氣藏型儲氣庫圈閉應(yīng)力場擾動規(guī)律及影響因素分析

張 玥，賈善坡,2，溫曹軒，張品金，李 健，張魯鋼，施少軍

( 1. 東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2. 東北石油大學(xué) 油氣藏及地下儲庫完整性評價重點(diǎn)實驗室，黑龍江 大慶 163318；3. 中國石化勝利油田有限公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257000；4.中國石油吉林油田有限公司 勘探開發(fā)研究院，吉林 松原 138000 )

0 引言

地下儲氣庫作為天然氣產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵一環(huán)，建設(shè)與運(yùn)行程度越來越高[1-2]。中國天然氣地下儲氣庫主要有4種類型:枯竭油氣藏型、鹽穴型、廢棄礦井型及含水層型[3-4]。截止2021年底，中國建成28座地下儲氣庫，其中25座為氣藏型儲氣庫[5]?？萁邭獠匦蛢鈳炀哂械刭|(zhì)資料齊全、圈閉條件良好、儲氣空間大等優(yōu)點(diǎn)，同時具有完整配套的天然氣地面系統(tǒng)工程設(shè)施可供選擇[6]。相比其他3種類型儲氣庫，枯竭氣藏型儲氣庫具有更高的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性[7-8]。地下儲氣庫季節(jié)性周期注采引起儲層孔隙壓力變化，間接引起儲層、蓋層及其他地層中的應(yīng)力場交替變化，應(yīng)力路徑的改變可能激活蓋層中存在的天然裂縫及斷層，影響蓋層密封性及力學(xué)完整性。作為阻止油氣向上逸散的保護(hù)層，蓋層封隔儲集層中的氣體，應(yīng)力場變化影響儲氣庫選址、設(shè)計和建設(shè)運(yùn)行。在大流量高速注采時，儲氣庫儲集層局部高壓改變蓋層應(yīng)力場，蓋層發(fā)生宏觀、微觀力學(xué)破壞[9]，出現(xiàn)隆起而產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致天然氣泄露[10]。有必要研究枯竭氣藏型儲氣庫在注采過程中蓋層應(yīng)力場變化，減少儲氣庫泄露危險，確保地下枯竭氣藏型儲氣庫安全運(yùn)行。

人們從不同角度對儲氣庫圈閉進(jìn)行研究。基于流體滲流彈性介質(zhì)的Biot本構(gòu)理論，SEGALL P[11]研究流體注采時區(qū)域位移場的變化，表明沉降量隨流體抽采率線性增加，但未研究流體注采時圈閉應(yīng)力場的變化。CHAMANI A等[12]建立三維數(shù)值概念模型，研究流體注入儲氣庫時應(yīng)力場變化，分析流體注入時彈性模量變化對應(yīng)力場的影響，但未考慮流體采出時應(yīng)力場的變化。ZHOU X等[13]研究儲層與蓋層交界面的剪應(yīng)力對不同蓋層滲透率的響應(yīng)，表明最大剪應(yīng)力發(fā)生在近井區(qū)域，當(dāng)蓋層滲透率變大時，最大剪應(yīng)力轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)井區(qū)，且近井區(qū)的剪應(yīng)力可能在界面發(fā)生逆轉(zhuǎn)。LI C等[14]采用有限元數(shù)值模擬方法，研究不同溫度下流體注入儲氣庫時應(yīng)力場的變化，表明在注入井附近，隨流體壓力的增加，平均有效應(yīng)力不斷減小，但未指明流體采出時的應(yīng)力場變化。FAVERO V等[15]研究CO2注入含水層后蓋層的沉降變形，但未考慮圈閉應(yīng)力場的變化。王迪晉等[16]應(yīng)用GPS系統(tǒng)研究枯竭型儲氣庫在注氣過程中地表蓋層的變形響應(yīng)，表明儲氣庫注采過程引起地表蓋層形變，在水平方向上呈明顯的“呼吸效應(yīng)”，垂直方向上地表蓋層的運(yùn)動方向與注采過程呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。李宏等[17]建立數(shù)值模型研究儲氣庫注氣后地表的變形，但忽略圈閉應(yīng)力場的變化。根據(jù)多孔介質(zhì)彈性理論，王成虎等[18]研究儲氣庫在周期注采下地層應(yīng)力的變化，表明水平總應(yīng)力增量隨儲氣庫注采過程出現(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系的變化。張廣權(quán)等[19]建立三維地應(yīng)力模型與數(shù)值模型，研究儲氣庫注采時圈閉的動態(tài)密封性，分析孔隙壓力與三軸主應(yīng)力的分布。

