油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)體完整性內(nèi)涵與評(píng)價(jià)技術(shù)

鄭雅麗 孫軍昌 邱小松 賴 欣 劉建東 郭澤萍 魏 歡 閔忠順

1. 中國(guó)石油勘探開(kāi)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3. 中國(guó)石油遼河油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院

1 研究背景

截至2019年底，我國(guó)已建成15個(gè)儲(chǔ)氣庫(kù)群29座地下儲(chǔ)氣庫(kù)（以下簡(jiǎn)稱儲(chǔ)氣庫(kù)，圖1）[1-3]，除大慶庫(kù)群中的薩中東2-1儲(chǔ)氣庫(kù)于1985年停運(yùn)外[4-5]，其他28座儲(chǔ)氣庫(kù)目前均在役運(yùn)行。上述28座儲(chǔ)氣庫(kù)中油氣藏型25座、鹽穴型3座，也就是說(shuō)，我國(guó)目前在役的儲(chǔ)氣庫(kù)僅有油氣藏型與鹽穴型兩種類型且以油氣藏型為主[6-10]。

油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)在一年的時(shí)間內(nèi)至少完成其工作氣量的一次注入與采出[11-13]。儲(chǔ)氣庫(kù)日注采氣量是油氣藏開(kāi)發(fā)日采氣量的8～10倍，其壓力在一個(gè)注采周期內(nèi)波動(dòng)區(qū)間介于10～20 MPa。這種多周期大流量強(qiáng)注強(qiáng)采的運(yùn)行方式導(dǎo)致地層應(yīng)力交變，將給儲(chǔ)氣庫(kù)的地質(zhì)體、注采井、地面設(shè)施等組成部分造成損傷乃至失效，引發(fā)天然氣泄漏事故。通過(guò)對(duì)國(guó)外油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)發(fā)生的失效事故統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，16起失效事故中與地質(zhì)因素相關(guān)的有7起，占43.8%。地質(zhì)因素造成的失效事故主要是超負(fù)荷注氣、儲(chǔ)層存在廢棄老井或斷層等因素引起的氣體遷移（圖2）[14]。國(guó)內(nèi)板中北儲(chǔ)氣庫(kù)在第二個(gè)注采周期后，發(fā)現(xiàn)了由于斷層激活而產(chǎn)生的氣體遷移[15]。

圖1 我國(guó)天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)歷程圖

圖2 國(guó)外油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫(kù)失效事故統(tǒng)計(jì)圖

為了滿足國(guó)家有關(guān)部委加快儲(chǔ)氣調(diào)峰能力建設(shè)的要求，除了增加新的建設(shè)目標(biāo)外，提高在役儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行上限壓力也是一種增加調(diào)峰氣量快速經(jīng)濟(jì)有效的方式，但這必須以保證儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行安全為前提，而全生命周期完整性是儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期安全有效運(yùn)行的重要保障。筆者將從我國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)完整性研究現(xiàn)狀入手，針對(duì)作為儲(chǔ)氣載體的地質(zhì)體完整性中存在的概念不明確、缺乏系統(tǒng)評(píng)價(jià)技術(shù)的現(xiàn)狀，提出以儲(chǔ)氣地質(zhì)體為評(píng)價(jià)對(duì)象，明確地質(zhì)體完整性的概念和內(nèi)涵，建立集圈閉有效性、蓋層完整性、斷層穩(wěn)定性、儲(chǔ)層穩(wěn)定性4項(xiàng)評(píng)價(jià)技術(shù)為一體的地質(zhì)體完整性評(píng)價(jià)技術(shù)體系，并以新疆準(zhǔn)噶爾盆地呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)為例進(jìn)行地質(zhì)體完整性評(píng)價(jià)，以期為油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)的長(zhǎng)期安全有效運(yùn)行、提高運(yùn)行上限壓力及增加調(diào)峰能力提供幫助和支持。

2 儲(chǔ)氣庫(kù)完整性研究現(xiàn)狀

完整性概念在油氣行業(yè)最早應(yīng)用于油氣管道的安全運(yùn)行中，國(guó)外油氣管道完整性評(píng)價(jià)技術(shù)起源于20世界70年代[16-17]。我國(guó)從1998年開(kāi)始探索管道的完整性管理，錢成文等[18]于2000年在總結(jié)、消化大量中外資料基礎(chǔ)上，將現(xiàn)役管道完整性定義為“管道完整性是指在運(yùn)行條件下，管道系統(tǒng)及各組成部分能夠滿足運(yùn)行要求、安全經(jīng)濟(jì)地完成輸送任務(wù)的各項(xiàng)性能指標(biāo)的完整程度”。楊祖佩等[19]指出管道完整性貫穿了整個(gè)管道的生命周期，與管道的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)、檢修和管理的各個(gè)過(guò)程密切相關(guān)。

