基于多周期注采的氣藏型地下儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層滲流規(guī)律

范 宇 高新平 寧 飛 彭鈞亮 李力民 彭 歡 陳明君

1.中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 2.中國(guó)石油西南油氣田公司技術(shù)咨詢(xún)中心 3.重慶相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)有限公司 4.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

0 引言

近年來(lái)，隨著天然氣消費(fèi)量的快速增長(zhǎng)，儲(chǔ)氣能力不足與天然氣安全平穩(wěn)供應(yīng)之間的矛盾進(jìn)一步加劇。地下儲(chǔ)氣庫(kù)作為保障天然氣能源市場(chǎng)安全、平穩(wěn)運(yùn)行的“壓艙石”，在天然氣全產(chǎn)業(yè)鏈中起到不可或缺的作用[1-2]。根據(jù)國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，天然氣對(duì)外依存度一旦超過(guò)30%，地下儲(chǔ)氣庫(kù)工作氣量就需要超過(guò)消費(fèi)量的12%，而中國(guó)2022年天然氣對(duì)外依存度達(dá)40.9%，而地下儲(chǔ)氣庫(kù)工作氣量?jī)H為全國(guó)天然氣消費(fèi)量的4%～5%，中國(guó)地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)目前還處于快速發(fā)展初期[3-6]。中國(guó)新建地下儲(chǔ)氣庫(kù)大多由于地質(zhì)條件復(fù)雜而存在建設(shè)難度大、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高、建庫(kù)成本高等難題[7-9]。提高地下儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氣調(diào)峰能力，不僅應(yīng)注重建設(shè)規(guī)模，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)已建成地下儲(chǔ)氣庫(kù)潛力的挖掘，以確保地下儲(chǔ)氣庫(kù)高效運(yùn)行。

地下儲(chǔ)氣庫(kù)注采生產(chǎn)具有多周期、大流量、強(qiáng)注強(qiáng)采的特征，這種特征必然會(huì)引起儲(chǔ)層滲流特征變化，不利于地下儲(chǔ)氣庫(kù)高效運(yùn)行[10-13]：①不合理的注采壓差將引起儲(chǔ)層微粒運(yùn)移堵塞油氣滲流通道[14-15]；②儲(chǔ)層有效應(yīng)力發(fā)生周期性變化，表現(xiàn)出應(yīng)力敏感性[16-18]；③注采生產(chǎn)時(shí)，儲(chǔ)層滲透率受溫度變化影響[19-21]；④儲(chǔ)層巖石力學(xué)特征隨多周期注采發(fā)生變化[22-23]。國(guó)內(nèi)外研究表明，地下儲(chǔ)氣庫(kù)在多周期注采生產(chǎn)時(shí)，會(huì)引起儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度、有效應(yīng)力、注采壓差及溫度的變化，進(jìn)而影響注采效果，但尚未就如何確保儲(chǔ)氣庫(kù)高效注采提出建議措施，且常規(guī)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)多周期注采對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度，缺乏一套基于地下儲(chǔ)氣庫(kù)多周期注采生產(chǎn)特征的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法。

