氣藏型地下儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)注采機(jī)理與評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)

孫軍昌 胥洪成 王皆明 石 磊 李 春 唐立根 鐘 榮

1. 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院 2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司油氣地下儲(chǔ)庫(kù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

氣藏型地下儲(chǔ)氣庫(kù)（以下簡(jiǎn)稱儲(chǔ)氣庫(kù)）是目前全球最主要的天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)類型，其工作氣量約占全球各類儲(chǔ)氣庫(kù)總工作氣量的75%[1]。我國(guó)自20世紀(jì)90年代末開始在天津大港板橋地區(qū)利用開發(fā)中后期的氣藏改建儲(chǔ)氣庫(kù)，氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)也已成為我國(guó)主要的天然氣季節(jié)調(diào)峰儲(chǔ)備設(shè)施。與氣藏一般單向采氣不同，儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行具有氣體交替強(qiáng)注強(qiáng)采工況劇烈、單井大流量吞吐流體高速滲流、地應(yīng)力場(chǎng)周期擾動(dòng)等特點(diǎn)[2]。同時(shí)，國(guó)內(nèi)地質(zhì)條件遠(yuǎn)較國(guó)外復(fù)雜，建庫(kù)氣藏普遍具有構(gòu)造破碎、埋藏深、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、建庫(kù)前地層流體分布復(fù)雜等特點(diǎn)，進(jìn)一步加劇了滿足儲(chǔ)氣庫(kù)特殊工況的建庫(kù)地質(zhì)方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)難度[1]。我國(guó)早期建設(shè)的大港板橋庫(kù)群多周期注采實(shí)踐表明，深入研究?jī)?chǔ)氣庫(kù)強(qiáng)注強(qiáng)采地應(yīng)力周期擾動(dòng)和氣、水（油）高速互驅(qū)滲流等建庫(kù)注采機(jī)理，建立適應(yīng)交變載荷工況和我國(guó)陸相沉積復(fù)雜地質(zhì)條件特點(diǎn)的儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)，是指導(dǎo)儲(chǔ)氣庫(kù)科學(xué)選址設(shè)計(jì)的重要保障。

從國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)面臨的主要地質(zhì)難點(diǎn)和建庫(kù)地質(zhì)方案設(shè)計(jì)技術(shù)挑戰(zhàn)出發(fā)，重點(diǎn)論述了開發(fā)中后期構(gòu)造破碎水侵氣藏動(dòng)態(tài)密封性和多相流體高速交互驅(qū)替滲流機(jī)理及評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)物理模擬和數(shù)值模擬兩種技術(shù)手段相互結(jié)合，揭示了儲(chǔ)氣庫(kù)周期注采交變應(yīng)力作用下蓋層和斷層密封性動(dòng)態(tài)變化機(jī)理、非均質(zhì)儲(chǔ)層氣水高速滲流孔隙動(dòng)用特征，并以此建立了相應(yīng)的建庫(kù)地質(zhì)評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)。

1 建庫(kù)注采機(jī)理與地質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)

建庫(kù)注采機(jī)理與地質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)是儲(chǔ)氣庫(kù)科學(xué)設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行重要的理論基礎(chǔ)[3-4]，其核心技術(shù)包括圈閉密封性和流體高速注采滲流機(jī)理評(píng)價(jià)及庫(kù)容參數(shù)優(yōu)化等，是決定建庫(kù)指標(biāo)設(shè)計(jì)科學(xué)性和可靠性的關(guān)鍵。

1.1 圈閉密封性動(dòng)態(tài)變化機(jī)理與評(píng)價(jià)技術(shù)

