储气库多周期注采过程盖层动态应力变化特征

王 忱 贾善坡 杨军伟 仲国生 陈振龙 常永松

1. 东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江 大庆 163318; 2. 东北石油大学非常规油气研究院,黑龙江 大庆 163318; 3. 中国石油吉林油田分公司,吉林 松原 138000

0 前言

地下储气库是天然气产业链的关键环节和管道输送系统的重要组成部分。由于储气库具有大流量强注强采、高强度服役的特点,长期运行的安全性和稳定性就显得尤为重要,在全世界发生的气藏型储气库安全事故中,约13%与盖层密封性失效有关。虽然储气库在建库初要经过周密的密封完整性评价,但盖层在长期服役过程中仍存在密封失效等潜在事故[1-2]。因此,储气库盖层密封性研究中不仅需研究其初始静态密封性,而且还需评估长期交变荷载作用下的盖层封闭能力和力学封闭性以及确定导致盖层密封失效的主控因素。

目前,对长期交变注采引起的盖层密封性机理的认识还不清楚,主要表现为在长期交变荷载作用下盖层力学封闭性评价准则尚不明朗。现大多以盖层力学完整性为研究背景,研究方法主要为数值模拟以及物理实验[3]。数值模拟方法通过数模软件与地质力学模拟软件获得储气库在注入过程或一个注采周期条件下地层的应力与变形,但对多周期注采条件下影响盖层力学完整性的因素及其影响大小还没有一个准确的评价。物理实验方法通过三轴实验研究岩石的常规力学性能。王钒潦等人[4]研究了储层变形对岩石的力学影响,对不同形状储层进行解析解分析,发现对于纵横比大、泊松比小且相对较软的矩形储层会形成压力拱效应。目前,研究孔隙流体压力变化导致的应力场变化的方法有半解析法[5-8]、解析法[9]以及数值模拟方法[10-12],大多都局限在流体压力的变化导致压力拱,进而对盖层应力场产生影响,盖层内部压力场的变化引起盖层应力场的变化未受关注。Hangx S J T等人[13]通过实验结合解析解的方法研究了孔隙水压力对岩石力学行为的影响,但是未经过数值模拟验证,实验仅仅经过了一个注入的过程,并不能更好地表现岩石在多周期注采下的变化。Rajabi M等人[14]针对伊朗Yort-e-Shah含水层储气库开展了地质力学评价,将泥岩盖层视为非渗透介质,开展注入条件下盖层破损机理研究,也并未考虑多周期注采交变荷载对盖层强度和突破压力的动态影响。因此,亟需对储气库大流量交替注采的运行方式开展动态密封性研究并确定盖层破坏的主控因素。

综上,盖层应力场的变化是由储层变形以及盖层渗流场变化两种因素造成,但尚无对两种因素影响大小的准确评价。本文通过三种工况的对比,以及研究不同时间节点应力的变化,探讨两种因素对盖层应力变化的影响作用,确定主控因素。利用有限元软件模拟松辽平原S气藏型储气库(以下简称S储气库)全周期下的应力变化,找到最危险的时间节点以及最危险的部位,从更高层次认识和把握盖层动态密封特性。该研究不仅具有重要的现实意义,还具有重要的科学研究价值,将丰富储气库盖层密封性评价理论。

1 地层破坏机制

地层破坏是岩石破坏的结果。当应力超过岩石强度时,就会发生岩石破坏。岩石破坏主要有两种类型:拉伸破坏和剪切破坏。当拉应力超过岩石抗拉强度时,岩石拉伸，发生破坏。同样,当剪应力超过岩石抗剪强度时,也会发生岩石剪切破坏。为了理解这两种失效模式,首先需要了解有效应力的概念。

1.1 有效应力

在多孔岩石中,岩石基质内任何一点的总应力(σ)由颗粒和孔隙中的流体分担。作用在颗粒上的正应力分量称为有效应力,通常用σ′表示。地质力学计算考虑了破坏分析中可以用数学方法表示的有效应力。

σ′=σ-αpp

(1)

式中:σ′为有效应力,MPa;σ为作用在岩体的总应力,MPa;pp为储层压力,MPa;α为Biot系数。

有效应力取决于孔隙压力,孔隙压力越高,有效应力越低。注入增加了孔隙压力,从而降低了围压。在低围压下,岩石的抗剪强度显著降低,使岩石容易发生剪切破坏。同理,在开采的过程中,容易发生拉伸破坏。

