馬新華 ，鄭得文 ，申瑞臣，王春燕，羅金恒，孫軍昌

（1. 中國石油天然氣集團公司油氣地下儲庫工程重點實驗室，河北廊坊 065007；2. 中國石油西南油氣田公司，成都 610051；3. 中國石油勘探開發(fā)研究院，河北廊坊 065007；4. 中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司，北京 100195；5. 中國石油規(guī)劃總院，北京 100083；6. 中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安 710065）

0 引言

據(jù)2015年國際天然氣聯(lián)盟（IGU）統(tǒng)計，在目前4種主要地下儲氣庫類型中，氣藏型儲氣庫工作氣量約占全球儲氣庫總工作氣量的 75%，是最主要的地下儲氣調(diào)峰設(shè)施[1]。自 1915年加拿大首次在安大略省Welland氣田開展儲氣試驗以來，國外氣藏型儲氣庫建設(shè)歷經(jīng)百年，建立了適合相應(yīng)地質(zhì)特點的建庫配套技術(shù)[2-4]。與國外相比，中國地質(zhì)條件極其復(fù)雜，建庫氣藏普遍具有構(gòu)造破碎、埋藏深、儲集層非均質(zhì)性強、開發(fā)中后期地層水侵等特點，儲氣庫選址評價、方案設(shè)計和鉆完井工程建設(shè)等面臨嚴峻挑戰(zhàn)。大港板橋儲氣庫群是國內(nèi)20世紀90年代末啟動建設(shè)的第1批氣藏型儲氣庫，由于照搬國外經(jīng)驗和沿用常規(guī)氣藏開發(fā)理念，庫群投運16年實際工作氣量僅為方案設(shè)計指標的56%[5]，儲氣庫總體擴容達產(chǎn)速度慢、運行效率低[6]，而國外氣藏型儲氣庫達產(chǎn)周期一般為5～8年。因此，需要針對中國復(fù)雜地質(zhì)條件特點和儲氣庫周期性大流量強注強采交變載荷的特殊工況，研究形成一套涵蓋選址評價、方案設(shè)計、鉆完井、地面工程、風(fēng)險預(yù)警與評估等儲氣庫建設(shè)運行全過程的配套技術(shù)來科學(xué)指導(dǎo)中國氣藏型儲氣庫規(guī)模化高效建設(shè)。

本文從中國氣藏型儲氣庫主要地質(zhì)特點和建庫工程面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)出發(fā)，重點論述儲氣庫選址圈閉動態(tài)密封性評價、氣藏建庫關(guān)鍵指標設(shè)計、超深超低壓地層鉆完井、地面高壓大流量注采工程優(yōu)化與核心裝備研發(fā)、安全運行風(fēng)險預(yù)警與評估等關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)，及其在新疆呼圖壁、西南相國寺、華北蘇橋等中國石油新一輪氣藏型儲氣庫建設(shè)中的規(guī)模化應(yīng)用。

1 中國氣藏型儲氣庫主要地質(zhì)特點

與美國、加拿大、俄羅斯等儲氣庫發(fā)達國家相比，中國氣藏型儲氣庫具有以下典型地質(zhì)特點。

①氣藏構(gòu)造破碎。中國地質(zhì)構(gòu)造沉積環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)歷多期次構(gòu)造運動，導(dǎo)致地質(zhì)構(gòu)造破碎、氣藏內(nèi)部和周邊發(fā)育不同規(guī)模的斷層。如新疆呼圖壁氣藏，呼圖壁、呼圖壁北、呼001井北3條斷層均斷穿了直接蓋層。斷層的發(fā)育不僅影響儲氣圈閉密封性，增加庫址篩選評價難度，而且對鉆完井和儲氣庫交變工況下氣體安全存儲風(fēng)險預(yù)警和控制提出了更高的技術(shù)要求。

②儲氣層埋藏深。受資源與市場分離客觀因素影響，中國中東部天然氣主要消費區(qū)和長輸管道附近可選建庫氣藏非常有限，早前篩選的大港板橋優(yōu)質(zhì)氣藏埋深均超過2 000 m。中國石油2010年篩選納入建庫目標的新疆呼圖壁、西南相國寺等 6座氣藏埋深2 200～4 700 m。其中華北蘇4氣藏埋深4 700 m，創(chuàng)目前世界儲氣庫埋深之最[4]。氣藏埋深較大和斷層發(fā)育雙重因素大大增加了鉆完井設(shè)計施工和儲氣庫長期交變載荷下“細長”井筒有效密封的難度[4]。同時，埋藏較深將要求地面較高的注氣壓力，如蘇 4儲氣庫地面注氣壓力設(shè)計值高達42 MPa，對地面工程低成本建設(shè)和壓縮機等高壓動設(shè)備安全運行技術(shù)要求較高。

③儲集層非均質(zhì)性強、建庫前地層流體分布復(fù)雜。國內(nèi)篩選的目標氣藏注氣建庫前多數(shù)已處于中后期開發(fā)階段，地層壓力的衰竭導(dǎo)致邊底水“縱竄橫侵”選擇性侵入，儲集層平面和縱向上形成不同的流體分布區(qū)。儲集層非均質(zhì)性越強、水體能量越大，建庫前地層流體分布越復(fù)雜，如蘇 4氣藏建庫前底水沿裂縫性潛山儲集層選擇性上竄約220 m。建庫前地層流體的復(fù)雜分布大大增加了儲氣庫高速注采有效庫容量、工作氣量、井注采氣能力等關(guān)鍵指標設(shè)計難度，因為儲氣庫周期性高速注采條件下不同流體分布區(qū)含氣孔隙動用效率和氣體有效滲流能力具有顯著差異[7]，氣水高速微觀交互驅(qū)替滲流機理遠比常規(guī)氣藏開發(fā)單向水驅(qū)氣機理復(fù)雜[8-9]。

中國地質(zhì)條件復(fù)雜以及需滿足儲氣庫大流量強注強采交變載荷工況的苛刻要求，不僅導(dǎo)致儲氣圈閉密封性評價、有效庫容量設(shè)計等氣藏建庫地質(zhì)評價難度大，而且對鉆完井、地面注采工藝等工程建設(shè)和安全運行風(fēng)險預(yù)警也提出了更高的技術(shù)要求。常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)和國外儲氣庫建設(shè)技術(shù)經(jīng)驗無法滿足中國復(fù)雜地質(zhì)條件氣藏建庫要求。

2 儲氣庫選址圈閉動態(tài)密封性評價技術(shù)

儲氣庫選址評價是在綜合考慮氣藏地下和地面等多因素條件下，通過對氣藏地質(zhì)構(gòu)造、圈閉密封性、儲集層物性和流體分布等特征的分析評價，采用最優(yōu)化方法確定出適宜建庫氣藏。其中，圈閉密封性是決定氣藏是否適合建庫的首要因素。因為將天然氣大規(guī)模注入埋深2 000～5 000 m的儲氣圈閉中必須首先保證氣體“存得住”。但是與油氣藏勘探開發(fā)研究不同，儲氣庫選址圈閉密封性評價不僅需評價其原始靜態(tài)密封性，而且需預(yù)先考慮氣藏建庫后周期注采交變地應(yīng)力下蓋層彈塑性變形、斷層滑移錯動等對其原始密封性的影響，準確評估長期交變載荷作用下的圈閉動態(tài)密封性[10-11]。地質(zhì)構(gòu)造越復(fù)雜，地應(yīng)力場擾動對蓋層、斷層靜態(tài)密封性的影響越大[12]。因此，建立圈閉動態(tài)密封性評價技術(shù)是中國復(fù)雜地質(zhì)條件儲氣庫選址需解決的首要問題。