與國(guó)外相比，我國(guó)復(fù)雜的沉積成藏環(huán)境經(jīng)歷多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致油氣藏構(gòu)造復(fù)雜，適宜建庫(kù)區(qū)域可選建庫(kù)氣藏一般均發(fā)育不同規(guī)模的斷層，部分?jǐn)鄬油耆珨啻┥w層。儲(chǔ)氣庫(kù)選址評(píng)價(jià)的首要條件就是要求地下整體儲(chǔ)氣系統(tǒng)具備長(zhǎng)期密封性，斷層越發(fā)育、構(gòu)造越復(fù)雜，地下儲(chǔ)氣系統(tǒng)密封評(píng)價(jià)難度越大[1]。但與油氣藏勘探開發(fā)不同，儲(chǔ)氣庫(kù)圈閉密封性研究不僅需準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其原始靜態(tài)密封性，而且需預(yù)先考慮和評(píng)價(jià)氣藏建庫(kù)后長(zhǎng)期注采交變應(yīng)力作用下的圈閉完整性。因此，常規(guī)以宏觀地質(zhì)分析和室內(nèi)巖心微觀實(shí)驗(yàn)為主的靜態(tài)密封性評(píng)價(jià)方法無(wú)法滿足儲(chǔ)氣庫(kù)工況要求，必須重點(diǎn)研究交變應(yīng)力下蓋層和斷層密封性動(dòng)態(tài)變化機(jī)理，建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)技術(shù)，以此為核心依據(jù)，科學(xué)指導(dǎo)復(fù)雜地質(zhì)條件儲(chǔ)氣庫(kù)選址評(píng)價(jià)和建庫(kù)地質(zhì)方案設(shè)計(jì)。

1.1.1 蓋層動(dòng)態(tài)密封性評(píng)價(jià)

常規(guī)氣藏研究認(rèn)為蓋層封閉機(jī)理主要包括3種，即物性封閉（毛細(xì)管封閉）、烴濃度封閉和超壓封閉，毛細(xì)管封閉是最具有普遍意義的封閉機(jī)理[5]。但對(duì)于儲(chǔ)氣庫(kù)而言，由于往復(fù)注采引起區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)周期擾動(dòng)，交變應(yīng)力作用下蓋層將發(fā)生不同程度的彈塑性變形，改變其原始靜態(tài)毛細(xì)管密封能力，甚至由于局部應(yīng)力集中導(dǎo)致蓋層發(fā)生宏觀力學(xué)破壞。因此，儲(chǔ)氣庫(kù)蓋層動(dòng)態(tài)密封性評(píng)價(jià)包括交變應(yīng)力作用下的蓋層毛細(xì)管密封能力和力學(xué)完整性評(píng)價(jià)兩個(gè)方面。

1.1.1.1 毛細(xì)管密封性

筆者在蓋層常規(guī)突破壓力理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法基礎(chǔ)上，提出了蓋層動(dòng)態(tài)突破壓力的概念，即在儲(chǔ)氣庫(kù)注采交變應(yīng)力作用下的蓋層氣體突破壓力。采用研制的可施加三軸應(yīng)力的突破壓力測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)取自H儲(chǔ)氣庫(kù)泥巖蓋層的5塊柱塞巖心（直徑約為2.5 cm、長(zhǎng)度約為5.5 cm），飽和煤油后以氮?dú)鉃轵?qū)替介質(zhì)，進(jìn)行了交變應(yīng)力損傷前后的靜、動(dòng)態(tài)突破壓力測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，5塊巖心靜態(tài)突破壓力分布在3.88～8.79 MPa，平均值為6.16 MPa。根據(jù)氣水、氣油兩種不同體系的界面張力，折算成氮?dú)怛?qū)替飽和地層水的靜態(tài)突破壓力介于7.22～16.35 MPa，平均值為11.52 MPa。根據(jù)蓋層劃分標(biāo)準(zhǔn)，屬于較好密封級(jí)別的蓋層[6]。50次三軸交變應(yīng)力損傷后，外形保持完好的2塊巖心測(cè)試的動(dòng)態(tài)突破壓力分別為3.96 MPa和6.27 MPa，與交變應(yīng)力損傷前相比分別減小了27.5%和2.0%，2塊巖心突破壓力平均減小幅度為14.8%。

為了深入揭示交變應(yīng)力作用下泥巖蓋層原始靜態(tài)突破壓力變化機(jī)理，選取了3塊泥巖巖心測(cè)試50次交變應(yīng)力下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖1為3塊巖心中具有代表性的應(yīng)力（偏壓）應(yīng)變曲線。從圖1可以看出，隨著交變次數(shù)的增加，循環(huán)加卸載引起的塑性應(yīng)變持續(xù)變大，塑性應(yīng)變從第1周期的約0.04%增長(zhǎng)至近0.12%，反映了儲(chǔ)氣庫(kù)注采引起的地應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng)持續(xù)引起蓋層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的改變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示交變應(yīng)力對(duì)蓋層原始毛細(xì)管密封能力產(chǎn)生了弱化作用，其根源在于巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)的改變。因此，儲(chǔ)氣庫(kù)蓋層毛細(xì)管密封能力評(píng)價(jià)應(yīng)在模擬地層溫度、壓力條件下考慮地應(yīng)力及其動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，以物理模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試的動(dòng)態(tài)突破壓力為主要指標(biāo)，定量評(píng)價(jià)蓋層毛細(xì)管密封性。

