氣藏型地下儲氣庫完整性管理體系及風(fēng)險(xiǎn)識別

馬增輝，徐長峰，王明鋒，許 鵬，姬 康，張海明

(新疆油田公司 呼圖壁儲氣庫作業(yè)區(qū)，新疆 呼圖壁 831200)

0 引言

地下儲氣庫作為天然氣產(chǎn)業(yè)中儲配系統(tǒng)的重要組成部分，具有儲量大、穩(wěn)定性能好、調(diào)峰能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效調(diào)節(jié)天然氣產(chǎn)銷環(huán)節(jié)中的不平衡、不均勻。同時(shí)，作為目前最大的儲氣“容器”，能有效彌補(bǔ)天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)急能力較差的缺陷[1]。

自我國第1個(gè)儲氣庫喇嘛甸投產(chǎn)以來，隨著我國儲氣庫陸續(xù)建設(shè)及投產(chǎn)運(yùn)行，在注采運(yùn)行中出現(xiàn)環(huán)空異常帶壓[2-3]、套管密封塞的破損、地面設(shè)施缺陷、超壓，鹽巖蠕變、浸出等引起的運(yùn)行失效、井口壓力缺失、管柱腐蝕等[4]完整性問題，陽小平等[5]采用定性與定量的評價(jià)方法對地下儲氣庫斷層的完整性進(jìn)行評價(jià)，但未對地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件進(jìn)行評價(jià)。魏東吼等[1]限定了儲氣庫完整性評價(jià)的對象，提出儲氣庫地面設(shè)施完整性管理的具體內(nèi)容與儲氣庫井完整性管理流程，但未提出儲氣庫井以及地質(zhì)體完整性管理的內(nèi)容。范張川[6]對文96地下儲氣庫進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)研究，主要對地面工程進(jìn)行研究分析，未深入涉及到地下工程完整性管理。羅金恒等[7]提出儲氣庫的完整性包括地層、井筒、地面3個(gè)方面，并提出地層-井筒-地面立體化檢測體系，但尚未具體明確地質(zhì)體的概念。鄭雅麗等[8]提出地質(zhì)體完整性的基本內(nèi)涵及評價(jià)技術(shù)，其主要包括圈閉有效性、蓋層完整性、斷層穩(wěn)定性、儲層穩(wěn)定性評價(jià)技術(shù)，但未對井筒、地面系統(tǒng)完整性進(jìn)行歸納。從以往研究成果來看，主要是儲氣庫的地面系統(tǒng)[9-10]、注采系統(tǒng)[11-12]方面的完整性研究。

目前，氣藏型儲氣庫為有效地進(jìn)行運(yùn)行管理，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行，主要采取地下儲氣庫氣藏管理、地下儲氣庫壓縮機(jī)組管理及地下儲氣庫注采壓力限值管理等管理措施，以達(dá)到提高注采氣壓縮機(jī)組的運(yùn)行效率，有效保護(hù)地層，并能夠在保證安全的情況下，不斷擴(kuò)大有效儲層面積，增大庫容,如表1所示。而我國儲氣庫在安全環(huán)保管理、風(fēng)險(xiǎn)管控能力等安全管理方面較發(fā)達(dá)國家有一定差距，表現(xiàn)為安全管理意識不強(qiáng)、管理制度不健全、管理專業(yè)人員缺乏、管理模式陳舊[13]。

表1 氣藏型儲氣庫運(yùn)行管理現(xiàn)狀Table 1 Current situation of operation and management of gas reservoir type gas storage

“強(qiáng)注強(qiáng)采”是地下儲氣庫與常規(guī)氣田最為顯著的區(qū)別，使儲氣庫承受不穩(wěn)定的地應(yīng)力，同時(shí)與可能出現(xiàn)的腐蝕、沖蝕、巖層蠕變、地質(zhì)活動等潛在危險(xiǎn)因素相結(jié)合，會極大的威脅儲氣庫的穩(wěn)定和安全可靠性[7]。國外儲氣庫事故慘痛的教訓(xùn)表明：長時(shí)間以及大規(guī)模對儲氣庫強(qiáng)注強(qiáng)采會造成圈閉及蓋層等地質(zhì)構(gòu)造失穩(wěn)，固井結(jié)構(gòu)以及生產(chǎn)套管失效，地面設(shè)施故障，甚至發(fā)生泄漏、燃燒或爆炸的事故[14]。儲氣庫完整性管理作為1種新的管理模式和工具，不僅能夠安全保障儲氣庫正常運(yùn)行，也能為儲氣庫全生命周期管理提供指導(dǎo)。

