示巖性為厚層泥巖夾薄層細(xì)砂巖，且須三段下部蓋層巖泥質(zhì)含量較高，分布穩(wěn)定。

2.2 厚度

泥巖厚度是蓋層宏觀發(fā)育特征的直觀表現(xiàn)參數(shù)。蓋層厚度越大，分布越連續(xù)，空間展布面積越大，封閉油氣能力越強(qiáng)，有利于油氣藏聚集和保存。須三段泥巖厚度大（圖2），表明該區(qū)域沉積環(huán)境穩(wěn)定，泥巖被斷裂破壞的可能性?。?1］。鉆錄井、測井及地震資料綜合顯示，須二氣藏的區(qū)域蓋層為侏羅系自流井組及沙溪廟組，地層厚度990～1 720 m，區(qū)內(nèi)分布穩(wěn)定。作為氣藏直接蓋層的須三段部分區(qū)域遭受剝蝕，最北端中壩15 井區(qū)剝蝕至須一段，中壩5 和中壩26 井區(qū)剝蝕至須二段，但主體構(gòu)造須三段地層較為完整。構(gòu)造主體區(qū)域須三段殘存厚度為234～638 m，泥巖累計(jì)厚度60～160 m，均值為137 m。基于前人研究的蓋層宏觀封閉能力等級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，直接蓋層厚度為10～20 m時(shí)，被認(rèn)定為封蓋性較好［12］。區(qū)塊須三段泥巖縱向分布的連井剖面顯示（圖3），須三段中下部及底部發(fā)育3 套大于10 m 連續(xù)穩(wěn)定的泥巖段，累計(jì)厚度55.6～115.4 m，有利于氣藏保存。

圖2 須三段蓋層泥巖厚度Fig.2 Mudstone thickness of caprock in Member Xu 3

圖3 蓋層分布連井剖面Fig.3 Well-tie section of caprock distribution

3 蓋層微觀特征

3.1 物性

孔隙度與滲透率是評(píng)價(jià)蓋層封閉性的基本參數(shù)。一般來說，孔滲越大，物性越好，蓋層封閉性越差；反之，則封閉性越好。中壩氣田須二段為典型的低孔低滲致密砂巖儲(chǔ)層，該區(qū)儲(chǔ)層有效孔隙下限值為4.8%［13］。對(duì)于其上覆蓋層是否為非滲透層，除滿足巖性、厚度等宏觀條件外，應(yīng)該保證其孔隙度與滲透率比儲(chǔ)層更小，孔隙度低于儲(chǔ)層下限。對(duì)6 口井29 塊須三段蓋層的巖心樣品進(jìn)行孔滲測試分析，孔隙度為1.0%～7.4%，低于儲(chǔ)層有效孔隙度下限4.8%的占72%，平均孔隙度為3.8%；滲透率一般為0.000 1×10-3～0.001×10-3μm2，69%樣品的滲透率低于0.1×10-3μm2，絕大部分樣品表現(xiàn)為孔滲低、物性較差或特差的特征，部分巖樣雖孔隙度大于儲(chǔ)層下限，但其滲透率極低。蓋層巖石整體物性差，若依據(jù)常規(guī)蓋層孔滲評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)判別，該區(qū)泥巖蓋層封閉能力屬中等偏上。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)

蓋層巖多為水潤濕或水飽和，毛細(xì)管壓力較高，成為油氣運(yùn)移通過蓋層的門檻，從而具有封閉一定高度烴柱的能力［14］。須三段蓋層埋藏淺且無生烴潛力，不具備超壓封閉和烴濃度封閉能力，主要依靠毛細(xì)管壓力封蓋須二氣藏。通過壓汞實(shí)驗(yàn)測試得到毛細(xì)管壓力參數(shù)（表1），該區(qū)蓋層巖中值壓力較高（均值為93.0 MPa）、排替壓力（均值為26.4 MPa）較大、中值半徑較?。ň禐?.01 μm），其中值半徑均小于束縛水膜厚度（約0.1 μm），蓋層巖孔隙連通性差，以小孔隙居多；其最小潤濕相飽和度為9.7%～39.6%，均值為30.4%，該數(shù)值較大，表明巖石物性較差，孔隙結(jié)構(gòu)較差；其中中壩72 井、中壩73 井排替壓力較低，可能是由于巖樣砂巖含量較大而導(dǎo)致。從毛細(xì)管壓力曲線特征可看出（圖4），當(dāng)壓力達(dá)到門檻壓力時(shí)，非潤濕相飽和度逐漸增加，而相應(yīng)壓力變化較小，此時(shí)汞逐漸進(jìn)入巖石孔隙，但進(jìn)液段整體較陡不平滑且位置較高，表明蓋層巖石喉道分布不集中，分選較差；且毛細(xì)管壓力曲線整體靠右上方，表明蓋層巖明顯細(xì)歪度，孔隙喉道大小分布對(duì)稱性差。綜上，蓋層巖整體孔隙較小、滲透性差，孔喉連通性差，物性封閉能力較好，利于封蓋儲(chǔ)層氣藏，阻止天然氣向上逸散。