圈閉動態(tài)密封性評價主要是研究交變應(yīng)力下蓋層和斷層密封性及其動態(tài)演化機理，并采用相關(guān)指標對其密封失效風(fēng)險進行量化評價，指導(dǎo)庫址目標優(yōu)選和后續(xù)建庫地質(zhì)方案設(shè)計。

2.1 蓋層動態(tài)密封性

由于儲氣庫周期注采引起地應(yīng)力場擾動，交變應(yīng)力將導(dǎo)致蓋層微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的彈塑性變形，改變其原始毛細管密封性，甚至注采擾動引起的局部應(yīng)力集中會使蓋層發(fā)生宏觀力學(xué)破壞。因此，儲氣庫蓋層動態(tài)密封性需從微觀毛細管密封性和宏觀力學(xué)完整性兩個方面綜合評價。

2.1.1 毛細管密封性

目前主要采用突破壓力定量評價毛細管密封性，它是蓋層毛細管密封能力最根本、最直接的評價參數(shù)，綜合反映了巖性、泥質(zhì)含量、孔隙度、滲透率、微觀孔喉分布等對毛細管密封性的影響?；趦鈳熘芷谧⒉商厥夤r，筆者提出了蓋層動態(tài)突破壓力的概念，指在儲氣庫周期注采交變應(yīng)力引起蓋層微觀孔隙結(jié)構(gòu)改變條件下的氣體封閉能力，用以量化評價儲氣庫周期注采工況下蓋層毛細管動態(tài)密封能力。

蓋層動態(tài)突破壓力可通過室內(nèi)巖心實驗測試獲得，本文建立的主要測試流程包括：①對烘干后的蓋層巖心抽真空加壓完全飽和非敏感性流體（如煤油等），按常規(guī)標準方法在模擬地層溫壓條件下測試氣體突破壓力，本文稱其為“靜態(tài)突破壓力”；②對巖心再次完全飽和非敏感性流體，然后依據(jù)地應(yīng)力測試和氣藏改建儲氣庫初步設(shè)計的運行壓力區(qū)間，仿真模擬儲氣庫注采運行，對巖心開展三軸加卸載交變應(yīng)力損傷實驗；③對交變應(yīng)力損傷后的巖心再次測試氣體突破壓力，本文稱其為“動態(tài)突破壓力”。

H氣藏泥巖蓋層 5塊巖心實驗表明，動態(tài)突破壓力與靜態(tài)突破壓力相比平均減小14.8%。由此可見儲氣庫周期注采交變應(yīng)力對泥巖蓋層毛細管密封能力具有一定的弱化作用，動態(tài)突破壓力能夠更加準確表征儲氣庫交變工況下的蓋層毛細管密封性[11]。因此，儲氣庫選址蓋層密封性評價時，應(yīng)以動態(tài)突破壓力為主要指標，并參考蓋層巖性、厚度、展布形態(tài)、孔隙度、滲透率等，對氣藏蓋層動態(tài)密封性進行分級量化評價，確定建庫可行性。根據(jù)礦場注采運行實踐，儲氣庫注氣滿庫容時近井區(qū)域地層壓力一般比方案設(shè)計上限壓力（平均地層壓力）高2～3 MPa。因此，為保證儲氣庫高速注氣儲集層局部高壓條件下蓋層動態(tài)密封有效，參考氣藏蓋層密封性評價標準和相關(guān)學(xué)者研究成果[13]，提出蓋層密封有效的動態(tài)突破壓力臨界指標為5 MPa。當動態(tài)突破壓力大于等于5 MPa時，滿足建庫蓋層密封要求，氣藏適宜改建儲氣庫。當動態(tài)突破壓力小于5 MPa時，動態(tài)密封能力相對較差，建庫存在一定的密封性風(fēng)險，需通過減小注氣量、控制最大注氣壓力來降低氣體突破風(fēng)險，同時在儲氣庫投運后也需重點部署蓋層監(jiān)測井強化動態(tài)監(jiān)測，顯然，這將影響儲氣庫調(diào)峰儲氣能力和增加建庫投資，因此該類氣藏一般不推薦改建儲氣庫。

2.1.2 力學(xué)完整性

力學(xué)完整性評價的重點是研究儲氣庫大流量強注強采時儲集層局部高壓引起的儲、蓋層拉張破壞，以及由于復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造、巖性變化和層理發(fā)育等導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中引起的蓋層剪切和長期疲勞破壞風(fēng)險。研究儲、蓋層巖石變形破壞機理和區(qū)域地應(yīng)力場是評價蓋層力學(xué)完整性的前提和基礎(chǔ)。

2.1.2.1 拉張破壞風(fēng)險

通過開展礦場地應(yīng)力測試（水力壓裂、地漏試驗等）和室內(nèi)巖心實驗，準確測試儲、蓋層最小水平主應(yīng)力，以此評價氣藏高速注氣建庫是否會誘發(fā)儲、蓋層拉張破壞。適宜建庫的枯竭氣藏，要求建庫前測試的儲、蓋層最小水平主應(yīng)力應(yīng)大于靜水壓力。埋藏較淺且建庫前枯竭程度較高的氣藏，地層壓力的大幅衰竭引起的地層收縮可能導(dǎo)致最小水平主應(yīng)力小于靜水壓力，則建庫高速注氣過程中近井區(qū)域地層壓力的急劇增加可能大于最小水平主應(yīng)力，誘發(fā)儲、蓋層拉張破壞[14]。該類氣藏建庫風(fēng)險較高或需對投產(chǎn)第1周期注氣量和儲氣庫達容后最大注氣量（上限壓力）進行較為準確的控制，以使得最大地層壓力始終小于“現(xiàn)今”動態(tài)最小水平主應(yīng)力，保障蓋層力學(xué)完整性。

2.1.2.2 剪切破壞風(fēng)險

蓋層剪切破壞風(fēng)險評價是在巖石力學(xué)實驗研究基礎(chǔ)上，通過研究圈閉地應(yīng)力場及其動態(tài)變化特征，以巖石剪切破壞準則（如摩爾-庫侖準則等）為依據(jù)，計算出剪切破壞指標，以實現(xiàn)風(fēng)險量化評價[15-17]。采用圈閉地應(yīng)力-滲流耦合建模技術(shù)，通過數(shù)值模擬方法評價蓋層剪切破壞風(fēng)險[17]，其主要流程是：首先建立刻畫地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)和巖石力學(xué)參數(shù)非均質(zhì)性的圈閉三維地質(zhì)力學(xué)模型，然后與滲流模擬模型聯(lián)動計算，最終建立圈閉地應(yīng)力-滲流耦合模型（又稱“三維動態(tài)地質(zhì)力學(xué)模型”）[17]。運用該技術(shù)可準確模擬反演圈閉初始三維地應(yīng)力場及其隨儲氣庫注采所產(chǎn)生的周期擾動，獲取剪切破壞風(fēng)險指標計算所需的關(guān)鍵參數(shù)。目前普遍以經(jīng)典的摩爾-庫侖準則為依據(jù)，采用剪切安全指數(shù)評價蓋層剪切破壞風(fēng)險[15,17]：

（1）式中χ在0～1，當χ大于0時，蓋層未發(fā)生剪切破壞；當χ等于0時，蓋層進入剪切破壞臨界狀態(tài)，存在剪切破壞風(fēng)險。χ越小，剪切破壞風(fēng)險越高。

