气藏型地下储气库完整性管理体系及风险识别

马增辉，徐长峰，王明锋，许 鹏，姬 康，张海明

(新疆油田公司 呼图壁储气库作业区，新疆 呼图壁 831200)

0 引言

地下储气库作为天然气产业中储配系统的重要组成部分，具有储量大、稳定性能好、调峰能力强的优点，能够有效调节天然气产销环节中的不平衡、不均匀。同时，作为目前最大的储气“容器”，能有效弥补天然气管网系统的应急能力较差的缺陷[1]。

自我国第1个储气库喇嘛甸投产以来，随着我国储气库陆续建设及投产运行，在注采运行中出现环空异常带压[2-3]、套管密封塞的破损、地面设施缺陷、超压，盐岩蠕变、浸出等引起的运行失效、井口压力缺失、管柱腐蚀等[4]完整性问题，阳小平等[5]采用定性与定量的评价方法对地下储气库断层的完整性进行评价，但未对地下地质结构条件进行评价。魏东吼等[1]限定了储气库完整性评价的对象，提出储气库地面设施完整性管理的具体内容与储气库井完整性管理流程，但未提出储气库井以及地质体完整性管理的内容。范张川[6]对文96地下储气库进行了风险评价技术研究，主要对地面工程进行研究分析，未深入涉及到地下工程完整性管理。罗金恒等[7]提出储气库的完整性包括地层、井筒、地面3个方面，并提出地层-井筒-地面立体化检测体系，但尚未具体明确地质体的概念。郑雅丽等[8]提出地质体完整性的基本内涵及评价技术，其主要包括圈闭有效性、盖层完整性、断层稳定性、储层稳定性评价技术，但未对井筒、地面系统完整性进行归纳。从以往研究成果来看，主要是储气库的地面系统[9-10]、注采系统[11-12]方面的完整性研究。

目前，气藏型储气库为有效地进行运行管理，实现优化运行，主要采取地下储气库气藏管理、地下储气库压缩机组管理及地下储气库注采压力限值管理等管理措施，以达到提高注采气压缩机组的运行效率，有效保护地层，并能够在保证安全的情况下，不断扩大有效储层面积，增大库容,如表1所示。而我国储气库在安全环保管理、风险管控能力等安全管理方面较发达国家有一定差距，表现为安全管理意识不强、管理制度不健全、管理专业人员缺乏、管理模式陈旧[13]。

表1 气藏型储气库运行管理现状Table 1 Current situation of operation and management of gas reservoir type gas storage

“强注强采”是地下储气库与常规气田最为显著的区别，使储气库承受不稳定的地应力，同时与可能出现的腐蚀、冲蚀、岩层蠕变、地质活动等潜在危险因素相结合，会极大的威胁储气库的稳定和安全可靠性[7]。国外储气库事故惨痛的教训表明：长时间以及大规模对储气库强注强采会造成圈闭及盖层等地质构造失稳，固井结构以及生产套管失效，地面设施故障，甚至发生泄漏、燃烧或爆炸的事故[14]。储气库完整性管理作为1种新的管理模式和工具，不仅能够安全保障储气库正常运行，也能为储气库全生命周期管理提供指导。

1 储气库完整性内涵与管理体系

1.1 储气库完整性内涵

对于气藏型地下储气库完整性，既要从空间上承接管道与油气井完整性的特点，也要从时间上贯穿地质体、储气库井与地面设施功能始终处于安全可靠的服役状态，其内涵主要包括3个方面：1)地质体、储气库井与地面站场设施各单元在物理上与功能上是完整的；2)在设计、建造、运营及废弃等全生命周期内始终处于可靠受控状态；3)运营方将不断地采取相关措施防止地下储气库事故的发生。气藏型储气库完整性管理包含但不局限于管道完整性管理的内容，管理与评价内容对象不同、管理的方式方法不同、对风险管理的要求亦不同。本文基于管道完整性管理的6步循环提出气藏型储气库完整性管理的6步循环：数据采集、单元识别、风险评价、完整性评价、维修与维护、效能评价。

