金壇鹽穴儲氣庫微滲層分布規(guī)律及物理特性研究

丁雙龍

中石化川氣東送天然氣管道有限公司

金壇鹽穴儲氣庫是中石化川氣東送天然氣管道的重要配套工程，在建設過程中發(fā)現(xiàn)一個厚度約為0.8 m 的微滲層大范圍存在，微滲層作為一種特殊的地質構造，與常規(guī)建庫地層相比具有強度低、滲透率高等特征，是天然氣泄漏的潛在通道［1］。這給布井、儲氣庫建造和后期運行安全帶來了較大的挑戰(zhàn)，已成為了制約該區(qū)域建庫的主要因素。本文擬對該微滲層分布規(guī)律、微滲層巖心特征、微滲層成分和滲透率等方面進行研究，加深對該區(qū)域微滲層認識，為降低微滲層對該區(qū)域建庫影響提供參考。

圖1 T1、T2、5#、T3 井對比剖面圖Fig. 1 Correlation section of Well T1, T2, 5# and T3

1 微滲層分布特征

目前儲氣庫已經完成了T1、T2、T3 和5#井的鉆井工作，實鉆數(shù)據表明(圖1)：該微滲層與建庫目標鹽層頂部之間鹽巖的厚度分布在0～43.3 m 之間。以5#井為中心，該厚度整體向西與東南方向上變薄，與鹽巖厚度分布具有較好的一致性，鹽巖厚度大的區(qū)域，該厚度也相對較大。鉆完井之后進行了氣密封測試，均存在一定的漏失性，漏失層位位于微滲層附近，對儲氣庫建設造成了一定影響。

通過三維地震勘探并和已鉆井進行對比，對該工區(qū)的微滲層分布進行了預測，該區(qū)域內微滲層分布穩(wěn)定，統(tǒng)計厚度在0.5～1.3 m 之間，埋深860～890 m。從微滲泥巖夾層平面分布圖上可以看出，該工區(qū)預測鉆遇平均厚度0.8 m，夾層分布與鹽巖分布具有較好的一致性，鹽巖厚度大的區(qū)域，夾層厚度也相對較大。微滲層厚度分布整體趨勢是由南向北方向變厚，在東西方向微滲層呈現(xiàn)由兩邊向中間(5#井)變厚的趨勢，巖性由含鹽泥巖向含泥質鹽巖轉變，即鹽巖含量逐漸增加。

2 微滲層巖心特征描述

為加深對微滲層的認識，對5#井進行了鉆井取心。5#井微滲層位于888.89～889.71 m，巖心觀察發(fā)現(xiàn)：該微滲層為灰綠色含鹽(團塊)泥巖(圖2)，裂縫非常發(fā)育，絕大多數(shù)為高角度縫(常見直角縫)，被鹽巖晶體充填縫，在鹽巖團塊周圍可見低角度近水平縫發(fā)育，裂縫長10～200 mm，開度1～15 mm。從圖2中可以看出，裂縫連通性較好，局部可見網狀縫。巖心線性(沿巖心直徑方向)裂縫密度為10～20 條/m，軸向線性裂縫密度為10～50 條/m。

圖2 5#井微滲層巖心照片F(xiàn)ig. 2 Core picture of the micro-infiltrated layer in Well 5#

通過對裂縫產狀及幾何形態(tài)、構造發(fā)育狀況和斷層分布規(guī)律分析認為裂縫為構造縫和非構造縫共存。本區(qū)斷層發(fā)育，加之火成巖噴發(fā)侵入，使局部地層上拱變形，應力釋放形成構造縫，延伸較長，分布不均勻。同時存在礦物的相變作用形成的收縮縫，即非構造形成的非構造縫，它是泥巖干燥失水收縮、脫水、熱收縮、礦物相變、風化、剝蝕、巖熔等表面作用的結果。沉積巖中的碳酸鹽巖和黏土組成的礦物相變引起的體積減小而導致；鹽巖團塊周圍發(fā)育低角度近水平縫，應為沉積載荷作用與脫水作用共同引起，在后期成巖壓實過程中，因鹽巖團塊與泥巖壓縮比不同造成差異壓實，并在泥巖脫水作用下收縮形成。