從（1）式可以看出，蓋層剪切破壞風(fēng)險的影響因素包括兩類：一是最大和最小有效主應(yīng)力，分別等于最大和最小主應(yīng)力與地層壓力之差；二是蓋層巖石本身的力學(xué)參數(shù)，包括內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等。蓋層巖石力學(xué)參數(shù)屬于不可改變的客觀因素，因此最大和最小有效主應(yīng)力是蓋層剪切破壞風(fēng)險的主要影響因素，其與地層壓力的變化密切相關(guān)。對于構(gòu)造復(fù)雜的開發(fā)中后期氣藏，根據(jù)礦場測試和地質(zhì)力學(xué)數(shù)值模擬反演氣藏建庫前圈閉三維地應(yīng)力場。如果蓋層局部最大和最小有效主應(yīng)力之差較大，則由（1）式計算的剪切安全指數(shù)很小甚至接近0，表明建庫前蓋層局部已發(fā)生一定的剪切破壞，不適合建庫。而對于最大和最小主應(yīng)力之差較小的氣藏，如果由（1）式評價的剪切破壞風(fēng)險較低，則還需進一步通過數(shù)值模擬評價氣藏改建儲氣庫后高速注采擾動下的地應(yīng)力場動態(tài)變化，計算不同注氣上限壓力下的剪切安全指數(shù)，預(yù)先識別氣藏建庫后蓋層完整性失效風(fēng)險。如果模擬預(yù)測的儲氣庫高速注采擾動下蓋層局部剪切破壞風(fēng)險較高，則需通過全面的地質(zhì)和巖石力學(xué)分析，明確導(dǎo)致風(fēng)險較高的力學(xué)機理或注采工況等因素（如局部構(gòu)造突變導(dǎo)致應(yīng)力集中或注氣壓力較高等），對后期氣藏建庫設(shè)計上限壓力進行約束。但這必然影響儲氣庫調(diào)峰儲氣能力，因此需同時考慮技術(shù)和經(jīng)濟因素來決定建庫可行性。

2.1.2.3 疲勞破壞風(fēng)險

疲勞破壞風(fēng)險評價是在模擬儲氣庫注采工況條件下，通過開展室內(nèi)巖心三軸加卸載交變應(yīng)力實驗研究蓋層巖石變形破壞特征，采用累計塑性應(yīng)變來定量評價儲氣庫長期交變載荷下蓋層疲勞破壞風(fēng)險[18]。交變應(yīng)力加載方式、交變范圍和頻率是實驗設(shè)計的難點。

筆者建立了采用定圍壓、變軸壓的方式開展三軸加卸載交變應(yīng)力實驗的方法。使用圍壓模擬最大水平有效主應(yīng)力（最大水平主應(yīng)力減去氣藏原始地層壓力）。軸壓（即偏壓，其為軸向應(yīng)力與圍壓之差）交變范圍根據(jù)氣藏建庫初步設(shè)計的運行壓力區(qū)間確定。通過H氣藏儲集層 3塊平行巖樣不同交變頻率（0.05、0.10和0.50 Hz）三軸加卸載交變應(yīng)力實驗發(fā)現(xiàn)，交變軸壓 50次后 3塊巖心累計塑性應(yīng)變分別為 0.025%、0.023%和0.018%，即累計塑性應(yīng)變隨交變應(yīng)力加載頻率的增加而減小，但減小幅度趨緩。因此，綜合考慮實驗室?guī)r心交變應(yīng)力模擬與儲氣庫實際運行交變載荷等效性并兼顧實驗效率，推薦采用0.1 Hz作為巖心實驗交變應(yīng)力的加載頻率。

疲勞破壞風(fēng)險以蓋層巖心50次三軸加卸載交變應(yīng)力累計塑性應(yīng)變作為量化評價指標。基于大量巖心實驗結(jié)果，將累計塑性應(yīng)變1%作為儲氣庫蓋層疲勞破壞的臨界指標[18]。50次交變應(yīng)力后若氣藏蓋層巖心累計塑性應(yīng)變大于等于1%，則其建庫后周期注采蓋層疲勞破壞風(fēng)險較高，建庫可行性較低。50次交變應(yīng)力后蓋層巖心累計塑性應(yīng)變小于 1%，蓋層疲勞破壞風(fēng)險較低，在滿足動態(tài)毛細管密封和抗剪切破壞要求基礎(chǔ)上，氣藏具有較好的蓋層物性封閉和力學(xué)完整性，可推薦改建儲氣庫。

2.2 斷層動態(tài)密封性

斷層密封性評價包括側(cè)向和縱向密封性評價兩個方面。通過地質(zhì)、地震、測井等資料綜合解釋，采用砂泥比、泥巖涂抹系數(shù)等指標可對側(cè)向密封性進行較為準確的評價。對于縱向密封性，常規(guī)油氣藏勘探通過測試和計算原始未受擾動的靜態(tài)地應(yīng)力，根據(jù)斷層走向、傾角等，由靜力平衡原理計算出斷層面正壓力，并結(jié)合砂泥比、斷層帶充填物等特征，定性評價縱向密封性。但地質(zhì)力學(xué)研究和相關(guān)礦場實踐表明，當由于氣藏開發(fā)或儲氣庫注采引起區(qū)域地應(yīng)力場的擾動，使得作用在斷層面上的剪應(yīng)力大于有效正應(yīng)力與摩擦系數(shù)之積時，斷層將發(fā)生失穩(wěn)滑移，增大縱向密封失效風(fēng)險[12,16]。因此，斷層動態(tài)密封性評價的重點是研究交變應(yīng)力下斷層縱向密封性，本質(zhì)是研究地層壓力擾動下的三維動態(tài)地應(yīng)力場和斷層力學(xué)穩(wěn)定性。

受實驗室斷層相似模型制作、三維地應(yīng)力模擬等多種因素制約，目前難以通過物理模擬評價交變應(yīng)力下斷層密封性及其動態(tài)演化特征，相關(guān)學(xué)者主要采用地質(zhì)力學(xué)數(shù)值模擬方法評價地應(yīng)力場擾動下的斷層穩(wěn)定性[12,14-18]。筆者以 Petrel地質(zhì)-地質(zhì)力學(xué)一體化模擬平臺為載體，采用如前所述的儲氣庫圈閉地應(yīng)力-滲流耦合建模技術(shù)開展斷層動態(tài)密封性評價[11,17]。與蓋層剪切破壞風(fēng)險評價類似，準確反演獲得復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造

斷層周邊初始三維地應(yīng)力場及其隨儲氣庫注采所產(chǎn)生的動態(tài)擾動，是科學(xué)評價斷層穩(wěn)定性的關(guān)鍵?；赑etrel一體化平臺的圈閉地應(yīng)力-滲流耦合建模是在精細地質(zhì)建模和單井一維地應(yīng)力測試解釋基礎(chǔ)上，精細刻畫斷層三維空間展布形態(tài)并充分反映復(fù)雜構(gòu)造和地層巖石力學(xué)非均質(zhì)性對地應(yīng)力場的影響[17-19]，為斷層穩(wěn)定性評價指標計算提供準確基礎(chǔ)參數(shù)。在動態(tài)地應(yīng)力場準確反演的基礎(chǔ)上，采用三維空間應(yīng)力張量算法，可計算出任一地層壓力下斷層面的剪應(yīng)力和有效正應(yīng)力。采用斷層滑移指數(shù)評價儲氣庫注采擾動下的斷層穩(wěn)定性[12,16]：