1 儲氣庫完整性內(nèi)涵與管理體系

1.1 儲氣庫完整性內(nèi)涵

對于氣藏型地下儲氣庫完整性，既要從空間上承接管道與油氣井完整性的特點(diǎn)，也要從時(shí)間上貫穿地質(zhì)體、儲氣庫井與地面設(shè)施功能始終處于安全可靠的服役狀態(tài)，其內(nèi)涵主要包括3個(gè)方面：1)地質(zhì)體、儲氣庫井與地面站場設(shè)施各單元在物理上與功能上是完整的；2)在設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營及廢棄等全生命周期內(nèi)始終處于可靠受控狀態(tài)；3)運(yùn)營方將不斷地采取相關(guān)措施防止地下儲氣庫事故的發(fā)生。氣藏型儲氣庫完整性管理包含但不局限于管道完整性管理的內(nèi)容，管理與評價(jià)內(nèi)容對象不同、管理的方式方法不同、對風(fēng)險(xiǎn)管理的要求亦不同。本文基于管道完整性管理的6步循環(huán)提出氣藏型儲氣庫完整性管理的6步循環(huán)：數(shù)據(jù)采集、單元識別、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、完整性評價(jià)、維修與維護(hù)、效能評價(jià)。

1.2 儲氣庫完整性管理體系

氣藏型儲氣庫是基于已經(jīng)開采枯竭廢棄或開采到一定程度的氣藏，掌握油氣層的孔隙度、滲透率、水浸現(xiàn)象、巖層厚度、井身結(jié)構(gòu)等方面的數(shù)據(jù)，利用對各種地下巖層的改造而形成的儲氣庫。基于管道與井筒完整性管理提出儲氣庫完整性管理，主要分為6個(gè)環(huán)節(jié)：數(shù)據(jù)采集、單元識別、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、完整性評價(jià)、維修與維護(hù)、效能評價(jià)。對于氣藏型儲氣庫完整性管理而言，其特點(diǎn)與重點(diǎn)在于對地質(zhì)體完整性管理。地質(zhì)體作為氣藏型儲氣庫的核心單元，其完整性狀態(tài)是決定建造儲氣庫的先決條件，其安全穩(wěn)定的工作狀態(tài)是保證儲氣庫安全運(yùn)行的基本條件。對氣藏型儲氣庫進(jìn)行完整性管理主要分為地面站場設(shè)施完整性管理、儲氣庫井完整性管理、地質(zhì)體完整性管理，如圖1所示?；诖?，對地面系統(tǒng)、儲氣庫井、地質(zhì)體完整性管理體系進(jìn)行分析。

圖1 氣藏型儲氣庫完整性管理內(nèi)容Fig.1 Contents of integrity management of gas reservoir type gas storage

1)地面站場設(shè)施完整性管理體系

儲氣庫地面設(shè)施完整性管理與一般的站場完整性管理大同小異，國內(nèi)外諸多學(xué)者展開了研究。站場地面設(shè)施完整性管理的對象主要包含站場風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、站場完整性評價(jià)、站場運(yùn)行狀態(tài)管理、管道完整性檢測/監(jiān)測等，具體管理體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 地面站場設(shè)施完整性管理體系Fig.2 Integrity management system of ground station facilities

2)儲氣庫井完整性管理體系

儲氣庫的井完整性管理從時(shí)間跨度上應(yīng)貫穿其設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營等全過程。每1個(gè)過程的主要目標(biāo)是對儲存流體的有效控制與監(jiān)測。采集樹/井口裝置、生產(chǎn)套管與注采管柱、固井結(jié)構(gòu)是儲氣庫井完整性的關(guān)鍵組成部分。儲氣庫井的完整性設(shè)計(jì)應(yīng)涵括井口裝置、套管、管柱的密封完整性設(shè)計(jì)；由于儲氣庫有“強(qiáng)采強(qiáng)注”的特點(diǎn)，套管/管柱材質(zhì)及結(jié)構(gòu)應(yīng)適應(yīng)注采循環(huán)的工況，并根據(jù)地下巖層巖性選擇抗腐蝕材料。在建設(shè)期，主要是延長固井結(jié)構(gòu)的壽命，確保地層-水泥環(huán)-套管的膠結(jié)質(zhì)量、管柱絲扣密封性、環(huán)空保護(hù)液的時(shí)效性等技術(shù)；運(yùn)營期間，儲氣庫井完整性管理體系如圖3所示，主要包括采氣樹/井口裝置完整性檢測、套管/油管柱完整性檢測、儲氣庫井維修與維護(hù)、固井結(jié)構(gòu)完整性檢測等。

