氣藏型地下儲(chǔ)氣庫動(dòng)態(tài)密封性評(píng)價(jià)
——以新疆H 地下儲(chǔ)氣庫為例

廖 偉 劉國良 陳如鶴 孫軍昌 張士杰 王 玉 劉先山

1.中國石油新疆油田公司呼圖壁儲(chǔ)氣庫作業(yè)區(qū) 2.中國石油新疆油田公司采氣一廠 3.中國石油勘探開發(fā)研究院4.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司油氣地下儲(chǔ)庫工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 5.中國石油新疆油田公司開發(fā)處

0 引言

新疆維吾爾自治區(qū)H 地下儲(chǔ)氣庫是2010 年啟動(dòng)建設(shè)的一座庫容超過100×108m3的大型枯竭氣藏型地下儲(chǔ)氣庫（以下簡(jiǎn)稱儲(chǔ)氣庫），原氣藏在經(jīng)歷14 年衰竭式開發(fā)后，于2013 年改建為儲(chǔ)氣庫并開始注氣，目前已完成7 個(gè)周期的注采運(yùn)行。H 儲(chǔ)氣庫內(nèi)部發(fā)育3 條貫穿直接蓋層的大型逆斷層，分別為H、H_N 和H001_N 斷層，其中后2 條斷層在儲(chǔ)層內(nèi)部是開啟的，不具有側(cè)向密封性。但H 斷層在氣藏開發(fā)過程是側(cè)向密封的，是H 氣藏的控藏?cái)鄬?。目前靜態(tài)地質(zhì)評(píng)價(jià)認(rèn)為H 斷層在氣藏開發(fā)末期及儲(chǔ)氣庫注采運(yùn)行過程中均保持良好的側(cè)向密封性。

受前期地應(yīng)力、儲(chǔ)層巖石力學(xué)、蓋層巖石力學(xué)資料以及研究技術(shù)水平的限制，H 氣藏在前期改建儲(chǔ)氣庫方案設(shè)計(jì)和注采氣過程中均未開展全面的地質(zhì)力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，特別是作為氣藏控藏邊界的H 斷層和直接蓋層在儲(chǔ)氣庫長(zhǎng)期運(yùn)行交變應(yīng)力作用下的動(dòng)態(tài)密封性亟需定量評(píng)價(jià)。

為了有效地指導(dǎo)H 儲(chǔ)氣庫運(yùn)行上限壓力和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)整、保障儲(chǔ)氣庫運(yùn)行安全[1-2]，根據(jù)儲(chǔ)氣庫高速往復(fù)注采地應(yīng)力場(chǎng)交替變化的特點(diǎn)[3-4]，綜合地質(zhì)、地震、測(cè)井和各類室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果，首先建立了H 儲(chǔ)氣庫區(qū)域尺度三維精細(xì)地質(zhì)模型，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、礦場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試及儲(chǔ)氣庫7 個(gè)周期的注采動(dòng)態(tài)，建立了H 儲(chǔ)氣庫三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)力學(xué)模型；數(shù)值模擬評(píng)價(jià)了H 儲(chǔ)氣庫在目前設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力區(qū)間下的蓋層完整性和斷層漏失風(fēng)險(xiǎn)，并提出了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井網(wǎng)優(yōu)化調(diào)整的建議。

1 儲(chǔ)氣庫地質(zhì)特征與注采運(yùn)行概況

1.1 地質(zhì)特征

H 儲(chǔ)氣庫構(gòu)造形態(tài)為近東西走向的斷背斜，東西長(zhǎng)約20 km，南北寬約3.5 km，構(gòu)造閉合高度約為180 m。構(gòu)造內(nèi)部主要發(fā)育3 條近東西走向、南傾的大型逆斷層——H、H_N 和H001_N 斷層（圖1）。3條斷層均斷穿了儲(chǔ)層和直接蓋層，其中H 和H_N 斷層繼續(xù)向上延伸，斷穿了新近系安集海河組區(qū)域蓋層。

儲(chǔ)層為古近系紫泥泉子組，包括紫泥泉子組一段和紫泥泉子組二段兩個(gè)砂組，儲(chǔ)層頂部埋深約3 500 m。氣藏直接蓋層為紫泥泉子組三段泥巖，區(qū)域蓋層為新近系安集海河組泥巖。儲(chǔ)層和直接蓋層厚度分別為120 m 和150 m，區(qū)域蓋層厚度約為870 m。根據(jù)蓋層宏觀展布、巖性、微觀孔隙結(jié)構(gòu)（巖石孔隙度、滲透率和壓汞實(shí)驗(yàn)等）以及氣體突破壓力實(shí)驗(yàn)等綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，直接蓋層巖性為棕色泥巖和砂質(zhì)泥巖，平均孔隙度和滲透率分別為4.1%和0.028 mD，煤油突破壓力平均約為2.5 MPa。壓汞實(shí)驗(yàn)反映蓋層排驅(qū)壓力較高，介于3.82 ～14.47 MPa，最大喉道半徑小于0.2 μm，表明泥巖蓋層孔喉極其細(xì)微，不易于氣體運(yùn)移，綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為直接蓋層具有良好的毛細(xì)管密封能力。