自2000年大張坨儲(chǔ)氣庫(kù)投產(chǎn)以來(lái)，隨著我國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)陸續(xù)投入運(yùn)行，在注采運(yùn)行中出現(xiàn)了管柱腐蝕與螺紋密封失效、井下工具密封失效、環(huán)空異常帶壓等[20-21]完整性問(wèn)題，魏東吼等[22]于2015年將儲(chǔ)氣庫(kù)完整性評(píng)價(jià)對(duì)象限定為“處于動(dòng)態(tài)變化中的儲(chǔ)氣庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備”，提出了儲(chǔ)氣庫(kù)地面設(shè)施和井的完整性管理體系內(nèi)容，但未將儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)氣載體—地質(zhì)體的完整性納入其中。羅金恒等[23]于2019年將儲(chǔ)氣庫(kù)完整性定義為“儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)體、注采井和地面注采設(shè)施的功能始終處于安全可靠的服役狀態(tài)”，首次提到了儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)體，但未明確地質(zhì)體的概念，也未對(duì)地質(zhì)體完整性及其評(píng)價(jià)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述。從以往的研究成果來(lái)看，儲(chǔ)氣庫(kù)地面設(shè)施[24-25]、井筒與注采管柱[26-31]等方面完整性研究成果較多，地質(zhì)完整性研究方面多限于蓋層、斷層的靜態(tài)密封性評(píng)價(jià)。馬小明等[32]對(duì)板南儲(chǔ)氣庫(kù)從斷層走向與應(yīng)力方向關(guān)系等5種因素，以及斷層泥分布率等2類參數(shù)進(jìn)行了斷層的靜態(tài)封閉性評(píng)價(jià)；陽(yáng)小平等[33]雖提出了斷層的完整性評(píng)價(jià)，但文中僅提到“斷層密封完整性評(píng)價(jià)是地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)、運(yùn)行管理中的瓶頸技術(shù)”，并未對(duì)斷層完整性給出明確的定義，斷層的評(píng)價(jià)與馬小明等[32]的方法類似，仍限于靜態(tài)的定性與定量評(píng)價(jià)。在蓋層封閉性評(píng)價(jià)方面，林建品等[34]以華北油田興9氣藏為研究對(duì)象，在蓋層巖性、厚度、孔—滲特征、排替壓力4項(xiàng)常規(guī)靜態(tài)評(píng)價(jià)方法基礎(chǔ)上，模擬地層條件開(kāi)展了蓋層巖樣的巖石力學(xué)試驗(yàn)，提出了考慮泥巖全應(yīng)力–應(yīng)變曲線特征、利用脆性指數(shù)評(píng)價(jià)泥巖蓋層封閉能力的分析方法，此方法在引入了蓋層的巖石力學(xué)特性評(píng)價(jià)方面有所創(chuàng)新，但其力學(xué)試驗(yàn)僅模擬地層條件，未模擬儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行交變載荷的工況，故蓋層的評(píng)價(jià)仍是原始?xì)獠仂o態(tài)封閉性評(píng)價(jià)。劉國(guó)良等[35]在“呼圖壁大型儲(chǔ)氣庫(kù)擴(kuò)容提采關(guān)鍵技術(shù)研究”中提到的“氣庫(kù)動(dòng)態(tài)密封性評(píng)價(jià)技術(shù)”主要內(nèi)容是“庫(kù)容診斷+井筒評(píng)價(jià)+微地震監(jiān)測(cè)”為一體的全方位立體評(píng)價(jià)技術(shù)，通過(guò)庫(kù)容核算與微地震監(jiān)測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)氣庫(kù)動(dòng)態(tài)密封性實(shí)時(shí)監(jiān)控和漏失風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)泄漏診斷，但未對(duì)氣庫(kù)動(dòng)態(tài)密封性的構(gòu)成、評(píng)價(jià)方法等進(jìn)行闡述。

完整性評(píng)價(jià)的主旨是進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管控，目的是防患于未然。因此，在儲(chǔ)氣庫(kù)最初的選址與設(shè)計(jì)階段就要以完整性為設(shè)計(jì)理念，鉆井完井工程建設(shè)階段要遵循完整性設(shè)計(jì)的要求，生產(chǎn)運(yùn)行階段則要通過(guò)各種技術(shù)與手段對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)的完整性進(jìn)行檢查、評(píng)價(jià)。完整性評(píng)價(jià)的根本目的是通過(guò)采用不斷更新的技術(shù)和組織管理等措施，防止天然氣泄漏事故或在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)報(bào)廢事件的發(fā)生，保證儲(chǔ)氣庫(kù)地面設(shè)施、注采井（含井筒）、地質(zhì)體等各組成單元（圖3）始終處于受控狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)物理上和功能上的完整。

