油气藏型储气库地质体完整性内涵与评价技术

郑雅丽 孙军昌 邱小松 赖 欣 刘建东 郭泽萍 魏 欢 闵忠顺

1. 中国石油勘探开发研究院 2. 中国石油天然气集团有限公司油气地下储库工程重点实验室3. 中国石油辽河油田公司勘探开发研究院

1 研究背景

截至2019年底，我国已建成15个储气库群29座地下储气库（以下简称储气库，图1）[1-3]，除大庆库群中的萨中东2-1储气库于1985年停运外[4-5]，其他28座储气库目前均在役运行。上述28座储气库中油气藏型25座、盐穴型3座，也就是说，我国目前在役的储气库仅有油气藏型与盐穴型两种类型且以油气藏型为主[6-10]。

油气藏型储气库在一年的时间内至少完成其工作气量的一次注入与采出[11-13]。储气库日注采气量是油气藏开发日采气量的8～10倍，其压力在一个注采周期内波动区间介于10～20 MPa。这种多周期大流量强注强采的运行方式导致地层应力交变，将给储气库的地质体、注采井、地面设施等组成部分造成损伤乃至失效，引发天然气泄漏事故。通过对国外油气藏型储气库发生的失效事故统计发现，16起失效事故中与地质因素相关的有7起，占43.8%。地质因素造成的失效事故主要是超负荷注气、储层存在废弃老井或断层等因素引起的气体迁移（图2）[14]。国内板中北储气库在第二个注采周期后，发现了由于断层激活而产生的气体迁移[15]。

图1 我国天然气储气库建设历程图

图2 国外油气藏型地下储气库失效事故统计图

为了满足国家有关部委加快储气调峰能力建设的要求，除了增加新的建设目标外，提高在役储气库运行上限压力也是一种增加调峰气量快速经济有效的方式，但这必须以保证储气库运行安全为前提，而全生命周期完整性是储气库长期安全有效运行的重要保障。笔者将从我国储气库完整性研究现状入手，针对作为储气载体的地质体完整性中存在的概念不明确、缺乏系统评价技术的现状，提出以储气地质体为评价对象，明确地质体完整性的概念和内涵，建立集圈闭有效性、盖层完整性、断层稳定性、储层稳定性4项评价技术为一体的地质体完整性评价技术体系，并以新疆准噶尔盆地呼图壁储气库为例进行地质体完整性评价，以期为油气藏型储气库的长期安全有效运行、提高运行上限压力及增加调峰能力提供帮助和支持。

2 储气库完整性研究现状

完整性概念在油气行业最早应用于油气管道的安全运行中，国外油气管道完整性评价技术起源于20世界70年代[16-17]。我国从1998年开始探索管道的完整性管理，钱成文等[18]于2000年在总结、消化大量中外资料基础上，将现役管道完整性定义为“管道完整性是指在运行条件下，管道系统及各组成部分能够满足运行要求、安全经济地完成输送任务的各项性能指标的完整程度”。杨祖佩等[19]指出管道完整性贯穿了整个管道的生命周期，与管道的设计、施工、运行、维护、检修和管理的各个过程密切相关。

