1 區(qū)域概況

　　劉莊氣頂油藏位于蘇北地區(qū)中部的淮安市金湖縣三河鎮(zhèn)，構(gòu)造上位于蘇北盆地東臺坳陷金湖凹陷三河次凹西部斜坡帶北部，是箕狀斷陷外斜坡帶構(gòu)造背景上由近南北的反向正斷裂控制形成的鼻狀油氣藏。劉莊氣頂油藏的主要含油氣層系為下第三系阜寧組一、二段，油氣層埋深介于 1090.2~1291.4 m，主要儲氣層位是下第三系阜寧組二段，為淺湖亞相沉積，儲層巖性以粉細(xì)砂巖和生物碎屑灰?guī)r為主，發(fā)育原生粒間孔、次生溶孔及裂縫，物性較好，孔隙度為 15%，滲透率介于(5~15)×10⁻³μm²。

　　劉莊氣頂油藏在 2005 年建庫初期時對氣頂油藏儲量進(jìn)行了復(fù)算，探明含氣面積為 1.61 km²，地質(zhì)儲量為 4.77×10³m³，油田含油面積為 2.75 km，原油地質(zhì)儲量為 176.44×10。根據(jù)氣井投產(chǎn)初期測得原始地層壓力取其平均值為 11.6 MPa，氣藏類型為斷層遮擋的邊水構(gòu)造氣藏，水體不活躍。

　　2 地層及構(gòu)造特征

　　劉莊儲氣庫是西氣東輸利用衰竭油氣藏建設(shè)的地下儲氣庫，位于蘇北盆地金湖凹陷西部斜坡帶北部。

　　2.1 劉莊氣頂油藏構(gòu)造特征

　　劉莊氣頂油藏主要含油氣地層為阜寧組，是在中生界基底上發(fā)育的 1 個狹長的斷鼻構(gòu)造，阜寧組地層整體呈現(xiàn)南東低北西高的構(gòu)造特征，地層傾角 8.8°，在地層上傾方向(北西西向)受劉①斷層反向遮擋形成圈閉。劉莊氣頂油藏內(nèi)部被 2 條次生斷層分割，斷層走向近西東向，構(gòu)造高點(diǎn)分布于斷鼻構(gòu)造中部近劉①斷層處，油藏頂面最高點(diǎn)埋深 1066 m。劉莊氣頂油藏長為 6.03 km，最大寬度為 1.45km，閉合面積為 3.14km²，圈閉幅度約為 220 m，含油氣高度約為 160 m。

　　劉莊構(gòu)造是在晚白堊世末期由于郯廬斷裂構(gòu)造運(yùn)動而發(fā)展形成的，是一個長期發(fā)育的古斷鼻構(gòu)造，在阜寧組沉積早期，開始逐步形成，初期為一寬緩的斷鼻構(gòu)造，隨著構(gòu)造運(yùn)動的不斷加強(qiáng)，后期構(gòu)造幅度逐漸增加，沉積末期劉莊構(gòu)造形態(tài)趨于定型，構(gòu)造高點(diǎn)部位與現(xiàn)今構(gòu)造基本一致。

　　2.2 劉莊氣頂油藏地層發(fā)育特征

　　劉莊地區(qū)鉆井揭示的地層層序自下而上分別為：上侏羅統(tǒng)火山巖系和白堊系的紅色沉積地層，下第三系始新統(tǒng)阜寧組沉積地層，新近系三垛組 — 戴南組沉積地層和鹽城組沉積地層。劉莊氣頂油藏主要含油氣層段為阜寧組一、二段，蓋層為阜寧組二段一、二砂組泥巖及阜寧組三、四段地層，故研究主要針對阜寧組開展。

　　下第三系阜寧組沉積地層可分為 4 段，其中，阜寧組一段為氧化條件下的河湖相的紅色砂、泥巖沉積，厚度介于 280~350 m，阜寧組一段一、二砂組是富含有機(jī)質(zhì)以湖相沉積為主的還原 — 弱還原條件下生油巖層的沉積，是劉莊氣頂油藏的主要產(chǎn)層段之一;阜寧組二段三砂組以灰色生物碎屑灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r夾淺灰色粉細(xì)砂巖為主，上部發(fā)育深灰色泥巖為主夾薄層泥灰?guī)r、油頁巖，厚度介于 90~120 m;阜寧組三段為深灰色泥巖與薄層灰白色粉細(xì)砂巖互層，厚度介于 120~150 m;阜寧組四段在蘇北盆地內(nèi)保留程度差別較大，殘留厚度不一，研究區(qū)厚度變化范圍介于 180~230 m，巖性為深灰 — 灰黑色泥巖，中下部多夾泥灰?guī)r。

