閆愛華

（長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢430100）

（中石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北 任丘062552）

孟慶春，林建品，席增強(qiáng) （中石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北 任丘062552）

隨著陜京二線、三線系統(tǒng)的建設(shè)和京津地區(qū)城市燃?xì)獾目焖侔l(fā)展，天然氣消費(fèi)量隨季節(jié)性變化幅度較大，調(diào)峰問題日益突出，冬季日用氣量為夏季的7～8倍。華北油田蘇4潛山儲(chǔ)氣庫(kù)是陜京二線、三線系統(tǒng)的配套儲(chǔ)氣庫(kù)，屬于季節(jié)調(diào)峰型儲(chǔ)氣庫(kù)。儲(chǔ)氣庫(kù)密封性的好壞不僅決定儲(chǔ)氣庫(kù)能否儲(chǔ)存天然氣，還關(guān)系到儲(chǔ)氣庫(kù)周圍人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。為此，對(duì)蘇4儲(chǔ)氣庫(kù)的密封性評(píng)價(jià)進(jìn)行研究。

蘇4潛山氣藏為一個(gè)四周被斷層切割的近矩形斷塊山，東西2側(cè)被北東向斷層、南北2端被北西向斷層切割，前者構(gòu)成潛山帶，后者構(gòu)成斷塊山頭。潛山走向北東20～30°，構(gòu)造為南北長(zhǎng)5.2km，東西寬2.23km，奧陶系斷塊面積11.5km2，閉合幅度650m，高點(diǎn)埋深4440m。奧陶系為該潛山氣藏的產(chǎn)層，石炭系～二疊系為氣藏的蓋層。蘇4潛山奧陶系凝析氣藏的封閉性受上覆蓋層和斷層側(cè)向封堵條件的控制，即表明對(duì)該氣藏的封閉條件研究應(yīng)包括2部分內(nèi)容：一是蓋層的封閉條件；二是斷層的封閉條件。該氣藏能夠形成并保存至今的實(shí)事，已經(jīng)說明其蓋層和斷層都具有良好的封閉條件。在此僅從蓋層巖性、厚度及斷層的受力性質(zhì)、產(chǎn)狀等方面的封閉要素進(jìn)行定性或定量分析。

1 蓋層封閉性分析

1.1 蓋層巖性組合特征

鉆井揭示緊鄰蘇4潛山且直接覆蓋其上的地層為本溪組地層，與奧陶系潛山地層呈平行不整合接觸。本溪組地層據(jù)鉆井揭開平均厚度達(dá)80余米，厚度大，分布面積廣，地層巖性主要為深灰色泥巖，測(cè)井電性以自然電位曲線平直、電阻率曲線低平為主要特征，特別是底部直接與奧陶系潛山接觸且分布穩(wěn)定的鋁土泥巖，各井鉆遇厚度5～11.5m，與上部60余米的泥巖聯(lián)合作用，形成一套有效的區(qū)域性直接蓋層，為蘇4潛山氣藏的聚集、保存提供了良好的封閉作用。

此外，在蘇4潛山氣藏上覆的本溪組地層之上又覆蓋為二疊系山西組、石炭系太原組地層，這2套地層巖性以泥巖和煤巖互層為主要特征，夾致密砂巖層，這種直接蓋層與上覆蓋層組成的疊復(fù)合型蓋層使?jié)撋綒獠氐姆忾]能力得到了進(jìn)一步的加強(qiáng)。

1.2 蓋層封閉機(jī)理

根據(jù)蘇4潛山氣藏基本特征，其蓋層的封閉機(jī)理為物性封閉。物性封閉是指依靠蓋層巖石的毛細(xì)管力對(duì)油氣運(yùn)移的阻止作用。毛細(xì)管力也稱毛細(xì)管壓力，它與孔喉半徑、烴類性質(zhì)和介質(zhì)溫壓條件有關(guān)：

式中，Pc為毛細(xì)管壓力，Pa；r為巖石孔喉半徑，cm；θ為固液相接觸角，（°）；σ為兩相界面張力，N／m。

油氣要通過蓋層微細(xì)孔隙向上運(yùn)移，必須首先排替孔隙中的水，克服毛細(xì)管壓力的阻力，才能突破蓋層的阻隔。如果驅(qū)使油氣運(yùn)移的浮力未能克服該毛細(xì)管壓力的阻力，則油氣就被遮擋于蓋層之下。對(duì)于泥質(zhì)巖層來說，由于壓實(shí)作用，巖石孔喉半徑、孔隙度和滲透率都會(huì)隨埋深增加而變小。因此，排替壓力一般情況是隨深度增加而增加的，蓋層的封閉能力也隨著增大。

