通过地下水文学研究评估含水层储气库盖层密封性

李国韬 刘在同 刘 宁

中国石油大港油田公司石油工程研究院

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，天然气消费量不断增加，“十二五”期间累计消费量已达到8 300h108m3。根据国外发达国家经验，需建设工作气量占天然气总消费量15%～25%的地下储气库作为调峰和应急保障供气，如美国约17%，俄罗斯约15%，德国约22%，法国约30%，而我国储气库工作气量占年消费量仅为4%左右，远远低于发达国家的水平[1-2]。此外，我国建设地下储气库的库址资源与巨大的市场需求之间存在着较大矛盾。中国东部地区是天然气主要消费区，但东部断陷盆地多复杂破碎的断块构造，其储层也多为复杂的陆相河流沉积，难以寻找到合适的圈闭构造[3]。因此，利用含水层建设储气库是一种突破办法。

含水层地下储气库实际上就是建造在自然含水层中的人造气藏，要求含水层是一个良好的、有足够延伸的被不渗透岩石覆盖的储集层，储存于其中的气体能够稳定地占据体积，不会泄露。因此，在研究某一含水层建设储气库的可行性时，确定盖层的密封性是最为关键的问题之一[4-5]。通常要钻取盖层岩心，经实验室分析获取岩心的各项物性数据以确定其密闭性，但它只能得出盖层的基质特性，并不能从中获得盖层的总体特征。在美国的一些储气库建设项目中，尽管岩心数据表明盖层物性是满足要求的，但仍发生了严重的天然气泄露[6]，说明评估含水层盖层整体密封性能是必要的。

因此，综合国外开展的研究与实践情况，对含水层储气库盖层密封性研究的系列技术进行了阐述、分析，为在我国开展含水层储气库的研究和建设工作提供理论依据及可借鉴的经验。

1 通过研究地下水静态评估盖层密封性

1.1 注气前测量静态数据进行评估

通过地质勘探初步选定一个适宜的含水构造后，在全面投入储气库建设之前，先进行试注气。在气体注入之前，首先测取建库区域的地下水静压头资料。

根据国外已建成的含水层储气库的实践经验，在储气的含水层上方会存在若干个渗透性较强的孔隙型含水构造。在这些区域内钻1～2口观测井，进行水压头永久观测。观测井中静液压头的测量结果和每个含水层中水样分析结果，用于判定待建储气库含水层和上部含水层之间泄漏的可能性。

如图1所示2个含水层，其中hA是含水层A中一口井的静水柱位于海平面之上的高度；hB是含水层B中的相应高度，2个层静压头之间的高度差为hA－hB，计划在含水层B中储气。当两口井的静压头数据差异明显时，从某种程度上可以认为位于含水层B上方的盖层是一个低渗透甚至无渗透的隔层。压头差异越大，基于这些数据的分析结果可信度就越高。从国外应用实例来看，测量结果显示静压头差异超过10 m时，可以视为明显差异。

图1 带有不同静压压头的含水层示意图

在储气库库址筛选时，一般会选择由致密岩层（页岩、粉砂岩、石灰岩）作盖层的构造，一般认为这些岩层属于不可渗透型。然而，这些岩心的实验数据仅仅代表岩石基体性能，虽然也可能在岩心中观察到裂缝，但并不能揭示裂缝体系的全貌。如果盖层中存在一些裂缝体系，可能致使致密岩石基体产生泄漏路径。如图1所示，如果A、B层之间不是绝对不渗透的岩层，在压头差的影响下，大量的地层水会从含水层A向含水层B移动，在漫长的地质时间里，2个含水层中的水会充分混合，压差消失，水样分析结果趋于相同或接近。据此，根据静压头差异和水样差异情况可大致判断盖层的密闭性（表1）。

1.2 注气后测量压头变化进行检验

开始注入气体后，利用观测井测量水压头数据是检验盖层密封性的最佳手段。气体注入期间，储气层上方含水层中观测井液面高度的变化为盖层密封性判定提供了很好的依据。

美国北伊利诺伊斯天然气公司的Troy Grove储气库位于La Salle县，用于保障芝加哥市及周边地区的天然气供应。于1958年7月23日第1次注入天然气，工作气量4h108m3，日采气量700h104m3。

该储气构造是一个非对称的东西走向的背斜，天然气存储在西蒙山（MT. SIMON）砂层及紧邻其上的3个欧克莱尔（EAU CLAIRE）砂层中。西蒙山砂层顶部深度约450 m。每个砂层之上均为致密页岩或黏土石灰石组成的盖层。整个构造被4条东西向断层所切，这4条断层几乎彼此平行，相距约45 m。图2为南北截面构造简图，显示了构造顶与其中2条断层。