　　阜寧組二段三砂組發(fā)育淺湖砂壩、碳酸鹽生物灘和鮞灘沉積形成的粉砂巖、生物碎屑灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r互層地層;上部發(fā)育深灰色泥巖為主夾薄層泥灰?guī)r、油頁巖。因而，阜寧組二段三砂組成為劉莊氣頂油藏的最主要含油氣層段，一、二砂組厚度介于 15~30 m，可以作為油氣的良好蓋層。

　　阜寧組三段二砂組的深灰色泥巖在區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定存在，是區(qū)內(nèi)地層對比的主要標(biāo)志層之一，典型特征為低自然電位、高伽馬、低電阻率;阜寧組三段一砂組地層巖性組合為灰黑色泥巖夾灰?guī)r、生物灰?guī)r和碎屑灰?guī)r等，典型特征為低自然電位，低伽馬、高電阻率組合。阜寧組三段是區(qū)域內(nèi)較為穩(wěn)定的地層，可以作為較好的蓋層，也是研究的主要目的層之一。

　　3 蓋層密封性評價

　　蓋層的封閉機(jī)理主要有 2 種，薄膜封閉和水力封閉。薄膜封閉又稱為毛細(xì)管封閉，毛細(xì)管封閉是油氣封閉的最常見機(jī)理，只要蓋層與儲層之間存在毛細(xì)管壓力差，就能封閉住一定的烴柱高度。基于毛細(xì)管封閉機(jī)理，對蓋層開展宏觀密封性和微觀密封的評價研究。

　　3.1 宏觀密封性評價

　　蓋層巖性特征

　　蓋層的宏觀密封性評價主要針對蓋層的巖性、厚度及分布范圍等進(jìn)行分析，劉莊儲氣庫存儲空間主要為阜寧組一段和阜寧組二段三砂組，其上覆地層阜寧組二段一、二砂組發(fā)育深湖相的泥巖蓋層，該蓋層單層厚度介于 15~30 m，平均厚度為 18.5 m，該段泥巖地層巖性純度高，是質(zhì)量良好的蓋層。劉莊儲氣庫在阜寧組三段二砂組發(fā)育了厚度介于 60~80 m 的深灰色泥巖，與阜寧組二段一、二砂組泥巖段可以組成介于 70~100 m 的蓋層。劉莊地區(qū)能夠形成油氣藏，說明其蓋層密封性良好，此外，該蓋層全區(qū)分布且區(qū)域分布穩(wěn)定，其黏土礦物含量在 30% 以上，滿足儲氣庫的要求。

　　劉莊儲氣庫阜寧組二段一砂組與阜寧組三段二砂組泥巖蓋層巖礦物組成以黏土礦物、碳酸鹽礦物(白云石、方解石、鐵白云石)和石英為主，次為方沸石和長石(斜長石、鉀長石)，少量黃鐵礦，微量石膏、菱鐵礦。總體來看，蘇北盆地阜寧組二段一砂組泥頁巖層脆性礦物含量均高于 50%，且黏土礦物含量也較高，均高于 30%，較高的脆性礦物和黏土礦物含量，使得劉莊儲氣庫阜寧組二段一砂組與阜寧組三段二砂組泥巖蓋層具有良好的毛細(xì)管阻力，對油氣形成良好的阻擋，較高的脆性礦物組成的泥巖巖石骨架可以在儲氣庫多輪次注采過程中較好地承受蓋層應(yīng)力變化，因而劉莊儲氣庫阜寧組二段一砂組與阜寧組三段二砂組泥巖蓋層具有有利的巖性組合。

　　蓋層巖石力學(xué)特征

　　楊氏模量和泊松比是表征泥頁巖物理性質(zhì)的主要巖石力學(xué)參數(shù)，楊氏模量是指巖石所受應(yīng)力與應(yīng)變的比，即巖石的剛性大小，反映了巖石被壓裂后保持裂縫的能力;泊松比是巖石橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值，即巖石彈性的大小，反映了巖石在壓力下破裂的能力。泥頁巖楊氏模量越低，泊松比越高，反映塑性越強(qiáng)。