圖3 儲(chǔ)氣庫(kù)完整性生命周期示意圖

國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氣庫(kù)在地面設(shè)施與注采井完整性方面取得了一定的成果和認(rèn)識(shí)，但在地質(zhì)完整性方面尚處于起步階段，存在著評(píng)價(jià)對(duì)象與概念不明確，研究深度局限于靜態(tài)原始狀態(tài)斷層與蓋層的密封性，未考慮儲(chǔ)氣庫(kù)交變運(yùn)行壓力下斷層與蓋層的長(zhǎng)期密封性，以及儲(chǔ)層的變形破壞等問(wèn)題。借鑒地面設(shè)施及注采井的完整性研究成果，在明確地質(zhì)完整性研究對(duì)象的基礎(chǔ)上，提出了地質(zhì)體完整性的基本概念，闡述其基本內(nèi)涵，建立相應(yīng)評(píng)價(jià)技術(shù)，對(duì)保證儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期安全有效運(yùn)行將起到重要指導(dǎo)作用。

3 儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)體完整性基本內(nèi)涵

儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)體是中國(guó)石油天然氣股份有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“地下儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)與氣藏工程關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”（2015E-400201）研究團(tuán)隊(duì)于2017年提出的。在2010年呼圖壁等6座國(guó)家商用儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)之前，大張坨等儲(chǔ)氣庫(kù)主要是按照油氣藏開(kāi)發(fā)理念，以原始油氣藏的儲(chǔ)層為核心設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行方案，經(jīng)過(guò)多周期注采運(yùn)行，地層水的侵入造成地質(zhì)體內(nèi)的油氣水分布發(fā)生較大變化，給設(shè)計(jì)指標(biāo)帶來(lái)偏差。2009年底南方多個(gè)省市出現(xiàn)天然氣用氣緊張的形勢(shì)，在國(guó)家財(cái)政的支持下，中石油建設(shè)了呼圖壁、相國(guó)寺、雙六、陜224、蘇橋、板南等6座儲(chǔ)氣庫(kù)群，稱為商儲(chǔ)庫(kù)。這6座儲(chǔ)氣庫(kù)群吸取了大張坨等儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)交變應(yīng)力和高速注采的運(yùn)行特點(diǎn)，應(yīng)用了大尺寸精細(xì)地質(zhì)研究與高速注采動(dòng)用效率的理念，將地質(zhì)研究的對(duì)象平面擴(kuò)展到相鄰斷塊或圈閉，提出了交變應(yīng)力斷層、蓋層密封失效風(fēng)險(xiǎn)分析，加強(qiáng)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)。在2017年底完成的（2015E-400201）項(xiàng)目中首次用“地質(zhì)體研究”替代了“大尺寸地質(zhì)研究”。經(jīng)反復(fù)推敲完善于2019年將儲(chǔ)氣地質(zhì)體定義為“由一個(gè)或多個(gè)包含儲(chǔ)層、蓋層、斷層、上下監(jiān)測(cè)層及相關(guān)油氣水流體的圈閉構(gòu)成，對(duì)天然氣多周期注采具備‘縱向封存、橫向遮擋、 滲漏監(jiān)測(cè)’的地質(zhì)單元[36]”。儲(chǔ)氣地質(zhì)體基本內(nèi)涵是儲(chǔ)氣庫(kù)評(píng)價(jià)范圍平面由單一的儲(chǔ)氣構(gòu)造擴(kuò)展到與儲(chǔ)氣構(gòu)造相關(guān)兩個(gè)或以上相鄰的、水動(dòng)力系統(tǒng)有相互關(guān)聯(lián)的地質(zhì)構(gòu)造；縱向上以儲(chǔ)氣層及其蓋層為主，向上延伸一個(gè)儲(chǔ)蓋組合，來(lái)保證斷層、蓋層或井發(fā)生泄漏，其逸散的天然氣可監(jiān)控。同樣，如果在儲(chǔ)氣層位以下存在虧空的低壓滲透層，也應(yīng)納入地質(zhì)體范疇。儲(chǔ)氣層之上的滲透層稱之為上監(jiān)測(cè)層，其下的滲透層稱之為下監(jiān)測(cè)層（圖4）。儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)研究除了研究對(duì)象空間上的轉(zhuǎn)變，其研究階段也由油氣藏原始狀態(tài)延展到建庫(kù)前以及儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行的各注采周期。研究?jī)?nèi)容為油氣藏原始狀態(tài)和建庫(kù)前的儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能、儲(chǔ)量、注采能力、流體分布、斷層與蓋層封閉性以及儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行交變應(yīng)力密封性和高速注采流體運(yùn)移規(guī)律。

