淺析相國寺儲氣庫地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)及管控措施

李力民，姚泳汐，蔣華全，寧 飛

(中國石油西南油氣田分公司儲氣庫管理處 重慶 401121)

0 引 言

儲氣庫生產(chǎn)運(yùn)行不同于氣田開發(fā)，具有周期往復(fù)注采特性，使得對儲氣庫地質(zhì)本質(zhì)安全要求很高。作為儲氣庫系統(tǒng)的核心單元，地質(zhì)系統(tǒng)完整性的好壞不僅決定氣藏是否適合改建儲氣庫，而且是儲氣庫安全運(yùn)行的基本保障。國外儲氣庫重大事故教訓(xùn)表明，大規(guī)模交替注采、壓力循環(huán)波動可造成儲氣圈閉地質(zhì)構(gòu)造失穩(wěn)、井屏障退化和地面設(shè)備故障，甚至導(dǎo)致泄漏、燃燒或爆炸等事故發(fā)生，威脅公眾安全和財(cái)產(chǎn)安全，并可導(dǎo)致全庫報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。因此，開展儲氣庫地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)識別和控制對策研究對于保障儲氣庫安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行具有重要的意義。本文結(jié)合相國寺儲氣庫，識別了儲氣庫地質(zhì)上存在的主要風(fēng)險(xiǎn)，并提出了有針對性的風(fēng)險(xiǎn)控制建議，可為儲氣庫地質(zhì)完整性失效風(fēng)險(xiǎn)管控提供借鑒。

1 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)識別

1.1 斷層密封性失效風(fēng)險(xiǎn)

斷層密封性是指斷層上下盤巖石或斷裂帶與上下盤巖石由于巖性、物性等差異導(dǎo)致排替壓力的差異，從而阻止流體繼續(xù)通過斷裂帶或?qū)?yīng)上下盤的性質(zhì)，在地質(zhì)空間上表現(xiàn)為垂向密封性和側(cè)向密封性。如果斷層的密封性差，就會存在斷層漏失。斷層漏失也相應(yīng)地分為垂向漏失和側(cè)向漏失，如圖1所示。

1)垂向漏失

漏失準(zhǔn)則為斷面的正應(yīng)力小于填充物抗壓強(qiáng)度。根據(jù)漏失準(zhǔn)則計(jì)算5條構(gòu)造主控?cái)鄬釉跉鈳焐舷迚毫?8 MPa和氣藏枯竭壓力2.4 MPa兩種狀態(tài)下的斷面正應(yīng)力，并與填充物抗壓強(qiáng)度35 MPa進(jìn)行對比，見表1所示。結(jié)果表明，建庫目的層石炭系在滿庫容和壓力枯竭兩種狀態(tài)下，斷面正應(yīng)力均大于填充物抗壓強(qiáng)度，斷層垂向均處于密封狀態(tài)。但是，鑒于當(dāng)前儲氣庫注采井都在②④號斷層之間，這2條斷層在注采過程中受壓力變化最為敏感，正應(yīng)力變化較迅速，垂向漏失風(fēng)險(xiǎn)相對其他3條也最大，需重點(diǎn)監(jiān)控。

圖1 斷層漏失機(jī)理示意圖

斷層C2hl枯竭時(shí)正應(yīng)力/MPaC2hl注滿氣時(shí)正應(yīng)力/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa垂向漏失風(fēng)險(xiǎn)相對較大埋深/m垂向漏失風(fēng)險(xiǎn)相對較大層位①45.147.7②44.146.6③88.290.0④84.586.2⑤47.650.3350～1 985T3x0～1 985T1f、T1j0～1 117T1f、T1j0～1 117T1f、T1j0～1 985T1f、T1j

2)側(cè)向漏失

鑒于側(cè)向漏失與兩盤滲透層落差有關(guān)，采用斷層兩盤巖性對接分析法，并將兩盤滲透層對接關(guān)系作為斷層側(cè)向漏失的判斷準(zhǔn)則。

相國寺構(gòu)造縱向上發(fā)育4個(gè)氣藏，分別為C2hl、P1q、P1m、P2ch。依據(jù)漏失準(zhǔn)則，對比斷層落差和4套滲透層關(guān)系，建庫目的層C2hl與上覆第一滲透層P1q、第二滲透層P1m以及第三滲透層P2ch都存在對接可能，根據(jù)斷層側(cè)向漏失判斷準(zhǔn)則，目的層有穿過斷層向三套滲透率層漏失的風(fēng)險(xiǎn)，需要密切監(jiān)測。其中第一滲透層和第二滲透層距離滲透層的距離較近，最先感知建庫目的層C2hl的漏失，需要密切監(jiān)測。