人們對儲氣庫圈閉應(yīng)力場變化及應(yīng)力路徑因數(shù)的研究相對較少，忽略對蓋層物理力學(xué)參數(shù)的敏感性分析。蓋層物理力學(xué)參數(shù)對蓋層應(yīng)力場的變化產(chǎn)生不同程度的影響，蓋層的滲透率是決定注入氣體能否被密封的重要性質(zhì)之一[20]。在分析圈閉應(yīng)力場變化時需要對蓋層物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析。基于滲流—力學(xué)耦合理論，筆者建立天然氣注采過程的儲氣庫力學(xué)模型，探討儲氣庫在注氣和采氣階段圈閉擾動應(yīng)力場的變化特征及應(yīng)力路徑的發(fā)展趨勢，分析蓋層物理力學(xué)參數(shù)變化對蓋層應(yīng)力場的影響，為氣藏型儲氣庫建庫設(shè)計及安全運(yùn)行分析提供依據(jù)。

1 滲流—力學(xué)耦合理論

1.1 滲流模型

假設(shè)儲氣庫中的天然氣注采符合達(dá)西定律，注采過程視為等溫過程，建立地下儲氣庫圈閉滲流模型?；谶_(dá)西定律的滲流連續(xù)方程為

(1)

式中:ρf為流體密度；φp為巖石孔隙度；d為滲流速度；Qm為源匯項；t為時間。

考慮流體及巖石骨架的可壓縮性，分析地下儲氣庫的地層受力，則

(2)

式中:S為彈性儲存系數(shù)；p為孔隙流體壓力。

儲氣庫注入與采出的流體質(zhì)量表現(xiàn)為孔隙產(chǎn)生的體積應(yīng)變對時間的導(dǎo)數(shù)，則質(zhì)量守恒方程表示為

(3)

式中:εv為體積應(yīng)變，εv=εx+εy+εz，εx、εy、εz為體積應(yīng)變分量；α為Biot系數(shù)。

1.2 力學(xué)模型

在場地尺度下，儲氣庫圍巖產(chǎn)生的變形是彈性的、小變形的[16-21]。具有小變形的彈性三維控制方程[22]表示為

(4)

式中:ε和σ分別為應(yīng)變和應(yīng)力；u為位移；f為體力；C為四階彈性系數(shù)張量。

假設(shè)儲氣庫地下巖土體為各向同性的材料，則式(4)中的本構(gòu)方程為

(5)

式中:E為彈性模量；ν為泊松比；εxx、εyy、εzz和γxy、γxz、γyz分別為應(yīng)變在縱向和剪切方向上的分量。

(6)

式中:σij為總應(yīng)力；δij為Kroneker張量，當(dāng)i=j，δij=1，i≠j，δij=0。

基于式(5-6)，應(yīng)力平衡方程的張量形式為

σij-αδijp+Fi=0，

(7)

式中:Fi為不同方向的體載荷。

將式(4-6)代入式(7)，得到有效應(yīng)力下具有小變形的彈性三維控制方程為

，

(8)

1.3 耦合方程

儲氣庫場地尺度下，滲流—力學(xué)耦合方程的控制方程由滲流連續(xù)性方程與力學(xué)平衡方程組成，結(jié)合式(3)與式(8)，分析滲流—力學(xué)耦合問題[23-24]。適用于儲氣庫圈閉應(yīng)力場的滲流—力學(xué)耦合方程為

(9)