1.2 储气库完整性管理体系

气藏型储气库是基于已经开采枯竭废弃或开采到一定程度的气藏，掌握油气层的孔隙度、渗透率、水浸现象、岩层厚度、井身结构等方面的数据，利用对各种地下岩层的改造而形成的储气库。基于管道与井筒完整性管理提出储气库完整性管理，主要分为6个环节：数据采集、单元识别、风险评价、完整性评价、维修与维护、效能评价。对于气藏型储气库完整性管理而言，其特点与重点在于对地质体完整性管理。地质体作为气藏型储气库的核心单元，其完整性状态是决定建造储气库的先决条件，其安全稳定的工作状态是保证储气库安全运行的基本条件。对气藏型储气库进行完整性管理主要分为地面站场设施完整性管理、储气库井完整性管理、地质体完整性管理，如图1所示。基于此，对地面系统、储气库井、地质体完整性管理体系进行分析。

图1 气藏型储气库完整性管理内容Fig.1 Contents of integrity management of gas reservoir type gas storage

1)地面站场设施完整性管理体系

储气库地面设施完整性管理与一般的站场完整性管理大同小异，国内外诸多学者展开了研究。站场地面设施完整性管理的对象主要包含站场风险评价、站场完整性评价、站场运行状态管理、管道完整性检测/监测等，具体管理体系结构如图2所示。

图2 地面站场设施完整性管理体系Fig.2 Integrity management system of ground station facilities

2)储气库井完整性管理体系

储气库的井完整性管理从时间跨度上应贯穿其设计、建设、运营等全过程。每1个过程的主要目标是对储存流体的有效控制与监测。采集树/井口装置、生产套管与注采管柱、固井结构是储气库井完整性的关键组成部分。储气库井的完整性设计应涵括井口装置、套管、管柱的密封完整性设计；由于储气库有“强采强注”的特点，套管/管柱材质及结构应适应注采循环的工况，并根据地下岩层岩性选择抗腐蚀材料。在建设期，主要是延长固井结构的寿命，确保地层-水泥环-套管的胶结质量、管柱丝扣密封性、环空保护液的时效性等技术；运营期间，储气库井完整性管理体系如图3所示，主要包括采气树/井口装置完整性检测、套管/油管柱完整性检测、储气库井维修与维护、固井结构完整性检测等。

图3 储气库井完整性管理体系Fig.3 Integrity management system of gas storage wells

3)地质体完整性管理

对储气库地质体进行评价涉及到圈闭构造地质学、储层地质学、气藏流体学等多学科交叉，地质体是由盖层、储层、断层、监测层及流体的圈闭组成，其评价的内涵是设计前的储气空间规划，库容设计，地质体原始状态、强注强采下不同阶段的密封性，以保证储气库长期安全高效运行。由于地质体复杂的地下环境及监测设备与技术的局限性，地质体完整性管理的难点是设计及建设期，需对圈闭进行有效性评价，其主要包含3个方面：构造形态及圈闭特征、断层的封堵性、盖层封盖性。

在运行期需对盖层完整性、储层稳定性、断层稳定性以及水体侵入进行评价，如图4所示。

图4 地质体完整性管理体系Fig.4 Integrity management system of geological body

根据盖层封闭机理与储气库的特性，盖层完整性被破坏主要分为毛细管渗漏与力学破坏2种形式。针对这2种形式，可以用测定突破压力值、多周期交变载荷疲劳损失实验、小型水力压裂获最小水平主应力、数值模拟预测等方法对盖层完整性进行评价。可以采用活动时期评价法、走向与地应力方向的配置关系评价法、断层上下盘岩性或油气界面差异分析法、断层两侧储层的生产差异性分析法、泥质含量分布率法、泥岩涂抹因子计算等方法对地下储气库断层完整性进行定性或定量评价。由于储层易受储气库强采强注影响而致使井底附近岩层破坏出现出砂现象，可导致储层遭受剪切破坏及拉张破坏，基于此，以三维地址模型为基础，建立储层岩性模型，充分考虑注采压差、地应力等因素的影响，利用有限元方法对模型进行数值模拟，通过预测出砂压差评估储层的稳定性。