1.2 蓋層及底托層密封性失效風(fēng)險(xiǎn)

機(jī)械漏失機(jī)理，是指在原地應(yīng)力狀態(tài)下，最大主應(yīng)力小于巖石抗壓強(qiáng)度時(shí)，巖石不會發(fā)生機(jī)械破壞，而當(dāng)最大主應(yīng)力超過巖石強(qiáng)度時(shí)，巖石發(fā)生機(jī)械破壞，產(chǎn)生裂縫或者滑移，為流體運(yùn)移提供通道。微觀漏失機(jī)理，是指在巖石不發(fā)生機(jī)械破壞情況下，流體也有可能穿過顆粒之間最大的孔喉，僅需要克服界面張力的阻撓，也會為流體運(yùn)移提供通道。蓋層漏失機(jī)理如圖2所示。

圖2 蓋層漏失機(jī)理示意圖

1)宏觀地質(zhì)條件

地質(zhì)條件評價(jià)包括巖性、厚度、空間展布范圍等。相國寺儲氣庫以二疊系底部梁山組廣泛分布的厚度約10 m的致密泥頁巖為直接蓋層，下伏志留系為底托層，沉積厚度數(shù)百至上千米，空間展布連續(xù)。三疊系嘉陵江組厚達(dá)100 m的膏鹽層是良好的區(qū)域蓋層。蓋層及底托層整體地質(zhì)封存條件好。

2)微觀封堵能力

泥巖對天然氣的封蓋機(jī)理起主要作用的是毛管壓力封閉。評價(jià)天然氣蓋層封閉能力的參數(shù)主要有孔隙度、滲透率、比表面積以及突破壓力等，其中突破壓力是決定泥巖蓋層封閉游離相天然氣能力的重要參數(shù)。梁山組的微孔徑分布特征為，孔隙半徑分布在1.0～100.0 nm，主頻孔徑以2～4 nm孔為主。志留系的微孔徑分布特征為，孔隙半徑分布在0.5～60.0 nm，主頻孔徑和平均孔徑為2 nm孔。志留系巖石成巖與壓實(shí)程度更加穩(wěn)定，測定的微孔徑值差異小。采用驅(qū)替法試驗(yàn)，測定了2口井蓋層梁山組巖樣突破壓力，見表2所示，測試結(jié)果表明泥巖蓋層屬于優(yōu)質(zhì)蓋層。

表2 梁山組巖樣突破壓力測定結(jié)果

3)力學(xué)性質(zhì)

儲氣庫蓋層或底托層密封性失效，將嚴(yán)重影響氣庫地質(zhì)完整性，造成氣體逃逸的風(fēng)險(xiǎn)。蓋層及底托層最重要的評價(jià)指標(biāo)是巖石的破裂壓力，通過三軸試驗(yàn)、地應(yīng)力測試、抗張強(qiáng)度試驗(yàn)，對相國寺儲氣庫南、中、北段3口取心井開展測試，通過應(yīng)力試驗(yàn)計(jì)算得到蓋層、底托層破裂壓力均在60 MPa以上，高于儲氣庫運(yùn)行上限壓力28 MPa，分析認(rèn)為注采過程中的交變應(yīng)力對蓋層封閉性影響小。

1.3 封堵井密封性失效風(fēng)險(xiǎn)

相國寺氣田共鉆井38口，這些老井使用年限長，井況條件復(fù)雜，需要分析其完整性，特別是建庫目的層老井評價(jià)，評價(jià)主要分為油層套管評價(jià)和固井質(zhì)量評價(jià)兩部分。套管評價(jià)主要是評價(jià)油層套管是否變形、破裂、腐蝕情況等；固井質(zhì)量評價(jià)主要是評價(jià)儲層上部是否有可以有效封堵的優(yōu)質(zhì)固井段。依據(jù)老井評價(jià)原則、內(nèi)容及評價(jià)技術(shù)，相國寺儲氣庫完成封堵老井21口。依據(jù)實(shí)際封堵情況，部分老井目的層與第1滲透層棲霞組之間水泥膠結(jié)不合格，存在沿著井眼泄露的風(fēng)險(xiǎn)，需要監(jiān)測第1滲透層棲霞組。部分老井套銑滲透層附近套管，只做了短時(shí)間的試壓測試，無法保證局部的封堵質(zhì)量，存在沿著井眼泄露的風(fēng)險(xiǎn)，需要監(jiān)測第1、2滲透層。