儲氣庫注采過程的力學(xué)場向滲流場的耦合程度取決于巖石骨架和孔隙流體的性質(zhì)，圍巖中流體質(zhì)量或流體壓力的變化對巖石內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生體應(yīng)變，在注采氣壓力作用下，巖石骨架產(chǎn)生體應(yīng)變和彈性應(yīng)力。力學(xué)場建立孔隙壓力、滲流、體應(yīng)變與有效應(yīng)力之間的聯(lián)系，壓力作用產(chǎn)生滲流，引起孔隙壓力消散和擴(kuò)散；滲流場產(chǎn)生體積變化，根據(jù)達(dá)西定律，孔隙壓力使流體流動隨時間發(fā)生變化，產(chǎn)生隨時間變化的彈性應(yīng)力和體應(yīng)變，進(jìn)而耦合回滲流場[25]。

2 儲氣庫力學(xué)數(shù)值模型

枯竭氣藏型儲氣庫有限元計算模型采用二維平面模型，對儲層與蓋層進(jìn)行滲流—力學(xué)耦合計算。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造資料，區(qū)域構(gòu)造平緩，屬于低幅度背斜構(gòu)造，地層近水平狀，且無斷層發(fā)育。在不影響整體數(shù)值模擬結(jié)果的情況下，對實際地質(zhì)構(gòu)造及工況進(jìn)行簡化，建立儲氣庫力學(xué)數(shù)值模型(見圖1(a))。該模型長為400 m，高為600 m，由上覆層、蓋層、儲層、圍巖及底板組成。儲層長為80 m，高為40 m；蓋層長為400 m，高為80 m。上覆層上部有深度為2 000 m的地質(zhì)層，以等效覆蓋層表示。根據(jù)儲氣庫“夏注冬采”季節(jié)性調(diào)峰需求等特點(diǎn)，將夏季與秋季作為注入階段，周期為180 d；冬季與春季作為采出階段，周期為180 d。數(shù)值模擬方案選擇儲氣庫運(yùn)行階段，地層壓力曲線見圖1(b)。

根據(jù)儲氣庫地質(zhì)資料與巖石力學(xué)實驗資料，蓋層彈性模量為5.0 GPa，泊松比為0.25，滲透率為10-6μm2，孔隙度為0.01。儲層彈性模量為2.5 GPa，泊松比為0.30，滲透率為890×10-3μm2，孔隙度為0.34。由于該區(qū)域勘探程度較低，巖心測試資料較少，上覆層、底板及圍巖的地層計算參數(shù)采取鄰區(qū)的平均值，平均彈性模量為5.0 GPa，平均泊松比為0.25，平均滲透率為10-6μm2，平均孔隙度為0.01。

假設(shè)儲氣庫注采作業(yè)的流體為單相流體，地層中的流體及巖石骨架可壓縮，上覆層施加的荷載考慮上覆巖體和流體的質(zhì)量，根據(jù)垂向應(yīng)力計算理論[26]，施加在上覆巖層的荷載約為54.31 MPa。區(qū)域構(gòu)造活動并不強(qiáng)烈，儲氣庫力學(xué)數(shù)值模型不考慮構(gòu)造應(yīng)力場。模型初始水平應(yīng)力為各向異性，地應(yīng)力因數(shù)為0.33。儲氣庫上限壓力因數(shù)為1.2，下限壓力因數(shù)的選取應(yīng)考慮儲氣庫的工作氣量與經(jīng)濟(jì)效益，為了突出注采過程應(yīng)力場擾動變化及應(yīng)力路徑因數(shù)的差異，將下限壓力因數(shù)選取為0.8。

數(shù)值模擬采用超孔壓方法，力學(xué)邊界:上邊界施加上覆壓力；左、右邊界為沿水平方向的指定位移約束；下邊界為沿垂直方向的指定位移約束。滲流邊界:所有邊界為無流動邊界。數(shù)值模型網(wǎng)格劃分見圖1(c)，將儲層與蓋層的網(wǎng)格部分進(jìn)行加密，網(wǎng)格加密采用映射分布法，單元數(shù)為16，單元大小比為1，增長公式采用等差數(shù)列，模型求解的自由度數(shù)為6.432 3×104。

圖1 儲氣庫力學(xué)數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 Mechanical numerical model and grid division of gas storage

3 數(shù)值模擬分析

3.1 初始應(yīng)力場平衡

為了準(zhǔn)確還原巖石實際受力狀態(tài)，對地層進(jìn)行地應(yīng)力平衡。地應(yīng)力平衡后的水平總應(yīng)力σH與垂直總應(yīng)力σV分布見圖2(a-b)，垂向位移場的最大量級為10-15m，最小量級為10-17m(見圖2(c))，儲層及蓋層的水平總應(yīng)力為-23.00～-22.00 MPa，垂直總應(yīng)力為-69.00～-66.00 MPa。