圖1 H儲(chǔ)氣庫(kù)泥巖蓋層巖心偏壓—應(yīng)變曲線圖

1.1.1.2 力學(xué)完整性

儲(chǔ)氣庫(kù)蓋層力學(xué)完整性評(píng)價(jià)重點(diǎn)是研究?jī)?chǔ)氣庫(kù)大流量強(qiáng)注強(qiáng)采局部超壓引起的儲(chǔ)、蓋層拉張破壞，以及由于構(gòu)造、巖性變化和層理發(fā)育等復(fù)雜條件引起的應(yīng)力集中導(dǎo)致的蓋層剪切和力學(xué)疲勞破壞。研究巖石變形破壞特征和區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)是評(píng)價(jià)蓋層力學(xué)完整性的前提和基礎(chǔ)。通過(guò)礦場(chǎng)水力壓裂、地漏試驗(yàn)等地應(yīng)力測(cè)試和室內(nèi)聲發(fā)射凱瑟爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)等，準(zhǔn)確測(cè)試建庫(kù)氣藏蓋層最小水平主應(yīng)力，以此評(píng)價(jià)目標(biāo)氣藏建庫(kù)高速注氣儲(chǔ)層局部高壓是否會(huì)誘發(fā)儲(chǔ)、蓋層拉張破壞。

筆者建立的蓋層剪切破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法是在圈閉精細(xì)地質(zhì)研究、地應(yīng)力測(cè)試和室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)建立儲(chǔ)氣庫(kù)圈閉地應(yīng)力—滲流耦合模型，建模范圍涵蓋儲(chǔ)層、蓋層、上覆和下伏地層及周邊斷層等，然后采用地質(zhì)力學(xué)—滲流雙向耦合數(shù)值模擬氣藏開發(fā)及改建儲(chǔ)氣庫(kù)后周期注采地層壓力擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)地應(yīng)力場(chǎng)[7-12]。在此基礎(chǔ)上，基于經(jīng)典的巖石力學(xué)摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則，引入剪切安全指數(shù)在三維空間尺度可視化定量評(píng)價(jià)剪切破壞風(fēng)險(xiǎn)[13]。

圖2為數(shù)值模擬給出的H儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)下限壓力（18 MPa）時(shí)泥巖蓋層剪切安全指數(shù)平面分布圖，定量顯示了儲(chǔ)氣庫(kù)采氣末蓋層剪切破壞風(fēng)險(xiǎn)高低，充分反映了在復(fù)雜構(gòu)造和巖性變化條件下儲(chǔ)氣庫(kù)注采引起的地應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)蓋層剪切變形的影響。

圖2 H儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)下限壓力時(shí)蓋層剪切安全指數(shù)分布圖

儲(chǔ)氣庫(kù)蓋層交變應(yīng)力疲勞破壞風(fēng)險(xiǎn)主要通過(guò)室內(nèi)巖心三軸交變應(yīng)力實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，其中交變應(yīng)力加載方式、交變范圍和頻率等是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。以H儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)蓋層實(shí)測(cè)地應(yīng)力、儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力區(qū)間等為依據(jù)，結(jié)合有效應(yīng)力理論，采用定圍壓交變軸壓方式模擬儲(chǔ)氣庫(kù)注采交變應(yīng)力對(duì)蓋層的疲勞損傷，交變頻率和次數(shù)分別選取0.1 Hz和50次。針對(duì)H儲(chǔ)氣庫(kù)泥巖蓋層巖心三軸交變應(yīng)力實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在32 MPa圍壓下循環(huán)加卸載50次，3塊巖心累積塑性應(yīng)變平均僅0.14%，遠(yuǎn)低于1%的疲勞破壞臨界指標(biāo)[10]。

1.1.2 斷層動(dòng)態(tài)密封性評(píng)價(jià)