1.3 气藏型储气库完整性管理的应用

利用数据采集、单元识别、风险评价、完整性评价、维修与维护、效能评价6步循环对气藏型储气库进行完整性管理，在建造储气库的基础资料之上，对储气库地质体、储气库井、地面站场系统数据进行采集。根据储气库运营方对风险管理的要求，对单元识别与划分，各单元对应指标；通过定量或定性的方法对各级指标进行风险评价，再由数学方法(如层次分析法等)对各级指标进行加权计算，最终对储气库进行风险评价，得到储气库的风险等级；采用数学或物理的方法对各级指标进行完整性评价，根据风险评价与完整性评价结果对储气库采取一定的维修维护措施，最终对储气库进行效能评价，气藏型储气库完整性管理技术如图5所示。

图5 气藏型储气库完整性管理相关技术Fig.5 Related technologies for integrity management of gas reservoir type gas storage

2 储气库风险识别

据统计：截至2020年全球枯竭气藏型地下储气库事故共发生16起，包括储层密封性失效引发气体泄漏，注采气系统失效以及地面设施失效[15]。为确保我国地下能源储备系统的安全发展，需要有效识别气藏型地下储气库建设运营期间可能遇到的各种风险、建立有效的风险评价方法、采取有效的调控优化措施并最终构建完善的枯竭气藏型储气库风险评价管理体系。对储气库进行风险识别，既有利于储气库完整性管理，也利于保障储气库安全运行。本文主要从安全环保风险方面对地面站场系统、储气库井和地质体的风险进行识别与分析，可作为建立气藏型储气库事故树图的基础，对完成储气库的风险评估与评价、储气库的失效概率与后果计算起到一定的作用，为管理储气库提供安全的运行保障以及风险管控手段。

2.1 地面系统风险识别

有效识别与评估地面系统的风险因素，如表2所示，主要包括管道、压力容器、压缩机。分析失效可能性及其后果，从而采取有效的防范措施，可以有效保障储气库安全运行和操作人员生命安全。

表2 地面系统风险识别及分析Table 2 Risk identification and analysis of ground system

2.2 储气库井风险识别

储气库井风险管理是完整性管理中重要的环节，是指对储气库井进行风险识别，风险因素评估，采取有效性的维修与维护措施来降低或避免风险因素带来的灾害。其主要内容是对采气树及井口装置、注采井筒、固井结构进行风险识别，如表3所示。

表3 储气库井风险识别及分析Table 3 Risk identification and analysis of gas storage wells

2.3 地质体风险识别

地质体完整性是保障储气库运行功能重要的一环。地质体是天然气储存的容器，其受地质结构的影响，是影响天然气储存的主要因素。对地质体进行风险识别，其事故类型主要分为断层密封失效、盖层及底托层密封失效、封堵井密封性失效及水体侵入，如表4所示。

表4 地质体风险识别及分析Table 4 Risk identification and analysis of geological body

3 结论

1)提出气藏型完整性管理的6个环节：数据采集、单元识别、风险评价、完整性评价、维修与维护、效能评价。6个环节互相关联为6步循环，贯穿在气藏型储气库完整性管理的工作中。

2)阐明气藏型储气库完整性管理概念，将储气库完整性管理内容分为地面系统、储气库井、地质体，并建立各自的完整性管理体系。以地质体完整性管理作为气藏型储气库完整性管理的核心。

3)基于6步循环阐述气藏型储气库完整性管理的内容，并对气藏型储气库完整性管理技术进行总结。对地面系统、储气库井、地质体进行风险识别与分析，详细分析了各模块的事故类型与危险、有害因素分析。