針對(duì)碳酸鹽巖氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)儲(chǔ)氣庫(kù)）高效注采的技術(shù)難題，筆者以相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層為研究對(duì)象，基于儲(chǔ)氣庫(kù)注采生產(chǎn)特征建立實(shí)驗(yàn)方法，開(kāi)展儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度、有效應(yīng)力、注采壓差和溫度變化對(duì)儲(chǔ)層注采能力影響實(shí)驗(yàn)，通過(guò)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中巖樣的抗壓強(qiáng)度、滲透率、線性膨脹率變化，分析多周期注采對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層滲流特征的影響，并以此建立基于儲(chǔ)層保護(hù)的儲(chǔ)氣庫(kù)高效注采技術(shù)。研究結(jié)果為優(yōu)化儲(chǔ)氣庫(kù)注采制度提供實(shí)驗(yàn)技術(shù)支撐，同時(shí)為其他儲(chǔ)氣庫(kù)制定高效注采方案提供指導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)巖樣來(lái)自于相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層巖心（圖1-a），根據(jù)測(cè)井解釋及巖心分析，孔隙度介于2.5%～16.1%，平均為4.94%；滲透率介于0.1～1 151.60 mD，平均為11.9 mD。加工巖心為直徑約2.5 cm，長(zhǎng)度約5 cm 的柱狀樣（圖1-b、c）；除巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)外，其余柱狀樣采用劈裂法進(jìn)行人工造縫，獲得天然裂縫粗糙表面（圖1-d）；再用熱縮管包裹柱狀樣，檢測(cè)柱狀樣的孔隙度與滲透率。為了更好地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)比對(duì)，將實(shí)驗(yàn)巖心按孔隙度、滲透率劃分為優(yōu)（孔隙度為16.1%左右、滲透率為20 mD 左右）、中（孔隙度為4.94%左右、滲透率為11.9 mD 左右）、差（孔隙度為2.5%左右、滲透率為0.1 mD 左右），優(yōu)選能代表儲(chǔ)層物性特征的柱狀樣作為實(shí)驗(yàn)樣品（表1）。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品孔滲參數(shù)檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖1 實(shí)驗(yàn)樣品照片

1.2 實(shí)驗(yàn)流體

檢測(cè)柱狀樣的孔隙度與滲透率，流體采用氮?dú)狻⒑?；不同有效?yīng)力模擬實(shí)驗(yàn)、注采壓差模擬實(shí)驗(yàn)，流體采用純凈水；溫度對(duì)儲(chǔ)層巖石滲透率影響實(shí)驗(yàn)，流體采用氮?dú)狻?/p>

2 實(shí)驗(yàn)方法

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)是在儲(chǔ)層狀態(tài)不變，即在同一溫度（初始儲(chǔ)層溫度）、壓力（初始地層壓力）下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，這與儲(chǔ)氣庫(kù)在注采生產(chǎn)過(guò)程中儲(chǔ)層狀態(tài)周期性變化實(shí)際不相符。為了模擬儲(chǔ)氣庫(kù)在多周期注采過(guò)程中巖石抗壓強(qiáng)度、有效應(yīng)力、注采壓差、溫度變化對(duì)儲(chǔ)層的影響，建立了模擬儲(chǔ)層多周期注采過(guò)程的儲(chǔ)層傷害實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，實(shí)驗(yàn)過(guò)程更符合儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際注采生產(chǎn)工況。

2.1 實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行時(shí)上覆地層壓力保持不變，儲(chǔ)層孔隙壓力在注氣時(shí)升高、采氣時(shí)降低，其始終在儲(chǔ)氣庫(kù)上、下限壓力之間反復(fù)變換。依據(jù)相似相近原理，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)采用定圍壓、變孔壓的方式開(kāi)展，利用圍壓模擬上覆地層壓力，注入壓力模擬儲(chǔ)層孔隙壓力，注入壓力改變模擬儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層多周期注采過(guò)程壓力的變化。