自2000年大张坨储气库投产以来，随着我国储气库陆续投入运行，在注采运行中出现了管柱腐蚀与螺纹密封失效、井下工具密封失效、环空异常带压等[20-21]完整性问题，魏东吼等[22]于2015年将储气库完整性评价对象限定为“处于动态变化中的储气库现场设备”，提出了储气库地面设施和井的完整性管理体系内容，但未将储气库的储气载体—地质体的完整性纳入其中。罗金恒等[23]于2019年将储气库完整性定义为“储气库地质体、注采井和地面注采设施的功能始终处于安全可靠的服役状态”，首次提到了储气库地质体，但未明确地质体的概念，也未对地质体完整性及其评价技术进行详细阐述。从以往的研究成果来看，储气库地面设施[24-25]、井筒与注采管柱[26-31]等方面完整性研究成果较多，地质完整性研究方面多限于盖层、断层的静态密封性评价。马小明等[32]对板南储气库从断层走向与应力方向关系等5种因素，以及断层泥分布率等2类参数进行了断层的静态封闭性评价；阳小平等[33]虽提出了断层的完整性评价，但文中仅提到“断层密封完整性评价是地下储气库建设、运行管理中的瓶颈技术”，并未对断层完整性给出明确的定义，断层的评价与马小明等[32]的方法类似，仍限于静态的定性与定量评价。在盖层封闭性评价方面，林建品等[34]以华北油田兴9气藏为研究对象，在盖层岩性、厚度、孔—渗特征、排替压力4项常规静态评价方法基础上，模拟地层条件开展了盖层岩样的岩石力学试验，提出了考虑泥岩全应力–应变曲线特征、利用脆性指数评价泥岩盖层封闭能力的分析方法，此方法在引入了盖层的岩石力学特性评价方面有所创新，但其力学试验仅模拟地层条件，未模拟储气库运行交变载荷的工况，故盖层的评价仍是原始气藏静态封闭性评价。刘国良等[35]在“呼图壁大型储气库扩容提采关键技术研究”中提到的“气库动态密封性评价技术”主要内容是“库容诊断+井筒评价+微地震监测”为一体的全方位立体评价技术，通过库容核算与微地震监测的方式实现气库动态密封性实时监控和漏失风险点泄漏诊断，但未对气库动态密封性的构成、评价方法等进行阐述。

完整性评价的主旨是进行风险管控，目的是防患于未然。因此，在储气库最初的选址与设计阶段就要以完整性为设计理念，钻井完井工程建设阶段要遵循完整性设计的要求，生产运行阶段则要通过各种技术与手段对储气库的完整性进行检查、评价。完整性评价的根本目的是通过采用不断更新的技术和组织管理等措施，防止天然气泄漏事故或在设计寿命期内报废事件的发生，保证储气库地面设施、注采井（含井筒）、地质体等各组成单元（图3）始终处于受控状态，实现物理上和功能上的完整。

图3 储气库完整性生命周期示意图

国内储气库在地面设施与注采井完整性方面取得了一定的成果和认识，但在地质完整性方面尚处于起步阶段，存在着评价对象与概念不明确，研究深度局限于静态原始状态断层与盖层的密封性，未考虑储气库交变运行压力下断层与盖层的长期密封性，以及储层的变形破坏等问题。借鉴地面设施及注采井的完整性研究成果，在明确地质完整性研究对象的基础上，提出了地质体完整性的基本概念，阐述其基本内涵，建立相应评价技术，对保证储气库长期安全有效运行将起到重要指导作用。

3 储气库地质体完整性基本内涵

储气库地质体是中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目“地下储气库地质与气藏工程关键技术研究与应用”（2015E-400201）研究团队于2017年提出的。在2010年呼图壁等6座国家商用储气库建设之前，大张坨等储气库主要是按照油气藏开发理念，以原始油气藏的储层为核心设计储气库运行方案，经过多周期注采运行，地层水的侵入造成地质体内的油气水分布发生较大变化，给设计指标带来偏差。2009年底南方多个省市出现天然气用气紧张的形势，在国家财政的支持下，中石油建设了呼图壁、相国寺、双六、陕224、苏桥、板南等6座储气库群，称为商储库。这6座储气库群吸取了大张坨等储气库的建设运行经验，针对储气库交变应力和高速注采的运行特点，应用了大尺寸精细地质研究与高速注采动用效率的理念，将地质研究的对象平面扩展到相邻断块或圈闭，提出了交变应力断层、盖层密封失效风险分析，加强了监测系统的建设。在2017年底完成的（2015E-400201）项目中首次用“地质体研究”替代了“大尺寸地质研究”。经反复推敲完善于2019年将储气地质体定义为“由一个或多个包含储层、盖层、断层、上下监测层及相关油气水流体的圈闭构成，对天然气多周期注采具备‘纵向封存、横向遮挡、 渗漏监测’的地质单元[36]”。储气地质体基本内涵是储气库评价范围平面由单一的储气构造扩展到与储气构造相关两个或以上相邻的、水动力系统有相互关联的地质构造；纵向上以储气层及其盖层为主，向上延伸一个储盖组合，来保证断层、盖层或井发生泄漏，其逸散的天然气可监控。同样，如果在储气层位以下存在亏空的低压渗透层，也应纳入地质体范畴。储气层之上的渗透层称之为上监测层，其下的渗透层称之为下监测层（图4）。储气库地质研究除了研究对象空间上的转变，其研究阶段也由油气藏原始状态延展到建库前以及储气库运行的各注采周期。研究内容为油气藏原始状态和建库前的储层储集性能、储量、注采能力、流体分布、断层与盖层封闭性以及储气库运行交变应力密封性和高速注采流体运移规律。