X1 井為一口先導井，進行了全井段取心。X1井巖心觀察表明，該微滲層為灰色含鹽泥巖，鹽巖呈團塊狀分布，與5#井相比，鹽巖團塊的體積相對較小，分布密度較大，這與物源遠近有關。分析認為：當時沉積環(huán)境因水體上升，水體沖刷攜帶大量前期沉積的鹽巖，在近物源5#井區(qū)域附近沉積鹽巖團塊較大，遠物源相對較小。該套泥巖與下伏地層呈突變接觸，裂縫非常發(fā)育，局部被次生鹽充填，裂縫產狀和幾何形態(tài)與5#井非常相似，多數(shù)為高角度縫。在鹽巖團塊周圍可見低角度近水平縫發(fā)育，開度較大的裂縫(＞1 mm)均被鹽巖晶體充填。從原巖與充填物的顏色對比上看，原巖沉積環(huán)境為還原環(huán)境，充填物含F(xiàn)e3+，具氧化環(huán)境特征，應為后期充填。裂縫形成后被沿縫隙運移高礦化度地層水結晶充填。

3 微滲層XRD 成分分析

在制取孔、滲試樣時對5#井巖心斷面的粉末進行收集，而后用于成分分析，由于所取粉末為整個橫截斷面，因而成分具有統(tǒng)計意義上的代表性。表1給出了微滲層泥巖及鹽巖團塊成分分析結果。由表1 可見，該段礦物成分主要為石英(26.96%)、鈣芒硝(24.01%)、伊利石(14.25%)、白云石(14.06%)、鹽巖(9.66%)、方沸石(7.14%)、鐵白云石(2.42%)、高嶺石(1.79%)。鹽巖含量僅為9.66%，但呈裂隙狀分布，而鈣芒硝含量達到24.01%，說明其中的白色團塊物質主要為鈣芒硝。

表1 微滲層泥巖成分分析結果Table 1 Analysis results of the mudstone compositions in the micro-infiltrated layer %

4 微滲層測試結果分析

5#井微滲層位于888.89～889.71 m 之間，經觀察整個0.82 m 長度范圍內的巖心外觀形態(tài)較為接近，且上部的鹽-泥混合程度比下段稍微嚴重一些，故選取了888.89～889.27 m 之間的巖心進行孔滲試驗。為便于和鹽巖結果進行對比，同時開展了鹽巖試樣孔滲試驗。為保證制樣成功率，均采用手工打磨精細加工而成。試樣的制樣方向為水平向，孔/滲試樣直徑25 mm，長30 mm，突破壓力試樣直徑25 mm，長10～15 mm［2］。所用巖心均充分考慮了巖性、層位、含次生鹽情況等多種因素，每一個試樣均具有較好的代表性。其中微滲層段泥巖樣品5 塊，含鹽泥巖樣品3 塊，測試結果表明：微滲層段泥巖樣品孔隙度7.52%～14.18%，平均值為11.74%，滲透率0.11×10?3～21.2×10?3μm2，平均值為8.155×10?3μm2；含鹽泥巖樣品孔隙度1.93%～4.07%，平均值為2.87%，滲透率0.010 7×10?3～0.19×10?3μm2，平均值為0.093 1×10?3μm2。

4.1 孔/滲測試結果分析

4.1.1 泥巖-泥巖對比

表2 給出了8 塊微滲層巖心孔/滲測試結果。通過對5 塊泥巖測試結果進行分析可知：對于完整的泥巖試樣(1-2～1-9 試樣)，如試樣1-2，其滲透率0.11×10?3μm2，屬于比較低的值［3-4］；而含有少些次生鹽的試樣，但鹽巖不貫穿，如試樣1-6，其滲透率0.825×10?3μm2，仍然較低［3-4］，但密閉性略差于完整鹽巖；隨著次生鹽增多，貫穿裂隙增加，滲透率增大，比完整試樣高出2 個數(shù)量級，如1-5、1-8、1-9試樣。