圖1 H 儲(chǔ)氣庫古近系紫泥泉子組頂界構(gòu)造圖

在改建儲(chǔ)氣庫前，采用斷層巖性對(duì)接關(guān)系、涂抹系數(shù)等地質(zhì)常規(guī)評(píng)價(jià)方法，結(jié)合原氣藏開發(fā)動(dòng)態(tài)，研究認(rèn)為3 條斷層在縱向具有較好的密封性，控藏?cái)鄬親 斷層泥巖涂抹因子（SSF）介于1.0 ～3.3，小于封堵的定量標(biāo)準(zhǔn)（7.0），據(jù)此認(rèn)為H 斷層側(cè)向也具有良好的密封性，為氣藏改建儲(chǔ)氣庫奠定了地質(zhì)基礎(chǔ)。

1.2 注采運(yùn)行概況

原氣藏于1999 年開始生產(chǎn)采氣，氣藏原始地層壓力為33.96 MPa，地層溫度為92.5 ℃，天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量為126.12×108m3。改建為儲(chǔ)氣庫前，氣藏累計(jì)產(chǎn)氣量為63.19×108m3，累計(jì)凝析油產(chǎn)量為23.26×104t，平均地層壓力為14.4 MPa，壓降幅度約為58%，已進(jìn)入氣藏中后期開發(fā)階段。

H 儲(chǔ)氣庫于2013 年6 月建成并開始注氣，功能定位為北疆地區(qū)季節(jié)性調(diào)峰、西氣東輸管線系統(tǒng)季節(jié)性調(diào)峰和事故應(yīng)急供氣雙重功能，設(shè)計(jì)庫容為107×108m3，工作氣量為45.1×108m3，運(yùn)行壓力區(qū)間為18 ～34 MPa，設(shè)計(jì)注采井30 口，監(jiān)測(cè)井9 口，回注井2 口，最大日注氣能力為1 550×104m3，最大日調(diào)峰能力為2 830×104m3。截至儲(chǔ)氣庫第7 注采周期結(jié)束，累計(jì)注氣量為113.81×108m3，累計(jì)采氣量為78.19×108m3，在中國西北地區(qū)天然氣調(diào)峰保供及保障西氣東輸管線平穩(wěn)運(yùn)行中發(fā)揮了重要作用。

2 區(qū)域大尺寸三維地質(zhì)力學(xué)模型建立

根據(jù)地質(zhì)力學(xué)觀點(diǎn)，氣藏開發(fā)及儲(chǔ)氣庫長(zhǎng)期往復(fù)注采將引起區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)，特別是由于地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性和巖石力學(xué)參數(shù)的非均質(zhì)性將引起局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致蓋層變形破壞和斷層發(fā)生剪切滑移，最終誘發(fā)儲(chǔ)氣庫圈閉密封失效[5]。對(duì)于H 儲(chǔ)氣庫，作為控藏?cái)鄬拥腍 斷層密封性和直接蓋層完整性尤其值得高度關(guān)注。通過建立區(qū)域大尺寸三維地質(zhì)力學(xué)模型，綜合考慮構(gòu)造形態(tài)、地應(yīng)力以及儲(chǔ)氣庫注采運(yùn)行工況，對(duì)蓋層變形破壞和斷層剪切滑移風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行三維可視化定量評(píng)價(jià)[6]，指導(dǎo)儲(chǔ)氣庫優(yōu)化運(yùn)行，減小氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

儲(chǔ)氣庫交變應(yīng)力作用下圈閉密封性失效的主控因素為蓋層形變和斷層力學(xué)滑移失穩(wěn)，導(dǎo)致蓋層形變和斷層滑移的本質(zhì)仍然是儲(chǔ)氣庫往復(fù)注采作用引起的地應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng)。地質(zhì)構(gòu)造越復(fù)雜，地應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)蓋層、斷層靜態(tài)密封性的影響越大[7]。無論是評(píng)價(jià)本質(zhì)的力學(xué)變形還是圈閉地應(yīng)力場(chǎng)反演，均需首先開展圈閉精細(xì)地質(zhì)研究。

儲(chǔ)氣庫圈閉滲流—地應(yīng)力耦合建模及動(dòng)態(tài)密封性評(píng)價(jià)技術(shù)路線如圖2 所示，儲(chǔ)氣庫圈閉動(dòng)態(tài)密封性評(píng)價(jià)的思路仍然遵循基礎(chǔ)地質(zhì)精細(xì)研究和巖心微觀分析化驗(yàn)確定靜態(tài)地質(zhì)密封性，突破壓力測(cè)試確定滲流完整性，在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)通過不同類型巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、一維到三維及地應(yīng)力耦合建模，反演圈閉動(dòng)態(tài)地應(yīng)力場(chǎng)并最終基于量化指標(biāo)，定量評(píng)價(jià)蓋層和斷層的動(dòng)態(tài)密封性。