圖2 儲氣庫地應(yīng)力平衡后總應(yīng)力及垂向位移分布Fig.2 Distribution of total stress and vertical displacement after ground stress balance

3.2 擾動應(yīng)力場特征

在注采氣作業(yè)后，儲氣庫孔隙壓力的變化對蓋層、儲層和底板的應(yīng)力場擾動較大。儲氣庫注氣和采氣的總應(yīng)力增量見圖3-4。由圖3-4可知，注氣階段，儲氣庫圈閉應(yīng)力場的增量為正值，水平總應(yīng)力增幅范圍為0～1.90 MPa，垂直總應(yīng)力增幅范圍為0～3.82 MPa；采氣階段，圈閉應(yīng)力場的增量為負(fù)值，水平總應(yīng)力增幅范圍為-2.90～0 MPa，垂直總應(yīng)力增幅范圍為-6.10～0 MPa。儲氣庫水平總應(yīng)力增量小于垂直總應(yīng)力增量，采氣階段的總應(yīng)力增幅范圍大于注氣階段的。

受孔隙壓力擾動影響的圈閉應(yīng)力場不均勻分布，為進(jìn)一步分析儲氣庫在注采期間總應(yīng)力場的變化，將總應(yīng)力場按擾動程度進(jìn)行分區(qū)(見圖5)。由圖3和圖5可知，注氣階段，B區(qū)與D區(qū)的水平總應(yīng)力與垂直總應(yīng)力大于其他區(qū)域的，D區(qū)最易形成應(yīng)力集中區(qū)；A區(qū)作為B區(qū)的上覆巖層，孔隙壓力增大，有效應(yīng)力減小，A區(qū)形成壓實區(qū)；C區(qū)作為儲層外部的圍巖區(qū)域，應(yīng)力場擾動程度比儲層的小，總應(yīng)力場增量為正值，說明C區(qū)處于壓縮狀態(tài)，屬于壓實區(qū)。由圖4-5可知，采氣階段，圈閉處于拉伸狀態(tài)，發(fā)生拉伸變形，D區(qū)垂直總應(yīng)力增量的絕對值最大，大于采出的孔隙流體壓力，其他區(qū)域的小于采出的孔隙流體壓力，越靠近B區(qū)與D區(qū)，應(yīng)力場受擾動程度越大；水平總應(yīng)力增量與垂直總應(yīng)力增量相比，變化較小，但不能忽視D區(qū)發(fā)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在儲氣庫季節(jié)性周期注采作業(yè)時，應(yīng)考慮儲層與蓋層邊界處及底板區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力場變化及擾動程度。

圖3 儲氣庫注氣階段總應(yīng)力增量分布 Fig.3 Total stress increment distribution during gas injection in gas storage

圖4 儲氣庫采氣階段總應(yīng)力增量分布 Fig.4 Total stress increment distribution during gas production in gas storage

圖5 儲氣庫注采氣階段圈閉總應(yīng)力場分區(qū)特征Fig.5 Division characteristics of trap total stress field during gas injection and production in gas storage

3.3 儲層與蓋層應(yīng)力路徑效應(yīng)

儲氣庫注采過程中，儲層與蓋層的總應(yīng)力場受擾動程度較大，應(yīng)力路徑可能發(fā)生突變。在儲層內(nèi)，根據(jù)(0 m，-500 m)、(400 m，-500 m)兩點(diǎn)設(shè)置儲層中心水平測線，根據(jù)(200 m，-400 m)、(200 m，-600 m)兩點(diǎn)設(shè)置儲層中心豎向測線；在蓋層區(qū)域內(nèi)，在垂向距離-480、-440和-400 m處分別設(shè)置儲層與蓋層交界面、蓋層中部和蓋層頂部3條水平測線，分析5條測線位置的儲層和蓋層應(yīng)力路徑效應(yīng)(見圖6)。

圖6 儲氣庫儲層和蓋層應(yīng)力測線分布Fig.6 Stress line distribution of reservoir cap in gas storage