根據(jù)地質(zhì)力學(xué)研究，（2）式中β小于0.6時斷層力學(xué)穩(wěn)定性好，β大于等于0.6時斷層存在失穩(wěn)滑移風(fēng)險，β越大，失穩(wěn)滑移風(fēng)險越高[12,16]。

復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造不同地應(yīng)力狀態(tài)包括正斷層、逆斷層和走滑斷層 3種，作用在斷層面的有效正應(yīng)力和剪應(yīng)力將隨氣藏開發(fā)地層壓力的衰竭而改變。地層壓力下降幅度越大，地應(yīng)力擾動越明顯。當斷層面剪應(yīng)力與有效正應(yīng)力之商大于等于0.6時，表明氣藏開發(fā)已使得含氣邊界的主控斷層發(fā)生失穩(wěn)滑移，斷層原始縱向密封性遭到一定破壞，該類氣藏建庫圈閉密封失效風(fēng)險較高。國內(nèi)外多個斷層發(fā)育的大氣田開發(fā)過程中誘發(fā)的地震事件即是地應(yīng)力擾動引起斷層失穩(wěn)滑移導(dǎo)致的結(jié)果[16,20]，充分表明地層壓力變化對區(qū)域地應(yīng)力場和斷層穩(wěn)定性具有不同程度的影響，氣藏地層壓力衰竭后的斷層密封性不能等效于其原始狀態(tài)的靜態(tài)密封性。如果評價的氣藏建庫前斷層未發(fā)生失穩(wěn)滑移，則在模擬儲氣庫運行工況條件下，通過地質(zhì)力學(xué)數(shù)值模擬確定保持斷層穩(wěn)定的建庫注氣極限壓力[12]：

由（3）式確定的保持斷層穩(wěn)定的注氣極限壓力可作為設(shè)計氣藏建庫上限壓力的約束條件和評估氣藏建庫可實現(xiàn)工作氣量的依據(jù)，從技術(shù)、經(jīng)濟兩個方面綜合評價建庫可行性。

3 儲氣庫建庫關(guān)鍵指標優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

儲氣庫建庫關(guān)鍵設(shè)計指標包括有效庫容量、運行壓力區(qū)間（上、下限壓力）、工作氣量和合理井網(wǎng)密度等。這幾項指標之間存在一定的相互影響或制約關(guān)系，其核心是有效庫容量。在有效庫容量設(shè)計基礎(chǔ)上，結(jié)合運行壓力區(qū)間和儲集層物性等即可確定工作氣量等其他關(guān)鍵指標。

3.1 有效庫容量

儲氣庫注采速度一般是氣藏開發(fā)的20～30倍，地層流體高速滲流必然加劇儲集層非均質(zhì)性對儲氣庫注采動態(tài)特征的影響。宏觀上，由于儲集層物性的差異，氣體短期高速注采將導(dǎo)致儲集層平面和縱向上部分低滲區(qū)（層）無法得到有效動用。微觀上，受毛細管力滯后、孔喉非均質(zhì)性和氣水流動能力差異等影響，多相流體高速互驅(qū)過程將發(fā)生氣水捕集、互鎖和繞流等現(xiàn)象，導(dǎo)致氣水過渡帶殘余氣、束縛水飽和度增加[7-9]。儲集層宏觀非均質(zhì)性和氣水微觀滲流復(fù)雜機理雙重因素將導(dǎo)致儲氣庫短期高速注采有效庫容量小于氣藏低速開發(fā)動態(tài)儲量[21]。因此，常規(guī)氣藏壓降法已不適用于非均質(zhì)水侵氣藏型儲氣庫有效庫容量設(shè)計，這也被板橋儲氣庫群和美國Loop多層儲氣庫運行實踐所證實[5,22]。

基于對開發(fā)中后期水侵氣藏儲集層流體分布和氣水互驅(qū)滲流機理的深入分析，提出了以建庫有效孔隙空間為核心的有效庫容量設(shè)計新方法。其基本思想是在綜合考慮氣藏衰竭開發(fā)導(dǎo)致的部分孔隙空間永久損失和儲氣庫大流量注采地層高速滲流孔隙局部動用的基礎(chǔ)上，以建庫可動用的有效含氣孔隙空間為基礎(chǔ)，采用動態(tài)物質(zhì)平衡原理設(shè)計有效庫容量[10,21]。主要設(shè)計流程包括：①在儲氣庫儲集層流體 4區(qū)帶（建庫前純氣帶、氣驅(qū)水純氣帶、氣水過渡帶和水淹帶）分布新模型[10]基礎(chǔ)上，首先扣除氣藏開發(fā)地層壓降、巖石孔隙壓實、凝析油反凝析等因素導(dǎo)致的含氣孔隙空間永久損失；②綜合數(shù)值模擬和室內(nèi)仿真物理模擬兩種技術(shù)手段，分別確定不同流體分布帶含氣孔隙空間和高速注采含氣孔隙動用效率[7]；③以流體不同分布帶含氣孔隙空間及高速注采動用效率為基礎(chǔ)，加權(quán)計算得到建庫有效含氣孔隙空間，然后根據(jù)注采氣物質(zhì)平衡原理建立儲氣庫庫存量預(yù)測數(shù)學(xué)模型。圖 1為以建庫有效孔隙空間為基礎(chǔ)計算的庫存量與視地層壓力關(guān)系曲線示意圖，儲氣庫設(shè)計上限壓力對應(yīng)的庫存量即為氣藏建庫有效庫容量。

圖1 儲氣庫有效庫存量與視地層壓力關(guān)系示意圖

以呼圖壁大型弱邊水氣藏為例，壓降法計算得到氣藏原始含氣孔隙空間為4 450.0×104m3。巖心氣水高速互驅(qū)物理模擬實驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng) 6輪注采基本穩(wěn)定后，建庫前純氣帶、氣驅(qū)水純氣帶和氣水過渡帶 3個區(qū)帶含氣孔隙動用效率僅分別為氣藏低速開發(fā)的92%、67%和 46%。采用數(shù)值模擬分區(qū)帶提取含氣孔隙空間，最終加權(quán)計算得到呼圖壁氣藏建庫有效含氣孔隙空間為4 018.0×104m3，34 MPa設(shè)計上限壓力對應(yīng)的有效庫容量為107.0×108m3。但依據(jù)常規(guī)氣藏壓降法預(yù)測的有效庫容量則為 120.0×108m3，誤差 12%[10]。而對于蘇 4中等—強底水裂縫性潛山氣藏，新方法預(yù)測有效庫容量為 33.2×108m3，氣藏壓降法預(yù)測有效庫容量為44.8×108m3，誤差 35%[7]。呼圖壁、蘇 4等儲氣庫投運 5個周期高速注采動態(tài)復(fù)核表明，新方法預(yù)測的有效庫容量與實際運行情況高度吻合，表明建立的有效庫容量設(shè)計新方法具有較好的普適性，有效解決了復(fù)雜地質(zhì)條件儲氣庫有效庫容量準確預(yù)測難題。

3.2 工作氣量

工作氣量是指儲氣庫在設(shè)計的運行壓力區(qū)間采出的天然氣量。在有效庫存量預(yù)測和上、下限壓力設(shè)計的基礎(chǔ)上，即可計算出工作氣量，其為上限壓力與下限壓力對應(yīng)的庫存量之差（見圖1）。

