宋憲強(qiáng)，馬小明，蘇立萍，楊樹合

(1. 東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,黑龍江 大慶 163318； 2. 中國石油大港油田公司勘探開發(fā)研究院,天津 300280)

0 前 言

天然氣地下儲氣庫將長輸管道輸送來的天然氣重新注入地下空間而形成的一種人工氣藏，具備儲存量大、機(jī)動性強(qiáng)、經(jīng)久耐用及安全性高的特點[1]，并已經(jīng)成為當(dāng)今世界儲存天然氣的最主要方式[2-3]。大港油田所屬板橋油氣田已建成7座儲氣庫，為京津冀地區(qū)的社會發(fā)展與經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了天然氣保障。由于大港油田屬歧口凹陷復(fù)雜斷陷區(qū)，斷層類型多、封堵強(qiáng)度差異大，對氣庫蓋層和斷層的封閉強(qiáng)度要求極高。1987年Watts提出了蓋層毛細(xì)管封閉機(jī)理和水力封閉機(jī)理[4]。當(dāng)蓋層極為致密、滲透率極低時，毛細(xì)管壓力過大，毛細(xì)管所能封閉的烴柱高度遠(yuǎn)大于最大可能封閉的烴柱高度，使得油氣不能通過毛細(xì)管進(jìn)行滲漏散失。因此，油氣只能通過蓋層的破裂來進(jìn)行滲漏，這種由于孔隙流體壓力增加而導(dǎo)致的巖石脆性破裂作用為水力破裂[5]。對于斷層而言，穩(wěn)定斷層封閉機(jī)理本質(zhì)是斷裂帶與圍巖之間的差異滲透能力，即毛細(xì)管封閉。而當(dāng)流體不斷向穩(wěn)定的斷層中充注，斷層內(nèi)的孔隙流體壓力逐漸增加，導(dǎo)致斷層內(nèi)巖石所受的有效應(yīng)力降低而發(fā)生破裂，使得斷層發(fā)生再活動，從而使油氣沿斷層散失[6]。由于儲氣庫高低壓往復(fù)變化、多周期強(qiáng)注強(qiáng)采，且氣體通過毛細(xì)管滲漏較緩慢，在高壓條件下更易發(fā)生水力破裂和斷層再活動，因此本論文著重探討蓋層的水力封閉和斷層的穩(wěn)定性，從而確定儲氣庫的運行壓力上限。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

板中南儲氣庫位于渤海灣盆地歧口凹陷中北部，歧口凹陷屬于復(fù)雜斷陷區(qū)，先后大體經(jīng)歷了古近紀(jì)多期斷陷和新近紀(jì)—第四紀(jì)坳陷等構(gòu)造演化階段，并發(fā)生前期構(gòu)造格局改造和沉積中心遷移等[7]?，F(xiàn)今構(gòu)造格局為經(jīng)歷了多期、復(fù)雜的構(gòu)造變動和改造的結(jié)果，具有斷裂活動多期疊加，斷裂復(fù)雜的特點[8]。板中南儲氣庫位于大張坨斷層上盤，斷層控圈部分?jǐn)嗑嘟橛?60～510 m之間(圖1)。含氣目的層段為第三系沙一段板2-1～2-4小層，巖性為灰白色砂巖與灰色、深灰色泥巖互層，以細(xì)、粉砂巖為主；埋深2 580～2 785 m，其上覆區(qū)域性蓋層為厚度200～500 m的大段深灰色泥巖，分布范圍大，能對氣庫起到良好的封閉作用。

2 蓋層水力封閉能力評價

2.1 蓋層水力封閉評價機(jī)理

圖1 板中南儲氣庫板2-1～2-4小層最大注氣面積平面分布

1987年Watts對蓋層水力封閉的機(jī)理及封閉能力的理論計算方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，認(rèn)為水力封閉的蓋層具有較高的毛細(xì)管封閉能力，隨著地層壓力的逐漸增加，流體難以通過毛細(xì)管滲漏方式有效地卸載孔隙流體壓力，致使蓋層所受有效應(yīng)力逐漸降低，并最終發(fā)生水力破裂形成微裂縫[4,9]。蓋層的水力封閉閾值壓力(臨界壓力)為蓋層所受最小水平主應(yīng)力和巖石抗張強(qiáng)度之和[4]。但由于埋深原因，水平最小主應(yīng)力往往較巖石的抗張強(qiáng)度高十幾甚至幾十倍，同時考慮泥巖抗張強(qiáng)度在平面上分布的不均一性，常忽略巖石抗張強(qiáng)度，將泥巖蓋層水力封閉閾值壓力保守估算為水平最小主應(yīng)力，據(jù)此進(jìn)一步計算出不同深度下蓋層封閉的烴柱高度?；谠撛?，提出了評價蓋層水力封閉的評價方法：水平最小主應(yīng)力與孔隙流體壓力之差越大說明蓋層封閉能力越強(qiáng)，若其小于零，則說明蓋層具有極大的破裂風(fēng)險(圖2)。把與水平最小主應(yīng)力相等時的孔隙流體壓力作為水力封閉閾值壓力。