根據(jù)儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層上覆地層壓力測(cè)井解釋結(jié)果，確定實(shí)驗(yàn)圍壓為71 MPa。由于儲(chǔ)氣庫(kù)多周期注采實(shí)際運(yùn)行壓力介于11.6～30.0 MPa，有效應(yīng)力介于41.0～59.4 MPa，注采生產(chǎn)壓差介于2.5～5.3 MPa，儲(chǔ)層溫度介于37.85～61.89 ℃，為提高實(shí)驗(yàn)研究的針對(duì)性及準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)有效應(yīng)力取40 MPa、50 MPa、60 MPa，實(shí)驗(yàn)驅(qū)替壓差取2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa、7 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度取30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)儲(chǔ)氣庫(kù)多周期注采生產(chǎn)過(guò)程中，儲(chǔ)層巖石抗壓強(qiáng)度、有效應(yīng)力、注采壓差、溫度變化對(duì)儲(chǔ)層的影響。模擬儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層多周期注采生產(chǎn)狀態(tài)，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)樣品抗壓強(qiáng)度，評(píng)價(jià)巖石抗壓強(qiáng)度變化對(duì)儲(chǔ)層裂縫產(chǎn)生及儲(chǔ)氣庫(kù)安全運(yùn)行的影響；檢測(cè)實(shí)驗(yàn)樣品滲透率的變化，評(píng)價(jià)有效應(yīng)力變化對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的影響；檢測(cè)實(shí)驗(yàn)樣品滲透率、流體濁度，評(píng)價(jià)注采壓差變化引起微粒運(yùn)移對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度；檢測(cè)實(shí)驗(yàn)樣品線性膨脹率、滲透率，評(píng)價(jià)注采生產(chǎn)過(guò)程儲(chǔ)層溫度變化對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的影響（表2）。

表2 儲(chǔ)氣庫(kù)多周期注采對(duì)儲(chǔ)層影響實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表

1）儲(chǔ)層巖石抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)：利用多功能巖石力學(xué)儀開(kāi)展三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，選取物性特征相近的3個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品，設(shè)置實(shí)驗(yàn)溫度為60 ℃，實(shí)驗(yàn)圍壓（有效應(yīng)力）分別為40 MPa、50 MPa、60 MPa，加載至目標(biāo)圍壓值并保持不變，穩(wěn)壓30 min，評(píng)價(jià)不同圍壓下，實(shí)驗(yàn)樣品的抗壓強(qiáng)度。

2）儲(chǔ)層巖石滲流能力實(shí)驗(yàn)：使用巖心傷害評(píng)價(jià)儀開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，選取6 個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品，每2 個(gè)物性特征相近編為1 組，共3 組，每組2 個(gè)樣品分別開(kāi)展儲(chǔ)層物性、多周期注采傷害實(shí)驗(yàn)。確定實(shí)驗(yàn)驅(qū)替流量，排除速敏的影響[24]，線性加載圍壓，加載速率為1 MPa/min，加載至71 MPa 并保持不變，穩(wěn)壓30 min；在穩(wěn)定驅(qū)替流量下進(jìn)行有效應(yīng)力加載，先由60 MPa 按10 MPa梯度減小至40 MPa，再由40 MPa 按10 MPa 梯度增加至60 MPa，每個(gè)有效應(yīng)力點(diǎn)穩(wěn)壓60 min，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)樣品的滲透率并計(jì)算滲透率變化值（ΔK）：

式中ΔK表示滲透率變化；K'表示注氣階段有效應(yīng)力60 MPa 下的滲透率，mD；K''表示采氣階段有效應(yīng)力60 MPa 下的滲透率，mD；K0表示樣品初始滲透率，mD。

3）微粒運(yùn)移對(duì)儲(chǔ)層傷害實(shí)驗(yàn)：利用巖心傷害評(píng)價(jià)儀開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，選取物性特征相近的4 個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品，實(shí)驗(yàn)溫度60 ℃，實(shí)驗(yàn)時(shí)始終保持圍壓大于入口壓力1.5～2 MPa。2 個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品壓差由2 MPa 按1 MPa梯度增加至7 MPa，2 個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品壓差由7 MPa 按1 MPa 梯度減少至2 MPa，檢測(cè)滲透率變化，收集出口端液體，觀測(cè)濁度變化。

4）溫度敏感性實(shí)驗(yàn)：利用動(dòng)態(tài)膨脹試驗(yàn)儀開(kāi)展線性膨脹率實(shí)驗(yàn)，氣測(cè)滲透率儀開(kāi)展?jié)B透率實(shí)驗(yàn)，選取6 個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品，每2 個(gè)物性特征相近編為1 組，共3 組，每組2 個(gè)樣品分別開(kāi)展儲(chǔ)層巖石線性膨脹率[25]、巖石滲透率實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)溫度由70 ℃按10 ℃梯度降低至30 ℃，再由30 ℃按10 ℃梯度升高至70℃，每個(gè)溫度點(diǎn)保溫30 min，測(cè)5 個(gè)周期的線性膨脹率、滲透率。

