氣藏型地下儲氣庫地質體注采運行風險分級與管控

鄭雅麗 邱小松 賴 欣 趙艷杰 孫軍昌 皇甫曉紅

1．中國石油勘探開發研究院 2．中國石油天然氣集團有限公司油氣地下儲庫工程重點實驗室3.中國石油天然氣股份公司儲氣庫分公司

1 研究背景

地下儲氣庫（以下簡稱儲氣庫）是集儲氣地質體、儲氣庫各類井、地面各類設施為一體的儲氣系統。根據儲氣庫建設利用的地質構造與其中儲存流體性質不同可分為氣藏、水層、油藏、鹽穴、礦坑等類型。世界第一座儲氣庫為1916年美國利用紐約州Zoar氣田建設的氣藏型儲氣庫[1]。據天然氣聯盟統計，2018年全世界共有儲氣庫689座，工作氣量為 4 165×108m3，其中氣藏型儲氣庫 463 座，工作氣量為 3 084×108m3、占總量的 74.04%[2]（表 1）。截至2020年底，我國在役儲氣庫僅有氣藏與鹽穴兩種類型，共有28座，工作氣量為146×108m3。其中氣藏型儲氣庫25座，工作氣量為136×108m3，占總工作氣量的92.6%（表1）。

表1 世界與中國不同類型儲氣庫數據表

據統計，截至2015年，國外儲氣庫在運行階段發生事故558起，其中油氣藏、含水層、鹽穴、礦坑儲氣庫事故分別為104起、66起、358起和22起，另有5起事故對應儲氣庫類型未定。在已確定類型的553起，除了13起原因不明，540起事故中油氣藏型儲氣庫共計100起，占總數的18.5%。事故發生比例最高的為鹽穴儲氣庫，發生351起事故，占總數的65.0%（圖1）。在油氣藏型儲氣庫100起事故中，超壓或過量存儲等導致的運行失效的事故有9起，密封性不足引起的蓋層失效的有3起，裂隙或斷層引起的蓋層失效有4起。上述3類事故歸結為地質原因造成的事故，合計16起，占總事故量的16%。油氣藏型儲氣庫事故發生比例最高的為儲氣庫井的事故，有60起，占了60%（圖2）[2]。國內氣藏型儲氣庫運行過程中亦出現過環空異常帶壓[3-4]、斷層激活氣體遷移[5]等問題。綜上，儲氣庫的安全問題應引起高度重視，其中地質方面的安全問題亦不容忽視。

圖1 不同類型儲氣庫事故統計圖

圖2 油氣藏型儲氣庫不同類型事故統計圖

針對地質安全問題，在選址評價階段的風險分析[6]、方案設計階段針對各種地質風險的監測方案[7-9]等方面取得了一定的進展。儲氣庫注采運行階段的風險評價在井工程方面的研究較多[10-16]，而針對地質體的風險評價研究成果較少。2019年5月羅金恒等發表的“氣藏型儲氣庫完整性技術研究進展”一文中，首次提到了儲氣庫地質體（以下簡稱儲氣地質體），但未明確其概念[17]。2019年12月魏國齊等首次給出了氣藏型儲氣庫儲氣地質體（以下簡稱氣藏型儲氣地質體）的定義[18]，即“儲氣地質體是由一個或多個包含儲層、蓋層、斷層、上下監測層及相關油氣水流體的圈閉構成，對天然氣多周期注采具備縱向封存、橫向遮擋、滲漏監測的地質單元”，但文中并未論述氣藏型儲氣地質體概念的由來，同時該定義雖明確了氣藏型儲氣地質體的組成與作用，但在普遍性上存在欠缺，比如對于長慶陜224這類巖性氣藏型儲氣庫就顯得不太準確，存在歧義。原因在于陜224儲氣庫的儲層為大面積展布的奧陶系馬家溝組馬五段溶蝕孔洞白云巖，儲層頂面構造為一西傾單斜，上部蓋層為石炭系本溪組鋁土質泥巖，下部以奧陶系馬五3—馬五5區域穩定分布的泥晶灰巖作為底板封閉，側向上為古地貌溝槽充填石炭系泥巖等致密層遮擋封閉，并無斷層[19]。2020年1月丁國生等將“地下儲氣地質體”定義為“是因地下儲氣注采過程而導致的地應力改變、巖石形變位移、流體流動擴散、壓力（水動力）變化所波及的全部物質與空間的集合體”[20]，該定義試圖給出一個適用于氣藏、鹽穴，乃至與水層、油藏型儲氣庫的通用概念，初看定義上似乎將所有因素考慮在內，也看不出明顯的歧義，但在實際工作中不太好確定各種因素“變化波及的范圍”。2020年鄭雅麗等[21]雖提出了儲氣地質體為評價對象的油氣藏型儲氣庫地質體完整性評價技術，對氣藏型儲氣地質體概念的由來亦未予論述，對氣藏型儲氣地質體風險分析與評價也未涉及。筆者通過氣藏型儲氣構造密封性失效風險分析，以儲氣構造密封性失效可能波及的范圍為依據，完善儲氣地質體的概念。在此基礎上，從識別氣藏型儲氣地質體的危害因素、確定評價單元，探討氣藏型儲氣地質體的風險分級，為儲氣庫的安全運行提供保障。