從儲(chǔ)氣地質(zhì)體的基本概念與內(nèi)涵可以看出，儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)完整性研究對(duì)象是儲(chǔ)氣地質(zhì)體的儲(chǔ)層、斷層、蓋層、圈閉等。參考管道完整性[19]和井筒完整性[23]的定義，將地質(zhì)體完整性定義為“地質(zhì)體完整性是在儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，儲(chǔ)氣地質(zhì)體的各組成部分能夠滿足運(yùn)行要求，安全經(jīng)濟(jì)地完成季節(jié)與應(yīng)急調(diào)峰任務(wù)的各項(xiàng)性能指標(biāo)的完整程度”。地質(zhì)體完整性的內(nèi)涵是在儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行生命周期內(nèi)，地質(zhì)體的儲(chǔ)層以及蓋層、斷層和圈閉可以為用戶持續(xù)提供穩(wěn)定氣量，并保證儲(chǔ)氣庫(kù)安全有效運(yùn)行。地質(zhì)體完整性的核心是在儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行生命周期內(nèi)保持天然氣存儲(chǔ)的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的程度，其中可靠性是儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行生命周期內(nèi)儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)與滲流性能保持穩(wěn)定，保證提供持續(xù)穩(wěn)定的氣量的性能；安全性是圈閉保持有效性、斷層保持穩(wěn)定性、蓋層保持完整性，保證天然氣無(wú)遷移、無(wú)泄露的性能；經(jīng)濟(jì)性是指儲(chǔ)集空間體積及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)保持穩(wěn)定，保證儲(chǔ)存的天然氣量、可采出的調(diào)峰氣量穩(wěn)定無(wú)減少的性能。

4 地質(zhì)體完整性評(píng)價(jià)技術(shù)

我國(guó)在役的25座油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)地質(zhì)體多被斷層復(fù)雜化，目前已陸續(xù)達(dá)到設(shè)計(jì)的上限壓力，在今后的注采運(yùn)行交變應(yīng)力下，斷層、蓋層、儲(chǔ)層巖石均有發(fā)生疲勞損傷、力學(xué)破壞而導(dǎo)致天然氣遷移、泄露的風(fēng)險(xiǎn)，地質(zhì)體完整性評(píng)價(jià)應(yīng)引起高度重視。

4.1 圈閉有效性評(píng)價(jià)技術(shù)

從油氣勘探開(kāi)發(fā)角度來(lái)說(shuō)，圈閉是適合油氣聚集，形成油氣藏的場(chǎng)所，其中經(jīng)鉆探證實(shí)含有油氣的圈閉稱之為有效圈閉。油氣有效圈閉是以是否儲(chǔ)存了工業(yè)性油氣為判據(jù)的，不僅與圈閉落實(shí)有關(guān)，還與油氣來(lái)源是否充足有關(guān)。而油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)圈閉有效性是指有效油氣圈閉（油氣藏）作為儲(chǔ)氣目標(biāo)時(shí)，其圈閉埋藏深度、圈閉面積大小是否有利于儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，圈閉的閉合高度、蓋層、圈閉內(nèi)及周邊發(fā)育的斷層是否有利于注入天然氣的保存，圈閉的溢出點(diǎn)及溢出壓力對(duì)儲(chǔ)存天然氣逸散、遷移是否有影響（圖4）。

在儲(chǔ)氣庫(kù)選址、前期評(píng)價(jià)與可行性研究階段，圈閉有效性評(píng)價(jià)是必不可少的，主要有3個(gè)方面：

1）構(gòu)造形態(tài)及圈閉特征。利用地震、鉆井、測(cè)井、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、測(cè)試資料等精細(xì)刻畫構(gòu)造形態(tài)與斷層發(fā)育與組合關(guān)系，對(duì)構(gòu)造類型、埋藏深度、圈閉面積、閉合高度、溢出點(diǎn)深度與壓力等進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖4 油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氣地質(zhì)體示意圖

2）斷層封堵性。對(duì)圈閉構(gòu)造落實(shí)的斷層，利用地震解釋成果、鉆井、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、測(cè)試資料等，通過(guò)斷層的空間展布、巖性對(duì)接關(guān)系、流體界面位置、生產(chǎn)過(guò)程中壓力變化、干擾試井響應(yīng)等定性方法以及泥巖涂抹因子（SSF）、泥巖涂抹潛力(CSP)、泥巖斷層泥比（SGR）等定量方法進(jìn)行斷層側(cè)向和縱向封堵性評(píng)價(jià)。

3）蓋層封蓋性。在儲(chǔ)氣庫(kù)蓋層封蓋性評(píng)價(jià)中除了沿用油氣勘探開(kāi)發(fā)中常用的通過(guò)蓋層的巖性、厚度、穩(wěn)定程度等宏觀評(píng)價(jià)方法，以及蓋層巖樣的孔隙度、滲透率、擴(kuò)散系數(shù)和突破壓力等微觀參數(shù)評(píng)價(jià)方法外，還常常利用水力壓裂獲得的破裂壓力或最小主應(yīng)力數(shù)值等來(lái)定量分析蓋層的封蓋能力。

4.2 蓋層完整性評(píng)價(jià)技術(shù)