斷層密封性包括側(cè)向和縱向密封兩個(gè)方面。在地質(zhì)、地震、測(cè)井和巖心觀察等資料綜合解釋基礎(chǔ)上，通過(guò)斷層砂泥比、泥巖涂抹系數(shù)等可以對(duì)側(cè)向密封性進(jìn)行較完整的評(píng)價(jià)。常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)研究通過(guò)測(cè)試地層原始地應(yīng)力，根據(jù)靜力分析計(jì)算出斷層面正壓力，同時(shí)結(jié)合上述評(píng)價(jià)的斷層砂泥比大小、斷層帶充填物性質(zhì)等定性評(píng)價(jià)縱向密封性。但是，當(dāng)由于注采擾動(dòng)引起區(qū)域地應(yīng)力變化時(shí)，作用在斷層面上的剪應(yīng)力大于有效正應(yīng)力與摩擦系數(shù)之積時(shí)，斷層將發(fā)生縱向失穩(wěn)滑移，增大縱向密封失效風(fēng)險(xiǎn)[9-13]。儲(chǔ)氣庫(kù)斷層密封性評(píng)價(jià)的核心和難點(diǎn)是研究交變作用下斷層縱向動(dòng)態(tài)密封性，本質(zhì)是研究斷層周邊復(fù)雜構(gòu)造地應(yīng)力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化和斷層力學(xué)穩(wěn)定性。

目前受實(shí)驗(yàn)室斷層模型制作、三向地應(yīng)力仿真模擬等多種因素影響，主要通過(guò)地質(zhì)力學(xué)數(shù)值模擬手段評(píng)價(jià)斷層穩(wěn)定性[9-15]。采用上述的儲(chǔ)氣庫(kù)圈閉地應(yīng)力—滲流耦合模型，可以數(shù)值模擬獲得儲(chǔ)氣庫(kù)注采過(guò)程斷層兩側(cè)動(dòng)態(tài)地應(yīng)力場(chǎng)。然后根據(jù)三維空間應(yīng)力張量算法，可計(jì)算出任一地層壓力下沿?cái)鄬用娴募魬?yīng)力和有效正應(yīng)力。引入斷層滑移趨勢(shì)指數(shù)（ST），評(píng)價(jià)交變應(yīng)力下的斷層力學(xué)穩(wěn)定性[13]。ST越大，失穩(wěn)滑移風(fēng)險(xiǎn)越高。

H氣藏開發(fā)14年后，H斷層的ST主要分布在0.2～0.4，整體力學(xué)穩(wěn)定，尤其在蓋、儲(chǔ)層對(duì)應(yīng)的2 500 m左右，斷層滑移趨勢(shì)指數(shù)較小。通過(guò)常規(guī)精細(xì)地質(zhì)分析和圈閉地應(yīng)力—滲流耦合模擬相互結(jié)合，可全面評(píng)價(jià)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造斷層側(cè)向和縱向動(dòng)態(tài)密封性[13]。

1.2 多周期注采滲流機(jī)理與庫(kù)容參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

1.2.1 多周期注采滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)研發(fā)

針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)高速往復(fù)注采流體交互驅(qū)替的特點(diǎn)，在氣藏開發(fā)常規(guī)物理模擬系統(tǒng)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)驅(qū)替方式、儀器耐壓級(jí)別、流量計(jì)精度等實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法和核心配套設(shè)備進(jìn)行了創(chuàng)新升級(jí)，研發(fā)了可仿真儲(chǔ)氣庫(kù)高速交互注采的實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)，其技術(shù)流程如圖3所示（圖中1表示氣源； 2表示減壓閥；3表示注入氣流量控制器；4表示氣液分離器；5表示采出氣流量控制器；6表示液體刻度瓶；7表示電子天平；8表示液體驅(qū)替泵；9表示三通閥；10表示壓力傳感器； 11表示核磁共振巖心分析夾持器；12表示常規(guī)巖心分析夾持器；13表示環(huán)壓泵；14表示水體能量調(diào)節(jié)器；15表示兩通閥），可實(shí)現(xiàn)高溫（180 ℃）、高壓（70 MPa）條件氣水互驅(qū)相滲曲線測(cè)試和注采仿真物理模擬。

圖3 儲(chǔ)氣庫(kù)注采滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)流程圖

1.2.2 多周期注采滲流機(jī)理評(píng)價(jià)

1.2.2.1 多輪次氣水互驅(qū)相對(duì)滲透率曲線

對(duì)取自B水侵砂巖氣藏儲(chǔ)層巖心開展5輪氣水互驅(qū)相對(duì)滲透率曲線測(cè)試，圖4為某代表性巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖4可以看出，在儲(chǔ)氣庫(kù)周期注采過(guò)程中，氣水相對(duì)滲透率曲線存在明顯的滯后效應(yīng)，隨著氣水互驅(qū)次數(shù)的增加，氣相和水相相對(duì)滲透率均呈降低