表1 地下水静态环境下盖层密封性解释表

图2 Troy Grove储气库南北截面构造简图

该工程于1958年开始勘探钻井，在若干含水层中测量了静压头，包括西蒙山砂层、3个欧克莱尔砂层及上方的盖尔斯维尔砂层（Galesville）。盖尔斯维尔砂层位于西蒙山砂层上方约150 m（图2）。按照方案设计，在西蒙山砂层中注入天然气，存在与上部砂层连通的问题。

从静压头测量数据来看，欧克莱尔A砂层静压头比盖尔斯维尔砂层的静压头高8～10m。欧克莱尔各砂层与西蒙山砂层之间的静压头差异并不明显。以西蒙山砂层为基准，C砂层具有同样压头，B砂层约低2 m，A砂层约低5 m。根据静压头数据差异判断，构造中断层的存在影响了欧克莱尔各砂层和西蒙山砂层之间的密封性，但盖尔斯维尔砂层与欧克莱尔A砂层之间的盖层密封性仍较好。

对各个含水层进行地层水水样分析，欧克莱尔各砂层的地层水和西蒙山砂层的地层水几乎无大的差异，而盖尔斯维尔砂层的地层水与之存在明显的差异，前者基本上是淡水而后者却是含盐量高达3 000 ppm的盐水。综合静态数据分析，可以初步判定：①西蒙山砂层与C砂层之间的盖层可能不满足密封要求（表1，情况4）；②B和A砂层之间的盖层可能具有一定的密封性（表1，情况3）。③盖尔斯维尔砂层与下部含水层之间的盖层密封性可能良好（表1，情况1）。

经过3年的试注试验，证实了上述判断的正确性。图3显示了Troy Grove储气库各含水层水压头随时间变化情况。其中给出的液面均从海平面算起，均为构造顶部的压头。在储气库的某些地方存在气体累积，为便于比较，观测到的气压被转化为等价的水压头值。

图3 Troy Grove储气库含水层压头随注气时间的变化图

1958年7月23日在西蒙山砂层开始注气，导致1958年7月和8月之间该层的压头迅速上升。几乎同时，位于C砂层的观测井的液面也开始上升，同样在B砂层中也出现类似的现象（因为与砂层C曲线几乎平行，图3中未显示砂层B的曲线）。几个月后，2个砂层中都出现天然气。这说明，西蒙山砂层与砂层C和砂层B之间连通良好。砂层A的压头响应较为缓慢，大约1年以后才开始上升。欧克莱尔砂层对西蒙山砂层注气的响应速度体现了气体迁移的难易程度。

在试注期间，盖尔斯维尔砂层的压头基本保持不变（180f0.5 m）。即使在1959—1960年冬天和1960—1961年冬天的采气阶段，西蒙山砂层和欧克莱尔砂层的气压迅速降低，也没有影响到盖尔斯维尔砂层的压头，盖尔斯维尔砂层中也一直没有出现天然气。

即使发生了类似西蒙山砂层向欧克莱尔砂层气体泄漏的情况，也不能说明储气工程失败了。上方的含水层可以被当作收集器，将泄露的天然气收集，这些收集区域与最初的储气库结合，形成了更加复杂的地下储气系统。美国的一些成功运行多年的含水层储气库就是以这种方式处理气体泄漏的[6]。

2 通过抽水测试评估盖层密封性

除利用静态资料评估盖层密封性外，还可以借鉴水文地质的研究方法形成另外一种评估方案，即从选定的用于存储天然气的含水层中抽取一定量的水，观察整个系统的压力变化，从而评估盖层的密封性[6]。这个方案具有2个优点：①抽水引起的压力变化能迅速传遍整个构造，测试时间较短，仅需几天或几周时间。②测试所需设备和仪器容易获得，投资不高。

用地质勘探的方法选定的待建储气库的构造是一个盖层—含水层体系，含水层被一定厚度的盖层覆盖。

2.1 盖层渗透率低，不会发生渗漏

研究发现，这种情况符合地下水文学研究中的Theis函数模型。利用Theis函数模型将含水层抽水试验资料建模，可以得出渗透率、导水系数等地层参数。Theis函数模型可以描述径向距离比抽水井半径大30倍以上可轻微压缩体系的压力变化[6-7]。目前储气库常规井的井筒直径一般不超过0.3 m，因此Theis函数可以描述距抽水井4.5 m或更远含水层中任意一点的压力变化。