圖4 蓋層巖樣毛細(xì)管壓力Fig.4 Capillary pressure of caprock samples

表1 蓋層壓汞測試參數(shù)Table 1 Mercury injection test parameters of caprock

3.3 剩余壓力差

蓋層對(duì)油氣藏的封閉能力是否有效，還取決于氣藏的地層剩余壓力和上覆蓋層的排替壓力的相對(duì)大?。é），若排替壓力大于地層剩余壓力（Δp＞0），則表明油氣向上逸散時(shí)所需動(dòng)力不足，蓋層封閉油氣能力較強(qiáng)；反之，則油氣將會(huì)穿過蓋層向上運(yùn)移，以達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡為止［15］。據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)資料顯示，目前氣藏中部整體壓力降至4～7 MPa，南、北區(qū)壓力約20 MPa。由壓汞實(shí)驗(yàn)測得蓋層排替壓力為8～50 MPa，平均值為26.4 MPa。按照高效氣藏蓋層排替壓力不小于20 MPa 的標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)蓋層排替壓力較高，可作為優(yōu)質(zhì)的直接蓋層。測試巖樣相對(duì)應(yīng)的5 口井的地層剩余壓力為5.5～8.7 MPa，均值為6.9 MPa。通過排替壓力與中壩氣田須二氣藏剩余壓力對(duì)比（圖5），巖樣具有較高排替壓力，其值遠(yuǎn)大于氣藏地層剩余壓力，表明須三段蓋層具有良好的靜態(tài)壓力封閉能力。

圖5 蓋層排替壓力與儲(chǔ)層剩余壓力對(duì)比Fig.5 Comparison of caprock displacement pressure and reservoir residual pressure

3.4 脆性

巖石力學(xué)參數(shù)可有效表征巖石在外界應(yīng)力作用下發(fā)生破壞產(chǎn)生裂縫的能力，而脆性是與巖性、巖石力學(xué)及孔隙結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)的綜合特性［16］。偏脆的蓋層巖在構(gòu)造應(yīng)力下容易發(fā)生斷裂破壞產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致滲透性發(fā)生變化，與蓋層內(nèi)泥質(zhì)巖夾雜的薄砂體組合，易形成連續(xù)逸散運(yùn)移通道，導(dǎo)致天然氣穿越蓋層垂向運(yùn)移。中壩氣田須三蓋層泥質(zhì)巖含石英砂巖，石英作為脆性礦物，含量變化大，蓋層泥質(zhì)巖脆韌性變形特征不清。對(duì)須三蓋層巖柱塞樣開展單軸壓縮力學(xué)實(shí)驗(yàn)，獲得蓋層巖石在施加載荷條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并計(jì)算出巖石靜態(tài)彈性模量、靜態(tài)泊松比、單軸抗壓強(qiáng)度及脆性指數(shù)等力學(xué)參數(shù)（表2）。巖性不同，其抗壓強(qiáng)度、彈性模量、脆性指數(shù)之間都存在較大差異，其中頁巖及砂質(zhì)頁巖脆性指數(shù)較泥巖高。研究區(qū)脆性指數(shù)為7.0～30.0，均值為16.9，中低脆性巖樣最直觀特征就是有單一剪切縫，無過多的微裂縫產(chǎn)生。根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度-峰值應(yīng)變劃分脆性的方法，研究區(qū)蓋層巖屬于低—中度脆性，表明須三段蓋層巖塑性較好，不易受構(gòu)造應(yīng)力作用破壞，對(duì)氣藏保存具有一定控制作用。