上限壓力優(yōu)化設(shè)計以圈閉動態(tài)密封性評價結(jié)果為主要依據(jù)，基本原則是保證上限壓力下圈閉密封性不遭受破壞。通過蓋層動態(tài)突破壓力和三軸交變應(yīng)力疲勞損傷實驗以及圈閉地應(yīng)力-滲流耦合數(shù)值模擬，逐一計算不同上限壓力對應(yīng)的蓋層和斷層動態(tài)密封性評價指標（蓋層剪切安全指數(shù)、斷層滑移指數(shù)等），當其中任一指標進入臨界狀態(tài)時，其所對應(yīng)的地層壓力即為保持儲氣庫圈閉動態(tài)密封有效的上限壓力。

下限壓力優(yōu)化設(shè)計綜合氣藏工程和數(shù)值模擬兩種技術(shù)手段，以儲氣庫采氣末期具有一定的調(diào)峰能力、減小邊底水侵入對儲集層含氣孔隙的影響、采氣井井口壓力滿足進站要求和儲氣庫具有一定規(guī)模工作氣量等為約束條件，通過對不同下限壓力下儲氣庫采氣末期日采氣能力、邊底水侵入規(guī)模、井口壓力和設(shè)計采氣天數(shù)內(nèi)可采出工作氣量等進行多方案對比，最終優(yōu)化出兼顧調(diào)峰能力和工作氣量的下限壓力。

3.3 合理井網(wǎng)密度

儲氣庫合理井網(wǎng)密度設(shè)計的核心是要滿足有限時間內(nèi)（一般3～4個月）能夠采出設(shè)計工作氣量的最低井數(shù)要求，影響因素包括井注采氣能力、井控庫存和市場不均衡調(diào)峰用氣需求等。儲氣庫注采實踐表明，單井采氣能力一般低于注氣能力，加之實際采氣天數(shù)普遍少于注氣天數(shù)，因此井采氣能力是決定所需井數(shù)的關(guān)鍵。在常規(guī)氣藏開發(fā)井網(wǎng)密度設(shè)計方法基礎(chǔ)上，針對儲氣庫短期高速注采和不均衡調(diào)峰采氣特殊性，采用考慮多因素的儲氣庫有限時率合理井網(wǎng)密度優(yōu)化設(shè)計方法[10]。其總體技術(shù)思路是：①綜合單井流入動態(tài)曲線和垂直管流方程，以臨界出砂壓差、臨界攜液和沖蝕流量、井口外輸最低壓力為約束條件，通過節(jié)點壓力綜合分析，最終確定出滿足地層-井筒-井口多節(jié)點協(xié)調(diào)的儲氣庫采氣末期最低地層壓力下的單井合理產(chǎn)量，根據(jù)設(shè)計工作氣量計算所需的最少井數(shù)；②根據(jù)高速不穩(wěn)定滲流井控理論及儲氣庫井控半徑與儲集層滲透率關(guān)系圖版[9]，確定可實現(xiàn)設(shè)計有效庫容量控制的最低井數(shù)；③考慮市場不均衡用氣需求，根據(jù)設(shè)計工作氣量和月用氣不均衡系數(shù)，計算出調(diào)峰用氣高月和采氣末期兩個極端情況下所需井數(shù)，取兩者的最大值。儲氣庫合理注采井數(shù)即為以上3種計算結(jié)果的最大值。

4 適應(yīng)超低壓地層和儲氣庫交變載荷工況的鉆完井技術(shù)

針對國內(nèi)氣藏型儲氣庫埋藏深和地層壓力系數(shù)低（相國寺氣藏建庫前地層壓力系數(shù)僅0.1）等復(fù)雜地質(zhì)條件帶來的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、地層防漏堵漏和儲集層保護等技術(shù)難題，以及注采井投產(chǎn)后需承受交變載荷和周期熱應(yīng)力工況的要求，需建立適應(yīng)中國復(fù)雜地質(zhì)條件和儲氣庫交變載荷工況的鉆完井技術(shù)，具體包括超深儲集層井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、超低壓地層防漏堵漏和儲集層保護技術(shù)、滿足全生命周期的高質(zhì)量固井技術(shù)等。其中，超低壓地層防漏堵漏和韌性水泥漿固井技術(shù)是實現(xiàn)安全鉆井和高質(zhì)量建井的重要保障。

4.1 超低壓地層防漏堵漏技術(shù)

圖2 堵漏材料分子結(jié)構(gòu)設(shè)計

國內(nèi)超低壓氣藏鉆完井面臨嚴重的漏失問題，不僅影響安全鉆進，而且對后期固井水泥漿返至地面和高質(zhì)量固井產(chǎn)生較大負面影響。此外，國內(nèi)多數(shù)建庫氣藏埋藏較深，地層溫度高、壓差大，因此研發(fā)超低壓地層鉆完井防漏堵漏材料是保障安全高效鉆井的關(guān)鍵。針對特殊工況要求，以提高地層承壓能力和耐高溫為主要目標，研發(fā)了一種新型結(jié)構(gòu)的吸水樹脂復(fù)合凝膠堵漏材料，其化學(xué)分子結(jié)構(gòu)如圖 2所示。該材料以—Si—C—Si—長鏈為主體結(jié)構(gòu)，引入—CONH2基團，進一步磺化后部分—CONH2增加了—SO3—水化基團。其中—Si—C—Si—主鏈具有高強度特性，可減少高溫下—CONH2吸附基團的損耗，從而提高堵漏材料的耐溫性能，—SO3—水化基團具有較強的彈性變形能力，可以控制材料的膨脹速率。吸水樹脂復(fù)合凝膠防漏堵漏材料主要特點為：①對不同漏失通道適應(yīng)性強，復(fù)合凝膠的良好韌性和變形性提高了堵漏劑對漏失通道的匹配能力，可擠入不同的漏失通道內(nèi)；②堵漏強度高，復(fù)合凝膠中的膨脹性聚合物產(chǎn)生膨脹堵塞，其中的膠結(jié)劑將膨脹性聚合物、骨架材料、填充材料和地層很好地膠結(jié)成一個整體，可進一步提高地層承壓能力；③堵漏材料可根據(jù)漏失通道及漏失速率加工成不同粒徑，現(xiàn)場適應(yīng)性強。

吸水樹脂復(fù)合凝膠堵漏在蘇橋超深氣藏建庫中應(yīng)用 8口井，堵漏作業(yè)后地層承壓能力大幅提升，有效解決了超低壓高溫地層漏失問題，實現(xiàn)了井底最高壓差30 MPa苛刻工況的安全鉆進。

4.2 高強度低彈性模量韌性水泥漿固井技術(shù)

高質(zhì)量固井是儲氣庫建井工程的核心之一。針對儲氣庫劇烈交變載荷工況下井筒長期有效密封要求，研發(fā)了降失水劑、乳膠、乳膠粉、中溫韌性材料和高溫韌性材料5種新型固井材料，形成了中溫（30～100 ℃）和高溫（100～200 ℃）兩套韌性膨脹水泥漿體系，可有效預(yù)防水泥環(huán)微裂隙產(chǎn)生[23-25]。新型固井材料主要性能為：①降失水劑可控制API濾失量在50 mL以下，滿足儲氣庫固井要求；②乳膠可減小水泥環(huán)體積收縮，改善水泥環(huán)與套管、地層間的膠結(jié)質(zhì)量，有效防止氣竄；③乳膠粉可良好填充在水泥顆?？障吨g，提高水泥石密實度；④中溫和高溫韌性材料耐強堿性（pH值11～14），與水泥漿外加劑配伍性好，對水泥漿稠化時間影響?。虎莸兔芏软g性水泥漿體系（包括中溫和高溫）稠化時間可調(diào)性好，48 h后測試抗壓強度大于10 MPa，7 d后測試彈性模量小于4 GPa，滲透率小于0.05×10-3μm2，線性膨脹率大于0；⑥常規(guī)密度韌性水泥漿體系（包括中溫和高溫）稠化時間可調(diào)性好，48 h后測試抗壓強度大于16 MPa，7 d后測試彈性模量小于6 GPa，滲透率小于0.05×10-3μm2，線性膨脹率大于0。