2 氣藏型儲氣地質體的概念

在我國多期構造運動的地質背景下，氣藏多為斷層所切割[5-8]，也有個別如陜224這種巖性氣藏，其封閉要素中并無斷層存在[20]。那么對于發育斷層的氣藏儲氣庫其密封要素主要為蓋層、斷層及構造溢出臨界點（圖3）。針對儲氣庫的運行工況，蓋層密封性失效的風險有兩種類型：①毛細管滲漏，即在儲氣庫全生命周期內，注采壓力的交互變化，在交變載荷作用下，巖石顆粒重排或產生微裂縫，毛細管密封能力弱化使天然氣滲漏（圖3①）；②力學破壞，即當儲氣庫運行的上限壓力大于蓋層的承壓能力，或多周期注采的交變壓力導致蓋層巖石超過其疲勞損傷量，使蓋層中含有的彼此孤立不連通的微裂縫相互溝通或產生裂隙而形成微滲通道（圖3②、③）。從蓋層滲漏的天然氣因地質構造的繼承性發展，常在上覆滲透性地層中的局部圈閉中再聚集。斷層密封性失效的風險與蓋層類似：①由因周期注采斷層兩側儲層地層壓力的變化引起的兩盤之間的孔隙壓差變化導致的毛細管滲漏（圖3⑥）；②在儲氣庫注采過程中，在交變載荷作用下，當作用在斷層面上的剪切力大于有效正應力與摩擦系數之積時，斷層將產生微細裂縫，隨著裂縫的密度逐漸增大，直至互相連通后斷層發生活化，儲氣庫中的天然氣將會通過斷層發生側向（圖3④）或縱向（圖3⑤）滲漏在相鄰斷塊構造中或可再聚集。圈閉失效風險主要是過量注氣或受儲層非均質性的影響，導致的天然氣從溢出點逸散至相鄰的構造（圖3⑦）。從儲氣構造密封性失效風險分析來看，天然氣如通過蓋層、斷層、圈閉溢出臨界點滲漏，將在相鄰的構造或滲透性地層中再聚集。上述天然氣滲漏通道和天然氣滲漏可能再聚集的場所可作為密封性監測的位置。從圖3中可將儲層之上的相鄰的滲透層作為蓋層或斷層密封性失效，氣體再聚集的監測層稱為“上監測層”，其上覆的致密地層因對監測層起到封蓋的作用，稱為“上覆蓋層”。如建庫的氣藏底托層裂縫發育或其下存在虧空的低壓滲透層，在儲氣庫高速注采過程中，儲存的天然氣有可能通過底托層中的裂縫系統向下滲漏，這時儲氣地質體縱向上還應向下延伸一套儲蓋組合。其中下儲蓋組合中的滲透性地層（儲層）作為天然氣向下滲漏擴散的監測層，稱為“下監測層”。底托層因其作用是對下監測層起到封蓋作用，命名為“下封蓋層”。對于與巖性圈閉為主的氣藏型儲氣庫，其密封要素可能沒有斷層，主要以巖性遮擋為主，那么其巖性遮擋的密封性機理與密封失效機理與蓋層類似。為了概括斷層與巖性兩種氣藏型儲氣庫地質體的特征，將氣藏型儲氣地質體定義為“由儲氣層與其密封要素組成的儲氣構造和儲氣層的密封要素受交變載荷影響密封性失效后，天然氣滲漏可能波及的地下三維空間內地層、構造、流體等構成的集合體”。簡言之，氣藏型儲氣地質體是由儲氣構造和監測構造組成的地下三維空間內地層、構造、流體等的集合體。其中監測構造包括由上、下監測層組成的儲層之上與之下的上監測構造與下監測構造，也包括斷層對側的、溢出點相連的監測構造。

圖3 氣藏型儲氣地質體示意圖[21]