1.2 拉伸破坏

当拉应力超过岩石的抗拉强度时,就会发生岩石拉伸破坏。抗拉强度是防止固体基质被流体流动或其他可能导致拉应力的驱动力拉开的岩石强度。具体来说,材料的抗拉强度是它可以在破裂(拉伸破坏)前承受的最大拉应力。拉伸破坏导致颗粒在低内聚力或无内聚力阶段从骨架中被拔出。

如果总应力恒定,地层压力的增加会降低有效应力。如果有效应力显著降低,并低于拉伸截止值(T0),则可能会发生意外的水力压裂[15-16]。

σ′≤T0

(2)

拉伸截止值为负值,表示与压应力法向相反的方向。与原位应力的大小相比,拉伸截止值的绝对大小相对非常小。为保守分析。假设如果有效应力σ′低于0,会发生水力压裂[17],因此预测拉伸破坏相对容易,因为断裂压力可以通过微型压裂试验来测量。然后可以将其用作注入压力的上限,以避免发生水力压裂(拉伸破坏)。这是确保地层完整性的必要条件。

1.3 剪切破坏

当剪切应力超过岩石抗剪强度时,就会发生岩石剪切破坏。抗剪强度是可用于抵抗剪切应力的岩石强度。在剪切破坏中,大部分颗粒之间的弱矿物键被应变破坏。阻力包括两部分:一是成岩过程产生的胶结引起的黏性阻力(矿物胶结,其他来源的内聚黏合);另一种是颗粒之间的接触(应力)产生的摩擦阻力。摩擦阻力的大小取决于内摩擦角φ[18-20]。

(3)

图1 Mohr-Coulomb失效标准图Fig.1 Mohr-Coulomb failure criteria diagram

2 计算模型的建立

2.1 工程概况

S储气库的地质构造面貌宏观上为西南倾伏的鼻状构造,由于长期处于油气运移聚集的有利地带,地质条件优越,有利于油气的储集。S储气库的Q段为纯气藏,边水较少;整体为背斜构造;储层为曲流河沉积,为中孔中渗型砂岩,取储层试样1块进行常规孔渗测试,得到孔隙度范围在12.1%～22.6%,平均孔隙度为18.3%,渗透率范围在0.21～188.40 mD,平均为48.56 mD,其中50.00～100.00 mD的样品占37.5%,综合评价储集能力较好;该储气库的盖层为紫红色泥岩,质纯,连续厚度在28.0～45.5 m,平均厚度为34.5 m。在盖层上取若干块试样进行排替压力测试,测试结果为盖层试样突破压力最小值8.0 MPa,最大值11.0 MPa,平均突破压力为9.5 MPa,由结果可知盖层密封能力较好;储层两侧被两组的断层切割,综合地质力学评价,断层稳定性较好,满足储气封闭要求。

以S储气库为背景建立数值模型,由于S储气库为纯气藏型储气库且边水较少,本文主要聚焦盖层应力场的扰动研究,不考虑气体突破进入盖层,可采用单相流体流动和流—固耦合理论,忽略储层变形效应和盖层无渗透能力，探讨两种因素在多周期注采条件下对储气库盖层应力场的变化特征。取储层和盖层岩心样品进行三轴压缩试验和巴西拉伸间接试验分析,其中储层和盖层试样通过三轴压缩试验得到应力—应变曲线，见图2。

a)储层试样a)Reservoir sample

通过图2可得,储层岩石的弹性模量为0.98～1.01 GPa,平均值为1.00 GPa,泊松比为0.23～0.36,平均值为0.29;盖层岩石的弹性模量为4.73～14.21 GPa,平均值为8.34 GPa,泊松比为0.13～0.19,平均值为0.15。通过对岩石应力—应变曲线处理,得到储层和盖层的内摩擦角分别为为24.77°和41.52°,黏聚力为11.98 MPa和7.54 MPa。