　　通過對蘇北盆地阜寧組泥頁巖巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，蘇北盆地阜寧組泥頁巖楊氏模量整體較低，普遍小于 20 GPa，與泌陽凹陷核桃園組和東營凹陷沙三段泥頁巖的楊氏模量相當(dāng)，小于 Barnett 頁巖和中國南方海相龍馬溪組頁巖，泊松比略小于上述泥頁巖。從脆性指數(shù)看，蘇北盆地阜寧組泥頁巖層脆性指數(shù)整體相對較低，其中，阜寧組二段二砂組脆性指數(shù)最高，達(dá) 48.25%;阜寧組四段一砂組脆性指數(shù)最小，為 40.10%，中國南方海相脆性指數(shù)在 60.00% 以上。蘇北盆地阜寧組泥頁巖塑性比美國典型頁巖和中國南方海相龍馬溪組等泥頁巖要強(qiáng)，與中國東部斷陷盆地勝利、河南油田的頁巖層相似，其封堵性較強(qiáng)，具有良好的油氣封堵性。

　　3.2 微觀密封性評價

　　蓋層物性參數(shù)

　　研究區(qū)目地層蓋層為泥巖，其物性非常低，孔隙度平均約為 %，滲透率平均約為 0.15×10⁻³μm²，密度平均約為 2.48g/cm³，擴(kuò)散系數(shù)約為 1.2×10⁻⁶，整體認(rèn)為該泥巖蓋層密封性良好。

　　蓋層的突破壓力

　　突破壓力是指在下伏儲層中油氣壓力作用下刺穿上部蓋層的最小壓力，該壓力的大小顯示了蓋層密封性的優(yōu)劣。突破壓力是蓋層礦物成分、微觀孔隙、流體性質(zhì)等特征的綜合反映，泥巖蓋層的突破壓力最大，密封性最好。突破壓力主要是受巖性和地層埋深等因素影響，劉莊油氣藏阜寧組二段埋深介于 1080~1200 m，屬于正常的壓力系統(tǒng)，壓力系數(shù)為 0.97，根據(jù)不同埋深、氣柱高度所產(chǎn)生的壓力經(jīng)驗(yàn)值，并依據(jù)研究區(qū)實(shí)驗(yàn)，測得蓋層突破壓力介于 4.5~5.1 MPa，可封閉的氣柱高度介于 500~600 m。劉莊儲氣庫儲層圈閉的閉合幅度為 220 m，小于可封閉氣柱的高度，因此，該蓋層具有良好的封閉天然氣的條件。

　　黏土礦物特征

　　黏土礦物主要成分有高嶺石、伊蒙混層、伊利石和綠泥石，蒙脫石非常微量，各類黏土礦物遇水膨脹能力排序：蒙脫石 > 伊蒙混層 > 伊利石 > 高嶺石 > 綠泥石。其中，蒙脫石遇到淡水最易膨脹，可降低地層的物性，該性質(zhì)可以很好地降低儲氣庫在生產(chǎn)過程中的增壓 / 降壓對泥巖蓋層的影響，降低生產(chǎn)過程中形成微裂縫的滲透性，有利于蓋層的密封性。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，頁巖油氣發(fā)育的 Barnett 等頁巖層中黏土礦物主要為微含蒙脫石的伊利石，因而更易于造縫;而劉莊油氣藏阜寧組泥頁巖黏土礦物組成以伊蒙混層礦物為主，該段泥頁巖地層由于蒙脫石含量較高遇水易膨脹，因而具有更好的封堵條件。

　　4 斷層密封性評價

　　斷層密封性研究主要是防止儲氣庫在生產(chǎn)過程中由于地層壓力的變化導(dǎo)致斷層面活化而發(fā)生泄露。劉莊儲氣庫是在斷鼻油氣藏基礎(chǔ)上建立的，其主控斷層劉①斷層斷距約 200 m，斷層走向北東，傾向北西，斷面略有彎曲，傾角約 50°。斷層封閉機(jī)理主要是斷層巖石與儲層巖石毛管壓力差異形成的封閉作用，其本質(zhì)在于排替壓力的差異，斷層密封性評價又分為垂向密封性和側(cè)向密封性。

