多周期注采工况下储气库圈闭地质体密封性研究
[周春明
, 叶萍, 施金伶, 许倩, 王雪, 刘薇]
, 叶萍, 施金伶, 许倩, 王雪, 刘薇]
引用本文
周春明, 叶萍, 施金伶, 许倩, 王雪, 刘薇. 多周期注采工况下储气库圈闭地质体密封性研究[J]. 录井工程, 2025,36(3): 127-136.
ZHOU Chunming, YE Ping, SHI Jinling, XU Qian, WANG Xue, LIU Wei. Study on the trap sealing capacity of geologic bodies for gas storage under multiple cycles injection and production[J]. Mud Logging Engineering, 2025,36(3): 127-136.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2025.03.018
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ZHOU Chunming, YE Ping, SHI Jinling, XU Qian, WANG Xue, LIU Wei. Study on the trap sealing capacity of geologic bodies for gas storage under multiple cycles injection and production[J]. Mud Logging Engineering, 2025,36(3): 127-136.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2025.03.018
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多周期注采工况下储气库圈闭地质体密封性研究
作者简介：周春明 1988年生,2012年毕业于中国地质大学（武汉）资源勘查工程专业,现在中国石油大港油田公司天津储气库分公司主要从事储气库方案研究及动态分析工作。通信地址：300280 天津市滨海新区大港油田创业路。E-mail：zhouchming@petrochina.com.cn
摘要
为保障储气库安全平稳运行,有效评价其地质体的密封性,需重点对盖层和断层的稳定性进行评价。以大港Z储气库为研究对象,基于地质气藏特征、生产动态特征、岩石力学实验等资料,结合该库多周期高速交变注采后地应力交替变化的特点,建立四维动态地质力学模型,综合评价Z储气库在经历了30年的开发和20个注采周期后的圈闭密封性。研究结果表明：①Z储气库地质体盖层的极限孔隙压力为48.8 MPa,控圈T断层的极限承压能力为35.1 MPa,Z储气库的运行上限压力为31.5 MPa,在安全范围内;②Z储气库在长期高速交变注采运行过程中,盖层、储层及断层均未发生破坏,但是地质力学模拟显示,控圈T断层出现个别风险点,目前总体仍比较安全;③建议在四维地质力学模型研究的基础上,结合实际的动态监测数据,对Z储气库地质体开展实时动态监测,在Z储气库的T断层风险点上盘部署监测井,加强注采动态监测,保障储气库长期安全平稳运行。
关键词:
储气库; 密封性; 地质力学; 交变应力; 盖层; 断层; 交变注采; 安全运行
中图分类号:TE132.1
文献标志码:A
Study on the trap sealing capacity of geologic bodies for gas storage under multiple cycles injection and production
Abstract
In order to ensure the safe and smooth operation of the gas storage and effectively evaluate the geologic body sealing capacity of the gas storage, the stability of the cap rocks and faults is evaluated. Taking Dagang Z gas storage as the research object, based on data such as geological gas reservoir characteristics, production dynamic characteristics, rock mechanics experiments, combined with the characteristics of alternating ground stress changes in the gas storage after multiple cycles of high-speed alternating injection and production, a four-dimensional dynamic geomechanics model is established to comprehensively evaluate the trap sealing capacity after 30 years of development and 20 injection and production cycles. The research results show that:①The ultimate bearing capacity of the geologic body cap of the Z gas storage is 48.8 MPa, the ultimate bearing capacity of controlling-trap T fault is 35.1 MPa, and the upper limit pore pressure of the Z gas storage operation is 31.5 MPa, which is within the safe range;②During the long term high-speed alternating injection and production operation of Z gas storage, the cap rocks, reservoirs and faults are not damaged, but geomechanical simulations show that individual risk points appeared on controlling-trap T fault, but it is still relatively safe at present;③It is recommended to carry out real-time dynamic monitoring of the geologic bodies of the Z gas storage based on the research of the four-dimensional geomechanical model, and combined with the actual dynamic monitoring data. Monitoring wells on the upper wall of the T fault risk points of the Z gas storage are deployed, strengthening injection and production dynamic monitoring and ensuring long-term safe and smooth operation of the gas storage.