研究以精細(xì)地質(zhì)評(píng)價(jià)和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)闡述H 儲(chǔ)氣庫圈閉滲流—地應(yīng)力耦合建模的技術(shù)方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行儲(chǔ)氣庫圈閉動(dòng)態(tài)密封性評(píng)價(jià)。

2.1 區(qū)域大尺寸精細(xì)地質(zhì)模型建立

儲(chǔ)氣庫高速注采模擬與氣藏開發(fā)數(shù)值模擬所要求的地質(zhì)建模不同，儲(chǔ)氣庫地質(zhì)建模需以局部圈閉為對(duì)象，將儲(chǔ)層、蓋層、上覆地層、下伏地層及斷層納入建模范圍[6]，將原始含氣儲(chǔ)層平面擴(kuò)大，縱向延展，根據(jù)儲(chǔ)氣庫注采地應(yīng)力擾動(dòng)的范圍合理確定地質(zhì)建模范圍大小。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究[6]，三維地質(zhì)力學(xué)模擬研究時(shí)，地質(zhì)建模范圍平面一般擴(kuò)大為原始含氣儲(chǔ)層范圍的3 ～6 倍，而縱向需將蓋層和下伏地層納入地質(zhì)模型中。

圖2 儲(chǔ)氣庫圈閉滲流—地應(yīng)力耦合建模及動(dòng)態(tài)密封性評(píng)價(jià)技術(shù)路線圖

對(duì)于H 儲(chǔ)氣庫，在氣藏開發(fā)10 口老井的靜、動(dòng)態(tài)資料研究基礎(chǔ)上，又收集整理了30 口儲(chǔ)氣庫新鉆注采井資料，采用Petrel 地質(zhì)建模軟件，平面上將氣藏原始含氣范圍沿背斜短軸方向擴(kuò)大6 倍，長(zhǎng)軸方向擴(kuò)大至三維地震覆蓋邊界，縱向上建立厚度約200 m 的直接蓋層紫泥泉子組三段、厚度約870 m 的區(qū)域蓋層安集海河組以及下伏地層紫泥泉子組一段的層面模型。

H 儲(chǔ)氣庫區(qū)域大尺寸三維地質(zhì)模型平面網(wǎng)格采用50 m×50 m 的網(wǎng)格步長(zhǎng)，X 方向共劃分393 個(gè)網(wǎng)格，Y 方向共劃分286 個(gè)網(wǎng)格，平面上網(wǎng)格總數(shù)113 078個(gè)；在縱向上共分了33 個(gè)小層，網(wǎng)格尺寸平均為1 m，共分了871 個(gè)網(wǎng)格；總網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)393×286×871，網(wǎng)格總數(shù)為9 789 萬個(gè)，符合地質(zhì)模型的要求。

H 儲(chǔ)氣庫構(gòu)造模型采用確定性建模方法，使構(gòu)造層面完全忠實(shí)于井資料，以地震解釋層位和斷層文件為基礎(chǔ)搭建構(gòu)造模型，通過地質(zhì)分層校正，保證構(gòu)造模型與實(shí)際地質(zhì)特征吻合。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)測(cè)井和實(shí)驗(yàn)室?guī)r心孔隙度和滲透率測(cè)試結(jié)果之間的相互標(biāo)定，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立三維巖性模型和屬性模型，含氣范圍儲(chǔ)層平均孔隙度、滲透率分別為18.6%、35.5 mD。

2.2 三維地質(zhì)力學(xué)模型建立

2.2.1 三維靜態(tài)地質(zhì)力學(xué)模型建立

將精細(xì)地質(zhì)模型首先進(jìn)行適當(dāng)粗化，粗化后的模型平面網(wǎng)格尺寸為100 m×100 m，縱向網(wǎng)格以儲(chǔ)層為核心，儲(chǔ)層部分精細(xì)劃分，上覆地層和下伏地層縱向網(wǎng)格約以1.5 倍比例逐漸擴(kuò)大光滑過渡，在減少網(wǎng)格總數(shù)的同時(shí)降低由于網(wǎng)格尺寸突變引起的數(shù)值模擬誤差，粗化模型總網(wǎng)格數(shù)1 120 000 個(gè)。建立粗化后地質(zhì)體三維構(gòu)造模型和局部圈閉粗化地質(zhì)剖面。