进行抽水测试后，可采用配线法直接利用Theis标准曲线计算含水层的性能参数。将实测的压降Δp随时间t变化的数据，画在与Theis标准曲线有相同刻度的双对数坐标纸上，将现场测试曲线与Theis标准曲线进行匹配后，实测数据曲线上任何一个点，都可以通过匹配的Theis标准曲线读出相应的无量纲压力（pD）和无量纲时间（tD）[8]。仅需要知道水层厚度、孔隙度和黏度值，就可以计算出含水层的性能参数。

2.2 盖层渗透率高，发生渗漏

如果含水层上方覆盖的是疏松岩层，当从含水层中抽水时，外部水层会补给抽水含水层。研究发现，这种情况符合Hantush函数模型。利用Hantush函数模型，将疏松的盖层当作含水层的额外补充水源，并假设含水层中水的流动符合达西定律，盖层作为补充水源的强度取决于含水层的压力大小。仍可采用配线法，直接利用Hantush曲线计算含水层的性能参数。实测数据能够与某一条Hantush函数β曲线相匹配[9-10]。

2.3 少量的盖层渗漏

研究表明，含水层压力变化受中等盖层泄露的影响并不明显[6]。通过Theis函数模型和Hantush函数模型描述含水层的压力变化无法精确判断盖层的泄漏程度。为此，研究建立了有限差分模型（图4），将含水层和盖层一起考虑。

图4 有限差分模型示意图

该模型将盖层和含水层视为一个整体，分为不同层，每层又细分为一组嵌套的圆环。这些圆环的半径能够按照几何级数增加，这样抽水井井筒周围较小的径向距离和远离抽水井的距离都能进行描述。水从含水层的最内环中以恒定的流量产出，但不能从盖层的最内环产出，而盖层的其它地方，水能够沿着径向和垂向流动。在有限时间步长内，系统的每个环中流体是平衡的，利用迭代法能够解出流体平衡方程，对系统各个部分的压力变化进行足够精细的描述。

该模型表现了在不同时间和位置，盖层中的压降Δp'与含水层压降Δp的比率，由此定义了参数α。

式中tD表示Theis函数无因次时间；r 表示距抽水井的径向距离，m；K表示含水层的渗透率，mD；K'表示盖层的渗透率，mD。

由于盖层中压降Δp'的大小与盖层中观测点位置有关，又定义了无量纲的高度参数H。

式中h 表示含水层底部到盖层中观测点的高度，m；H 表示含水层的厚度，m。因此在盖层和含水层的边界位置，H = 1，Δp'/Δp = 1。研究发现，H的数值在实际应用中不超过2。这表明，测试相对致密的盖层，观测井不能设置在距离含水层顶部以上距离过远的位置，最好小于含水层厚度。

利用有限差分模型，可计算得到不同α值情况下，Δp'/Δp — H关系曲线图（图5）。

对含水层进行抽水测试，可以利用有限差分模型，计算得出盖层的平均渗透率，从而评价盖层的密封性能，例如：

某含水层具有下述性质：厚度30 m，渗透率100 mD，孔隙度20%，压缩系数5.2h10－4MPa－1。在含水层中的1口抽水井以159 m3/d的排量抽水1天。距抽水井152 m外，含水层顶部以上15 m处有1口观测井，观测到水位下降了0.1 m。如果水的黏度是1.0 mPags，那么盖层的渗透率是多少？

图5 有限差分模型计算结果曲线图

可以利用Theis标准曲线求得含水层中距抽水井 152 m处的压降 Δp = 0.088 MPa（tD= 2.53，pD=0.91）。

观测到盖层压力变化是水位下降了0.1 m，折合压力约0.001 MPa，因此计算压降比Δp'/Δp=0.011

根据图5，对应Δp'/Δp及H的值，可以得出α=50。利用公式(1)即可计算出盖层的平均渗透率K'=0.007 9 mD，为评估盖层密封性提供了依据。

3 结论

1）建库前，通过测量含水层静压头变化，并与地层水样分析相结合，可以大致评估盖层密封性。这些数据之间存在明显差异则表明盖层具有良好密封性。

2）从含水层中抽水，观察含水层压力变化，是评价盖层密封性的另一种方法。当盖层不发生泄漏时，符合Theis函数模型；当盖层发生泄漏时，符合Hantush函数模型。

3）当盖层泄漏量较小时，仅靠观察含水层的压力变化无法精确判断盖层的泄漏程度，需利用有限差分模型，将含水层和盖层作为一个整体进行分析研究。盖层中压力的变化是评估盖层密封性的重要指标。