Keyword:
gas storage; sealing capacity; geomechanics; alternate stress; caprock; fault; alternating injection and production; safe operation
0 引言
地下储气库生产运行为高速注入与采出的过程, 大流量强注强采[1, 2, 3]产生的周期性应力变化会对岩石骨架造成破坏, 引起储气库密封性失效, 进而引发天然气泄漏事故。通过对国外储气库发生的失效事故统计发现, 地质体因素引发的事故占43.8%[4]。此类安全事故主要原因是超压超负荷注气、断层失效等引起的气体迁移[5]。
大港油田在20世纪建成中国第一座商业储气库— — 大张坨储气库, 后陆续新建多座储气库, 目前共有11座储气库, 可谓有着运行时间最长、数量最多的储气库。随着长时间往复注气、采气剧烈交替变化, 储气库圈闭密封性失效风险增大, 主要表现为盖层受应力扰动完整性被破坏、断层局部出现滑移失活等问题[6, 7, 8, 9, 10, 11, 12], 导致气体迁移、泄漏、逸散, 影响生态及人类安全。本文以运行20个注采周期的Z储气库为研究对象, 基于地质气藏特征、生产动态特征、岩石力学实验等资料, 利用物理模拟、数值模拟等手段, 从盖层、断层的完整性封闭指标对Z储气库进行综合性评价, 为储气库安全平稳运行及动态生产、提压扩容、方案调整提供科学理论依据。
1 储气库概况
Z储气库位于T断层下降盘, 为被T断层遮挡的背斜构造（图1）, 储气库圈闭受断层和岩性双重影响, 构造边部为油环和水体封闭, 圈闭条件有利。建库层位储层物性较好, 取心井岩心分析平均孔隙度23.4%, 平均渗透率240.63 mD, 测井解释平均孔隙度24%, 平均渗透率189 mD, 为中孔、中渗储层。气藏类型为带油环弱边水的高含量凝析油气藏, 气藏埋藏中深-2 700 m。Z储气库的原始地层压力为30.32 MPa, 地层温度101 ℃, 属于正常的温压系统。
 | 图1 Z储气库构造井位图 |
Z储气库先后有20口油气井试油获得高产油气流, 1974年11月B 15井最先投产, 1977年Z气藏投入开发, 1994年底处于停采后期挖潜状态, 累计采油19.65× 104 t, 累计采气7.35× 108 m3, 油采出程度18%, 气采出程度39%。气藏停采时地层压力为13 MPa。2000年以后对生产井进行补孔措施, 实施4口井（B 856-1、B 845、BZ 17、BZ 11-2井）, 其中B 856-1井连续生产两年, 其余井效果差。到2004年7月底, 累计产油19.67× 104 t, 累计产气7.36× 108 m3。
2 储气库地质力学模型建立
储气库地质力学模型的建立与常规三维地质建模有所不同, 常规的三维地质模型只需要在平面上刻画至断层、纵向上建立储层即可, 但是储层地质力学需要评价控藏断层及盖层密封性, 因而需要建立包括断层、盖层、储层、上覆地层、下伏地层的模型, 其范围更大, 层位更多。
2.1 地质力学网格模型
在储气库三维地质模型的基础上, 利用PETREL软件的Vesage模块对其进行网格扩充, 进而建立三维地质力学属性模型。
通常通过设置隔离体来消除模型的边界效应, 通俗的说就是把储气地质体放在模型中间, 用隔离体将其包围, 以消除应力集中对模型的影响。隔离体通常由顶板岩层、底板岩层及周向围岩共同构成, 边界区域配置有50 m厚度的刚性岩层加载应力。扩充前三维地质模型共计94.75万个网格, 扩充后该力学模型共计161.6万个网格。Z储气库扩充后的地质力学网格模型如图2所示。