利用巖心資料、制備儲(chǔ)層及蓋層巖樣室內(nèi)單軸壓縮和不同圍壓三軸壓縮等巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，確定不同地層巖石力學(xué)參數(shù)。在研究過程中，雖然選取了較多的巖心用于巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，但因部分巖心入庫時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致其泥質(zhì)含量較高，易于破碎的直接蓋層段巖心加工難度大，無法根據(jù)多塊巖心的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立泊松比、楊氏模量等力學(xué)參數(shù)與聲波測(cè)井參數(shù)或孔隙度等巖石物理參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。因此，三維地質(zhì)力學(xué)模型中同一地質(zhì)層位賦予相同的巖石力學(xué)參數(shù)（表1）。同時(shí)，研究中獲得了由中國地震局提供的H 儲(chǔ)氣庫第2 注采周期東區(qū)（儲(chǔ)氣庫主要注采區(qū)域）KNN 井地表變形合成孔徑雷達(dá)干涉的監(jiān)測(cè)結(jié)果，用于對(duì)三維地質(zhì)力學(xué)模型進(jìn)行校核。

表1 H 儲(chǔ)氣庫儲(chǔ)層、蓋層巖石力學(xué)參數(shù)表

地質(zhì)力學(xué)模型中3 條逆斷層力學(xué)參數(shù)基于等效連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理，將斷層面穿過的網(wǎng)格定義為斷層網(wǎng)格，等效計(jì)算斷層面穿過的網(wǎng)格沿?cái)鄬用媲邢蚝头ㄏ騽偠认禂?shù)，并參考相關(guān)學(xué)者研究成果[2]，特別是以斷層上下盤實(shí)測(cè)地應(yīng)力大小和方向?yàn)樾：艘罁?jù)，對(duì)斷層力學(xué)參數(shù)多次調(diào)整，最終確定合理參數(shù)，3 條逆斷層采用相同的力學(xué)參數(shù)（表2）。

表2 H 儲(chǔ)氣庫H、H_N、H001_N 斷層力學(xué)參數(shù)表

2.2.2 三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)力學(xué)模型建立

為了建立三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)力學(xué)模型，需要將靜態(tài)地質(zhì)力學(xué)模型與儲(chǔ)層注采滲流動(dòng)態(tài)模型耦合聯(lián)動(dòng)計(jì)算[8-11]，將原氣藏開發(fā)和儲(chǔ)氣庫注采不同時(shí)刻的地層壓力場(chǎng)輸入靜態(tài)地質(zhì)力學(xué)模型中，通過力學(xué)變形平衡模擬計(jì)算，獲得不同地層壓力場(chǎng)對(duì)應(yīng)的區(qū)域尺度三維地應(yīng)力，進(jìn)而根據(jù)相關(guān)地質(zhì)力學(xué)公式計(jì)算蓋層變形破壞和斷層剪切滑移風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

根據(jù)H 儲(chǔ)氣庫單井地漏測(cè)試和室內(nèi)聲發(fā)射巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，綜合確定最大水平地應(yīng)力梯度為0.026 MPa /m，最小水平地應(yīng)力梯度為0.021 MPa/m，垂向地應(yīng)力梯度0.023 MPa /m，H 儲(chǔ)氣庫地應(yīng)力為走滑應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)原氣藏開發(fā)3 口老井偶極聲波、成像和地層傾角測(cè)井解釋結(jié)果，確定最大水平主應(yīng)力方位介于18°～25°，平均為23°。

對(duì)于H 儲(chǔ)氣庫，通過將粗化后的地質(zhì)模型賦予相對(duì)滲透率、原氣藏開發(fā)和儲(chǔ)氣庫注采動(dòng)態(tài)等各類工程和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，建立儲(chǔ)層注采滲流動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬模型，滲流數(shù)值模擬采用Eclipse 軟件計(jì)算，并通過Petrel 軟件實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層注采滲流與地質(zhì)力學(xué)模型的耦合計(jì)算，耦合計(jì)算原理如圖3 所示。

圖3 Petrel 模擬系統(tǒng)滲流—地應(yīng)力耦合原理示意圖

在模擬中，使用單向耦合方式，即儲(chǔ)層注采滲流數(shù)值模擬計(jì)算不同時(shí)間點(diǎn)的地層壓力場(chǎng)，最終選取地質(zhì)力學(xué)觀點(diǎn)上具有代表性的地層壓力場(chǎng)，如原氣藏開發(fā)、儲(chǔ)氣庫高速注采過程地層壓力最大和最小時(shí)的壓力場(chǎng)，將該地層壓力場(chǎng)輸入三維地質(zhì)力學(xué)模型，模型采用Visage 模擬器計(jì)算地應(yīng)力場(chǎng)。在地質(zhì)力學(xué)數(shù)值模擬中，考慮了巖石非線性塑性變形，以準(zhǔn)確反映高溫高壓條件下地層巖石的非線性力學(xué)行為。