在儲氣庫周期性季節(jié)注采作業(yè)時，假設(shè)儲層滿足無水平應(yīng)變的單軸應(yīng)變條件，結(jié)合儲氣庫圈閉中巖石實際受力狀態(tài)，由孔隙壓力變化導(dǎo)致總應(yīng)力變化的計算公式為

(10)

受注采氣作業(yè)影響后，儲氣庫應(yīng)力場孔隙壓力呈不同程度的增長(見圖7)。由圖7可知，儲層的孔隙壓力增量最大，其次是蓋層和圍巖的。在垂向范圍內(nèi)，儲層注氣階段的孔隙壓力變化程度稍大；在水平范圍內(nèi)，由儲層中心到蓋層頂部，孔隙壓力增量越來越小，蓋層頂部的最大孔隙壓力增量是儲層中心的0.68倍。根據(jù)不同測線的注采總應(yīng)力增量(見圖8-12)，其中βH為水平應(yīng)力路徑因數(shù)，βV為垂直應(yīng)力路徑因數(shù)，距離注采區(qū)越遠(yuǎn)，總應(yīng)力場受擾動程度越?。粌又行牡缴w層中部，注氣階段的總應(yīng)力場小于采氣階段的，且垂直總應(yīng)力增量比水平總應(yīng)力增量大；蓋層頂部在注氣階段的總應(yīng)力增量比采氣階段的大，水平總應(yīng)力增量比垂直總應(yīng)力增量大。

由式(10)計算儲層區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力路徑因數(shù)為0.57。由圖8-12可知，在水平距離內(nèi)，應(yīng)力路徑因數(shù)易在儲層與蓋層交界面發(fā)生突變，在垂向距離內(nèi)，應(yīng)力路徑因數(shù)易在儲層發(fā)生突變。距離注采區(qū)越遠(yuǎn)，應(yīng)力路徑因數(shù)發(fā)生突變的位置從儲層與蓋層交界面變?yōu)閮又行?，采氣階段的水平應(yīng)力路徑因數(shù)和垂直應(yīng)力路徑因數(shù)達(dá)到的峰值和谷值變大。垂直應(yīng)力路徑因數(shù)整體發(fā)展趨勢為先下降后上升，水平應(yīng)力路徑因數(shù)發(fā)展趨勢為先上升后下降。采氣階段的垂直應(yīng)力路徑因數(shù)大于解析解求解的(0.57)，注氣、采氣階段的水平應(yīng)力路徑因數(shù)在儲層內(nèi)小于0.57，注氣階段的垂直應(yīng)力路徑因數(shù)由儲層中心到儲層與蓋層交界面，逐漸接近解析解求解的值，并在儲層邊界處交會。應(yīng)力路徑因數(shù)整體表現(xiàn)為垂直應(yīng)力路徑因數(shù)大于水平應(yīng)力路徑因數(shù)，采氣階段的應(yīng)力路徑因數(shù)大于注氣階段的。

圖7 儲氣庫注氣和采氣階段不同范圍的孔隙壓力增量Fig.7 Pore pressure increment in different range during gas injection and production in gas storage

圖8 儲氣庫儲層中心水平測線總應(yīng)力增量及應(yīng)力路徑因數(shù)曲線Fig.8 Total stress increment and stress path coefficient curves of horizontal survey line in reservoir center of gas storage

圖9 儲氣庫儲層中心豎向測線總應(yīng)力增量及應(yīng)力路徑因數(shù)曲線Fig.9 Total stress increment and stress path coefficient curves of vertical survey line in reservoir center of gas storage

圖10 儲氣庫儲層與蓋層交界面測線總應(yīng)力增量及應(yīng)力路徑因數(shù)曲線Fig.10 Total stress increment and stress path coefficient curves of survey line in reservoir and cap interface of gas storage

圖12 儲氣庫蓋層頂部測線總應(yīng)力增量及應(yīng)力路徑因數(shù)曲線Fig.12 Total stress increment and stress path coefficient curves of survey line in top cap rock of gas storage