 | 图2 地质力学网格模型 |
2.2 岩石力学参数
岩石力学参数一般是指弹性参数（弹性模量、泊松比）, 是制定钻井、完井与油气开发方案和施工措施的重要依据。岩石力学参数的获取通常有2种途径：一是通过室内岩心实验分析获取目标层位岩石力学参数; 二是基于测井数据获取原位力学参数的定量表征参数, 进而求取岩石力学参数。岩心获取困难且数量有限, 实测只能得到几个深度点的特征值, 但是准确性高; 而测井资料蕴藏大量地层信息, 获取相对容易, 且表征地层的信息连续。根据实验室获取的静态参数与测井数据拟合, 回归动、静弹性模量关系式, 可计算获得表征地层连续信息的静态岩石力学参数。
通过对Z储气库岩心进行三轴压缩实验获取弹性模量和泊松比参数。选取盖层、储层各3块岩心, 分别命名为砂岩B-G-1、砂岩B-G-2、砂岩B-G-3（盖层）与砂岩B-C-1、砂岩B-C-2、砂岩B-C-3（储层）, 用于进行三轴压缩实验, 并绘制三轴应力-应变曲线（图3、图4）, 确定弹性模量以及泊松比参数。盖层岩石弹性模量分别为16.29、17.54、14.25 GPa, 泊松比分别为0.17、0.16、0.17; 储层岩石弹性模量分别为6.87、10.25、13.33 GPa, 泊松比分别为0.24、0.20、0.13。
 | 图3 盖层三轴应力-应变曲线 |
 | 图4 储层三轴应力-应变曲线 |
2.3 三维地质力学属性模型
三维地质力学属性建模主要依据精细地质建模分析成果, 同时结合室内基础物性和岩石力学实验结果, 采用孔隙度等作为约束。三维空间中杨氏模量的分布特征受沉积微相与孔隙结构的协同调控, 其中高孔隙度带呈现显著的模量衰减趋势, 该规律与碎屑岩成岩-力学耦合机制具有良好的一致性。相较于杨氏模量, 泊松比与储层常规物性参数（如孔隙度）的统计相关性较弱, 表现出更高的数据离散度。值得注意的是, 岩石力学参数间存在明显的负向关联, 即高杨氏模量区（表征高刚性地层）普遍对应较低的泊松比, 这一现象揭示了刚性岩石在应力场作用下的应变抑制效应, 其机制符合胡克定律框架下各项异性介质的本构关系。基于实验室应力-应变参数及力学网格模型, 建立了地应力模型, 其中盖层杨氏模量、储层杨氏模量三维模型如图5所示。相较于储层, 盖层杨氏模量在三维空间中的分布更为均匀。
 | 图5 盖层杨氏模量、储层杨氏模量三维模型 |
盖层泊松比、储层泊松比三维模型如图6所示。储层的泊松比空间非均质性较强, 与其相比, 盖层泊松比的三维分布表现出弱均质性。
 | 图6 盖层泊松比、储层泊松比三维模型 |
3 储气库圈闭极限承压能力分析
3.1 原始地应力场
三维地应力场反演在研究工区地质力学模型构建的基础上, 根据现有的单井实测地应力数据以有限单元法来推求整个分析区域的地应力场。在地质模型约束下, 以岩石非均质性的力学参数为约束, 耦合边界荷载条件, 获得原始地应力场的分布特征。原始地应力场的3个主应力中：1个主应力方向基本是垂直的, 称为垂直主应力; 另外2个主应力方向基本上是水平的, 称为水平主应力, 较大的水平主应力称为最大水平主应力, 较小的称为最小水平主应力。地应力由自重应力和地质构造应力构成, 二者分别对水平地应力和垂直地应力分量产生影响。
本文利用Z储气库已有的地应力资料, 对该区块最大水平主应力进行了分析, 并根据地层倾角测井确定其方向为NE-SW向。三维地应力场反演获得储层原始最大水平主应力范围为41.9~82.4 MPa, 均值为61.8 MPa; 储层原始最小水平主应力范围为28.7~58.8 MPa, 均值为43.9 MPa（图7）。