在H 儲(chǔ)氣庫原氣藏開發(fā)和改建儲(chǔ)氣庫后7 個(gè)周期注采動(dòng)態(tài)過程中，選取了5 個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬，分別為氣藏開發(fā)原始狀態(tài)（對(duì)應(yīng)時(shí)間為1998 年11 月）、氣藏開發(fā)末期（對(duì)應(yīng)時(shí)間為2013 年6 月），氣藏改建儲(chǔ)氣庫后第1 周期采氣末期（對(duì)應(yīng)時(shí)間為2014 年2 月），第3 周期注氣末期（對(duì)應(yīng)時(shí)間為2015 年10 月），第7 周期注氣末期（對(duì)應(yīng)時(shí)間為2019 年10 月），這5 個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別標(biāo)記為C0、C1、C2、C3 和C4。同時(shí)，為了評(píng)估儲(chǔ)氣庫注氣至最大地層壓力和采氣至最小地層壓力時(shí)的地質(zhì)力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步開展儲(chǔ)氣庫注氣至設(shè)計(jì)上限壓力34 MPa 時(shí)和采氣至設(shè)計(jì)下限壓力18 MPa 時(shí)的地質(zhì)力學(xué)數(shù)值模擬，這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別標(biāo)記為C5（地層壓力為34 MPa）和C6（地層壓力為18 MPa）。

基于滲流—地應(yīng)力耦合數(shù)值模擬，獲得H 儲(chǔ)氣庫原氣藏開發(fā)和儲(chǔ)氣庫注采過程中地層壓力變化擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)地應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)而根據(jù)相關(guān)的巖石變形破壞原理和量化指標(biāo)計(jì)算公式，可定量評(píng)價(jià)拉張、剪切等力學(xué)完整性破壞風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

3 注采交變地質(zhì)力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.1 局部地應(yīng)力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化分析

圖4 H 儲(chǔ)氣庫原氣藏開發(fā)末期相對(duì)于原始狀態(tài)地層壓力、最小水平主應(yīng)力和垂向主應(yīng)力變化幅度分布圖

根據(jù)H 儲(chǔ)氣庫各關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)地質(zhì)力學(xué)數(shù)值模擬成果，進(jìn)一步模擬相應(yīng)階段局部地應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化。H 儲(chǔ)氣庫原氣藏開發(fā)末期相對(duì)于原始狀態(tài)地層壓力、最小水平主應(yīng)力和垂向主應(yīng)力變化幅度分布如圖4 所示，氣藏開發(fā)末期含氣面積范圍內(nèi)地層壓力平均減小約16 MPa，最小水平主應(yīng)力平均減小約9 MPa，為地層壓力減小幅度的0.56。根據(jù)儲(chǔ)層應(yīng)力路徑的定義，氣藏應(yīng)力路徑為0.56，屬中等強(qiáng)度應(yīng)力路徑，最小水平主應(yīng)力與地層壓力變化趨勢(shì)一致，同樣是在含氣區(qū)顯著減小，而在含氣區(qū)以外最小水平主應(yīng)力變化幅度較小，特別是H 斷層上盤最小水平主應(yīng)力基本未發(fā)生變化，導(dǎo)致H 斷層兩側(cè)最小水平主應(yīng)力差高達(dá)9 MPa。氣藏開發(fā)過程中垂向主應(yīng)力基本保持不變，只在斷層附近及個(gè)別網(wǎng)格區(qū)域增大約1 MPa，這是由于氣藏開發(fā)地層壓力下降引起的自由地表壓實(shí)變形的結(jié)果，與Tenthorey 等[5]研究成果相同。沿背斜短軸剖面最小水平主應(yīng)力變化幅度研究成果顯示，最小水平主應(yīng)力具有強(qiáng)烈的縱向非均質(zhì)性，含氣區(qū)最小水平主應(yīng)力減小，而儲(chǔ)層頂部和內(nèi)部部分低滲透率區(qū)以及連通性較差的區(qū)域最小水平主應(yīng)力減小幅度較小，斷層附近部分網(wǎng)格最小水平地應(yīng)力增大，這是所謂的應(yīng)力拱效應(yīng)，即局部地應(yīng)力減小必然導(dǎo)致其相鄰區(qū)域地應(yīng)力增大，才能使得地層整體的變形平衡。

氣藏開發(fā)原始狀態(tài)（標(biāo)記為C0）與儲(chǔ)氣庫注氣至設(shè)計(jì)上限壓力34 MPa 時(shí)（標(biāo)記為C5）的最小水平主應(yīng)力分布圖（圖5）顯示，儲(chǔ)氣庫高速注采擾動(dòng)后地應(yīng)力平面分布非均質(zhì)性增強(qiáng)，氣藏原始狀態(tài)時(shí)最小水平主應(yīng)力分布比較均衡，最小水平主應(yīng)力隨構(gòu)造深度增加而增大，但儲(chǔ)氣庫高速注氣至設(shè)計(jì)上限壓力34 MPa 時(shí)最小水平地應(yīng)力分布變得非常不均衡，由于儲(chǔ)氣庫目前主要集中在構(gòu)造位置相對(duì)較高的中東部區(qū)域注氣，高速注氣形成局部高壓引起地層平面膨脹，導(dǎo)致東區(qū)最小水平主應(yīng)力增大，而注氣量較小的西部區(qū)域最小水平主應(yīng)力減小。地應(yīng)力在平面上的差異將導(dǎo)致儲(chǔ)層發(fā)生平面錯(cuò)動(dòng)變形，對(duì)井筒完整性產(chǎn)生負(fù)面影響。