　　4.1 斷層的垂向密封性

　　上覆壓力和斷層面傾角決定了斷面所受垂向壓力的大小，該壓力大小與斷穿地層泥地比共同決定了斷層的垂向密封性，阜寧組二段氣藏為上覆穩(wěn)定的泥巖蓋層，厚度約為 450 m，斷層斷距約為 200 m，由于該斷裂為扭張型反向正斷層，并且該區(qū)域蓋層厚度大，因此認(rèn)為該斷層在垂向上是密封的。控藏斷層傾角約 50°，傾角較大，基于研究區(qū)斷層正壓力與上覆地層埋深的經(jīng)驗(yàn)，得到上覆 1000 m 以上的地層可以產(chǎn)生 5.8 MPa 以上的壓力，形成 500 m 以上的天然氣氣柱。從該區(qū)域油井的生產(chǎn)動態(tài)資料上分析，進(jìn)一步證明主控大斷層在垂向上是密封的。

　　4.2 斷層的側(cè)向密封性

　　斷層的側(cè)向密封性主要是受斷層兩側(cè)巖性差異而形成的，當(dāng)儲集層與非滲透層對接時，斷層具有側(cè)向密封性，當(dāng)儲集層與儲集層對接時，斷層不具有密封性。劉①斷層兩側(cè)的對接關(guān)系可以看出，斷層?xùn)|側(cè)下降盤儲層并不很發(fā)育，儲層對接面很窄小，反映出劉①斷層?xùn)|部圈閉的密封性較好。

　　泥巖涂抹是泥巖的泥化通過進(jìn)入發(fā)育中的斷層而形成的，導(dǎo)致沿上、下盤斷壁間的削截砂巖層形成較薄的泥質(zhì)層。泥巖涂抹是一種定量評價密封性的方法，通過對多種方法的比較，考慮數(shù)據(jù)獲取及可靠性等因素，選擇泥巖涂抹因子的大小來定量評價斷層的側(cè)向密封性。

　　劉莊儲氣庫主控斷層斷距約為 200 m，阜寧組二段泥巖厚度約為 60 m。根據(jù)以上公式，得出阜寧組二段的 SSF 約為 3.33，小于 4，說明該斷層具有封堵性。根據(jù)以上合理運(yùn)行壓力區(qū)間設(shè)計(jì)的基本原則，考慮到控藏為正斷層，其密封性比逆斷層差，劉莊儲氣庫設(shè)計(jì)階段，經(jīng)過數(shù)值模擬等工作推算儲氣庫運(yùn)行上限壓力為油藏原始壓力最為有利，因而初始設(shè)計(jì)上限壓力為油藏原始壓力 12 MPa，工程方案沿用初始設(shè)計(jì)上限壓力，在上限壓力范圍內(nèi)劉莊儲氣庫可以長期安全運(yùn)行。

　　5 結(jié)論

　　劉莊儲氣庫阜寧組二段一砂組與阜寧組三段二砂組泥巖蓋層巖石礦物組成以黏土礦物、碳酸鹽礦物和石英為主，具有有利的巖性組合。該蓋層全區(qū)分布且區(qū)域分布穩(wěn)定，黏土礦物含量在 30% 以上，滿足儲氣庫的要求。

　　蘇北盆地阜寧組泥頁巖巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)顯示：該區(qū)阜寧組泥頁巖楊氏模量整體較低，普遍小于 20 GPa，脆性指數(shù)整體相對較低，其中，阜寧組二段二砂組脆性指數(shù)最高，達(dá) 48.25%;阜寧組四段一砂組脆性指數(shù)最小，為 40.10%，較中國南方海相泥頁巖脆性指數(shù)小，并且其黏土礦物組成以伊蒙混層礦物為主，遇水易膨脹，因而認(rèn)為其具有良好的油氣封堵性。

朱子恒;任眾鑫;王照周;郭尚濤;王朝國;柳譽(yù)劍;楊 濤;魏 兵,國家管網(wǎng)集團(tuán)聯(lián)合管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司;安東石油技術(shù)(集團(tuán))有限公司油藏地質(zhì)研究院;中國石化中原油田分公司文留采油廠,202405