蓋層的完整性是指改建儲(chǔ)氣庫(kù)的油氣藏具備封蓋能力的蓋層，在多周期交變應(yīng)力注采運(yùn)行生命周期內(nèi)保持完整無(wú)破壞，保證儲(chǔ)存的天然氣無(wú)泄露，保證儲(chǔ)氣庫(kù)安全、經(jīng)濟(jì)有效運(yùn)行要求的程度。

油氣藏蓋層封閉機(jī)理主要有毛細(xì)管封閉、水力封閉、超壓封閉和烴濃度封閉4種，其中毛細(xì)管封閉是最常見(jiàn)和主要的封閉機(jī)理。付曉飛等[37]于2018年提出了油氣藏蓋層完整性發(fā)生破壞的5種類型，即潤(rùn)濕性改變、斷裂破壞作用、亞地震斷層與砂層連通、構(gòu)造裂隙連通、水力破裂，其中潤(rùn)濕性改變發(fā)生在油氣開(kāi)發(fā)導(dǎo)致的地層水進(jìn)入儲(chǔ)層與蓋層的接觸面，斷裂破壞作用和亞地震斷層與砂層連通均與構(gòu)造斷裂相關(guān)，與儲(chǔ)氣庫(kù)交變應(yīng)力工況有一定差別，針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行工況，蓋層完整性發(fā)生破壞主要有兩種類型。

4.2.1 毛細(xì)管滲漏

在儲(chǔ)氣庫(kù)全生命周期內(nèi)，由于注采壓力的交互變化，導(dǎo)致交變載荷作用于巖石微觀顆粒上，使顆粒重排，孔喉增大或產(chǎn)生微裂縫，導(dǎo)致毛細(xì)管密封能力弱化天然氣滲漏。針對(duì)這種現(xiàn)象，項(xiàng)目組在常規(guī)突破壓力機(jī)理和測(cè)定方法基礎(chǔ)上，提出了蓋層動(dòng)態(tài)突破壓力的概念，仿真模擬儲(chǔ)氣庫(kù)注采運(yùn)行有效應(yīng)力變化情況，根據(jù)儲(chǔ)氣庫(kù)的服役年限，確定有效應(yīng)力在蓋層測(cè)試巖樣上加卸載次數(shù)，測(cè)定突破壓力值定量評(píng)價(jià)毛細(xì)管封閉能力。

4.2.2 力學(xué)破壞

當(dāng)儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行的上限壓力大于蓋層的圍壓，或多周期注采的交變壓力導(dǎo)致蓋層巖石超過(guò)其疲勞損傷量而產(chǎn)生裂隙，使得油氣藏完整性良好的蓋層密封性失效，或者使油氣藏蓋層中含有的彼此孤立不連通的微裂縫相互溝通而形成微滲通道。其評(píng)價(jià)方法有3種：

1）利用多周期交變載荷疲勞損傷實(shí)驗(yàn)測(cè)定其損傷量，以式（1）來(lái)評(píng)價(jià)；或利用累積塑性應(yīng)變作為儲(chǔ)氣庫(kù)蓋層疲勞破壞的臨界指標(biāo)，一般將累積塑性應(yīng)變量1%作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，小于1%為安全。反之，存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)。即

2）利用小型水力壓裂獲得較為準(zhǔn)確的最小水平主應(yīng)力，以式（2）來(lái)評(píng)價(jià)：

3）數(shù)值模擬預(yù)測(cè)方法。在儲(chǔ)氣地質(zhì)體精細(xì)地質(zhì)研究基礎(chǔ)上，利用室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)獲得蓋層巖石力學(xué)參數(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)小型水力壓裂測(cè)試獲得地應(yīng)力參數(shù)，建立巖石力學(xué)模型，通過(guò)地質(zhì)力學(xué)耦合數(shù)值模擬地層壓力分布預(yù)測(cè)蓋層多周期注采工況下地應(yīng)力場(chǎng)，利用安全指數(shù)（SF）定量評(píng)價(jià)蓋層發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)程度來(lái)評(píng)價(jià)蓋層的完整性。即

4.3 斷層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)技術(shù)

斷層穩(wěn)定性是指用來(lái)改建儲(chǔ)氣庫(kù)油氣藏儲(chǔ)氣地質(zhì)體中包含的具備封堵能力的斷層，在多周期交變應(yīng)力注采運(yùn)行生命周期內(nèi)，保持封堵?tīng)顟B(tài)不被激活或失穩(wěn)滑動(dòng)導(dǎo)致天然氣遷移或泄露，保證儲(chǔ)氣庫(kù)安全、經(jīng)濟(jì)有效運(yùn)行的程度。