储层和盖层部分试样通过间接拉伸破坏实验最终得到破坏曲线，见图3。储层岩石的抗拉强度介于1.56～2.01 MPa之间,平均值为1.77 MPa,盖层岩石抗拉强度介于1.29～3.73 MPa之间,平均值为2.34 MPa。通过室内差应变测试得到地层最大水平主应力为29.21 MPa,最小水平主应力为25.38 MPa,经过计算得到侧应力系数为0.87,由于上覆层和底层岩心测试资料较少,则通过以上岩石力学实验数据及相关资料最终可得模型地质力学岩石参数，见表1。

a)储层试样a)Reservoir sample

表1 地质力学岩石参数表Tab.1 Geomechanical rock parameters table

2.2 地质力学模型的建立

地质力学模型的几何形状见图4,水平向研究范围12 000 m,垂向范围1 400 m,因为在数千米内,地质情况没有发生显著变化,又因为构造相对平缓,属于微幅构造且储层厚度较大,可以认为是水平构造。分析区域为中间3 000 m,储层两侧由两个封闭较好的断层封堵,且本文主要针对盖层应力场影响研究,故忽略断层的影响,储层两侧可被认为是封闭的。储气库在其底部和两侧受到约束,模型从地表开始建模,故它的顶部允许自由运动。由于上覆层岩性较为复杂且对盖储层影响较小,为方便考虑,可简化为均质单层[21]。

图4 有限元模型示意图Fig.4 Schematic diagram of the FEM model

在模拟中,储层注采压力以实际工程为准。根据气藏型储气库的运行阶段,将其分为气藏开发阶段、注气阶段和多轮次注采循环阶段。得到注采压力与时间关系曲线见图5,井模拟采用超孔隙压力注采方法。

图5 S储气库不同阶段注采压力曲线图Fig.5 Injection and production pressure curve for different stages of S gas storage

2.3 计算工况

本文分三种情况进行数值模拟计算。

工况1:忽略储层变形效应,假定储层为不可变形的岩石,均质各向同性。在工况1条件下,盖—储交界面的变形几乎为零,而实际地层条件则有相对明显的变形,这说明一定程度上消除了储层变形对盖层应力的影响,基于此探讨由于储层变形对盖层应力场的影响。

工况2:盖层无渗透能力,认为盖层是一个渗透率接近零的极其致密泥岩,均质各向同性,在此条件下,认为气体完全渗透不到盖层或极小程度地渗透到盖层,在一定程度上消除了由于盖层渗流场变化对盖层应力场的影响,探究由于盖层渗流场的变化对盖层应力场的影响。

工况3:实际地层条件,储层的弹性模量与盖层渗透率为地层实际的条件,认为岩石为均质且各向同性。通过前两个工况得出的数据与实际地层条件做对比,得出由于储层变形和盖层渗流场的变化两种因素对盖层应力场影响。

工况1与工况2为控制单一变量工况,工况3为工况1与工况2的对比研究工况,通过工况1与工况3的结果对比,可得出储层变形对盖层应力场的影响情况;同理,通过工况2与工况3的结果对比,可以得出渗透率对盖层应力场的影响。通过储层变形与渗透率对比可以得出影响盖层应力场变化的主控因素。

3 盖层动态应力场分析

根据S储气库各关键时间节点地质力学数值模拟结果,提取不同阶段储气库盖层孔隙压力与应力分布及各控制点孔隙压力和应力随时间变化规律,探讨不同因素对盖层应力场演化的影响。

3.1 开发程度对盖层应力场的影响

由于本文研究模型为对称模型,故选取研究区一半作为分析区域,选取边界、注入井及其中线,与盖层顶部、中部及底部测线交点作为控制点,并编号1～9,得到控制点1～9在气藏开发阶段的孔隙压力、水平应力以及垂直应力随时间的变化曲线见图6～8,通过工况3分别和工况1与工况2的对比，地应力平衡时的盖层各层垂直应力自上而下为14.63 MPa、14.77 MPa、15.05 MPa;在工况1的条件下,盖层的最大垂直应力为23.14 MPa,相比地应力平衡时增大了8.09 MPa;工况2条件下,盖层的最大垂直应力为17.03 MPa,相较地应力增大1.98 MPa;工况3条件下,盖层的最大垂直应力为22.88 MPa,相较地应力增大7.83 MPa;同理盖层的水平应力在工况1条件下增大1.43 MPa,在工况2条件下增大0.82 MPa,在工况3条件下增大1.01 MPa。通过数据对比,在枯竭期,盖层应力最敏感层位为盖—储交界面,其中工况1条件下最大垂直应力相较地应力增大53.7%,最大水平应力增大11.2%;工况2条件下最大垂直应力增大13.2%,最大水平应力增大6.4%。工况3条件下最大垂直应力增大52.0%,最大水平应力增大7.9%。由此得出气藏枯竭期,在盖层渗透率相同的情况下,储层的刚度对盖层水平应力影响较大;在储层刚度相同的情况下,盖层的渗透率对垂直应力的影响较大。综合对比,在枯竭期,盖层渗透率对应力场影响较大。