3.4 剪切應(yīng)力場

儲氣庫注氣、采氣階段圈閉剪切應(yīng)力及增量分布見圖13-14。由圖13-14可知，儲層邊界更易受剪切應(yīng)力的影響，儲層中心的剪切應(yīng)力為0 MPa，蓋層距離儲層較遠(yuǎn)，剪切應(yīng)力場受擾動程度較小。注氣階段的剪切應(yīng)力增量為-1.00～0.60 MPa，采氣階段的剪切應(yīng)力增量為-1.20～0.80 MPa，當(dāng)儲氣庫由注氣階段轉(zhuǎn)為采氣階段時，剪切應(yīng)力場發(fā)生扭轉(zhuǎn)，注氣階段剪切應(yīng)力增量的正值變?yōu)樨?fù)值，負(fù)值變?yōu)檎怠鈳熳?、采氣階段不同深度下剪切應(yīng)力增量曲線見圖15。由圖15可知，儲層與蓋層交界面的剪切應(yīng)力增量更易出現(xiàn)尖點(diǎn)，注氣階段的剪切應(yīng)力增量最大約為0.80 MPa，采氣階段的剪切應(yīng)力增量最大約為1.20 MPa，是注氣階段剪切應(yīng)力增量的1.5倍，距離注采區(qū)越遠(yuǎn)，剪切應(yīng)力增量越不容易達(dá)到峰值。根據(jù)儲氣庫注采氣階段剪切應(yīng)力路徑因數(shù)分布(見圖16)，與水平應(yīng)力路徑因數(shù)和垂直應(yīng)力路徑因數(shù)相比，剪切應(yīng)力路徑因數(shù)變化量極小。注氣階段，距離儲層越遠(yuǎn)，應(yīng)力路徑因數(shù)越平滑，起伏越小。與注氣階段相比，采氣階段的剪切應(yīng)力增量略大，距離儲層較遠(yuǎn)，應(yīng)力路徑因數(shù)不再沿儲層中心分布，逐漸接近垂直分布。

圖13 儲氣庫注氣、采氣階段圈閉剪切應(yīng)力分布Fig.13 Trap shear stress distribution during gas injection and production in gas storage

圖14 儲氣庫注氣、采氣階段圈閉剪切應(yīng)力增量分布Fig.14 Incremental distribution of trap shear stress during gas injection and production in gas storage

圖15 儲氣庫注氣、采氣階段不同深度下剪切應(yīng)力增量分布Fig.15 Shear stress increment distribution at different depths during gas injection and production in gas storage

圖16 儲氣庫注氣、采氣階段不同深度下剪切應(yīng)力路徑因數(shù)分布Fig.16 Distribution of shear stress path coefficients at different depths during gas injection and production in gas storage

4 影響因素分析

儲氣庫封蓋應(yīng)力場的變化主要取決于兩個要素:一是蓋層內(nèi)壓力的變化幅值；二是封蓋巖石的變形(彎曲梁效應(yīng))。若蓋層內(nèi)孔隙壓力變化較大，則有效應(yīng)力變化較大，主要與蓋層滲透率有關(guān)。蓋層可視為球形彎曲梁，注氣、采氣階段蓋層變形使蓋層內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力場。對蓋層物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，研究天然氣注氣、采氣過程的蓋層參數(shù)對蓋層應(yīng)力場變化幅度的影響。由于儲層與蓋層交界面的應(yīng)力場受擾動程度更大，選擇儲層與蓋層交界面進(jìn)行應(yīng)力場變化分析。

4.1 蓋層滲透率

儲氣庫注氣、采氣階段不同蓋層滲透率的應(yīng)力增量曲線見圖17。由圖17可知，蓋層滲透率K越大，注氣階段的水平總應(yīng)力、垂直總應(yīng)力和剪切應(yīng)力的增量峰值越大；垂直總應(yīng)力增量變化最大，水平總應(yīng)力增量次之，剪切應(yīng)力增量最??；蓋層滲透率越小，在儲層與蓋層交界面處達(dá)到峰值的速度越快，儲層上方區(qū)域的應(yīng)力增量變化越大。

圖17 儲氣庫注氣、采氣階段不同蓋層滲透率應(yīng)力增量曲線Fig.17 Stress increment curves of different caprock permeability during gas injection and production in gas storage