3 結(jié)果與討論

3.1 有效應(yīng)力對(duì)巖石抗壓強(qiáng)度的影響

巖石受力會(huì)發(fā)生形變，經(jīng)歷壓實(shí)、彈性及破碎變化。巖石體積由壓縮轉(zhuǎn)為膨脹的點(diǎn)是巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓縮轉(zhuǎn)為裂紋萌生，最終導(dǎo)致巖石滲透率由降低轉(zhuǎn)為升高的關(guān)鍵點(diǎn)[26-29]。從應(yīng)變曲線分析可以看出（圖2），隨著有效應(yīng)力的升高，巖石抗壓強(qiáng)度逐漸升高，其體積膨脹點(diǎn)（a1、a2、a3）應(yīng)力是峰值強(qiáng)度的70%～80%。繼續(xù)加壓后巖石發(fā)生共軛剪切破壞（圖3），其殘余強(qiáng)度是峰值強(qiáng)度的60%～80%。在最低有效應(yīng)力40 MPa 下，按峰值抗壓強(qiáng)度302 MPa的70%計(jì)算，體積膨脹點(diǎn)應(yīng)力為211.4 MPa；按峰值抗壓強(qiáng)度60%計(jì)算，殘余強(qiáng)度為181.2 MPa；體積膨脹點(diǎn)應(yīng)力及殘余強(qiáng)度遠(yuǎn)大于儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行時(shí)最大有效應(yīng)力71 MPa（上覆地層壓力）。因此，注采生產(chǎn)過(guò)程巖石抗壓強(qiáng)度變化不會(huì)造成新裂縫產(chǎn)生，避免了儲(chǔ)層滲透率增加，即使發(fā)生巖石破碎，其強(qiáng)度仍足以支撐上覆地層。

圖2 三軸巖石力學(xué)應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

圖3 實(shí)驗(yàn)樣品剪切破壞后裂縫走向圖

3.2 有效應(yīng)力對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的影響

3.2.1 有效應(yīng)力對(duì)單周期注采儲(chǔ)層滲流能力的影響

對(duì)不同物性特征的實(shí)驗(yàn)樣品開(kāi)展單周期注采模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。同一樣品，在不改變有效應(yīng)力條件下，注氣階段滲透率大于采氣階段，說(shuō)明注采生產(chǎn)對(duì)儲(chǔ)層注采能力的傷害是不可逆的；初始滲透率、孔隙度依次增大的不同樣品（4 號(hào)＜5 號(hào)＜6 號(hào)），在注采結(jié)束后，樣品相對(duì)滲透率4號(hào)（0.48）＜5號(hào)（0.55）＜6 號(hào)（0.65），說(shuō)明巖石滲流能力與儲(chǔ)層初始物性正相關(guān)，即儲(chǔ)層初始物性越好，注采后儲(chǔ)層滲流能力越高。在注采結(jié)束后，樣品滲透率變化（ΔK）4 號(hào)（0.08）＞5 號(hào)（0.07）＞6 號(hào)（0.05），說(shuō)明ΔK與儲(chǔ)層初始物性反相關(guān)，即儲(chǔ)層初始物性越好滲透率變化值（ΔK）越小，注采生產(chǎn)對(duì)儲(chǔ)層滲流能力傷害越弱。