圖3 儲氣庫井完整性管理體系Fig.3 Integrity management system of gas storage wells

3)地質(zhì)體完整性管理

對儲氣庫地質(zhì)體進(jìn)行評價(jià)涉及到圈閉構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、儲層地質(zhì)學(xué)、氣藏流體學(xué)等多學(xué)科交叉，地質(zhì)體是由蓋層、儲層、斷層、監(jiān)測層及流體的圈閉組成，其評價(jià)的內(nèi)涵是設(shè)計(jì)前的儲氣空間規(guī)劃，庫容設(shè)計(jì)，地質(zhì)體原始狀態(tài)、強(qiáng)注強(qiáng)采下不同階段的密封性，以保證儲氣庫長期安全高效運(yùn)行。由于地質(zhì)體復(fù)雜的地下環(huán)境及監(jiān)測設(shè)備與技術(shù)的局限性，地質(zhì)體完整性管理的難點(diǎn)是設(shè)計(jì)及建設(shè)期，需對圈閉進(jìn)行有效性評價(jià)，其主要包含3個(gè)方面：構(gòu)造形態(tài)及圈閉特征、斷層的封堵性、蓋層封蓋性。

在運(yùn)行期需對蓋層完整性、儲層穩(wěn)定性、斷層穩(wěn)定性以及水體侵入進(jìn)行評價(jià)，如圖4所示。

圖4 地質(zhì)體完整性管理體系Fig.4 Integrity management system of geological body

根據(jù)蓋層封閉機(jī)理與儲氣庫的特性，蓋層完整性被破壞主要分為毛細(xì)管滲漏與力學(xué)破壞2種形式。針對這2種形式，可以用測定突破壓力值、多周期交變載荷疲勞損失實(shí)驗(yàn)、小型水力壓裂獲最小水平主應(yīng)力、數(shù)值模擬預(yù)測等方法對蓋層完整性進(jìn)行評價(jià)?？梢圆捎没顒訒r(shí)期評價(jià)法、走向與地應(yīng)力方向的配置關(guān)系評價(jià)法、斷層上下盤巖性或油氣界面差異分析法、斷層兩側(cè)儲層的生產(chǎn)差異性分析法、泥質(zhì)含量分布率法、泥巖涂抹因子計(jì)算等方法對地下儲氣庫斷層完整性進(jìn)行定性或定量評價(jià)。由于儲層易受儲氣庫強(qiáng)采強(qiáng)注影響而致使井底附近巖層破壞出現(xiàn)出砂現(xiàn)象，可導(dǎo)致儲層遭受剪切破壞及拉張破壞，基于此，以三維地址模型為基礎(chǔ)，建立儲層巖性模型，充分考慮注采壓差、地應(yīng)力等因素的影響，利用有限元方法對模型進(jìn)行數(shù)值模擬，通過預(yù)測出砂壓差評估儲層的穩(wěn)定性。

1.3 氣藏型儲氣庫完整性管理的應(yīng)用

利用數(shù)據(jù)采集、單元識別、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、完整性評價(jià)、維修與維護(hù)、效能評價(jià)6步循環(huán)對氣藏型儲氣庫進(jìn)行完整性管理，在建造儲氣庫的基礎(chǔ)資料之上，對儲氣庫地質(zhì)體、儲氣庫井、地面站場系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。根據(jù)儲氣庫運(yùn)營方對風(fēng)險(xiǎn)管理的要求，對單元識別與劃分，各單元對應(yīng)指標(biāo)；通過定量或定性的方法對各級指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，再由數(shù)學(xué)方法(如層次分析法等)對各級指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，最終對儲氣庫進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，得到儲氣庫的風(fēng)險(xiǎn)等級；采用數(shù)學(xué)或物理的方法對各級指標(biāo)進(jìn)行完整性評價(jià)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與完整性評價(jià)結(jié)果對儲氣庫采取一定的維修維護(hù)措施，最終對儲氣庫進(jìn)行效能評價(jià)，氣藏型儲氣庫完整性管理技術(shù)如圖5所示。