同時，為提高現(xiàn)場實施效果，研發(fā)了高效沖洗隔離液，大幅提升了沖洗效率，為保證儲氣庫井界面膠結(jié)創(chuàng)造了良好的井筒條件。以水泥環(huán)密封和高效沖洗為核心的韌性水泥漿固井技術(shù)在蘇橋、板南、相國寺等氣藏建庫鉆完井作業(yè)中成功應(yīng)用，尤其攻克了目前世界上最深、溫度最高的蘇 4儲氣庫固井難題，現(xiàn)場測試和注采實踐表明固井質(zhì)量合格率100%，為儲氣庫長期安全運行奠定了良好的井筒密封基礎(chǔ)。

5 儲氣庫地面工程優(yōu)化技術(shù)與核心裝備

與常規(guī)氣田開發(fā)相比，儲氣庫具有“大吞大吐、注采交替、高壓運行”的特點，單井注采和地面管道集輸氣量遠高于氣田開發(fā)，且注采氣量波動大[26]，對地面工程整體優(yōu)化布局和動設(shè)備運行管理的靈活性要求較高。同時，國內(nèi)建庫氣藏普遍埋藏深、儲集層流體復(fù)雜多樣，導(dǎo)致地面注氣壓力較高（25～42 MPa）、采出氣含有多種組分（原油、地層水、固體顆粒等），必須研發(fā)配套的地面高壓注氣壓縮機和大流量采氣處理裝置等核心裝備，支撐儲氣庫低成本規(guī)模化建設(shè)。

5.1 儲氣庫地面工程優(yōu)化技術(shù)

儲氣庫地面工程建設(shè)需要滿足井注采氣量精準配置、集注管道高效運行、地面全系統(tǒng)安全靈活運行等技術(shù)性要求，同時還須遵循投資規(guī)模小、運行成本低的原則。因此，需針對中國復(fù)雜地質(zhì)條件特點和儲氣庫交變運行工況，按照“地面服從地下”的原則，對儲氣庫地面全系統(tǒng)涉及的井、注采管道、集注站放空系統(tǒng)等關(guān)鍵節(jié)點進行優(yōu)化設(shè)計，最終實現(xiàn)儲氣庫調(diào)峰能力的最大化和地下、地面全系統(tǒng)的安全靈活運行。5.1.1 注采井口優(yōu)化

儲氣庫注采井口優(yōu)化是在保障井安全的前提下，通過井場布局、注采計量和防凍工藝等的科學(xué)設(shè)計，實現(xiàn)大流量頻繁波動工況下注采井高效運行。國內(nèi)早期建設(shè)的儲氣庫井場采用注采分開、手動調(diào)節(jié)氣量、井口設(shè)放空立管和清管器發(fā)球筒的工藝，流程復(fù)雜、功能復(fù)雜、人工操作效率低。根據(jù)儲氣庫變工況運行特點和遠程精準注采要求，優(yōu)化形成了標準化井口優(yōu)化技術(shù)流程：①設(shè)置井下安全閥+井口緊急切斷閥兩級關(guān)斷系統(tǒng)，保證安全的前提下取消井口放空立管，簡化了單井清管工藝，取消了井口發(fā)球筒。②對于采出氣氣質(zhì)較純的儲氣庫，井場設(shè)計遵循“注采合一”原則。分別采用靶式流量計或超聲波流量計和具備節(jié)流功能的新型電動球閥實現(xiàn)注采雙向計量和氣量調(diào)節(jié)。優(yōu)化井口一級節(jié)流的壓力和溫度，保證生產(chǎn)時不產(chǎn)生水合物，而在開井初期等特殊低溫工況下采用間歇注醇方式防止凍堵[27]。③對于采出氣凝析油含量較高的儲氣庫，井場設(shè)計遵循“注采分開”原則，注氣計量和調(diào)節(jié)分別采用超聲波流量計和調(diào)節(jié)閥，采氣計量和調(diào)節(jié)分別采用分離計量工藝和自動角式節(jié)流閥。

5.1.2 注采管道優(yōu)化

早期建設(shè)的板橋儲氣庫群由于工作氣規(guī)模相對較小，普遍采用注氣、采氣管道分開設(shè)置的方式，導(dǎo)致注采集輸管道距離長、投資較高，而國外較多采用注采合一方式。注采管道采取分開還是合一設(shè)計成為影響儲氣庫建設(shè)成本的重要問題。通過數(shù)值模擬研究，提出了不同規(guī)模儲氣庫注采管道優(yōu)化設(shè)計方案：①對于注氣量小于等于500×104m3/d且集輸半徑不超過20 km的小型儲氣庫，采用注采合一方式，1條管道可滿足注氣和采氣要求；②對于注氣量在（500～1 000）×104m3/d的中型儲氣庫，需綜合考慮地面工程建設(shè)投資和運行成本等經(jīng)濟因素，優(yōu)化確定注采管道建設(shè)方案；③對于注氣量大于1 000×104m3/d的大型儲氣庫，采用注采分開方式。

5.1.3 安全泄壓放空系統(tǒng)優(yōu)化

儲氣庫集注站的安全泄放是持續(xù)動態(tài)變化的過程，常規(guī)工程設(shè)計一般基于經(jīng)驗采用“全量放空”理念，即放空系統(tǒng)規(guī)模等于站場設(shè)計規(guī)模。放空系統(tǒng)規(guī)模是影響其建設(shè)成本和安全風(fēng)險的關(guān)鍵因素，以呼圖壁儲氣庫為例，若沿用常規(guī)“全量放空”設(shè)計理念，需建設(shè)2座直徑1 m的放空火炬，投資成本高、安全管理難度大。結(jié)合儲氣庫集注站緊急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)置，提出了儲氣庫放空系統(tǒng)“先關(guān)斷、后放空”的新設(shè)計理念，即先關(guān)閉集注站進出站緊急關(guān)斷閥，再自動打開泄壓放空閥。通過數(shù)值模擬預(yù)測放空過程每個時間點的放空流量和泄放壓力，選取最大放空流量作為放空系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)模[28]。

通過對高壓放空管路中氣體流動機理的深入研究，建立了采用Aspen HYSYS軟件動態(tài)模型優(yōu)化設(shè)計站場放空規(guī)模的新方法。研究發(fā)現(xiàn)，放空初期流量大，隨著時間推移，放空壓力下降，放空流量迅速降低?？赏ㄟ^控制放空閥門開度有效降低放空初期的最大放空速率[29]，或在不同放空區(qū)域分區(qū)延時泄放，錯開放空流量高峰，從而有效降低集注站最大放空流量，減小放空系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模。根據(jù)放空系統(tǒng)設(shè)計新方法在呼圖壁儲氣庫采取注氣區(qū)、采氣區(qū)分區(qū)延時泄放措施，采氣系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模為2 800×104m3/d，放空系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模為1 000×104m3/d，比采用常規(guī)方法設(shè)計的放空系統(tǒng)規(guī)模減小50%以上。