4.2 蓋層彈性模量

儲氣庫注氣、采氣階段不同蓋層彈性模量的應(yīng)力增量曲線見圖18。由圖18可知，采氣階段，儲層與蓋層交界面的應(yīng)力擾動程度大于注氣階段的，蓋層彈性模量E越大，儲層與蓋層交界面的應(yīng)力增量增長速度越快，且應(yīng)力增量的谷值與峰值的差距越大?？倯?yīng)力場增量特征總體表現(xiàn)為:水平總應(yīng)力增量增幅大于垂直總應(yīng)力增量增幅大于剪切應(yīng)力增量增幅。儲層上方區(qū)域的垂直總應(yīng)力增加發(fā)展趨勢比水平總應(yīng)力增加的更平緩。當(dāng)蓋層彈性模量較小時，剪切應(yīng)力場可能發(fā)生應(yīng)力扭轉(zhuǎn)。

圖18 儲氣庫注氣、采氣階段不同蓋層彈性模量應(yīng)力增量曲線Fig.18 Stress increment curves of different cap modulus during gas injection and production in gas storage

4.3 蓋層泊松比

儲氣庫注氣、采氣階段不同蓋層泊松比的應(yīng)力增量曲線見圖19。由圖19可知，采氣階段，儲層與蓋層交界面受應(yīng)力擾動程度大于注氣階段的，隨蓋層泊松比的增大，水平總應(yīng)力增量、垂直總應(yīng)力增量及剪切應(yīng)力增量達(dá)到的峰值更大，谷值更小。注氣階段，蓋層泊松比的改變，對蓋層區(qū)域內(nèi)的垂直總應(yīng)力影響較小，儲層區(qū)域內(nèi)對峰值有影響，谷值影響不大。隨蓋層泊松比的增大，注氣階段應(yīng)力增量增幅由大到小依次為水平總應(yīng)力增量、垂直總應(yīng)力增量、剪切應(yīng)力增量。

圖19 儲氣庫注氣、采氣階段不同蓋層泊松比應(yīng)力增量曲線Fig.19 Stress increment curves of Poisson's ratio of different cap layers during gas injection and production in gas storage

蓋層物理力學(xué)參數(shù)對儲層與蓋層交界面的應(yīng)力場擾動程度由大到小依次為:蓋層彈性模量、蓋層滲透率、蓋層泊松比。采氣階段應(yīng)力增量增幅比注氣階段的大，蓋層物理力學(xué)參數(shù)的改變對水平總應(yīng)力增量、垂直總應(yīng)力增量及剪切應(yīng)力增量的影響幅度不一致:當(dāng)蓋層彈性模量與泊松比變大時，水平總應(yīng)力增量增幅大于垂直總應(yīng)力增量增幅大于剪切應(yīng)力增量增幅；當(dāng)蓋層滲透率變大時，垂直應(yīng)力增量增幅大于水平總應(yīng)力增量增幅大于剪切應(yīng)力增量。

5 結(jié)論

(1)基于巖石滲流—力學(xué)耦合理論，建立儲氣庫力學(xué)數(shù)值模型，研究注氣、采氣階段儲氣庫圈閉應(yīng)力場變化，對蓋層物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。

(2)儲氣庫圈閉應(yīng)力場經(jīng)過季節(jié)性注采作業(yè)后不均勻分布，距離儲層越近，應(yīng)力場受擾動程度越大，表現(xiàn)為儲層與蓋層交界面的應(yīng)力場受擾動程度最大，其次是蓋層、底板的，最小是上覆層的。儲層與蓋層交界面的應(yīng)力場受擾動程度由大到小依次為蓋層彈性模量、蓋層滲透率和蓋層泊松比。

(3)采氣階段的應(yīng)力場受擾動程度大于注氣階段的，垂直總應(yīng)力增量大于水平總應(yīng)力增量大于剪切應(yīng)力增量；采氣階段的應(yīng)力路徑因數(shù)大于注氣階段的，垂直應(yīng)力路徑因數(shù)大于水平應(yīng)力路徑因數(shù)，應(yīng)力路徑因數(shù)易在儲層內(nèi)發(fā)生突變，在儲氣庫圈閉水平范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力路徑因數(shù)總體發(fā)展趨勢為先下降后上升，水平應(yīng)力路徑因數(shù)發(fā)展趨勢為先上升后下降。