圖4 不同儲(chǔ)層物性特征的樣品相對(duì)滲透率隨有效應(yīng)力變化曲線圖

3.2.2 有效應(yīng)力對(duì)多周期注采儲(chǔ)層滲流能力的影響

對(duì)不同物性特征的實(shí)驗(yàn)樣品開(kāi)展多周期注采實(shí)驗(yàn)，其中7 號(hào)樣品相對(duì)滲透率、孔隙度與儲(chǔ)層物性中值一致，代表儲(chǔ)層物性特征，其滲透率隨多周期注采變化曲線如圖5所示。同一注采周期，注氣時(shí)相對(duì)滲透率隨有效應(yīng)力的升高而增大，采氣時(shí)隨有效應(yīng)力降低而減小；同一有效應(yīng)力點(diǎn)，注氣相對(duì)滲透率大于采氣，差異隨著有效應(yīng)力的增大而變大，說(shuō)明有效應(yīng)力的變化對(duì)儲(chǔ)層傷害不可逆。不同注采周期下，相對(duì)滲透率隨注采周期的增加而減小，從第1注采周期開(kāi)始時(shí)的0.75 減小至第5 注采周期結(jié)束時(shí)的0.43，但幅度逐漸變小，在第3 注采周期后趨于穩(wěn)定，說(shuō)明隨注采周期的增加，有效應(yīng)力的變化對(duì)儲(chǔ)層滲流能力傷害變?nèi)跚亿呌诜€(wěn)定。

圖5 不同注采周期注采系數(shù)隨有效應(yīng)力變化曲線圖

3.3 注采壓差對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的影響

儲(chǔ)氣庫(kù)是通過(guò)控制注采壓差實(shí)現(xiàn)注采生產(chǎn)。壓差遞增時(shí)（圖6-a），濁度平均增加0.18 NTU，相對(duì)滲透率平均損害率8.5%，對(duì)儲(chǔ)層傷害弱。在2～4 MPa壓差下，濁度、相對(duì)滲透率與初始一致，無(wú)微粒運(yùn)移；在4～5 MPa 壓差下，濁度快速上升，相對(duì)滲透率緩慢下降，這是因?yàn)榇罅枯^小粒徑微粒開(kāi)始運(yùn)移，堵塞極少數(shù)尺寸小的孔喉，但這部分孔喉對(duì)整體滲透率影響?。辉?～7 MPa 壓差下，濁度緩慢上升，滲透率緩慢下降，運(yùn)移的微粒變少，仍有少數(shù)尺寸小的孔喉被堵塞，對(duì)儲(chǔ)層整體滲透率影響小。

圖6 濁度、相對(duì)滲透率隨驅(qū)替壓差的變化曲線圖

壓差遞減時(shí)（圖6-b），濁度平均增加1.33 NTU，但滲透率損害率僅為0.13%，可視為對(duì)儲(chǔ)層無(wú)傷害。在7 →4 MPa 壓差下，濁度快速增加，滲透率下降緩慢，說(shuō)明有大量微粒被運(yùn)移出儲(chǔ)層；在4 →2 MPa 壓差下，濁度、相對(duì)滲透率基本保持不變，說(shuō)明基本無(wú)微粒運(yùn)移。

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，壓差遞減運(yùn)移出的微粒（1.33 NTU）是壓差遞增（0.18 NTU）的7 倍多，且對(duì)儲(chǔ)層滲流能力幾乎無(wú)傷害。

3.4 溫度對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的影響

3.4.1 溫度對(duì)儲(chǔ)層巖石膨脹率的影響

不同儲(chǔ)層物性特征的樣品均具有熱膨脹性，即溫度升高膨脹，溫度降低收縮。由多周期注采下儲(chǔ)層巖石線性膨脹率隨溫度的變化曲線圖可以看出（圖7），線性膨脹率變化幅度隨注采周期增加而減小，且從第3 周期后趨于穩(wěn)定。儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層在投入運(yùn)行的前3 個(gè)注采周期，體積受溫度影響大，每完成一個(gè)注采周期，儲(chǔ)層體積都將縮??；從第4 注采周期開(kāi)始，儲(chǔ)層體積受溫度影響變小，注采周期完成后，儲(chǔ)層體積基本能恢復(fù)。