 | 图7 储层原始最大、最小水平主应力大小分布 |
3.2 极限承压能力分析
储气地质体的极限承压能力是指在地层压力条件下, 储气库能够安全、高效地储存气体的最大压力值, 该能力对确保储气库的安全运行和高效利用至关重要。
储气地质体包括盖层、储层、断层, 确保盖层和断层的封闭性是储气库安全运行的重要地质属性。
3.2.1 盖层静态密封性评价
3.2.1.1 拉伸破坏
拉伸破坏是储气库盖层在高强度注采交变下力学完整性评价的重要组成部分。储气库高速注采加剧储层非均质性的影响, 尤其是注气过程中, 井底局部压力可能大于最小水平主应力而使盖层发生拉伸破坏。尤其是埋藏较浅的气藏型储气库, 盖层拉伸破坏风险远高于剪切破坏。但国内气藏型储气库大部分埋藏较深, 上限压力一般远小于最小水平主应力。有学者提出盖层拉伸破坏安全指数[13, 14], 将其定义为任一地层压力下盖层最小水平主应力与原始最小水平主应力之比, 并认为该值大于0时盖层未破坏, 小于0时盖层被破坏。
气藏原始地层、建库前盖层最小水平主应力最小值为正值（图8）, 因此盖层拉伸破坏安全指数为正值, 未产生拉应力。储气库处于上限压力时盖层依然未发生破坏, 表明Z储气库地质体抗拉伸破坏能力较强。地质力学模型评价抗拉伸破坏允许最大压力为58.3 MPa。
 | 图8 气藏原始地层、气库建库前盖层最小水平主应力分布 |
3.2.1.2 疲劳剪切破坏
储气库目前运行上限压力为31.5 MPa。为了评估这一压力下储气库的安全性, 利用Petrel软件进行了四维地质力学分析。根据剪切破坏理论, 分析结果显示盖层极限孔隙压力为48.8 MPa, 剪切破坏超压临界系数约为1.62, 证实当前压力荷载作用下盖层岩体所承受的破坏力低于临界失稳阈值, 盖层稳定性较好（图9）。
 | 图9 不同注采周期与深度对应的盖层包络线 |
3.2.2 断层封闭性评价
断层封闭性评价是指通过断面正应力、剪切滑移指数、临界扰动应力-活化压力、滑移临界承压能力4个指标来对断层的极限承压能力进行评价, 具体结果如表1所示。
 | 表1 Z储气库断层可承受的最大地层压力评价 MPa |
从断面正应力来看, 断面的闭合程度受控于埋深、构造应力场以及断层产状等因素, 当法向应力超过5 MPa临界值时, 断面裂隙闭合或压紧, 导致断面处发生研磨, 这种摩擦-压溶耦合作用使泥质组分向断裂中发生塑性流动, 将显著提升断层的自封闭效果。根据解析计算, 边界T断层所能承受的最小断面正压力为44.3 MPa, 远远大于5 MPa, 表明边界T断层的垂向密封性较好。
从剪切滑移指数来看, 随着注气量增加, 逐步左移, 在上限压力41 MPa时, 达到临界状态。
从临界扰动应力-活化压力来看, T断层下盘活化压力系数最小值为1.34, 上盘活化压力系数最小值为1.37, 均大于当前地层压力系数, 说明断层未活化。模型评价断层活化允许最大压力为40.2 MPa。
从滑移临界承压能力来看, 当断层面上的最大剪应力超过其剪切强度时, 断层可能发生滑动。研究区内控圈T断层的滑移压力计算结果表明：T断层下盘、上盘滑移压力系数最小值均为1.71, 大于当前地层压力系数, 垂向封闭性好。分析认为滑移临界承压能力允许最大压力为35.1 MPa。
综上所述, 从盖层静态密封性和断层封闭性2个层面多指标评价, Z储气库断层可承受的最大地层压力为35.1 MPa。
4 储气库圈闭四维动态地质力学分析
圈闭动态密封性直接决定储气库最大安全运行压力和运行压力差, 四维地质力学建模是评价储气库极限承压能力的核心技术。可能发生的地质风险主要包括：盖层动态密封性失效, 盖层剪切损伤、拉伸破坏; 储层剪切风险和拉伸风险; 断层带激活、滑移等。