3 氣藏型儲氣地質體風險因素識別

氣藏型儲氣地質體風險因素除了儲氣構造密封性失效風險之外，還包括采氣過程中過量采氣導致的水侵/油侵等導致儲氣體積的減少。因此對于斷塊氣藏型儲氣庫，儲氣地質體風險評價的對象是組成地質體的儲層、蓋層、斷層、儲氣范圍；對于巖性氣藏型儲氣庫，儲氣地質體風險評價的對象是組成地質體的儲層、蓋層、遮擋物、儲氣范圍。風險評價就是對儲層、蓋層、斷層/遮擋物的儲氣能力與密封性能的評價。氣藏型儲氣地質體在注采運行階段的危害因素或風險主要指天然氣滲漏至儲氣庫設計的含氣區之外和儲氣層自身性能的變化，造成儲氣調峰能力降低等的風險，可歸納為蓋層、斷層/遮擋物、儲氣范圍、儲層4個評價單元（表2）。

表2 氣藏型儲氣地質體危害因素構成表

4 風險分析

氣藏型儲氣地質體蓋層、斷層/遮擋物、儲氣范圍、儲層4類危害因素評價單元。前3個評價單元與儲氣構造的密封性相關，第4個評價單元的儲集性能發生變化帶來的風險是儲氣空間減少。綜上，將氣藏型儲氣地質體的4個評價單元產生的風險分為兩類。

4.1 儲氣構造密封性失效風險

儲氣構造的密封要素由蓋層、斷層/遮擋物、儲氣范圍3個評價單元組成。密封性失效主要根據動態監測資料，利用庫容的核實方法分析天然氣滲漏風險和滲漏量，同時結合蓋層與斷層/遮擋物監測井的資料相關印證。換言之，就是當庫容核實發現有氣量損失，可結合監測井的測定的壓力和流體組分等資料，分析氣體是否因某個評價單元密封失效導致了氣體滲漏或逸散。亦或如蓋層、斷層/遮擋物、圈閉溢出、流體監測井的壓力、組分發現異常，也可以通過核實庫容量來分析密封評價單元是否失效。

4.2 儲氣空間體積減少風險

對于含邊底水的氣藏型儲氣地質體，如多周期注采過程氣水過渡帶的井過量采氣，使得地層水進一步占據儲氣空間將會造成殘余水體積增加，減少有效儲氣空間，降低儲氣庫能力。對于如文96[22]這類高礦化度的儲氣庫，隨著注采周期的增加，累計注入氣量增加，儲層中天然氣的相對濕度不斷降低，孔隙中殘余地層水的含鹽飽和度將增加，當達過飽和后析出晶體NaCl，這就增加了結鹽的風險，造成儲集空間減少。主要利用氣液界面測試與監測資料，結合單井產液情況來分析儲氣空間減少風險和減少量。

5 風險分級評估

在儲氣庫井工程風險分級評估研究中，常采用建立相關事故模型，判斷失效概率、計算失效后果，最終確定主要風險等級[11-14]。但這些研究考慮因素多，風險評價方法復雜，失效概率與失效后果常常需要大量的歷史統計數據作為支撐，從目前國內外氣藏型儲氣庫事故案例來看，儲氣地質體失效數據庫資料有限，這既說明在合理的注采指標控制下，氣藏型儲氣地質體失效發生概率相對較小，也表明目前地質體風險數據庫的資料難以滿足以概率計算風險嚴重程度的要求，因此，針對儲氣地質體風險數據庫的現狀與其風險以密封性失效、儲氣空間體積減少兩方面為主，風險評定從密封性失效氣體的滲漏量、儲氣空間減少的儲氣量兩個方面考慮，將風險等級從低到高劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級，采用風險評價的“ALARP”原則[23]判定為可接受、可容忍、不可接受3類風險，針對不同等級的風險建議采取不同的應對措施（表3）。

表3 氣藏型儲氣地質體風險評定與應對措施表

6 結論

1）通過分析氣藏型儲氣構造密封性失效的風險，完善了氣藏型儲氣地質體的概念，將氣藏型儲氣地質體定義為“由儲氣構造和監測構造組成的地下三維空間內地層、構造、流體等的集合體”。

2）氣藏型儲氣地質體在儲氣庫注采運行階段的危害因素或風險主要指天然氣滲漏至儲氣庫設計的含氣區之外和儲氣層自身性能的變化，造成儲氣調峰能力降低等的風險可歸納為蓋層、斷層/遮擋物、儲氣范圍、儲層4個評價單元

3）氣藏型儲氣地質體風險分析技術系列由儲氣構造密封性失效、儲氣空間體積減少兩項風險分析與風險等級評定技術構成。

4）氣藏型儲氣地質體風險等級從低到高可劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級，分別對應可接受、可容忍、不可接受3類風險。