表2 巖心孔/滲測試結果Table 2 Test results of core porosity/permeability

這說明，含有裂隙次生鹽的試樣，其滲透率將會較高，含貫穿及裂隙的次生鹽是影響密閉性的主要因素。

4.1.2 泥巖-鹽巖對比

灰色含泥鹽巖孔隙度介于1.93%～4.07%之間，平均值為2.87%，泥巖孔隙度介于7.52%～14.18%之間，平均值為9.6%；泥巖孔隙度平均值為鹽巖的3.3 倍。鹽巖滲透率介于0.01×10?3～0.19×10?3μm2之間，平均值為0.093×10?3μm2，而泥巖滲透率介于0.11×10?3～21.2×10?3μm2之間，平均值為8.16×10?3μm2；泥巖滲透率平均值為鹽巖的87.6 倍。

4.2 突破壓力測試結果分析

表3 給出了巖心突破壓力測試結果。對于次生鹽不貫通及貫通較少的試樣、泥巖樣，如5#井試樣1-1、1-3，X1 井試樣KSG-13、KSG-22，其突破壓力較高，分別達到4.8、3.0、8.43、5.36 MPa；對于含次生鹽、團塊狀鹽巖顆粒的試樣1-4、1-7，其突破壓力極低，僅0.48～0.94 MPa(圖3)。說明鹽顆粒/次生鹽裂隙的存在可能是造成突破壓力降低的重要原因。

低突破壓力、較高滲透率鹽巖有一個共性，即含有次生鹽、鹽顆粒；相反，凡是泥巖構造較為完整、均一的試樣，都呈現(xiàn)出突破壓力高、滲透率低的情形。

測試結果分析表明，由于裂隙為成巖后期形成，并被鹽巖自然結晶充填，這就造成充填物處于未壓實或欠壓實以及裂隙未完全被結晶充填狀態(tài)，因此含有貫穿型及裂隙的次生鹽試樣滲透率較高，這是影響密閉性的主要因素［5-10］。

表3 巖心突破壓力測試結果Table 3 Test results of core breakthrough pressure

圖3 試樣1-4、1-7 鹽巖巖心照片F(xiàn)ig. 3 Core picture of salt rock sample 1-4 and 1-7

5 結論

(1)工區(qū)內完鉆井均有微滲層分布，微滲層厚度0.5～1.3 m，該厚度整體向西與東南方向上變薄，與鹽巖厚度分布具有較好的一致性，氣密封測試顯示微滲層有一定的漏失性，對儲氣庫建設造成了一定影響。

(2)通過三維地震勘探并和已鉆井進行對比，微滲層在整個工區(qū)范圍內均有分布，預測平均厚度0.8 m，微滲層厚度分布由南向北方向變厚，東西方向微滲層呈現(xiàn)由兩邊向中間(5#井)變厚的趨勢。

(3)從巖心觀察結果看，微滲泥巖層分布大量微裂縫，以縱向微裂縫為主，裂縫密度為10～20 條/m，裂縫長度為10～200 mm；縱向微裂縫大量被鹽硝等物質充填，由于裂隙為成巖后期形成，并被鹽巖自然結晶充填，就造成充填物處于未壓實或欠壓實以及裂隙未完全被結晶充填狀態(tài)。因此，含有貫穿型及裂隙的次生鹽試樣，其滲透率較高，影響其密閉性。

(4)從巖心室內測試來看，5#井微滲層段泥巖樣品孔隙度7.52%～14.18%，平均值為9.6%，滲透率0.11×10?3～21.2×10?3μm2，平均值為8.16×10?3μm2，分別為鹽巖試樣的3.3 倍和87.6 倍，是造成測試漏失的主要原因。