3.4.2 溫度對(duì)儲(chǔ)層巖石滲透率的影響

由多周期注采下儲(chǔ)層滲透率隨溫度的變化曲線圖可以看出（圖8），巖石滲透率隨溫度升高而減小，隨溫度降低而增大；滲透率變化幅度隨周期增加而減小，從第4 周期開(kāi)始趨于穩(wěn)定。說(shuō)明儲(chǔ)氣庫(kù)在投入運(yùn)行前3 個(gè)注采周期，儲(chǔ)層滲透率受溫度影響大，每完成一個(gè)注采周期，儲(chǔ)層滲透率都將減小；而從第4 注采周期開(kāi)始，儲(chǔ)層滲透率受溫度影響減小，注采周期完成后，儲(chǔ)層滲透率基本都能恢復(fù)。多周期注采下儲(chǔ)層滲透率并未增大，說(shuō)明儲(chǔ)氣庫(kù)注采生產(chǎn)引起的儲(chǔ)層溫度變化，不會(huì)使巖石熱破裂造成滲透率急劇增大。

圖8 多周期注采下儲(chǔ)層滲透率隨溫度的變化曲線圖

對(duì)比圖7、圖8可知，線性膨脹率與滲透率變化趨勢(shì)相反，即溫度升高，線性膨脹率增大、滲透率減?。粶囟冉档?，線性膨脹率減小、滲透率增大。這是因?yàn)榕c砂巖儲(chǔ)層不同[30-33]，碳酸鹽巖裂縫—孔隙型儲(chǔ)層溫度變化引起熱脹冷縮，溫度升高，巖石基質(zhì)體積增大的同時(shí)也壓縮了孔隙空間，造成巖石體積增大滲透率減??；溫度降低，巖石基質(zhì)收縮的同時(shí)釋放了孔隙空間，造成巖石體積減小滲透率增大（圖9）。

圖9 巖石孔隙空間受溫度的影響機(jī)理示意圖

4 基于儲(chǔ)層保護(hù)的注采技術(shù)措施

4.1 擴(kuò)大運(yùn)行壓力上下限

儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行有效應(yīng)力變化會(huì)引起巖石抗壓強(qiáng)度的變化，但不會(huì)造成新裂縫產(chǎn)生而導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率增加，不影響儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層安全性，結(jié)合前人對(duì)相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)研究得出蓋層、斷層動(dòng)態(tài)密封性良好，儲(chǔ)氣庫(kù)不存在氣體漏失風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)[34-36]，儲(chǔ)氣庫(kù)仍有擴(kuò)大運(yùn)行壓力上下限的潛力。因此，適時(shí)擴(kuò)大儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行壓力上下限，既安全可行，又能增大儲(chǔ)層滲流能力，同時(shí)提升儲(chǔ)氣庫(kù)工作氣量。

4.2 開(kāi)展儲(chǔ)層改造

注采生產(chǎn)會(huì)對(duì)儲(chǔ)層滲流能力造成傷害，儲(chǔ)層初始孔隙度、滲透率越好傷害越弱。在儲(chǔ)氣庫(kù)投運(yùn)前進(jìn)行儲(chǔ)層改造，可以提高儲(chǔ)層的初始滲透率、孔隙度，能減小注采生產(chǎn)對(duì)儲(chǔ)層的傷害。由于有效應(yīng)力、溫度變化對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的傷害主要發(fā)生在前3 個(gè)注采周期，為維持儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層注采能力，可以從第4注采周期開(kāi)始擴(kuò)大儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行上下限，進(jìn)行儲(chǔ)氣庫(kù)擴(kuò)容。

4.3 控制注采壓差

儲(chǔ)氣庫(kù)注氣壓差遞增，采氣壓差遞減。在注氣階段應(yīng)控制注氣壓差小于4 MPa，使儲(chǔ)層溫度緩慢下降，最大限度利用庫(kù)容，同時(shí)避免微粒運(yùn)移對(duì)儲(chǔ)層造成傷害。在采氣階段應(yīng)維持高生產(chǎn)壓差4～7 MPa，快速采氣使儲(chǔ)層溫度迅速升高，巖石基質(zhì)膨脹壓縮孔隙體積，有利于其中的天然氣排出，也有利于攜帶出儲(chǔ)層中的微粒疏通滲流通道，提高天然氣的采收率。