1.4 水體侵入風(fēng)險(xiǎn)

相國寺石炭系氣藏為邊水氣藏，受構(gòu)造和巖性的復(fù)合控制，邊水與外界不連通，動態(tài)上表現(xiàn)出水體不活躍。自1977年投產(chǎn)以來，氣藏除相10、12井因見地層水未投產(chǎn)，相13井為水井，其余5口氣井生產(chǎn)一直穩(wěn)定，井區(qū)各井產(chǎn)水水性均為凝析水，歷年累計(jì)產(chǎn)水1 903 m3，說明邊水未進(jìn)入氣藏內(nèi)部，表現(xiàn)出均勻推進(jìn)的動態(tài)特征。

但隨著儲氣庫強(qiáng)注強(qiáng)采，流體滲流速度相對于氣藏開發(fā)階段高，進(jìn)一步加劇儲層滲透率的非均質(zhì)性，可能使底水沿優(yōu)勢通道侵入儲層內(nèi)部，影響構(gòu)造低部位氣井的產(chǎn)能，影響儲氣庫的瞬時(shí)調(diào)峰能力。

2 地質(zhì)完整性管理措施

2.1 部署圈閉密封性監(jiān)測體系

應(yīng)結(jié)合儲氣庫構(gòu)造地質(zhì)特點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，部署合理的監(jiān)測系統(tǒng)，包括蓋層監(jiān)測、斷層監(jiān)測、上覆淺層監(jiān)測、水體監(jiān)測、氣庫內(nèi)部監(jiān)測等，整體監(jiān)控圈閉密封性[3]。

2.2 斷層、蓋層及底托層完整性管控措施

為確保儲氣庫斷層、蓋層及底托層的完整性，可采取管控措施為：

1)建立老井修復(fù)利用監(jiān)測井及新完鉆監(jiān)測井修井報(bào)告、試油報(bào)告等靜態(tài)資料臺賬，為監(jiān)測井帶壓等風(fēng)險(xiǎn)分析提供基礎(chǔ)資料。

2)制定監(jiān)測井巡檢工作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。強(qiáng)化監(jiān)測，壓力與氣質(zhì)的監(jiān)測與分析是重點(diǎn)。制定監(jiān)測制度，巡檢周期為1次/周。每年進(jìn)行一次氣質(zhì)組分分析，跟蹤氣質(zhì)變化情況。形成壓力、氣質(zhì)分析數(shù)據(jù)庫。

3)對比分析油壓、各環(huán)空壓力、氣質(zhì)組分變化情況，當(dāng)監(jiān)測井發(fā)現(xiàn)壓力、溫度值異常時(shí)，加密巡檢周期，同時(shí)分析異常原因，落實(shí)風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

4)利用數(shù)值模擬技術(shù)跟蹤預(yù)警各注采井井底注氣壓力，設(shè)置上限壓力預(yù)警紅線，避免壓力超高，有效防止蓋層及斷層壓力突破[4-5]。根據(jù)注采井壓力跟蹤情況，及時(shí)調(diào)整各井注氣量，必要時(shí)關(guān)井，確保不超壓，實(shí)現(xiàn)合理配產(chǎn)，保障氣庫地質(zhì)安全。

2.3 封堵老井完整性管控措施

為保證儲氣庫封堵老井的完整性，控制風(fēng)險(xiǎn)，采取管控措施為：

1)建立封堵井修井靜態(tài)資料臺賬，為封堵井帶壓等風(fēng)險(xiǎn)分析提供基礎(chǔ)資料。

2)建立監(jiān)測方案與制度，并對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，尤其是壓力與氣質(zhì)的監(jiān)測與分析。制定封堵井巡檢工作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，巡檢周期為帶壓封堵井1次/周，未帶壓封堵井為1次/15天。帶壓封堵井每年進(jìn)行一次氣質(zhì)組分分析，并形成壓力、溫度數(shù)據(jù)庫。

3)通過測井手段，定期開展井內(nèi)套管腐蝕及固井水泥環(huán)屏障評價(jià)，判定屏障是否失效，分析可能風(fēng)險(xiǎn)，制定應(yīng)對措施。