3.2 蓋層力學(xué)完整性評(píng)價(jià)

儲(chǔ)氣庫蓋層力學(xué)完整性評(píng)價(jià)重點(diǎn)是研究?jī)?chǔ)氣庫高強(qiáng)度交變注采引起的蓋層拉張破壞，以及由于構(gòu)造、巖性變化和層理發(fā)育等復(fù)雜條件引起的應(yīng)力集中導(dǎo)致的蓋層剪切變形破壞。

H 儲(chǔ)氣庫埋藏較深（儲(chǔ)層頂部埋深約3 500 m），設(shè)計(jì)運(yùn)行上限壓力為34 MPa，遠(yuǎn)小于蓋層最小水平主應(yīng)力57 MPa，蓋層拉張破壞風(fēng)險(xiǎn)很低，可忽略不計(jì)。因此，蓋層剪切變形破壞風(fēng)險(xiǎn)成為研究的重點(diǎn)。

蓋層剪切破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，通過對(duì)圈閉地應(yīng)力場(chǎng)及其動(dòng)態(tài)變化特征的研究，以巖石剪切破壞準(zhǔn)則為依據(jù)，計(jì)算剪切破壞指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)價(jià)。目前，最經(jīng)典的蓋層剪切破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法是基于巖石力學(xué)中的摩爾—庫侖準(zhǔn)則[11]，以該準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，根據(jù)式（1）可計(jì)算蓋層安全因子（χ），即

式中τm表示某一應(yīng)力狀態(tài)下的最大剪應(yīng)力，MPa；

表示剪切破壞發(fā)生時(shí)的臨界剪應(yīng)力，MPa；c 表示內(nèi)聚力，MPa； 表示內(nèi)摩擦角，（°）；σ1表示最大有效主應(yīng)力，MPa；σ3表示最小有效主應(yīng)力，MPa。當(dāng)χ 等于0 時(shí)發(fā)生剪切破壞。

從式（1）可以看出，影響蓋層剪切破壞風(fēng)險(xiǎn)高低的主要因素包括兩類：①最大、最小有效主應(yīng)力，其分別等于最大、最小主應(yīng)力與地層壓力之差；②蓋層巖石本身的力學(xué)參數(shù)，包括單軸抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等。蓋層巖石力學(xué)參數(shù)屬不可改變的客觀因素。因此，最大、最小有效主應(yīng)力是影響蓋層剪切破壞風(fēng)險(xiǎn)高低的主要因素，其與地層壓力的變化密切相關(guān)。

圖5 H 儲(chǔ)氣庫氣藏原始狀態(tài)與儲(chǔ)氣庫注氣至設(shè)計(jì)上限壓力時(shí)最小水平主應(yīng)力對(duì)比圖

圖6 H 儲(chǔ)氣庫關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)直接蓋層安全因子分布圖

H 儲(chǔ)氣庫關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)直接蓋層的安全因子分布如圖6 所示，氣藏開發(fā)末期（標(biāo)記為C1）直接蓋層安全因子均大于0，僅在H 斷層西段安全因子較小，平均約為0.10，直接蓋層未進(jìn)入臨界應(yīng)力狀態(tài)，表明H 儲(chǔ)氣庫由氣藏開發(fā)末期改建儲(chǔ)氣庫前，直接蓋層具有較好的完整性；儲(chǔ)氣庫注氣至設(shè)計(jì)上限壓力34 MPa 時(shí)（標(biāo)記為C5），直接蓋層安全因子介于0.06 ～0.46，含氣區(qū)上覆直接蓋層安全因子平均為0.30，蓋層未進(jìn)入剪切破壞臨界狀態(tài)；采氣至設(shè)計(jì)下限壓力18 MPa 時(shí)（標(biāo)記為C6），直接蓋層安全因子介于0.10 ～0.35，含氣區(qū)上覆直接蓋層安全因子平均為0.24，蓋層未進(jìn)入剪切破壞臨界狀態(tài)；在H 斷層西段附近區(qū)域由于構(gòu)造突變和斷層力學(xué)強(qiáng)度降低影響，安全因子較小，部分網(wǎng)格安全因子小于0.10。

除了使用安全因子，斯倫貝謝公司根據(jù)多年的研究經(jīng)驗(yàn)，提出了采用累積塑性應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)蓋層變形破壞風(fēng)險(xiǎn)[1]，認(rèn)為當(dāng)蓋層累積塑性應(yīng)變大于1.0%，蓋層將進(jìn)入臨界應(yīng)力狀態(tài)，存在發(fā)生剪切破壞風(fēng)險(xiǎn)。通過模擬H 儲(chǔ)氣庫30 年注采運(yùn)行，直接蓋層累積塑性應(yīng)變小于0.1%，以彈性變形為主，安全風(fēng)險(xiǎn)小。