據(jù)華北地區(qū)任102井泥巖樣品注氮?dú)庳灤毫υ囼?yàn)：樣品直徑3.8cm，長(zhǎng)度23.87cm，氣測(cè)滲透率為零，在溫度26℃、壓力30MPa的條件下，貫穿壓力達(dá)40MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，以泥巖作為蓋層，具有良好的封閉性能［1］。

2 斷層封閉性分析

在油氣運(yùn)移聚集中，斷層既可成為油氣運(yùn)移的通道，又可成為油氣聚集的遮擋物，因而對(duì)油氣的聚集與分布有重要的控制作用；在油氣開發(fā)過程中，斷層的存在既可以阻礙油水運(yùn)動(dòng)，又可以為注入水提供泄壓通道，影響注水開發(fā)效果。斷層究竟在油氣運(yùn)移、聚集和注水開發(fā)中起何作用，關(guān)鍵取決于斷層的封閉性。斷層封閉性是指斷層上、下盤或斷裂帶上、下盤巖石由于巖性、物性差異所導(dǎo)致排替壓力的差異，該差異的大小決定斷層封閉與通道作用的性質(zhì)。在地質(zhì)空間上，主要表現(xiàn)斷層的垂向封閉性和側(cè)向封閉性［2］。

2.1 斷層應(yīng)力分析

蘇4潛山周圍發(fā)育有4條張性正斷層，它們不但共同控制蘇4潛山及其氣藏的規(guī)模與構(gòu)造形態(tài)；同時(shí)，對(duì)蘇4氣藏的形成及保存均起著決定性的作用。在成因研究中，這些斷層形成的應(yīng)力機(jī)制應(yīng)屬于拉張或剪切拉張力學(xué)效應(yīng)，從力學(xué)機(jī)制方面分析，斷層的側(cè)向封堵性能應(yīng)該較差。但蘇4潛山凝析氣藏能夠形成并保存至今，說明上述斷層均具有良好的封閉作用。分析其原因，應(yīng)該是斷層在形成過程中上下2盤地層沿?cái)鄬用婢哂忻黠@的滑脫作用，導(dǎo)致斷層面巖石破碎、涂抹，形成致密巖性膠結(jié)帶所致。

2.2 斷層兩盤巖性配置分析

蘇4潛山上覆地層是以巨厚泥巖為主要巖性特征且具有蓋層封閉能力的地層，與斷層上升盤潛山地層對(duì)接的下降盤泥巖不但加劇了泥巖涂抹帶的固結(jié)性能，還進(jìn)一步起到了側(cè)向巖性封堵作用。

1）1號(hào)斷層 1號(hào)斷層最大斷距為1440m，是氣藏上傾方向封堵斷層。從該地區(qū)構(gòu)造條件和沉積條件分析，在該斷層下降盤與潛山地層對(duì)接為石炭系～二疊系。石炭系～二疊系地層在上部石千峰組～上石盒子組上段巖性主要為泥巖，厚度250m左右，是良好的封堵層；中上部 （上石盒子組的中下部）發(fā)育一套儲(chǔ)集層，厚度為150m左右；下部的下石盒子組～本溪組巖性主要為泥巖，最大地層厚度700多米，也是良好的封堵層。從與潛山對(duì)接的下降盤地層巖性條件來看，除具有良好封閉條件的泥巖地層外，上石盒子組中下部的碎屑巖儲(chǔ)集層也與潛山對(duì)接。分析認(rèn)為這種對(duì)接的巖性條件能夠使氣藏形成，并得以保存至今的主要原因是在斷層形成過程中，由于劇烈的構(gòu)造活動(dòng)沿?cái)鄬用娓浇纬蓴鄬幽?，從而使該斷層具有了良好的封堵性能?/p>

2）2號(hào)斷層 2號(hào)斷層最大斷距950m左右，是氣藏下傾方向封堵斷層。與1號(hào)斷層性質(zhì)類似，在該斷層下降盤與潛山對(duì)接的地層同樣為石炭系～二疊系。由于該斷層位于氣藏低部位，氣柱高度僅200m左右，在含氣高度范圍內(nèi)與之對(duì)接的地層應(yīng)為石千峰組和上石盒子組上部的泥巖層，因此該斷層在目前含氣高度范圍內(nèi)具有良好的封閉作用。

3）3號(hào)斷層 3號(hào)斷層是蘇4潛山北部的控邊斷層，不但控制著潛山的規(guī)模，而且是油氣運(yùn)移的主要通道，最大斷距1280m左右，是氣藏北側(cè)的側(cè)向封堵斷層。在斷層下降盤與潛山對(duì)接的地層同樣為石炭系～二疊系。從該斷層的斷距分析來看，與1號(hào)斷層類似，上石盒子組中下部的儲(chǔ)集層也應(yīng)與氣藏儲(chǔ)層對(duì)接，在與儲(chǔ)層對(duì)接部分起封閉作用的仍然是斷層泥的涂抹作用。