儲(chǔ)氣庫(kù)注采過(guò)程中注氣、采氣壓力的變化，使得地層承載的有效應(yīng)力在高值與低值之間交互變化，當(dāng)作用在斷層面上的剪切力大于有效正應(yīng)力與摩擦系數(shù)之積時(shí)，斷層將產(chǎn)生微細(xì)裂縫發(fā)生側(cè)向和縱向滲流，隨著裂縫的密度逐漸增大，直至互相連通后斷層發(fā)生活化，儲(chǔ)氣庫(kù)中的天然氣將會(huì)通過(guò)斷層發(fā)生側(cè)向或縱向遷移。

地質(zhì)歷史時(shí)期形成的斷層機(jī)理復(fù)雜，相似試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱骱头抡娴貞?yīng)力建立等方面還在攻關(guān)研究階段，現(xiàn)階段主要通過(guò)地質(zhì)力學(xué)數(shù)值模擬形式進(jìn)行斷層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。與蓋層數(shù)值模擬一樣，建立三維巖石力學(xué)參數(shù)模型和地應(yīng)力場(chǎng)分布，加載地層孔隙壓力場(chǎng)，通過(guò)地質(zhì)力學(xué)—滲流雙向耦合數(shù)值模擬預(yù)測(cè)多周期注采工況下斷層兩側(cè)地應(yīng)力場(chǎng)變化，利用斷層面各點(diǎn)處的疲勞損傷累計(jì)應(yīng)變量值評(píng)價(jià)斷層穩(wěn)定性。

4.4 儲(chǔ)層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)技術(shù)

儲(chǔ)層穩(wěn)定性是指用來(lái)改建儲(chǔ)氣庫(kù)油氣藏的儲(chǔ)層，在多周期交變應(yīng)力注采運(yùn)行生命周期內(nèi)保持儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)與滲流性能穩(wěn)定不被破壞，保證持續(xù)穩(wěn)定提供氣量，滿足運(yùn)行對(duì)注采氣量要求的程度。儲(chǔ)層穩(wěn)定性遭受破壞主要表現(xiàn)為采氣過(guò)程中出砂。

儲(chǔ)層出砂通常是由于井底附近的巖層結(jié)構(gòu)遭受破壞引起的，對(duì)于儲(chǔ)氣庫(kù)來(lái)講與油氣藏開(kāi)采過(guò)程的出砂機(jī)理基本相似，主要有剪切和拉張破壞兩種機(jī)理：

1）剪切破壞。當(dāng)儲(chǔ)氣庫(kù)處于低壓運(yùn)行時(shí)，孔隙流體壓力降低，導(dǎo)致儲(chǔ)層有效應(yīng)力增大，引起井壁處的應(yīng)力集中。當(dāng)剪應(yīng)力值超過(guò)巖石的抗剪切強(qiáng)度時(shí)，骨架顆粒間的穩(wěn)定狀態(tài)被打破，將發(fā)生顆粒錯(cuò)動(dòng)而形成大量的微破裂面，巖石強(qiáng)度降低，顆粒從巖石骨架上脫落，被高速采出天然氣帶至井筒附近而出砂。

2）拉張破壞。在儲(chǔ)氣庫(kù)高速注采過(guò)程中，在生產(chǎn)壓差的作用下，天然氣由儲(chǔ)層滲流至井筒，在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)與地層顆粒產(chǎn)生摩擦，流速越大，摩擦力越大，施加在巖石顆粒表面的拖曳力越大，當(dāng)此力超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石發(fā)生拉伸剝離破壞而出砂。

在儲(chǔ)氣庫(kù)采氣階段，剪切和拉伸兩種機(jī)理將可能同時(shí)發(fā)生且相互作用，受剪切破壞的儲(chǔ)層對(duì)流體的拖曳力更加敏感。

我國(guó)在役的25座氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)中18座為砂巖儲(chǔ)層，孔隙度介于15%～26%，氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中未見(jiàn)出砂現(xiàn)象，但在儲(chǔ)氣庫(kù)高速注采交變應(yīng)力的作用下，增加了出砂的風(fēng)險(xiǎn)。

以力學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行的上限、下限壓力計(jì)算儲(chǔ)層的有效應(yīng)力作為加載的圍壓。根據(jù)儲(chǔ)氣庫(kù)使用壽命確定加卸載的次數(shù)，同時(shí)考慮氣庫(kù)不同區(qū)帶含水率的情況開(kāi)展仿真模擬實(shí)驗(yàn)，確定不同條件下儲(chǔ)層巖樣的力學(xué)參數(shù)，揭示地層圍壓、含水飽和度，抗壓強(qiáng)度和臨界出砂壓差相互關(guān)系；然后以三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，建立近井筒儲(chǔ)層精細(xì)巖石力學(xué)模型，考慮地應(yīng)力、注采壓差、含水率等的影響，利用有限元數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)臨界出砂壓差評(píng)價(jià)儲(chǔ)層穩(wěn)定性，為儲(chǔ)氣庫(kù)注采運(yùn)行指標(biāo)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