3.3 斷層力學(xué)穩(wěn)定性與漏失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

斷層力學(xué)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)包括側(cè)向和縱向密封性評(píng)價(jià)兩個(gè)方面[12-13]。地質(zhì)力學(xué)研究和相關(guān)礦場(chǎng)實(shí)踐表明，當(dāng)由于氣藏開發(fā)或儲(chǔ)氣庫注采引起區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)，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(shí)，斷層將發(fā)生失穩(wěn)滑移，增大縱向密封失效風(fēng)險(xiǎn)[7]。儲(chǔ)氣庫斷層力學(xué)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的本質(zhì)就是研究因多周期交變注采擾動(dòng)下三維動(dòng)態(tài)地應(yīng)力場(chǎng)變化情況和斷層力學(xué)穩(wěn)定性。

與蓋層剪切破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)類似，準(zhǔn)確反演獲得斷層周邊初始三維地應(yīng)力場(chǎng)及其因儲(chǔ)氣庫注采所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，是科學(xué)評(píng)價(jià)斷層穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

前人對(duì)儲(chǔ)氣庫地下應(yīng)力的變化做過研究[14-17]，本次研究以Petrel 地質(zhì)—地質(zhì)力學(xué)一體化模擬平臺(tái)為載體[18-20]，采用如前所述的儲(chǔ)氣庫圈閉地應(yīng)力—滲流耦合建模技術(shù)開展斷層動(dòng)態(tài)密封性評(píng)價(jià)，精細(xì)刻畫了3 條斷層三維空間展布形態(tài)，并充分反映了復(fù)雜構(gòu)造和地層巖石力學(xué)參數(shù)非均質(zhì)性對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響，為斷層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)參數(shù)，采用三維空間應(yīng)力張量算法，可計(jì)算出任一地層壓力下斷層面的剪應(yīng)力和有效正應(yīng)力，進(jìn)而評(píng)價(jià)儲(chǔ)氣庫注采擾動(dòng)下的斷層穩(wěn)定性[7,14]，根據(jù)式（2）可計(jì)算斷層滑移趨勢(shì)指數(shù)（ST），即

式中τs表示某一應(yīng)力狀態(tài)下沿?cái)鄬用娴募魬?yīng)力，MPa；σn表示垂直于斷層面的有效正應(yīng)力，MPa。當(dāng)ST ＜0.6 時(shí)斷層力學(xué)穩(wěn)定，當(dāng)ST ≥0.6 時(shí)斷層存在失穩(wěn)滑移風(fēng)險(xiǎn)，ST 越大，失穩(wěn)滑移風(fēng)險(xiǎn)越高。

模擬H 儲(chǔ)氣庫運(yùn)行至設(shè)計(jì)上限壓力和設(shè)計(jì)下限壓力時(shí)3 條逆斷層滑移趨勢(shì)指數(shù)分布研究成果顯示，儲(chǔ)氣庫在設(shè)計(jì)上限壓力34 MPa 至設(shè)計(jì)下限壓力18 MPa 注采運(yùn)行期間，H、H_N、H001_N 斷層在儲(chǔ)層、蓋層區(qū)域的滑移趨勢(shì)指數(shù)介于0.2 ～0.3，遠(yuǎn)低于0.6的力學(xué)失穩(wěn)滑移臨界指標(biāo)，表明儲(chǔ)氣庫注采運(yùn)行過程中，斷層滑移趨勢(shì)指數(shù)小，漏失風(fēng)險(xiǎn)小。

同樣，也可以采用斯倫貝謝公司提出的累積塑性應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)斷層穩(wěn)定性。由于本次研究對(duì)斷層的處理是采用等效連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，將斷層面穿過的網(wǎng)格定義為斷層。因此，可采用與蓋層相同的評(píng)價(jià)方法研究其穩(wěn)定性。對(duì)斷層面穿過的網(wǎng)格30 年累積塑性應(yīng)變統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)其仍然小于0.1%，以彈性變形為主，安全風(fēng)險(xiǎn)小。

3.4 不確定性分析與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)調(diào)整建議

上述關(guān)于H 儲(chǔ)氣庫原氣藏開發(fā)末期及其改建儲(chǔ)氣庫后長(zhǎng)期注采運(yùn)行過程中蓋層完整性和斷層穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)均表明，氣藏在經(jīng)歷14 年衰竭式開發(fā)后，圈閉仍然具有良好的密封性，保障了氣藏改建儲(chǔ)氣庫后能夠安全注采運(yùn)行。通過2013 年改建儲(chǔ)氣庫后，近7 年實(shí)際注采工況及30 年長(zhǎng)期運(yùn)行模擬研究，直接蓋層變形破壞和斷層滑移失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)仍然較低。