圖5 氣藏型儲氣庫完整性管理相關(guān)技術(shù)Fig.5 Related technologies for integrity management of gas reservoir type gas storage

2 儲氣庫風(fēng)險(xiǎn)識別

據(jù)統(tǒng)計(jì)：截至2020年全球枯竭氣藏型地下儲氣庫事故共發(fā)生16起，包括儲層密封性失效引發(fā)氣體泄漏，注采氣系統(tǒng)失效以及地面設(shè)施失效[15]。為確保我國地下能源儲備系統(tǒng)的安全發(fā)展，需要有效識別氣藏型地下儲氣庫建設(shè)運(yùn)營期間可能遇到的各種風(fēng)險(xiǎn)、建立有效的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法、采取有效的調(diào)控優(yōu)化措施并最終構(gòu)建完善的枯竭氣藏型儲氣庫風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)管理體系。對儲氣庫進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識別，既有利于儲氣庫完整性管理，也利于保障儲氣庫安全運(yùn)行。本文主要從安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)方面對地面站場系統(tǒng)、儲氣庫井和地質(zhì)體的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識別與分析，可作為建立氣藏型儲氣庫事故樹圖的基礎(chǔ)，對完成儲氣庫的風(fēng)險(xiǎn)評估與評價(jià)、儲氣庫的失效概率與后果計(jì)算起到一定的作用，為管理儲氣庫提供安全的運(yùn)行保障以及風(fēng)險(xiǎn)管控手段。

2.1 地面系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)識別

有效識別與評估地面系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)因素，如表2所示，主要包括管道、壓力容器、壓縮機(jī)。分析失效可能性及其后果，從而采取有效的防范措施，可以有效保障儲氣庫安全運(yùn)行和操作人員生命安全。

表2 地面系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)識別及分析Table 2 Risk identification and analysis of ground system

2.2 儲氣庫井風(fēng)險(xiǎn)識別

儲氣庫井風(fēng)險(xiǎn)管理是完整性管理中重要的環(huán)節(jié)，是指對儲氣庫井進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識別，風(fēng)險(xiǎn)因素評估，采取有效性的維修與維護(hù)措施來降低或避免風(fēng)險(xiǎn)因素帶來的災(zāi)害。其主要內(nèi)容是對采氣樹及井口裝置、注采井筒、固井結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識別，如表3所示。

表3 儲氣庫井風(fēng)險(xiǎn)識別及分析Table 3 Risk identification and analysis of gas storage wells

2.3 地質(zhì)體風(fēng)險(xiǎn)識別

地質(zhì)體完整性是保障儲氣庫運(yùn)行功能重要的一環(huán)。地質(zhì)體是天然氣儲存的容器，其受地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，是影響天然氣儲存的主要因素。對地質(zhì)體進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識別，其事故類型主要分為斷層密封失效、蓋層及底托層密封失效、封堵井密封性失效及水體侵入，如表4所示。

表4 地質(zhì)體風(fēng)險(xiǎn)識別及分析Table 4 Risk identification and analysis of geological body

3 結(jié)論

1)提出氣藏型完整性管理的6個(gè)環(huán)節(jié)：數(shù)據(jù)采集、單元識別、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、完整性評價(jià)、維修與維護(hù)、效能評價(jià)。6個(gè)環(huán)節(jié)互相關(guān)聯(lián)為6步循環(huán)，貫穿在氣藏型儲氣庫完整性管理的工作中。

2)闡明氣藏型儲氣庫完整性管理概念，將儲氣庫完整性管理內(nèi)容分為地面系統(tǒng)、儲氣庫井、地質(zhì)體，并建立各自的完整性管理體系。以地質(zhì)體完整性管理作為氣藏型儲氣庫完整性管理的核心。

3)基于6步循環(huán)闡述氣藏型儲氣庫完整性管理的內(nèi)容，并對氣藏型儲氣庫完整性管理技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。對地面系統(tǒng)、儲氣庫井、地質(zhì)體進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識別與分析，詳細(xì)分析了各模塊的事故類型與危險(xiǎn)、有害因素分析。