4）4號(hào)斷層 與上述3條斷層相比，4號(hào)斷層雖然斷距相對(duì)較小，但在封閉作用方面與上述3條斷層具有同樣的封堵作用。

2.3 斷層封閉系數(shù)分析

斷層封閉的實(shí)質(zhì)是兩盤排驅(qū)壓力的差異。設(shè)C為構(gòu)造封堵系數(shù)（反映封堵幾率大小），m2，R為儲(chǔ)集系數(shù)，m2，反映封堵油氣量大??；G為巖性封堵系數(shù)（當(dāng)封堵層為泥巖和當(dāng)斷層面為不滲透物質(zhì)時(shí)取1，當(dāng)砂質(zhì)泥巖時(shí)取0.75，為泥質(zhì)砂巖時(shí)取0.5，為砂巖時(shí)取0）；F為斷層橫向封閉系數(shù)，m2。則：

式中，φ為斷層傾角，（°）；α為儲(chǔ)層傾角，（°）；H 為蓋層厚度，m；L為垂直斷距，m；h為儲(chǔ)層厚度，m。斷層橫向封閉系數(shù)F反映了影響斷層封閉性的各種因素對(duì)斷層側(cè)向封閉程度的影響，F(xiàn)越大，斷層封閉能力越好。

對(duì)蘇4潛山氣藏控制斷層要素及儲(chǔ)、蓋層參數(shù)的計(jì)算結(jié)果表明 （見表1），4條斷層的封閉系數(shù)遠(yuǎn)大于非洲陶丹尼盆地志留系油氣藏的遮擋斷層的橫向封堵系數(shù)10897.2，說明斷層具有良好的封閉性能。

表1 蘇4潛山氣藏控制斷層封閉系數(shù)計(jì)算參數(shù)表

2.4 斷層面物質(zhì)涂抹分析法

斷層帶內(nèi)非儲(chǔ)層物質(zhì)的摻入可降低孔喉半徑，使斷層帶內(nèi)孔隙度降低，滲透率減小，從而形成封閉。

1）泥巖涂抹能力CSP 泥巖涂抹能力 （CSP）表示沿?cái)嗝婺滁c(diǎn)某泥巖層被涂抹的相對(duì)量值，其值隨泥巖層厚度或泥巖層數(shù)的增加呈正相關(guān)關(guān)系，隨斷距的增大呈相反關(guān)系：

CSP可以判斷斷層的相對(duì)封閉程度，CSP值越大，斷層的封閉性越好。

2）涂抹因子SSF 壓入型涂抹的涂抹因子 （SSF）與斷距成正比，與源巖層厚度、層數(shù)成反比：

3）斷層泥比率SGR 斷層泥比率 （SGR）的計(jì)算方法如下：

斷層的斷距越大，斷開泥巖的厚度越小，泥巖涂抹層在空間上的連續(xù)性越差；斷層的斷距越小，斷開泥巖層厚度越大，泥巖涂抹層在空間上的連續(xù)性越好。

CSP適用于斷面剪切型的涂抹，SSF適用于壓入型的涂抹，它們不適合厚層非均質(zhì)的碎屑巖巖層。斷層泥比率SGR對(duì)于砂泥巖層序，用斷面中各泥巖層的厚度之和與斷距之比SGR來評(píng)價(jià)斷面的封閉性，其方法簡(jiǎn)單實(shí)用。根據(jù)CSP、SSF、SGR計(jì)算公式，分布對(duì)4條邊界斷層進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，4條斷層都具有良好的封閉性。

表2 蘇4潛山邊界斷層泥巖涂抹數(shù)據(jù)表

3 結(jié) 論

（1）蘇4潛山儲(chǔ)氣庫(kù)深灰色泥巖作為蓋層，厚度大，分布廣，特別是底部直接與奧陶系潛山接觸且分布穩(wěn)定的鋁土泥巖，厚度5～11.5m，與上部60余米的泥巖聯(lián)合作用，為蘇4潛山儲(chǔ)氣庫(kù)提供了良好的封閉作用。

（2）蘇4潛山周圍發(fā)育有4條張性正斷層，與斷層上升盤潛山地層對(duì)接的下降盤泥巖加劇了泥巖涂抹帶的固結(jié)性能，還進(jìn)一步起到了側(cè)向巖性封堵作用。根據(jù)CSP、SSF、SGR計(jì)算公式，4條斷層都具有良好的封閉性。