圖4 多輪次氣水互驅(qū)相對(duì)滲透率曲線圖

趨勢(shì)，相對(duì)滲透率曲線反映氣水兩相共流區(qū)間變窄、等滲點(diǎn)下移，但多輪互驅(qū)后變化趨于穩(wěn)定。多輪相對(duì)滲透率曲線揭示出儲(chǔ)氣庫(kù)周期注采過(guò)程反復(fù)發(fā)生“水侵”和“水退”的氣水過(guò)渡帶，氣、水有效滲流能力存在持續(xù)下降趨勢(shì)，經(jīng)多輪吞吐后趨于穩(wěn)定，相對(duì)滲透率滯后效應(yīng)對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)投運(yùn)初期幾個(gè)周期過(guò)渡帶井產(chǎn)能具有重要影響[16-17]。

1.2.2.2 多周期注采孔隙動(dòng)用物理模擬

如前所述，儲(chǔ)氣庫(kù)大流量強(qiáng)注強(qiáng)采過(guò)程中流體滲流速度遠(yuǎn)高于氣藏開發(fā)，注采速度一般是氣藏開發(fā)的20～30倍，流體的高速滲流必然加劇儲(chǔ)層非均質(zhì)性的影響，在宏觀上導(dǎo)致部分低滲透區(qū)（層）無(wú)法有效動(dòng)用。微觀上，受毛細(xì)管力滯后、孔喉非均質(zhì)性和氣水流動(dòng)能力差異等影響，氣水互驅(qū)過(guò)程發(fā)生捕集、互鎖和繞流等現(xiàn)象，使得氣水過(guò)渡帶殘余氣（束縛水）飽和度增加[18]。上述兩種因素的綜合影響將使得儲(chǔ)氣庫(kù)短期高速注采儲(chǔ)層整體動(dòng)用效率低于氣藏開發(fā)。以H水侵砂巖儲(chǔ)氣庫(kù)為例，根據(jù)儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力區(qū)間、平均日注采氣量和注采井?dāng)?shù)等，仿真模擬地層高速注采滲流條件，巖心實(shí)驗(yàn)?zāi)M評(píng)價(jià)的氣驅(qū)水純氣帶和氣水過(guò)渡帶含氣孔隙動(dòng)用效率如圖5所示。從圖5可以看出，氣驅(qū)水純氣帶含氣孔隙空間動(dòng)用效率隨注采輪次持續(xù)增加，而氣水過(guò)渡帶動(dòng)用效率變化規(guī)律相反，兩個(gè)不同區(qū)帶最終趨于穩(wěn)定的含氣孔隙空間動(dòng)用效率分別僅為氣藏開發(fā)的67.4%和46.0%。實(shí)驗(yàn)機(jī)理新發(fā)現(xiàn)揭示，儲(chǔ)氣庫(kù)短期高速注采條件下有效動(dòng)用的含氣孔隙空間明顯小于氣藏開發(fā)。

圖5 模擬儲(chǔ)氣庫(kù)注采含氣孔隙動(dòng)用特征曲線圖

1.2.3 庫(kù)容參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

儲(chǔ)氣庫(kù)關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)計(jì)包括有效庫(kù)容量、運(yùn)行壓力區(qū)間、工作氣量、井注采氣能力和合理井網(wǎng)密度等。這幾項(xiàng)參數(shù)之間存在一定的相互影響或制約關(guān)系，但其核心是有效庫(kù)容量設(shè)計(jì)。

1.2.3.1 有效庫(kù)容量

基于水侵氣藏儲(chǔ)層非均質(zhì)性地質(zhì)特點(diǎn)、流體復(fù)雜分布和氣水互驅(qū)微觀滲流機(jī)理等深入分析，提出了以“分區(qū)差異動(dòng)用、建庫(kù)有效空間”為核心有效庫(kù)容量設(shè)計(jì)新方法，其總體技術(shù)思路是在儲(chǔ)層流體不同區(qū)帶精細(xì)劃分基礎(chǔ)上，依據(jù)室內(nèi)仿真模擬實(shí)驗(yàn)確定的不同區(qū)帶含氣孔隙空間動(dòng)用效率，并扣除應(yīng)力敏感等其他因素導(dǎo)致的含氣孔隙空間損失，加權(quán)計(jì)算得到建庫(kù)有效孔隙空間，然后根據(jù)物質(zhì)平衡方法設(shè)計(jì)有效庫(kù)容量[19-20]。