但是，根據(jù)筆者的觀點(diǎn)，基于巖石力學(xué)變形破壞準(zhǔn)則去評(píng)價(jià)蓋層和斷層穩(wěn)定性屬于比較寬松的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于蓋層的完整性，部分直接蓋層可能在變形破壞前由于交變應(yīng)力長(zhǎng)期的疲勞損傷作用，使得蓋層微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致氣體初期緩慢的擴(kuò)散，這種擴(kuò)散最終可能發(fā)展為大規(guī)模泄漏；對(duì)于斷層的穩(wěn)定性，雖然從地質(zhì)力學(xué)觀點(diǎn)評(píng)價(jià)其未進(jìn)入滑移失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，但斷層上、下盤長(zhǎng)期的相互錯(cuò)動(dòng)滑移將使得斷層滲透率逐漸變大，氣體同樣可以由初期的緩慢擴(kuò)散發(fā)展為大規(guī)模泄漏。

模擬計(jì)算H 儲(chǔ)氣庫注氣至設(shè)計(jì)上限壓力34 MPa和采氣至設(shè)計(jì)下限壓力18 MPa 時(shí)，直接蓋層產(chǎn)生較為明顯的縱向壓實(shí)變形，H 斷層下盤（即含氣區(qū)）縱向壓實(shí)變形大于5 cm，而其上盤縱向壓實(shí)變形小于1 cm，H 斷層兩側(cè)形成約5 cm 的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)變形，在長(zhǎng)期錯(cuò)動(dòng)變形的影響下，H 斷層存在滲透率逐漸變大、氣體發(fā)生擴(kuò)散甚至泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，這種風(fēng)險(xiǎn)必然隨著儲(chǔ)氣庫注采周期的延長(zhǎng)而逐漸增大。因此，基于儲(chǔ)氣庫注采運(yùn)行安全考慮，建議在H 斷層上盤增設(shè)監(jiān)測(cè)井，密切監(jiān)視斷層上盤是否發(fā)生氣體泄漏。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)H 儲(chǔ)氣庫各類資料的綜合分析，建立了H 儲(chǔ)氣庫區(qū)域大尺寸三維精細(xì)地質(zhì)模型，結(jié)合儲(chǔ)層和蓋層巖石力學(xué)、室內(nèi)聲發(fā)射及礦場(chǎng)地漏測(cè)試結(jié)果，與儲(chǔ)層注采滲流數(shù)值模擬動(dòng)態(tài)模型結(jié)合，進(jìn)一步建立了三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)力學(xué)數(shù)值模擬模型，并與H 儲(chǔ)氣庫東區(qū)KNN 井附近區(qū)域地表變形合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果相結(jié)合，對(duì)動(dòng)態(tài)地質(zhì)力學(xué)模型進(jìn)行校核。

2）結(jié)合H 儲(chǔ)氣庫7 個(gè)周期實(shí)際注采運(yùn)行工況并模擬其30 年長(zhǎng)期運(yùn)行動(dòng)態(tài)，表明氣藏開發(fā)過程地層壓力的下降會(huì)引起區(qū)域地應(yīng)力擾動(dòng)，尤其是H 斷層兩側(cè)地應(yīng)力形成較大的差別，儲(chǔ)氣庫高速注采后區(qū)域地應(yīng)力在平面上的分布具有更強(qiáng)的非均質(zhì)性，這將引起儲(chǔ)層平面錯(cuò)動(dòng)變形，對(duì)井筒完整性產(chǎn)生負(fù)面影響。

3）通過計(jì)算安全因子，H 氣藏開發(fā)末期及儲(chǔ)氣庫長(zhǎng)期運(yùn)行過程中蓋層安全因子介于0.06 ～0.46，含氣區(qū)上覆直接蓋層安全因子為0.30，儲(chǔ)層安全因子普遍在0.50 左右。H 氣藏開發(fā)末期及H 儲(chǔ)氣庫長(zhǎng)期運(yùn)行過程中蓋層均未進(jìn)入臨界應(yīng)力狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生剪切變形破壞，蓋層累積塑性應(yīng)變同樣支持了安全因子的評(píng)價(jià)結(jié)論。3 條逆斷層注采運(yùn)行過程均以彈性變形為主，累積塑性變形遠(yuǎn)小于1.0%的滑移失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)，并且其力學(xué)穩(wěn)定臨界值均小于0，表明H 氣藏改建儲(chǔ)氣庫前及其長(zhǎng)期運(yùn)行過程斷層均具有較好的穩(wěn)定性。

4）基于巖石力學(xué)變形破壞準(zhǔn)則去評(píng)價(jià)蓋層和斷層穩(wěn)定性屬于比較寬松的標(biāo)準(zhǔn)，特別是在儲(chǔ)氣庫注氣至設(shè)計(jì)上限壓力和采氣至設(shè)計(jì)下限壓力時(shí)，H 斷層兩側(cè)將形成約5 cm 的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)變形，這種長(zhǎng)期的變形錯(cuò)動(dòng)必然致使斷層滲透率逐漸增大，氣體存在擴(kuò)散甚至泄露的風(fēng)險(xiǎn)。因此，建議在H 斷層上盤增設(shè)監(jiān)測(cè)井，密切監(jiān)視斷層上盤是否發(fā)生氣體泄漏。