表2 單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)參數(shù)Table 2 Basic parameters of uniaxial compressive strength experiment

3.5 突破壓力

作為衡量毛細(xì)管封閉能力的尺度，突破壓力是反映蓋層封閉能力最根本、最直接的評(píng)價(jià)參數(shù)。鄧祖佑等［17］通過對(duì)大量蓋層樣品進(jìn)行突破壓力及相關(guān)配套測試，總結(jié)了中國多個(gè)氣藏的氣柱高度與排替壓力的關(guān)系，綜合多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終選取以突破壓力為主要評(píng)價(jià)參數(shù)，認(rèn)為巖石突破壓力越高，則巖樣巖性越致密，封閉能力越好，將蓋層封閉能力劃分6 個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)飽含地層水時(shí)巖石的突破壓力分別為 3.70、 6.67、 11.40、 17.30、 24.30、30.00 MPa。本文研究選擇須三段不同構(gòu)造位置及蓋層下部（靠近須二氣藏）的巖樣，對(duì)巖樣進(jìn)行飽和地層水狀態(tài)下的突破壓力測試（表3）。結(jié)果表明：突破壓力較大的蓋層巖性為泥質(zhì)粉砂巖，其次為泥質(zhì)條帶發(fā)育的砂巖；實(shí)測突破壓力整體較大，為28.5～48.0 MPa，均值為40.2 MPa；中壩潛伏構(gòu)造中部的中壩46 井、中壩53 井突破壓力較大，均值為46.5 MPa，而位于中壩潛伏構(gòu)造西南部的中壩73 井突破壓力最低，均值為30.0 MPa；總體呈現(xiàn)出氣藏主體突破壓力較大，而南北較小的趨勢。

表3 蓋層突破壓力測試結(jié)果Table 3 Test result of caprock breakthrough pressure

4 蓋層封閉能力綜合評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)參數(shù)權(quán)重系數(shù)賦予

針對(duì)儲(chǔ)氣庫改建對(duì)蓋層封閉性的要求，結(jié)合該區(qū)蓋層各特征因素對(duì)封閉能力的重要程度，確定了宏觀評(píng)價(jià)因素（泥巖厚度及沉積相類型）和微觀評(píng)價(jià)因素（孔隙度、滲透率、剩余壓力差、脆性指數(shù)及突破壓力）等7 個(gè)評(píng)價(jià)因素，構(gòu)成因素集W=｛w1，w2，w3，w4，w5，w6，w7｝。由于每項(xiàng)評(píng)價(jià)因素的封閉能力不一，需對(duì)其權(quán)重系數(shù)進(jìn)行合理分配。而層次分析（AHP）法可將半定性、半定量問題轉(zhuǎn)化為定量問題，利用該方法確定各評(píng)價(jià)因素的權(quán)重系數(shù)能較好降低人為主觀因素影響。對(duì)7 個(gè)評(píng)價(jià)因素兩兩進(jìn)行重要性比較，比較時(shí)采用相對(duì)尺度標(biāo)準(zhǔn)度量，用數(shù)字1～9 及其倒數(shù)作為標(biāo)度來構(gòu)造比較矩陣（表4），再用Matlab 編程計(jì)算各評(píng)價(jià)參數(shù)的歸一化權(quán)重系數(shù)，分別為0.08、0.04、0.04、0.04、0.15、0.25、0.40，且計(jì)算得到的一致性比率指標(biāo)為0.039，該值小于0.1，則認(rèn)為判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)，說明權(quán)重分配合理。

表4 蓋層封閉能力綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Comprehensive evaluation criteria of caprock sealing capacity