5.2 儲氣庫地面核心裝備

儲氣庫地面核心設(shè)備包括高壓注氣壓縮機、大口徑高壓注采管和高壓大規(guī)模采氣處理裝置等，尤其是高壓注氣壓縮機，被稱為儲氣庫的“心臟”，是保障儲氣庫高效運行的核心設(shè)備。國內(nèi)儲氣庫配套的高壓注氣壓縮機等核心設(shè)備一直依賴進口，導(dǎo)致建庫成本高、供貨周期長、運行維護難度大。因此研發(fā)了適應(yīng)國內(nèi)復(fù)雜地質(zhì)條件特點的地面核心裝備制造技術(shù)。

5.2.1 大功率往復(fù)式注氣壓縮機

通過持續(xù)技術(shù)攻關(guān)，解決了壓縮機氣缸自然冷卻、碳纖維新型抗沖擊氣閥研制、軸系扭轉(zhuǎn)振動控制和活塞桿負荷在線監(jiān)測等技術(shù)難題，成功研制了國內(nèi)首臺大功率高壓高轉(zhuǎn)速注氣壓縮機組。壓縮機功率 6 000 kW，注氣壓力43 MPa，轉(zhuǎn)速1 000 r/min。目前機組已應(yīng)用于蘇橋儲氣庫，安全平穩(wěn)運行800余小時。

5.2.2 大口徑高壓雙金屬復(fù)合管

采出氣組分復(fù)雜多樣導(dǎo)致的地面管道腐蝕一直是中國儲氣庫建設(shè)運行面臨的一項嚴峻技術(shù)挑戰(zhàn)。為解決這一問題，國際通行的思路是選用高強度耐蝕合金管材，但這將大幅增加管道建設(shè)投資，影響儲氣庫建設(shè)整體經(jīng)濟效益。為解決有效防腐與高成本之間的矛盾，根據(jù)復(fù)合材料“相補效應(yīng)”原理，將碳鋼價格低廉、力學(xué)性能優(yōu)良的特點和耐腐蝕合金耐蝕性能優(yōu)良的特點相結(jié)合，研制了國內(nèi)最大口徑（外徑660 mm）、最高鋼級（L485）機械式雙金屬復(fù)合管[30]。其可承受的最高壓力達 14 MPa，內(nèi)襯耐腐蝕合金厚度為 2.0～2.5 mm，管端冶金堆焊層長度為50 mm，長期和短期耐溫等級分別為200 ℃和350 ℃。目前已應(yīng)用于雙6和呼圖壁儲氣庫，與不銹鋼純材相比成本降低60%。

5.2.3 高壓大規(guī)模采氣處理裝置

與凝析氣田、含 CO2氣田等氣田開發(fā)地面采氣處理裝備相比，儲氣庫采氣處理裝置需要重點滿足高壓靈活運行和大流量頻繁波動等苛刻工況要求，國內(nèi)適用于氣田開發(fā)的常規(guī)采氣處理裝置無法完全滿足儲氣庫注采需求。通過研發(fā)具有“入口高速氣動量吸收、規(guī)整填料液滴捕集、氣液旋流分離”特點的高效低溫分離器、內(nèi)置甘醇霧化裝置的內(nèi)部注醇立式換熱器和改變繞管式換熱器結(jié)構(gòu)，優(yōu)選配套J-T閥（焦耳-湯姆遜節(jié)流膨脹閥）制冷脫水脫烴工藝，制造了國內(nèi)單套規(guī)模最大（750×104m3/d）、壓力最高（15 MPa）的采氣處理裝置，目前已在呼圖壁、相國寺、雙 6等儲氣庫現(xiàn)場成功應(yīng)用13套，經(jīng)冬季調(diào)峰采氣實踐檢驗，設(shè)備運行狀態(tài)良好，滿足儲氣庫大流量采氣工況要求。

6 儲氣庫地下、地面全系統(tǒng)風(fēng)險預(yù)警與評估技術(shù)

國外57起儲氣庫安全事故表明，大規(guī)模交替注采、壓力循環(huán)波動易造成儲氣圈閉地質(zhì)構(gòu)造失穩(wěn)、井完整性失效和地面設(shè)備故障，導(dǎo)致泄漏、燃燒或爆炸等事故發(fā)生[31]。如美國加州Aliso Canyou儲氣庫因井套管破損引發(fā)天然氣泄漏，事故經(jīng)濟損失約10億美元，是美國歷史上最嚴重的儲氣庫泄漏事故之一[32]。風(fēng)險預(yù)警與評估技術(shù)是保障儲氣庫長期安全運行的有力手段。

6.1 以動態(tài)監(jiān)測為核心的地層風(fēng)險預(yù)警

儲氣庫圈閉密封性主要受天然氣交替注采引起的蓋層變形、斷層滑移等因素影響，實時監(jiān)測和預(yù)警圈閉漏失風(fēng)險對儲氣庫安全運行至關(guān)重要。但因儲氣庫圈閉位于地下數(shù)千米，地層漏失風(fēng)險預(yù)警主要是基于實時動態(tài)監(jiān)測，通過優(yōu)化調(diào)整注采運行方式做到提前預(yù)警和事先及時控制。通過將儲氣庫常規(guī)動態(tài)監(jiān)測井網(wǎng)監(jiān)測與微地震實時監(jiān)測協(xié)同配套，形成了儲氣庫地層漏失風(fēng)險預(yù)警技術(shù)。常規(guī)動態(tài)監(jiān)測井網(wǎng)監(jiān)測利用部署在儲集層內(nèi)部、蓋層上部、斷層上盤及周邊水體的監(jiān)測井，根據(jù)監(jiān)測點地層壓力的變化掌握儲氣庫注采過程氣水運行動態(tài)。例如，通過蓋層上部或斷層上盤監(jiān)測井壓力的變化判斷是否發(fā)生了氣體沿蓋層或斷層的泄漏，進而對注采工況和運行上、下限壓力進行優(yōu)化調(diào)整。儲氣庫微地震監(jiān)測在常規(guī)油氣藏壓裂微地震監(jiān)測技術(shù)基礎(chǔ)上，建立儲氣庫注采過程微地震信號與巖石不同變形機理之間的對應(yīng)關(guān)系，解決儲氣庫注采不同震源機制微地震信號模擬、海量數(shù)據(jù)自動識別、微地震數(shù)據(jù)解釋等技術(shù)難題。根據(jù)微地震信號類型、解釋震級等從三維地質(zhì)體角度預(yù)警潛在的蓋層拉張或剪切變形、斷層滑移、套管錯動。通過與常規(guī)監(jiān)測井壓力監(jiān)測結(jié)果對比，進一步判斷地層變形可能導(dǎo)致的氣體漏失風(fēng)險，指導(dǎo)注采工況的調(diào)整和儲氣庫動態(tài)監(jiān)測方式的完善。