2.2 板中南儲氣庫蓋層水力封閉能力定量評價

圖2 蓋層水力封閉莫爾圓

應(yīng)用庫5-9井的地應(yīng)力測井結(jié)果，擬合了最小水平主應(yīng)力隨深度變化的定量關(guān)系(圖3)見式(1)，據(jù)此可表示蓋層的水力封閉閾值壓力隨深度變化的定量關(guān)系。板中南儲氣庫蓋層埋藏深度為2 580～2 785 m，將此深度數(shù)值代入式(1)中，得出蓋層水力封閉壓力區(qū)間為35.8～39.2 Mpa，并確定蓋層水力封閉閾值壓力為35.8 Mpa，當(dāng)?shù)貙涌紫读黧w壓力高于此值時，蓋層具有極大的破裂風(fēng)險。

圖3 蓋層水力封閉閾值壓力隨深度變化

Pc=0.0167·D-7.33

(1)

式中，Pc——蓋層水力封閉閾值壓力/MPa；D——埋深，m。

3 斷層穩(wěn)定性定量評價

3.1 斷層穩(wěn)定性定量評價原理

斷層穩(wěn)定性即斷層再活動的趨勢強(qiáng)弱，隨斷層邊部儲層內(nèi)的注入量增加，壓力逐漸增大，斷層承受的應(yīng)力場特征發(fā)生改變，有效應(yīng)力(σ′)逐漸降低，并逼近斷層活化壓力臨界值[10-11]。通過斷層的應(yīng)力莫爾圓與斷層破裂包絡(luò)線的關(guān)系可以看出(圖4)，流體壓力和差應(yīng)力的增加都會引起莫爾圓的變化，當(dāng)流體壓力增加時，有效主應(yīng)力等幅度減小，在莫爾圓上表現(xiàn)為逐漸左移，當(dāng)代表斷層面的點與破裂包絡(luò)線相切時就會發(fā)生破裂，移動的水平距離即為斷層再活動所需附加流體壓力的大小(△P)?；罨瘔毫?PR)為初始地應(yīng)力狀態(tài)下斷層發(fā)生活化所需總流體壓力的大小，即某一深度下靜水壓力與斷層再活動所需附加流體壓力之和(式2)。

圖4 斷層穩(wěn)定性原理示意圖

PR=ρwgh+△P

(2)

式中，PR——斷層活化壓力，MPa；ρw——地層水密度，kg/m3；h——埋深，m；△P——附加流體壓力。

3.2 板中南儲氣庫斷層穩(wěn)定性定量評價

瑞士地質(zhì)學(xué)家Heim認(rèn)為垂向地應(yīng)力是由上覆地層重力引起的，它是隨著地層密度和深度而變化的，因此可用密度測井求得垂向地應(yīng)力，根據(jù)此原理，統(tǒng)計了儲氣庫密度測井資料擬合出垂向主應(yīng)力隨深度變化的關(guān)系式(3)。通過地應(yīng)力測井可以獲得研究區(qū)水平主應(yīng)力大小隨深度變化的關(guān)系式(4、5)。通過對原始?xì)獠夭煌疃鹊貙恿黧w壓力的統(tǒng)計，得出了流體壓力隨深度的變化特征，見式(6)，并對目的層位巖石進(jìn)行三軸力學(xué)實驗獲得得巖石破裂包絡(luò)線(圖5)，結(jié)合斷層面和層位地震數(shù)據(jù)體，進(jìn)行斷層穩(wěn)定性地質(zhì)力學(xué)建模。根據(jù)斷層穩(wěn)定性原理及評價方法，對研究深度范圍內(nèi)斷層穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計算。最終確定板中南儲氣庫控圈斷層活化所需附加流體壓力為4.24 Mpa，活化壓力為32.03 Mpa(圖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為重向主應(yīng)力，MPa；σ2為水平最大主應(yīng)力，MPa；σ3為水平最小主應(yīng)力，MPa；h為埋藏深度，m；PW為流體壓力。

圖5 泥巖抗剪包絡(luò)線圖

圖6 板中南儲氣庫控圈斷層活化壓力分布

4 板中南儲氣庫運行壓力界限確定

綜合分析板中南儲氣庫的蓋層封閉能力和斷層封閉能力，確定其運行壓力界限。蓋層封閉能力分為物性封閉和水力封閉，斷層封閉能力則受靜態(tài)的斷層封閉性和動態(tài)的斷層穩(wěn)定性共同制約。但由于氣體依靠毛細(xì)管作為通道通過蓋層和穩(wěn)定的斷層，進(jìn)行的較緩慢，難以快速有效地卸載孔隙流體壓力，從而使蓋層更易于發(fā)生水力破裂和斷層再活動。因此，在確定運行壓力上限時僅需要考慮蓋層水力封閉能力和斷層穩(wěn)定性。綜合兩者的封閉上限，可以確定板中南儲氣庫運行壓力上限為32.03 Mpa(圖7)。

5 結(jié) 論

1)由于儲氣庫高低壓往復(fù)變化、多周期強(qiáng)注強(qiáng)采的特性，導(dǎo)致蓋層水力封閉能力和斷層穩(wěn)定性直接決定了儲氣庫運行壓力上限。

2)蓋層水力封閉閾值壓力可以保守估算為水平最小主應(yīng)力，據(jù)此根據(jù)地用力測井?dāng)?shù)據(jù)確定板中南儲氣庫蓋層水力封閉閾值壓力為35.8 Mpa。

圖7 板中南儲氣庫儲氣庫運行壓力上限確定

3)根據(jù)斷層穩(wěn)定性原理及評價方法，最終確定板中南儲氣庫斷層活化所需附加流體壓力為4.24 Mpa，活化壓力為32.03 Mpa。

4)綜合分析蓋層封閉能力上限和斷層封閉能力上限，板中南儲氣庫運行壓力上限為32.03 Mpa。