4)開展地表檢測，主要包括斷層露頭流體對比監(jiān)控，井周500 m地表油、氣、水監(jiān)控及封堵前后淡水水質(zhì)變化監(jiān)控，形成檢測資料臺賬。監(jiān)測在儲氣庫1個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，地表淡水水質(zhì)是否發(fā)生明顯變化，判斷是否封堵失效。

2.4 水體侵入管控措施

為預(yù)防水體侵入對儲氣庫注采運(yùn)行造成影響，控制風(fēng)險(xiǎn)，采取管控措施為：

1)嚴(yán)格控制儲氣庫注采氣量在合理范圍內(nèi)，避免強(qiáng)注強(qiáng)采，加劇儲層滲透率的非均質(zhì)性，引起水體侵入儲層內(nèi)部。

2)數(shù)值模擬預(yù)測，實(shí)時(shí)跟蹤邊水能量變化情況。

3)建立水體監(jiān)測井監(jiān)測制度，每日分析壓力、溫度等數(shù)據(jù)變化情況，并形成壓力、溫度數(shù)據(jù)庫。發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)分析，制定應(yīng)對措施。同時(shí)，需通過測井手段，定期開展監(jiān)測井水體界面變化情況。

4)持續(xù)開展儲氣庫水質(zhì)分析，采氣期每半個(gè)月取一次水樣開展分析，建立水質(zhì)變化數(shù)據(jù)庫。

2.5 庫容復(fù)核評價(jià)地質(zhì)完整性

為整體評價(jià)儲氣庫密閉性，各注采周期均開展庫容復(fù)核，利用庫存量與地層壓力的關(guān)系綜合評價(jià)地質(zhì)完整性，進(jìn)一步驗(yàn)證儲氣庫是否存在漏失。儲氣庫注采轉(zhuǎn)換平衡期末，開展注采井及儲層監(jiān)測井動態(tài)監(jiān)測，錄取平衡期末各井井底壓力、溫度值。根據(jù)實(shí)測地層壓力和注采量，形成達(dá)容過程中擬壓力～庫存量關(guān)系，并復(fù)核庫容，評價(jià)氣庫密閉性及地質(zhì)完整性。

3 相國寺儲氣庫地質(zhì)完整性管控效果

3.1 合理部署圈閉密封性監(jiān)測體系

相國寺儲氣庫結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，合理部署監(jiān)測體系，監(jiān)控氣庫圈閉密封性。部署蓋層監(jiān)測系統(tǒng)，直接監(jiān)測蓋層梁山組泥頁巖的密封情況，同時(shí)監(jiān)測上部滲透層。斷層監(jiān)測系統(tǒng)，重點(diǎn)監(jiān)測④號斷層垂向和側(cè)向密封情況。上覆淺層監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測上覆煤層及膏巖上方滲透層的含氣性，并將淺層含水層作為最后一道安全防線。氣水界面監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測儲氣庫注采運(yùn)行過程中南北兩端邊水運(yùn)移情況。氣庫內(nèi)部溫度壓力監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測儲氣庫運(yùn)行過程中狹長構(gòu)造長軸方向的壓力和溫度場分布。通過已部署的6口監(jiān)測井，基本滿足相國寺儲氣庫蓋層、水體、斷層和氣庫儲層等圈閉密封性監(jiān)測功能。

3.2 斷層、蓋層及底托層完整性

相國寺儲氣庫斷層及蓋層監(jiān)測井井口及井底壓力、溫度變化情況表明(表3及圖3～圖6)：儲氣庫各周期注采運(yùn)行期間，未出現(xiàn)壓力、溫度異?，F(xiàn)象；儲氣庫上覆蓋層、第1，第2滲透層、④號斷層均無異常風(fēng)險(xiǎn)，也說明目前儲氣庫斷層、蓋層及底托層密封性好。

相國寺儲氣庫利用數(shù)值模擬技術(shù)跟蹤各注采井井底注氣壓力，設(shè)置28 MPa上限壓力預(yù)警紅線，如圖7所示，避免壓力超高，同時(shí)控制注氣量達(dá)到最大合理值。

表3 相國寺儲氣庫監(jiān)測井壓力統(tǒng)計(jì)表(截至2019.03)