从储气地质体的基本概念与内涵可以看出，储气库地质完整性研究对象是储气地质体的储层、断层、盖层、圈闭等。参考管道完整性[19]和井筒完整性[23]的定义，将地质体完整性定义为“地质体完整性是在储气库运行过程中，储气地质体的各组成部分能够满足运行要求，安全经济地完成季节与应急调峰任务的各项性能指标的完整程度”。地质体完整性的内涵是在储气库运行生命周期内，地质体的储层以及盖层、断层和圈闭可以为用户持续提供稳定气量，并保证储气库安全有效运行。地质体完整性的核心是在储气库运行生命周期内保持天然气存储的可靠性、安全性和经济性的程度，其中可靠性是储气库运行生命周期内储层结构与渗流性能保持稳定，保证提供持续稳定的气量的性能；安全性是圈闭保持有效性、断层保持稳定性、盖层保持完整性，保证天然气无迁移、无泄露的性能；经济性是指储集空间体积及其内部结构、流体性质保持稳定，保证储存的天然气量、可采出的调峰气量稳定无减少的性能。

4 地质体完整性评价技术

我国在役的25座油气藏型储气库建库地质体多被断层复杂化，目前已陆续达到设计的上限压力，在今后的注采运行交变应力下，断层、盖层、储层岩石均有发生疲劳损伤、力学破坏而导致天然气迁移、泄露的风险，地质体完整性评价应引起高度重视。

4.1 圈闭有效性评价技术

从油气勘探开发角度来说，圈闭是适合油气聚集，形成油气藏的场所，其中经钻探证实含有油气的圈闭称之为有效圈闭。油气有效圈闭是以是否储存了工业性油气为判据的，不仅与圈闭落实有关，还与油气来源是否充足有关。而油气藏型储气库圈闭有效性是指有效油气圈闭（油气藏）作为储气目标时，其圈闭埋藏深度、圈闭面积大小是否有利于储气库建设的经济性，圈闭的闭合高度、盖层、圈闭内及周边发育的断层是否有利于注入天然气的保存，圈闭的溢出点及溢出压力对储存天然气逸散、迁移是否有影响（图4）。

在储气库选址、前期评价与可行性研究阶段，圈闭有效性评价是必不可少的，主要有3个方面：

1）构造形态及圈闭特征。利用地震、钻井、测井、生产动态、测试资料等精细刻画构造形态与断层发育与组合关系，对构造类型、埋藏深度、圈闭面积、闭合高度、溢出点深度与压力等进行评价。

图4 油气藏型储气库储气地质体示意图

2）断层封堵性。对圈闭构造落实的断层，利用地震解释成果、钻井、生产动态、测试资料等，通过断层的空间展布、岩性对接关系、流体界面位置、生产过程中压力变化、干扰试井响应等定性方法以及泥岩涂抹因子（SSF）、泥岩涂抹潜力(CSP)、泥岩断层泥比（SGR）等定量方法进行断层侧向和纵向封堵性评价。

3）盖层封盖性。在储气库盖层封盖性评价中除了沿用油气勘探开发中常用的通过盖层的岩性、厚度、稳定程度等宏观评价方法，以及盖层岩样的孔隙度、渗透率、扩散系数和突破压力等微观参数评价方法外，还常常利用水力压裂获得的破裂压力或最小主应力数值等来定量分析盖层的封盖能力。

4.2 盖层完整性评价技术

盖层的完整性是指改建储气库的油气藏具备封盖能力的盖层，在多周期交变应力注采运行生命周期内保持完整无破坏，保证储存的天然气无泄露，保证储气库安全、经济有效运行要求的程度。