4.2 模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊數(shù)學(xué)能較好解決難以量化、模糊及非確定性的相關(guān)問題，因此被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)評(píng)價(jià)相關(guān)研究［18］。中壩氣田須二氣藏改建儲(chǔ)氣庫的蓋層封閉性優(yōu)劣是一個(gè)多因素的綜合問題，應(yīng)采用模糊綜合評(píng)判法。首先建立評(píng)價(jià)集V=｛v1，v2，v3，v4｝，分別代表評(píng)價(jià)因素優(yōu)劣等級(jí)：好、較好、中等及差。采用離散隸屬函數(shù)確定單因素評(píng)判隸屬度值，根據(jù)各評(píng)價(jià)因素隸屬度構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣（U），再與權(quán)重系數(shù)矩陣（W）通過加權(quán)平均模型進(jìn)行合成運(yùn)算，得到綜合評(píng)判B。為了便于直觀分析綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，令矩陣C=（4，3，2，1），且CT為評(píng)價(jià)集V的轉(zhuǎn)置矩陣，得到綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)D。其中涉及的運(yùn)算模型為：

式中：bj——第j種因素合成算子結(jié)果；wi——第i種因素權(quán)重系數(shù)；uij——第i種因素單因素隸屬度；j=1，2，…，n；i=1，2，…，m。

通過計(jì)算得到蓋層巖封閉氣藏能力的總權(quán)值，規(guī)定總權(quán)值大于3 為蓋層封閉能力好，［2.5，3］為較好，［2，2.5）為中等，小于2 為差（表4）。依據(jù)上述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)測結(jié)果為基礎(chǔ)，選取以氣藏中部為主，并兼顧氣藏南北低滲區(qū)的6 口典型井，對(duì)須三段泥巖類蓋層的封閉能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)（圖6）。

圖6 蓋層封閉能力總權(quán)值Fig.6 Total weight of caprock sealing capacity

區(qū)內(nèi)須三段主要發(fā)育封閉能力好及較好的蓋層，且主要分布于中壩潛伏構(gòu)造中部（氣田中部）；封閉能力中等的蓋層主要分布于研究區(qū)的北鞍部地區(qū)（中壩50 井以北）以及局部的西南部區(qū)域；氣田西南部區(qū)域（中壩73 井以南）則發(fā)育少量封閉能力較差的蓋層。結(jié)合生產(chǎn)資料，中壩潛伏構(gòu)造中部動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量占總69.3%，累產(chǎn)氣量占70.1%，其中累產(chǎn)氣較高的中壩9 井、中壩31 井、中壩53 井及中壩44 井正處于封閉能力好的蓋層區(qū)域內(nèi)，與封閉能力評(píng)價(jià)結(jié)果相匹配。此外，對(duì)于泥質(zhì)巖蓋層封閉能力評(píng)價(jià)，前人提出封閉規(guī)模的工業(yè)氣流的蓋層其封閉能力應(yīng)為較好及以上，表明中壩氣田雖歷經(jīng)近40 a 生產(chǎn)開發(fā)，但其封蓋能力依舊較好，能夠封閉規(guī)模的工業(yè)氣流，且滿足改建枯竭型儲(chǔ)氣庫的封閉性要求。

5 結(jié) 論

（1）中壩氣田須家河組三段屬濱淺湖沉積體系，發(fā)育泥質(zhì)巖類蓋層，其巖性為泥巖夾薄層細(xì)砂巖、石英砂巖及粉砂巖；泥巖累計(jì)厚度大（均值137 m）；須三段中下部及底部發(fā)育三套大于10 m的穩(wěn)定泥巖段，累計(jì)厚度55.6～115.4 m，蓋層宏觀展布及發(fā)育較好。

（2）須三泥質(zhì)巖蓋層物性較差，中值半徑較?。ň?.01 μm），排替壓力大（均值26.4 MPa），且蓋層排替壓力遠(yuǎn)大于氣藏剩余壓力，具有較好的毛細(xì)管壓力封閉能力；蓋層巖呈低脆性—中度脆性，塑性較好，不易形成裂縫，利于儲(chǔ)氣庫注氣封存；突破壓力較高（均值為40.2 MPa），能有效防止儲(chǔ)層天然氣突破蓋層向上逸散。

（3）氣田須三段蓋層整體封閉能力較好，主要在氣田中部發(fā)育封閉能力好及較好蓋層，滿足改建枯竭型地下儲(chǔ)氣庫的要求，建議建庫區(qū)域選擇以氣藏中部為主，北至中壩50 井，南至中壩80 井。