a)工况1a)Condition 1

a)工况1a)Condition 1

a)工况1a)Condition 1

3.2 注入过程对盖层应力场的影响

注气阶段在不同工况下不同测点的压力与应力随时间变化曲线见图9～11。由图9～11可知,在注气过程中,盖层的最大垂直应力在工况1条件下相较枯竭期应力减小了5.67 MPa,在工况2条件下相较枯竭期应力减小1.91 MPa,在工况3条件下相较枯竭期应力减小5.61 MPa;盖层的水平应力在工况1条件下减小1.00 MPa,在工况2条件下减小0.82 MPa,在工况3条件下减小1.08 MPa。通过数据对比,在注气阶段,工况1条件下相较枯竭期应力垂直应力减小24.5%,水平应力减小7.0%;工况2条件下垂直应力减小11.2%,水平应力减小6.0%。工况3条件下垂直应力减小24.5%,水平应力减小7.9%。由此得出,在注气阶段,由于注入气体压力接近地层压力,故储层的变形几乎可以忽略,基本与工况3条件下变形一致,故工况1条件下的应力变化情况与工况3条件下应力变化情况相近,可以得出,在注入过程中,盖层渗透率导致渗流场的变化对盖层应力更敏感。

a)工况1a)Condition 1

a)工况1a)Condition 1

在注入阶段,除关注应力变化幅值外,出现了盖层孔隙压力及应力的变化趋势与储层孔隙压力变化趋势不一致的情况,尤其在工况2现象更为明显。

3.3 注采交变下盖层应力场响应分析

国外储气库盖层泄漏事故并不是注采初期出现的,而是在储气库运行若干年后才出现,故选取了较危险的注采第30年作为研究时间节点,得到第30年注采周期的应力曲线见图12～14。

a)工况1a)Condition 1

a)工况1a)Condition 1

a)工况1a)Condition 1

通过对工况1的分析发现,在第30个注采循环周期内,盖层的应力也出现了应力滞后现象,这可能是由于盖层的渗透率低,气体渗透过程慢,随着盖层深度的减小以及距注采井的距离较远,渗透的时间久,故随着深度的变浅以及距离的变远,盖层的孔隙压力幅值越来越小,到盖层顶部和边部时出现了压力滞后现象。水平应力与垂直应力的变化与孔隙压力相关,故在盖层顶部及边部,水平应力与垂直应力出现了应力滞后现象。

通过对盖层测点水平应力和垂直应力随时间的变化曲线可以看出,盖层水平应力和垂直应力均未出现正值,即该工况下盖层未发生拉伸破坏。通过Mohr-Coulomb失效判断盖层是否发生剪切破坏,选取气藏枯竭期、注入期以及注采循环30年注入以及采出四个时间节点,选取1、3、4、6、7、9号点绘出Mohr应力圆见图15。强度包络线的截距和斜率较大,Mohr应力圆未接触到破坏线。最危险的时期为气藏枯竭期,最危险部位位于4号点,即盖层中部边界位置。若不考虑边界效应,则最危险的部位为盖层底部中心位置,即盖—储交界面注入井位置。

a)枯竭期a)Dry period

4 结论

本文以松辽平原S储气库工程为背景,通过不同工况的对比计算,进一步研究了储层变形以及盖层渗流场的变化对盖层力学封闭性的影响,从而确定影响盖层力学封闭性的关键因素。通过模拟结果得出如下结论。

1)盖层应力场的变化是由储层变形和盖层渗流场变化两种因素造成。通过不同条件以及大量数据对比,得出盖层渗流场变化是影响盖层应力场的主控因素。

2)通过对盖层不同水平和垂直测线的分析,发现盖层应力最敏感部位位于盖—储交界面。

3)由于储层变形,在盖层顶部容易出现应力滞后现象。且伴随着盖层渗透率的降低,应力滞后现象越来越明显。