油气藏盖层封闭机理主要有毛细管封闭、水力封闭、超压封闭和烃浓度封闭4种，其中毛细管封闭是最常见和主要的封闭机理。付晓飞等[37]于2018年提出了油气藏盖层完整性发生破坏的5种类型，即润湿性改变、断裂破坏作用、亚地震断层与砂层连通、构造裂隙连通、水力破裂，其中润湿性改变发生在油气开发导致的地层水进入储层与盖层的接触面，断裂破坏作用和亚地震断层与砂层连通均与构造断裂相关，与储气库交变应力工况有一定差别，针对储气库的运行工况，盖层完整性发生破坏主要有两种类型。

4.2.1 毛细管渗漏

在储气库全生命周期内，由于注采压力的交互变化，导致交变载荷作用于岩石微观颗粒上，使颗粒重排，孔喉增大或产生微裂缝，导致毛细管密封能力弱化天然气渗漏。针对这种现象，项目组在常规突破压力机理和测定方法基础上，提出了盖层动态突破压力的概念，仿真模拟储气库注采运行有效应力变化情况，根据储气库的服役年限，确定有效应力在盖层测试岩样上加卸载次数，测定突破压力值定量评价毛细管封闭能力。

4.2.2 力学破坏

当储气库运行的上限压力大于盖层的围压，或多周期注采的交变压力导致盖层岩石超过其疲劳损伤量而产生裂隙，使得油气藏完整性良好的盖层密封性失效，或者使油气藏盖层中含有的彼此孤立不连通的微裂缝相互沟通而形成微渗通道。其评价方法有3种：

1）利用多周期交变载荷疲劳损伤实验测定其损伤量，以式（1）来评价；或利用累积塑性应变作为储气库盖层疲劳破坏的临界指标，一般将累积塑性应变量1%作为评价指标，小于1%为安全。反之，存在着一定的风险。即

2）利用小型水力压裂获得较为准确的最小水平主应力，以式（2）来评价：

3）数值模拟预测方法。在储气地质体精细地质研究基础上，利用室内岩石力学实验技术获得盖层岩石力学参数以及现场小型水力压裂测试获得地应力参数，建立岩石力学模型，通过地质力学耦合数值模拟地层压力分布预测盖层多周期注采工况下地应力场，利用安全指数（SF）定量评价盖层发生破坏的风险程度来评价盖层的完整性。即

4.3 断层稳定性评价技术

断层稳定性是指用来改建储气库油气藏储气地质体中包含的具备封堵能力的断层，在多周期交变应力注采运行生命周期内，保持封堵状态不被激活或失稳滑动导致天然气迁移或泄露，保证储气库安全、经济有效运行的程度。

储气库注采过程中注气、采气压力的变化，使得地层承载的有效应力在高值与低值之间交互变化，当作用在断层面上的剪切力大于有效正应力与摩擦系数之积时，断层将产生微细裂缝发生侧向和纵向渗流，随着裂缝的密度逐渐增大，直至互相连通后断层发生活化，储气库中的天然气将会通过断层发生侧向或纵向迁移。

地质历史时期形成的断层机理复杂，相似试验模型制作和仿真地应力建立等方面还在攻关研究阶段，现阶段主要通过地质力学数值模拟形式进行断层稳定性评价。与盖层数值模拟一样，建立三维岩石力学参数模型和地应力场分布，加载地层孔隙压力场，通过地质力学—渗流双向耦合数值模拟预测多周期注采工况下断层两侧地应力场变化，利用断层面各点处的疲劳损伤累计应变量值评价断层稳定性。

4.4 储层稳定性评价技术

储层稳定性是指用来改建储气库油气藏的储层，在多周期交变应力注采运行生命周期内保持储层结构与渗流性能稳定不被破坏，保证持续稳定提供气量，满足运行对注采气量要求的程度。储层稳定性遭受破坏主要表现为采气过程中出砂。

储层出砂通常是由于井底附近的岩层结构遭受破坏引起的，对于储气库来讲与油气藏开采过程的出砂机理基本相似，主要有剪切和拉张破坏两种机理：

1）剪切破坏。当储气库处于低压运行时，孔隙流体压力降低，导致储层有效应力增大，引起井壁处的应力集中。当剪应力值超过岩石的抗剪切强度时，骨架颗粒间的稳定状态被打破，将发生颗粒错动而形成大量的微破裂面，岩石强度降低，颗粒从岩石骨架上脱落，被高速采出天然气带至井筒附近而出砂。