5 應(yīng)用實(shí)例

新疆呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)是由巖性構(gòu)造控制、帶邊底水的中孔中滲砂巖貧凝析氣藏改建而成。建庫(kù)層位古近系紫泥泉子組二段（紫二段），巖性主要為細(xì)砂巖、不等粒砂巖和粉砂巖，氣層平均孔隙度為 20.9%，有效滲透率為 62.49 mD，原始地層壓力 33.96 MPa，設(shè)計(jì)庫(kù)容量 107.0×108m3、工作氣量 45.1×108m3[35]。

5.1 圈閉有效性評(píng)價(jià)

呼圖壁儲(chǔ)氣構(gòu)造為一近東西向展布的長(zhǎng)軸斷背斜，高點(diǎn)埋藏深度3 470 m，圈閉面積28.6 km2，閉合線深度3 650 m，南部呼圖壁斷裂將背斜切割為上、下盤兩個(gè)斷背斜。在下盤斷背斜中，發(fā)育呼圖壁北斷裂和呼001井北斷裂兩條逆斷裂（圖5）。通過(guò)構(gòu)造與斷層的精細(xì)刻畫、分析斷層展布規(guī)律與兩側(cè)巖性對(duì)接與生產(chǎn)測(cè)試（圖6）資料認(rèn)為呼圖壁北斷裂和呼001井北斷裂側(cè)向不封堵、縱向上是封堵的。呼圖壁斷裂側(cè)向是封堵性，縱向上在氣藏開(kāi)發(fā)初始狀態(tài)是封堵的。直接蓋層為紫二段頂部6～10 m厚的一套泥巖，雖厚度較薄，但穩(wěn)定分布，從實(shí)驗(yàn)樣品的微觀參數(shù)來(lái)看物性差、孔徑與孔喉小、排驅(qū)壓力高、突破壓力較大，可封閉的氣柱高度大于200 m，大于圈閉閉合高度180 m和氣柱高度80 m。加之紫三段厚度約180 m的泥巖與湖相—半深湖相沉積的、全區(qū)穩(wěn)定分布、厚度大于800 m的安集海河組地層，形成了理想的有效蓋層（圖6）?？傮w來(lái)看，呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)圈閉構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，埋藏偏深，圈閉面積較大，閉合高度適中，蓋層封蓋性好、呼圖壁斷層斷穿上覆區(qū)域蓋層，儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，溢出點(diǎn)壓力為36.5 MPa。

圖5 呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)構(gòu)造及井位部署圖

圖6 呼圖壁氣藏?cái)鄬悠拭鎴D

5.2 蓋層完整性評(píng)價(jià)

利用交變應(yīng)力下突破壓力實(shí)驗(yàn)技術(shù)，將注采過(guò)程的有效應(yīng)力作為圍壓，通過(guò)加卸載方式測(cè)定蓋層突破壓力由6.16 MPa降至5.12 MPa，降幅15%，從數(shù)值及降幅幅度來(lái)看，對(duì)蓋層的封蓋性影響有限。

利用多周期交變載荷疲勞損傷實(shí)驗(yàn)技術(shù)，通過(guò)50個(gè)周期交變疲勞損傷實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)巖樣表現(xiàn)為“初期塑性壓實(shí)、后期彈性循環(huán)”變形，平均累積塑性應(yīng)變介于0.09%～0.21%，平均為0.14%，低于1%的疲勞破壞臨界值。

利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與測(cè)井解釋確定的巖石力學(xué)參數(shù)建立蓋層三維巖石力學(xué)模型、利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與測(cè)井資料確定的地應(yīng)力參數(shù)建立三維地應(yīng)力模型。在常規(guī)孔隙度—滲透率—飽和度三維地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，擬合氣田開(kāi)發(fā)與儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行歷史，獲得不同時(shí)間點(diǎn)的地層壓力分布場(chǎng)，并根據(jù)儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)18～50 MPa運(yùn)行壓力預(yù)測(cè)至50年的地層壓力場(chǎng)變化。將三維巖石力學(xué)模型、三維地應(yīng)力場(chǎng)與地層壓力場(chǎng)耦合預(yù)測(cè)不同時(shí)間點(diǎn)蓋層安全指數(shù)（SF），得到儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行50年安全指數(shù)介于0.32～0.52，最大值0.52，小于1，安全程度較高。

5.3 斷層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

呼圖壁斷層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)主要利用數(shù)值模擬方法，與蓋層完整性評(píng)價(jià)一樣根據(jù)呼圖壁實(shí)際注采工況和設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力，開(kāi)展三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)力學(xué)數(shù)值模擬50周期以設(shè)計(jì)18～34 MPa運(yùn)行，最大累計(jì)應(yīng)變量為0.04%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1%的疲勞破壞臨界值，說(shuō)明斷層穩(wěn)定性極好。