1.2.3.2 運(yùn)行壓力區(qū)間

儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行壓力區(qū)間包括上限壓力和下限壓力。上限壓力即儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中允許達(dá)到的最大地層壓力，下限壓力即維持儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行所需的最小地層壓力。上限壓力設(shè)計(jì)以儲(chǔ)氣圈閉密封性不遭到破壞為前提，需綜合考慮蓋層、斷層、溢出點(diǎn)和邊界地層密封性，一般選取氣藏原始地層壓力作為儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行上限壓力。但對(duì)于構(gòu)造較為完整、蓋層密封性好且內(nèi)部斷裂不發(fā)育的背斜或斷背斜構(gòu)造，可適當(dāng)提高上限壓力，通過(guò)采用前述的蓋層和斷層動(dòng)態(tài)密封性評(píng)價(jià)方法，可綜合優(yōu)化確定保持圈閉完整的極限壓力，作為上限壓力設(shè)計(jì)的最大約束條件。

下限壓力設(shè)計(jì)采用氣藏工程和數(shù)值模擬兩種技術(shù)手段的相互結(jié)合，以儲(chǔ)氣庫(kù)采氣末期具有一定的調(diào)峰能力、降低邊底水侵入對(duì)儲(chǔ)層含氣孔隙的影響、采氣井口壓力滿足進(jìn)站要求和儲(chǔ)氣庫(kù)具有一定規(guī)模工作氣量等為約束條件，通過(guò)多方案對(duì)比優(yōu)化確定下限壓力。

1.2.3.3 工作氣量

工作氣量是儲(chǔ)氣庫(kù)在設(shè)計(jì)的運(yùn)行壓力區(qū)間運(yùn)行時(shí)所能采出的天然氣量，應(yīng)綜合考慮地質(zhì)、地面、經(jīng)濟(jì)諸多因素合理確定。工作氣量與下限壓力關(guān)系密切，但下限壓力過(guò)低可能導(dǎo)致邊底水侵入，減小含氣孔隙空間并降低地層滲流能力，影響擴(kuò)容達(dá)產(chǎn)速度和調(diào)峰能力。對(duì)于滲透性較差的儲(chǔ)氣庫(kù)，過(guò)高的工作氣比例和較低的下限壓力意味著需要部署更多的注采井，帶來(lái)較大的成本壓力。因此，工作氣量設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮地質(zhì)條件，還應(yīng)綜合考慮地面設(shè)施和管網(wǎng)外輸條件，確定技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)值。

2 礦場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

2.1 氣藏主要地質(zhì)特點(diǎn)

H氣藏為帶邊底水的大型多層砂巖貧凝析氣藏。其改建儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)方案設(shè)計(jì)主要面臨兩大技術(shù)難點(diǎn)：一是構(gòu)造內(nèi)部發(fā)育3條大型逆斷層，斷層斷距大（約200 m）、延伸長(zhǎng)（20 km），且2條斷層完全斷穿了直接蓋層，需準(zhǔn)確評(píng)價(jià)蓋層和斷層動(dòng)態(tài)密封性；二是受復(fù)雜的水下分流河道沉積環(huán)境影響，砂體空間展布變化大，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，同時(shí)由于建庫(kù)前氣藏已進(jìn)入中后期開發(fā)階段，邊水沿西區(qū)選擇性侵入氣藏，平面和縱向不同區(qū)域流體分布復(fù)雜，建庫(kù)有效含氣孔隙空間準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和有效庫(kù)容量、工作氣量等庫(kù)容參數(shù)科學(xué)設(shè)計(jì)難度大。