2）拉张破坏。在储气库高速注采过程中，在生产压差的作用下，天然气由储层渗流至井筒，在流动过程中会与地层颗粒产生摩擦，流速越大，摩擦力越大，施加在岩石颗粒表面的拖曳力越大，当此力超过岩石的抗拉强度时，岩石发生拉伸剥离破坏而出砂。

在储气库采气阶段，剪切和拉伸两种机理将可能同时发生且相互作用，受剪切破坏的储层对流体的拖曳力更加敏感。

我国在役的25座气藏型储气库中18座为砂岩储层，孔隙度介于15%～26%，气藏开发过程中未见出砂现象，但在储气库高速注采交变应力的作用下，增加了出砂的风险。

以力学实验为基础，以储气库运行的上限、下限压力计算储层的有效应力作为加载的围压。根据储气库使用寿命确定加卸载的次数，同时考虑气库不同区带含水率的情况开展仿真模拟实验，确定不同条件下储层岩样的力学参数，揭示地层围压、含水饱和度，抗压强度和临界出砂压差相互关系；然后以三维地质模型为基础，建立近井筒储层精细岩石力学模型，考虑地应力、注采压差、含水率等的影响，利用有限元数值模拟方法预测临界出砂压差评价储层稳定性，为储气库注采运行指标设计提供依据。

5 应用实例

新疆呼图壁储气库是由岩性构造控制、带边底水的中孔中渗砂岩贫凝析气藏改建而成。建库层位古近系紫泥泉子组二段（紫二段），岩性主要为细砂岩、不等粒砂岩和粉砂岩，气层平均孔隙度为 20.9%，有效渗透率为 62.49 mD，原始地层压力 33.96 MPa，设计库容量 107.0×108m3、工作气量 45.1×108m3[35]。

5.1 圈闭有效性评价

呼图壁储气构造为一近东西向展布的长轴断背斜，高点埋藏深度3 470 m，圈闭面积28.6 km2，闭合线深度3 650 m，南部呼图壁断裂将背斜切割为上、下盘两个断背斜。在下盘断背斜中，发育呼图壁北断裂和呼001井北断裂两条逆断裂（图5）。通过构造与断层的精细刻画、分析断层展布规律与两侧岩性对接与生产测试（图6）资料认为呼图壁北断裂和呼001井北断裂侧向不封堵、纵向上是封堵的。呼图壁断裂侧向是封堵性，纵向上在气藏开发初始状态是封堵的。直接盖层为紫二段顶部6～10 m厚的一套泥岩，虽厚度较薄，但稳定分布，从实验样品的微观参数来看物性差、孔径与孔喉小、排驱压力高、突破压力较大，可封闭的气柱高度大于200 m，大于圈闭闭合高度180 m和气柱高度80 m。加之紫三段厚度约180 m的泥岩与湖相—半深湖相沉积的、全区稳定分布、厚度大于800 m的安集海河组地层，形成了理想的有效盖层（图6）。总体来看，呼图壁储气库圈闭构造相对简单，埋藏偏深，圈闭面积较大，闭合高度适中，盖层封盖性好、呼图壁断层断穿上覆区域盖层，储气库运行过程中需加强监测，溢出点压力为36.5 MPa。

图5 呼图壁储气库构造及井位部署图

图6 呼图壁气藏断层剖面图

5.2 盖层完整性评价

利用交变应力下突破压力实验技术，将注采过程的有效应力作为围压，通过加卸载方式测定盖层突破压力由6.16 MPa降至5.12 MPa，降幅15%，从数值及降幅幅度来看，对盖层的封盖性影响有限。

利用多周期交变载荷疲劳损伤实验技术，通过50个周期交变疲劳损伤实验发现，实验岩样表现为“初期塑性压实、后期弹性循环”变形，平均累积塑性应变介于0.09%～0.21%，平均为0.14%，低于1%的疲劳破坏临界值。