6.2 注采井完整性檢測與風(fēng)險評估

儲氣庫注采井設(shè)計壽命達30年以上，因此檢測評價儲氣庫注采井完整性是風(fēng)險管控的重要內(nèi)容。檢測對象包括套管柱（井下及近井口）、采氣樹和井口裝置、套管外竄流或氣體聚集、水泥環(huán)第1/第2界面膠結(jié)質(zhì)量、套管間壓力及其可能來源、套管外空間流體量等。在系統(tǒng)分析套管柱載荷的基礎(chǔ)上，考慮橢圓度、壁厚不均勻度等幾何形態(tài)以及腐蝕和裂紋缺陷等因素的影響，建立基于全井段測井數(shù)據(jù)的管柱剩余強度評價和管柱剩余壽命預(yù)測模型。針對環(huán)空帶壓井，通過研究注采作業(yè)對環(huán)空壓力的影響規(guī)律及套管柱、油管柱、封隔器等井屏障主要部件的力學(xué)強度預(yù)測環(huán)空最大允許井口壓力，并基于環(huán)空最大允許井口壓力對環(huán)空帶壓井進行風(fēng)險分級管理[33]。以A環(huán)空為例，可基于此方法繪制如圖 3所示的環(huán)空帶壓風(fēng)險圖版，根據(jù)目前狀態(tài)下 A環(huán)空壓力和油壓確定其在圖版中所屬的區(qū)域，進而確定環(huán)空帶壓風(fēng)險等級并采取相應(yīng)措施。

圖3 儲氣庫注采井A環(huán)空帶壓風(fēng)險圖版

儲氣庫注采井作為天然氣注采的通道，在運行過程中可能受套管腐蝕、設(shè)備密封失效、固井質(zhì)量差、誤操作、第三方損壞和地震等多種因素的影響，造成井筒完整性失效，誘發(fā)氣體泄漏。針對儲氣庫注采井完整性影響因素多的問題，建立基于故障樹的注采井泄漏風(fēng)險評估方法，主要評估流程包括：①識別各種潛在的泄漏路徑，建立注采井泄漏故障樹；②按腐蝕、沖蝕、地震等分類建立概率評價模型，并基于風(fēng)險因素與基本事件的關(guān)系確定事件發(fā)生概率，建立注采井泄漏概率計算模型；③考慮地層遷移泄漏、大氣泄漏和水泥環(huán)泄漏模式，建立泄漏后果評估模型；④考慮天然氣泄漏對人員生命安全和經(jīng)濟損失的影響，建立儲氣庫井個體風(fēng)險和經(jīng)濟風(fēng)險評估模型。其中個體風(fēng)險是指儲氣庫井周邊居民或工作人員由于天然氣泄漏事故導(dǎo)致死亡的風(fēng)險，而經(jīng)濟風(fēng)險則指因天然氣泄漏造成經(jīng)濟損失的風(fēng)險。個體風(fēng)險依據(jù)最低合理可行原則判斷是否可接受，推薦不可接受線為 1×10-4次/a，廣義接受線為 1×10-6次/a。當個體風(fēng)險位于不可接受線以上時，表明風(fēng)險不可接受，需及時采取治理措施；位于廣義接受線以下時，表明風(fēng)險可接受；位于兩者之間時，表明風(fēng)險可容忍，但仍需通過完整性管理降低風(fēng)險。經(jīng)濟風(fēng)險根據(jù)成本效益分析確定是否可接受。

儲氣庫注采井完整性檢測與風(fēng)險評估技術(shù)已持續(xù)應(yīng)用于板橋儲氣庫群和呼圖壁、相國寺、雙 6等儲氣庫多周期注采運行，結(jié)合礦場持續(xù)動態(tài)監(jiān)測和工作制度調(diào)整優(yōu)化，投運儲氣庫井已安全運行近20年。

7 礦場應(yīng)用實效

以上 5項關(guān)鍵技術(shù)已在板橋儲氣庫群風(fēng)險評估和中國石油2010年啟動建設(shè)的新一批氣藏型儲氣庫選址設(shè)計、工程建設(shè)和風(fēng)險管控中得到大規(guī)模應(yīng)用。

在儲氣庫選址設(shè)計方面，在全國39個目標氣藏中優(yōu)先推薦呼圖壁、相國寺、雙6、蘇橋、陜224和板南等6座氣藏改建儲氣庫。針對呼圖壁、蘇4等大型非均質(zhì)選擇性水侵氣藏，優(yōu)化設(shè)計6座庫群共12座儲氣庫，有效庫容量271.3×108m3，工作氣量116.5×108m3，日均注氣量 5 142.0×104m3，日均采氣量 8 471.0×104m3。12座儲氣庫經(jīng)過5個周期注采運行，截至2017年注氣末期儲氣庫總體達容率 91%，建成調(diào)峰能力超過75.0×108m3，日最高調(diào)峰能力近 6 000.0×104m3。依據(jù)地質(zhì)研究再認識成果和儲氣庫高速注采動態(tài)資料對12座儲氣庫有效庫容量等關(guān)鍵指標進行復(fù)核，吻合率超過90%。以吸水樹脂復(fù)合凝膠材料和高強度韌性水泥漿為核心的儲氣庫鉆完井技術(shù)成功應(yīng)用于蘇 4超深超高溫和相國寺超低壓氣藏鉆井和固井作業(yè)。地面工程優(yōu)化技術(shù)和高壓注氣壓縮機、大口徑高壓雙金屬復(fù)合管等核心裝備應(yīng)用于 6座儲氣庫群，確保了庫群一次性投產(chǎn)成功。風(fēng)險預(yù)警和評估技術(shù)應(yīng)用于早期建設(shè)的板橋儲氣庫群和中國石油2013年投產(chǎn)的12座儲氣庫等共計22座儲氣庫，目前已建成調(diào)峰能力超過100.0×108m3。

8 結(jié)論

建立了5項中國復(fù)雜地質(zhì)條件氣藏型儲氣庫建庫關(guān)鍵技術(shù)。①建立了以室內(nèi)物理模擬和儲氣圈閉地應(yīng)力-滲流耦合建模為主要手段的圈閉動態(tài)密封性評價技術(shù)，指導(dǎo)庫址目標優(yōu)選和后續(xù)建庫地質(zhì)方案設(shè)計。②提出了有效庫容量、運行壓力區(qū)間、工作氣量和合理井網(wǎng)密度等儲氣庫建庫關(guān)鍵指標的設(shè)計方法。③研發(fā)了吸水樹脂復(fù)合凝膠堵漏材料和高強度低彈性模量韌性水泥漿，建立了超低壓地層防漏堵漏和滿足儲氣庫交變載荷工況下井筒長期有效密封的高質(zhì)量固井技術(shù)，實現(xiàn)了世界最深、溫度最高儲氣庫安全鉆井和高質(zhì)量固井。④形成了克服國內(nèi)高壓注氣、采出氣組分復(fù)雜等難題的儲氣庫地面工程優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)了高壓注氣壓縮機等核心裝備國產(chǎn)化。⑤建立了儲氣庫地層-注采井-地面動設(shè)備全系統(tǒng)風(fēng)險預(yù)警和評估技術(shù)。

5項技術(shù)有力支撐了新疆呼圖壁等6座庫群共12座儲氣庫的科學(xué)設(shè)計、高效建設(shè)和安全運行，保障了板橋儲氣庫群等10座儲氣庫近20年的安全運行。

符號注釋：

c——內(nèi)聚力，MPa；pmax——保持斷層穩(wěn)定的極限壓力，MPa；Sn——斷層面正應(yīng)力，MPa；β——斷層滑移指數(shù)，無因次；σ1——最大有效主應(yīng)力，MPa；σ3——最小有效主應(yīng)力，MPa；σn——斷層面有效正應(yīng)力，MPa；τm——某一應(yīng)力狀態(tài)下的最大剪應(yīng)力，MPa；——發(fā)生剪切破壞時的臨界剪應(yīng)力，MPa；τs——斷層面剪應(yīng)力，MPa；φ——內(nèi)摩擦角，（°）；χ——剪切安全指數(shù)，無因次。