2.2 建庫(kù)地質(zhì)方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)況

H儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行上限壓力設(shè)計(jì)是在圈閉精細(xì)地質(zhì)研究基礎(chǔ)上，采用前述的圈閉動(dòng)態(tài)密封性評(píng)價(jià)技術(shù)，重點(diǎn)開展了蓋層動(dòng)態(tài)突破壓力實(shí)驗(yàn)和地應(yīng)力—滲流耦合數(shù)值模擬，在模擬地層溫壓和地應(yīng)力周期擾動(dòng)條件下，測(cè)試蓋層平均突破壓力約為9.82 MPa，遠(yuǎn)高于保持氣體存儲(chǔ)于圈閉溢出點(diǎn)之內(nèi)所需的臨界突破壓力。采用地質(zhì)力學(xué)數(shù)值模擬手段，給出3條斷層不同上限壓力滑移趨勢(shì)指數(shù)，上限壓力為34 MPa時(shí)直接蓋層局部剪切安全指數(shù)相對(duì)較小。為確保儲(chǔ)氣庫(kù)全生命周期劇烈工況圈閉完整性，優(yōu)化確定34 MPa為儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行上限壓力。并根據(jù)地質(zhì)力學(xué)模擬結(jié)果，指導(dǎo)部署蓋層和斷層監(jiān)測(cè)井4口，尤其是在斷層區(qū)域強(qiáng)化監(jiān)測(cè)。

有效庫(kù)容量設(shè)計(jì)全面考慮了儲(chǔ)層物性及非均質(zhì)性、地層水侵入、凝析油反凝析損失以及短期高速?gòu)?qiáng)注強(qiáng)采滲流機(jī)理等諸多因素，巖心高速注采仿真物理模擬實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)氣藏建庫(kù)水淹帶上部的純氣帶、氣驅(qū)水純氣帶和氣水過(guò)渡帶含氣孔隙動(dòng)用效率分別為氣藏低速開發(fā)的92%、67%和46%。采用數(shù)值模擬分區(qū)帶提取含氣孔隙空間，計(jì)算得到建庫(kù)有效含氣孔隙空間為4 018.0×104m3，34 MPa設(shè)計(jì)上限壓力對(duì)應(yīng)的有效庫(kù)容量為107.0×108m3，儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力區(qū)間18～34 MPa對(duì)應(yīng)的工作氣量為45×108m3。

2.3 儲(chǔ)氣庫(kù)注采運(yùn)行效果

儲(chǔ)氣庫(kù)自2013年投運(yùn)以來(lái)，截至2017年注氣末，經(jīng)歷5注4采周期。4口監(jiān)測(cè)井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并結(jié)合儲(chǔ)氣庫(kù)注采庫(kù)存分析曲線，反映蓋層、斷層動(dòng)態(tài)密封性良好，儲(chǔ)氣庫(kù)不存在氣體漏失。同時(shí)，利用儲(chǔ)氣庫(kù)高速注采動(dòng)態(tài)資料對(duì)方案設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行復(fù)核，有效庫(kù)容量與設(shè)計(jì)指標(biāo)吻合程度高。目前儲(chǔ)氣庫(kù)整體注采運(yùn)行擴(kuò)容達(dá)產(chǎn)速度快，圈閉密封性良好。第5周期注氣末庫(kù)容量達(dá)98.2×108m3，達(dá)容率為91.8%，調(diào)峰能力由投產(chǎn)初期的2.7×108m3快速增至36.3×108m3，增加12倍。

3 結(jié)論

1）提出了儲(chǔ)氣庫(kù)圈閉動(dòng)態(tài)密封性評(píng)價(jià)理念，建立了以交變應(yīng)力突破壓力測(cè)試、三軸壓縮力學(xué)實(shí)驗(yàn)和地應(yīng)力—滲流耦合建模等為技術(shù)手段的儲(chǔ)氣庫(kù)蓋層、斷層動(dòng)態(tài)密封性評(píng)價(jià)方法，提出采用動(dòng)態(tài)突破壓力、剪切安全指數(shù)等指標(biāo)綜合量化評(píng)價(jià)圈閉動(dòng)態(tài)密封性。

2）通過(guò)仿真儲(chǔ)氣庫(kù)注采氣水高速互驅(qū)實(shí)驗(yàn)，揭示了非均質(zhì)水侵氣藏建庫(kù)氣水過(guò)渡帶孔隙局部動(dòng)用機(jī)理。以此為依據(jù)，建立了以有效含氣孔隙為基礎(chǔ)的儲(chǔ)氣庫(kù)有效庫(kù)容設(shè)計(jì)新方法。

3）以大型多層H儲(chǔ)氣庫(kù)為應(yīng)用實(shí)例，目前經(jīng)5注4采，儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行指標(biāo)與方案設(shè)計(jì)吻合程度高，建庫(kù)評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)得到進(jìn)一步驗(yàn)證。

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