大港地區(qū)板中南儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行壓力界限研究

宋憲強(qiáng)，馬小明，蘇立萍，楊樹(shù)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(guó)石油大港油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,天津 300280)

0 前 言

天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)將長(zhǎng)輸管道輸送來(lái)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(chǔ)存量大、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、經(jīng)久耐用及安全性高的特點(diǎn)[1]，并已經(jīng)成為當(dāng)今世界儲(chǔ)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(chǔ)氣庫(kù)，為京津冀地區(qū)的社會(huì)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(lèi)型多、封堵強(qiáng)度差異大，對(duì)氣庫(kù)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(shí)，毛細(xì)管壓力過(guò)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(guò)毛細(xì)管進(jìn)行滲漏散失。因此，油氣只能通過(guò)蓋層的破裂來(lái)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(duì)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(dòng)，從而使油氣沿?cái)鄬由⑹6]。由于儲(chǔ)氣庫(kù)高低壓往復(fù)變化、多周期強(qiáng)注強(qiáng)采，且氣體通過(guò)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(dòng)，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(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行壓力上限。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

板中南儲(chǔ)氣庫(kù)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(dòng)和改造的結(jié)果，具有斷裂活動(dòng)多期疊加，斷裂復(fù)雜的特點(diǎn)[8]。板中南儲(chǔ)氣庫(kù)位于大張坨斷層上盤(pán)，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(duì)氣庫(kù)起到良好的封閉作用。

2 蓋層水力封閉能力評(píng)價(jià)

2.1 蓋層水力封閉評(píng)價(jià)機(jī)理

圖1 板中南儲(chǔ)氣庫(kù)板2-1～2-4小層最大注氣面積平面分布

1987年Watts對(duì)蓋層水力封閉的機(jī)理及封閉能力的理論計(jì)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(guò)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(shí)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(jì)算出不同深度下蓋層封閉的烴柱高度?；谠撛恚岢隽嗽u(píng)價(jià)蓋層水力封閉的評(píng)價(jià)方法：水平最小主應(yīng)力與孔隙流體壓力之差越大說(shuō)明蓋層封閉能力越強(qiáng)，若其小于零，則說(shuō)明蓋層具有極大的破裂風(fēng)險(xiǎn)(圖2)。把與水平最小主應(yīng)力相等時(shí)的孔隙流體壓力作為水力封閉閾值壓力。

2.2 板中南儲(chǔ)氣庫(kù)蓋層水力封閉能力定量評(píng)價(jià)

圖2 蓋層水力封閉莫爾圓

應(yīng)用庫(kù)5-9井的地應(yīng)力測(cè)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(jiàn)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(chǔ)氣庫(kù)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(shí)，蓋層具有極大的破裂風(fēng)險(xiǎn)。

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(píng)價(jià)

3.1 斷層穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)原理

斷層穩(wěn)定性即斷層再活動(dòng)的趨勢(shì)強(qiáng)弱，隨斷層邊部?jī)?chǔ)層內(nèi)的注入量增加，壓力逐漸增大，斷層承受的應(yīng)力場(chǎng)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(guò)斷層的應(yīng)力莫爾圓與斷層破裂包絡(luò)線(xiàn)的關(guān)系可以看出(圖4)，流體壓力和差應(yīng)力的增加都會(huì)引起莫爾圓的變化，當(dāng)流體壓力增加時(shí)，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(diǎn)與破裂包絡(luò)線(xiàn)相切時(shí)就會(huì)發(fā)生破裂，移動(dòng)的水平距離即為斷層再活動(dòng)所需附加流體壓力的大小(△P)。活化壓力(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(dòng)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(chǔ)氣庫(kù)斷層穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)

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(cè)井求得垂向地應(yīng)力，根據(jù)此原理，統(tǒng)計(jì)了儲(chǔ)氣庫(kù)密度測(cè)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(guò)地應(yīng)力測(cè)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(guò)對(duì)原始?xì)獠夭煌疃鹊貙恿黧w壓力的統(tǒng)計(jì)，得出了流體壓力隨深度的變化特征，見(jiàn)式(6)，并對(duì)目的層位巖石進(jìn)行三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得得巖石破裂包絡(luò)線(xiàn)(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(píng)價(jià)方法，對(duì)研究深度范圍內(nèi)斷層穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算。最終確定板中南儲(chǔ)氣庫(kù)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(xiàn)圖

圖6 板中南儲(chǔ)氣庫(kù)控圈斷層活化壓力分布

4 板中南儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行壓力界限確定

綜合分析板中南儲(chǔ)氣庫(kù)的蓋層封閉能力和斷層封閉能力，確定其運(yùn)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(dòng)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(guò)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(dòng)。因此，在確定運(yùn)行壓力上限時(shí)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(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行壓力上限為32.03 Mpa(圖7)。

5 結(jié) 論

1)由于儲(chǔ)氣庫(kù)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(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)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(cè)井?dāng)?shù)據(jù)確定板中南儲(chǔ)氣庫(kù)蓋層水力封閉閾值壓力為35.8 Mpa。

圖7 板中南儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行壓力上限確定

3)根據(jù)斷層穩(wěn)定性原理及評(píng)價(jià)方法，最終確定板中南儲(chǔ)氣庫(kù)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(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行壓力上限為32.03 Mpa。