圖3 相監(jiān)2井淺層嘉五數(shù)據(jù)變化曲線圖

圖4 相監(jiān)3井④號斷層數(shù)據(jù)變化曲線圖

圖5 相監(jiān)4井蓋層棲霞組數(shù)據(jù)變化曲線圖

圖6 相監(jiān)5井蓋層茅口組數(shù)據(jù)變化曲線圖

圖7 注氣期壓力跟蹤預(yù)警圖

3.3 封堵老井完整性

相國寺儲氣庫封堵井中茅口組4口封堵井壓力全部為0 MPa，表明茅口組層位封堵效果好；長興組1口封堵井壓力為0 MPa，表明長興組封堵效果好；相23井壓力為0 MPa，表明該井封堵效果好；石炭系8口封堵井中相18井油壓8.375 MPa，相12井油壓0.75 MPa，其余6口封堵井井口油壓均為0 MPa。通過對相12、18井井口氣體氣質(zhì)分析可知，井筒內(nèi)天然氣不是來自石炭系。因此可以判斷，石炭系封堵效果較好。以上分析表明目前封堵老井無異常，未發(fā)現(xiàn)儲氣庫注采氣竄漏的風(fēng)險(xiǎn)，老井完整性很好。

3.4 水體侵入

相國寺儲氣庫北部水體監(jiān)測井相監(jiān)1井井口及井底數(shù)據(jù)變化情況表明，儲氣庫各周期注采運(yùn)行期間，壓力、溫度無異常，北部水體無侵入，如圖8所示。數(shù)值模擬預(yù)測氣藏邊水向氣藏侵入水體能力無明顯變化，未對氣藏造成影響，如圖9所示。同時(shí)，歷次采氣期對采出水樣進(jìn)行水體性質(zhì)分析結(jié)果表明，儲氣庫未產(chǎn)地層水，水體未侵入。

圖8 相監(jiān)1井北部水體數(shù)據(jù)變化曲線圖

圖9 含氣飽和度分布圖

3.5 庫容復(fù)核

相國寺儲氣庫歷次平衡期庫容復(fù)核與設(shè)計(jì)庫容量基本吻合，略有差異，庫容未發(fā)生明顯變化，進(jìn)一步說明相國寺儲氣庫地質(zhì)完整性好。分析原因，一是設(shè)計(jì)庫容量由石炭系氣藏開發(fā)壓降方程得到。盤庫庫容量因儲氣庫注采氣量大、速度快，在高強(qiáng)度注采下，壓力未完全波及低滲區(qū)域、Ⅲ類儲層及邊部區(qū)域，因此存在偏差。二是關(guān)井時(shí)間較短，地層壓力沒有完全平衡，復(fù)核庫容偏小。

4 結(jié)束語

1)對于改建儲氣庫的枯竭性氣藏，應(yīng)重點(diǎn)評估氣庫的地質(zhì)完整性，相國寺氣田具備改建儲氣庫的良好地質(zhì)條件，注采運(yùn)行過程中仍需考慮斷層漏失、蓋層及底托層漏失、老井井工程封堵失效、水體入侵等風(fēng)險(xiǎn)。

2)儲氣庫必須部署合理的監(jiān)測系統(tǒng)，滿足各地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的監(jiān)測，確保整個(gè)地質(zhì)圈閉的密封性。

3)建立所有老井及新井靜態(tài)資料庫；制定封堵井、監(jiān)測井巡檢工作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及巡檢周期，強(qiáng)化壓力及氣質(zhì)監(jiān)測，形成壓力、氣質(zhì)分析數(shù)據(jù)庫。

4)控制合理注采氣量，避免強(qiáng)注強(qiáng)采，引起水體侵入儲層內(nèi)部；利用數(shù)值模擬預(yù)測，實(shí)時(shí)跟蹤邊水能量變化情況；分析監(jiān)測井水體界面變化情況；定期開展水質(zhì)分析，建立水質(zhì)數(shù)據(jù)庫。

5)利用數(shù)值模擬技術(shù)跟蹤預(yù)警各注采井井底注氣壓力，設(shè)置儲氣庫上限壓力預(yù)警紅線，避免壓力超高，防止蓋層及斷層壓力突破。根據(jù)注采井壓力跟蹤情況，及時(shí)調(diào)整各井注氣量，必要時(shí)關(guān)井，確保不超壓，實(shí)現(xiàn)合理配產(chǎn)，保障氣庫地質(zhì)安全。

6)根據(jù)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析及各管控措施的有效落實(shí)，目前相國寺儲氣庫地質(zhì)總體安全。但地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)管控要求貫穿儲氣庫全生命周期，應(yīng)實(shí)時(shí)評估風(fēng)險(xiǎn)，制定防控措施，以保證儲氣庫長期安全平穩(wěn)運(yùn)行。