5 應(yīng)用成效

相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)注采井完井后，通過(guò)開(kāi)展儲(chǔ)層酸化改造作業(yè)，改善儲(chǔ)層滲流能力，注采井平均注采量達(dá)到100×104m3/d 以上，表現(xiàn)出較好的注采能力，為之后儲(chǔ)氣庫(kù)強(qiáng)注強(qiáng)采、大吞大吐創(chuàng)造了良好的儲(chǔ)層滲流條件。從第4 注采周期開(kāi)始擴(kuò)壓增量工程建設(shè)，相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行上下限壓力由13.8～28.0 MPa擴(kuò)大至11.6～30.0 MPa，庫(kù)容由42.6×108m3提升至45×108m3，工作氣量由22.8×108m3提升至26×108m3，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)動(dòng)靜態(tài)密封性良好。

整體控制相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)注采生產(chǎn)壓差，2022年10月完成第10 注氣期，控制注氣壓差2～4 MPa，儲(chǔ)層溫度從61.52 ℃緩慢下降至56.93 ℃并保持，累計(jì)注氣21.5×108m3，同比增長(zhǎng)12.6%，期間注氣壓力與地層壓力同步增加，說(shuō)明儲(chǔ)層滲流通道通暢。2023年3月完成第9 采氣期，維持高采氣壓差4～7 MPa，采氣開(kāi)始時(shí)儲(chǔ)層溫度從57 ℃快速升高至62.97 ℃，并保持儲(chǔ)層溫度高于注氣時(shí)儲(chǔ)層溫度，儲(chǔ)層滲流通道體積比注氣時(shí)減小，有利于排出其中的天然氣增加采氣量，累計(jì)采氣22.5×108m3，同比增長(zhǎng)13.7%，期間連續(xù)64 天日采氣量突破2 000×104m3，提高了相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)注采效率。

6 結(jié)論及建議

1）基于儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際注采生產(chǎn)特征建立的實(shí)驗(yàn)方法，能夠模擬儲(chǔ)層巖石滲流特征隨多周期注采生產(chǎn)的變化，實(shí)驗(yàn)過(guò)程更符合儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)實(shí)際。

2）多周期注采引起的儲(chǔ)層有效應(yīng)力變化不會(huì)造成新裂縫產(chǎn)生，巖石強(qiáng)度足以保障儲(chǔ)氣庫(kù)擴(kuò)容后的運(yùn)行安全；在儲(chǔ)氣庫(kù)投運(yùn)前進(jìn)行儲(chǔ)層改造，可以增大儲(chǔ)層初始滲流條件，減小注采生產(chǎn)對(duì)儲(chǔ)層滲流能力造成的傷害。

3）有效應(yīng)力、溫度、微粒運(yùn)移對(duì)儲(chǔ)層滲流能力傷害主要發(fā)生在前面3 個(gè)注采周期，從第4 注采周期開(kāi)始通過(guò)提高儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行的上下限壓力進(jìn)行儲(chǔ)氣庫(kù)擴(kuò)容，可以有效減小有效應(yīng)力、溫度、微粒運(yùn)移對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的傷害。

4）合理控制注采壓差可以實(shí)現(xiàn)同周期注氣時(shí)儲(chǔ)層微粒運(yùn)移造成的傷害在采氣時(shí)解除，緩解注氣時(shí)儲(chǔ)層溫度下降庫(kù)容體積減小的影響，有利于采氣時(shí)儲(chǔ)層溫度上升滲流通道縮小而排出更多天然氣，保障儲(chǔ)氣庫(kù)工作氣量，提高儲(chǔ)氣庫(kù)注采效率。