利用室内实验与测井解释确定的岩石力学参数建立盖层三维岩石力学模型、利用现场测试与测井资料确定的地应力参数建立三维地应力模型。在常规孔隙度—渗透率—饱和度三维地质模型基础上，拟合气田开发与储气库运行历史，获得不同时间点的地层压力分布场，并根据储气库设计18～50 MPa运行压力预测至50年的地层压力场变化。将三维岩石力学模型、三维地应力场与地层压力场耦合预测不同时间点盖层安全指数（SF），得到储气库运行50年安全指数介于0.32～0.52，最大值0.52，小于1，安全程度较高。

5.3 断层稳定性评价

呼图壁断层稳定性评价主要利用数值模拟方法，与盖层完整性评价一样根据呼图壁实际注采工况和设计运行压力，开展三维动态地质力学数值模拟50周期以设计18～34 MPa运行，最大累计应变量为0.04%，远远低于1%的疲劳破坏临界值，说明断层稳定性极好。

5.4 储层稳定性评价

通过41块储层岩样不同条件（含水、围压、交变）岩石力学出砂模拟实验发现，围压由10 MPa增至45 MPa，抗压强度由55.9 MPa增至143.9 MPa，其关系可由式（4）表示。当岩样的含水饱和度由0增至30%时，抗压强度由7.2 MPa降至5.0 MPa，其关系可由式（5）表示。即

以三维地质模型为基础，建立近井筒储层精细岩石力学模型，利用围压、含水饱和度，抗压强度相关关系，模拟储气库注采交变载荷，以出砂临界等效塑性应变5‰为约束，得到出砂压差为5.8 MPa，说明要保持储层的稳定性，应控制储气库的采气期生产压差小于5.8 MPa。

6 结论

1）储气库地质体完整性是指在储气库运行过程中，储气地质体各组成部分能够满足运行要求，安全经济地完成季节与应急调峰任务的各项性能指标的完整程度。其内涵是在储气库运行生命周期内，地质体的储层、以及盖层、断层和圈闭可以为用户持续稳定提供气量，并保证储气库安全运行，其核心是在储气库运行生命周期内保持天然气存储的可靠性、安全性和经济性的程度。

2）在储气库选址、前期评价与建设可行性研究阶段，圈闭有效性评价是必不可少的。利用地震、钻井、测井、生产动态、测试资料等，通过对储气构造形态与断层精细刻画，结合断层侧向和纵向封堵性定性与定量分析以及盖层宏观分布统计、微观参数室内测定和水力压裂现场测试等手段，利用圈闭埋藏深度、圈闭面积、闭合高度、断层与盖层的密封性能、溢出点与溢出压力等评价储气圈闭的有效性。

3）针对毛细管封闭失效和力学破坏两种机理，利用盖层交变应力下突破压力实验获得突破压力值、多周期交变载荷疲劳损伤实验测定岩石损伤量，小型水力压裂获得准确的最小水平主应力，以及地质力学耦合数值模拟预测安全指数定量评价等4种方法评价盖层的完整性。

4）针对力学破坏是储气库交变应力断层失稳的主要原因，在获得岩石力学和地应力参数基础上，建立地质力学模型，采用地质力学—渗流双向耦合数值模拟方法预测断层面各点处的疲劳损伤累计应变量来评价断层稳定性。

5）利用岩石力学实验技术，模拟储气库运行有效应力，通过多周期加卸载获得不同条件下储层的力学参数，建立地质力学模型，利用有限元数值模拟技术，预测出砂压差评价储层稳定性。

6）应用集圈闭有效性、盖层完整性、断层稳定性、储层稳定性为一体的油气藏型储气库地质完整性评价技术，对呼图壁储气库评价发现，圈闭溢出点压力36.5 MPa，设计运行压力区间内50年的盖层安全指数最大值为0.52、断层最大累计应变量为0.04%，说明呼图壁储气库还有提高上限压力扩大调峰气量的潜力。

油气藏型储气库地质体完整性评价技术体系的建立，弥补了储气库地质完整性的欠缺，健全了完整性评价技术系列，对油气藏型储气库长期安全有效运行，以及提高运行上限压力增强调峰能力具有一定的指导意义和广泛的应用价值。