5.4 儲(chǔ)層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

通過(guò)41塊儲(chǔ)層巖樣不同條件（含水、圍壓、交變）巖石力學(xué)出砂模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，圍壓由10 MPa增至45 MPa，抗壓強(qiáng)度由55.9 MPa增至143.9 MPa，其關(guān)系可由式（4）表示。當(dāng)巖樣的含水飽和度由0增至30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度由7.2 MPa降至5.0 MPa，其關(guān)系可由式（5）表示。即

以三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，建立近井筒儲(chǔ)層精細(xì)巖石力學(xué)模型，利用圍壓、含水飽和度，抗壓強(qiáng)度相關(guān)關(guān)系，模擬儲(chǔ)氣庫(kù)注采交變載荷，以出砂臨界等效塑性應(yīng)變5‰為約束，得到出砂壓差為5.8 MPa，說(shuō)明要保持儲(chǔ)層的穩(wěn)定性，應(yīng)控制儲(chǔ)氣庫(kù)的采氣期生產(chǎn)壓差小于5.8 MPa。

6 結(jié)論

1）儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)體完整性是指在儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，儲(chǔ)氣地質(zhì)體各組成部分能夠滿足運(yùn)行要求，安全經(jīng)濟(jì)地完成季節(jié)與應(yīng)急調(diào)峰任務(wù)的各項(xiàng)性能指標(biāo)的完整程度。其內(nèi)涵是在儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行生命周期內(nèi)，地質(zhì)體的儲(chǔ)層、以及蓋層、斷層和圈閉可以為用戶持續(xù)穩(wěn)定提供氣量，并保證儲(chǔ)氣庫(kù)安全運(yùn)行，其核心是在儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行生命周期內(nèi)保持天然氣存儲(chǔ)的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的程度。

2）在儲(chǔ)氣庫(kù)選址、前期評(píng)價(jià)與建設(shè)可行性研究階段，圈閉有效性評(píng)價(jià)是必不可少的。利用地震、鉆井、測(cè)井、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、測(cè)試資料等，通過(guò)對(duì)儲(chǔ)氣構(gòu)造形態(tài)與斷層精細(xì)刻畫，結(jié)合斷層側(cè)向和縱向封堵性定性與定量分析以及蓋層宏觀分布統(tǒng)計(jì)、微觀參數(shù)室內(nèi)測(cè)定和水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等手段，利用圈閉埋藏深度、圈閉面積、閉合高度、斷層與蓋層的密封性能、溢出點(diǎn)與溢出壓力等評(píng)價(jià)儲(chǔ)氣圈閉的有效性。

3）針對(duì)毛細(xì)管封閉失效和力學(xué)破壞兩種機(jī)理，利用蓋層交變應(yīng)力下突破壓力實(shí)驗(yàn)獲得突破壓力值、多周期交變載荷疲勞損傷實(shí)驗(yàn)測(cè)定巖石損傷量，小型水力壓裂獲得準(zhǔn)確的最小水平主應(yīng)力，以及地質(zhì)力學(xué)耦合數(shù)值模擬預(yù)測(cè)安全指數(shù)定量評(píng)價(jià)等4種方法評(píng)價(jià)蓋層的完整性。

4）針對(duì)力學(xué)破壞是儲(chǔ)氣庫(kù)交變應(yīng)力斷層失穩(wěn)的主要原因，在獲得巖石力學(xué)和地應(yīng)力參數(shù)基礎(chǔ)上，建立地質(zhì)力學(xué)模型，采用地質(zhì)力學(xué)—滲流雙向耦合數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)斷層面各點(diǎn)處的疲勞損傷累計(jì)應(yīng)變量來(lái)評(píng)價(jià)斷層穩(wěn)定性。

5）利用巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，模擬儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行有效應(yīng)力，通過(guò)多周期加卸載獲得不同條件下儲(chǔ)層的力學(xué)參數(shù)，建立地質(zhì)力學(xué)模型，利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，預(yù)測(cè)出砂壓差評(píng)價(jià)儲(chǔ)層穩(wěn)定性。

6）應(yīng)用集圈閉有效性、蓋層完整性、斷層穩(wěn)定性、儲(chǔ)層穩(wěn)定性為一體的油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)完整性評(píng)價(jià)技術(shù)，對(duì)呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，圈閉溢出點(diǎn)壓力36.5 MPa，設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力區(qū)間內(nèi)50年的蓋層安全指數(shù)最大值為0.52、斷層最大累計(jì)應(yīng)變量為0.04%，說(shuō)明呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)還有提高上限壓力擴(kuò)大調(diào)峰氣量的潛力。

油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)體完整性評(píng)價(jià)技術(shù)體系的建立，彌補(bǔ)了儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)完整性的欠缺，健全了完整性評(píng)價(jià)技術(shù)系列，對(duì)油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期安全有效運(yùn)行，以及提高運(yùn)行上限壓力增強(qiáng)調(diào)峰能力具有一定的指導(dǎo)意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。