4.1 盖层四维地质力学分析
Z储气库经过多周期注采后, 盖层的剪切指数为0.75~0.95, 远小于1, 表明盖层风险破坏较小。盖层的最小有效主应力为12.5 MPa, 表明未产生拉应力, 说明地质体抗拉伸破坏能力较强（图10）, 盖层密封性保持良好。
 | 图10 多周期注采后盖层应力模型 |
4.2 储层四维地质力学分析
储层稳定性直接影响储气库的注采效率。通过储层稳定性评价, 可更好地了解储层的结构和性质, 采取更有效的开采方法, 通过提高或降低上下限运行压力, 提高注采能力。本研究采取室内试验与数值模拟相结合的方法, 通过地质力学分析评价储层拉伸破坏、剪切破坏, 完成Z储气库储层稳定性分析。
4.2.1 储层拉伸破坏评价
Z储气库经过多周期注采后, 最小有效主应力平均值为17.5 MPa, 最小值为5 MPa（图11）。根据拉伸破坏准则, 有效应力为负值时即出现拉应力, 储层岩石将发生拉伸破坏。当前注采情况下, 储层各方向有效应力均大于零, 不会发生拉伸破坏。
 | 图11 储层最小应力模型 |
4.2.2 储层剪切破坏评价
根据抗剪强度理论, 通过岩石力学参数粘聚力和内摩擦角可以判断储层岩石是否发生剪切破坏。通过注采井附近的最大、最小水平主应力计算储层剪切指数, 模拟结果显示, 注采井附近剪切指数均大于1, 表明当前注采工况下, 储层不会发生剪切破坏。
4.3 断层动态稳定性评价
在油田开发及储气库注采过程中, 需要对断层的应力状态进行评价, 来判断断层的密封性。在一定的应力状态下, 如果断层/破裂面上的剪应力超过临界剪应力时, 即沿破坏面发生滑动, 则原有的断层面将重新激活, 该不连续面是不稳定的; 如果未超过临界剪应力, 则认为该不连续面是稳定的。判断断层是否稳定, 主要通过对以下几个参数进行分析。
4.3.1 断层滑动趋势分析
滑动趋势又称滑移指数, 为断层面剪切应力与有效法向正应力的比值, 该比值一般介于0~1之间, 无量纲, 是用于评估断层在特定应力状态下发生滑动（即破裂或错动）的相对可能性的量化指标。当滑移指数逐渐增大并趋近于1时, 断层的滑动趋势逐渐增强, 风险性升高, 当超过1时, 断层开始发生滑动。Z储气库在初始地层条件及建库前, 控圈断层T的滑移指数均未超过1（图12）, 表明Z储气库滑移风险较低; 随着注采轮次的增加, 虽然断层表面出现风险点, 但仍处于安全状态。
 | 图12 断层不同时期滑动趋势图 |
4.3.2 膨胀趋势分析
膨胀趋势又称膨胀系数, 为断层最大水平主应力和所受正应力之差与差应力的比值, 该值介于0~1之间, 无量纲, 是用于定量评估断层在当前地应力场下张裂的相对可能性的指标。当膨胀系数逐渐增大并趋近于1时, 断层发生张性活动的风险升高。Z储气库控圈T断层在初始地层条件和建库前, 膨胀系数均小于1, 发生张拉破坏风险较低（图13）; 随着注采轮次的增加, 该系数仍小于1, 说明经过多周期注采, T断层发生张拉破坏风险仍较低。
 | 图13 断层不同时期膨胀趋势 |
4.3.3 库仑失效函数分析
库仑失效函数为无内聚力断层面所受的实际剪切应力与临界剪切应力的差值, 即断层发生滑动时所需增加的最小剪切应力, 是评估断层稳定性的物理参数。库仑失效函数为0 MPa时是断层活动的临界值, 当库仑失效函数小于0 MPa时表明断层是稳定的, 反之则断层易发生活动。Z储气库控圈T断层在初始地层条件、建库前及多周期注采后, T断层发生张拉破坏风险仍较低, 处于稳定状态（图14）。
 | 图14 断层不同时期库仑失效函数 |
4.3.4 临界孔隙压力分析
临界孔隙压力是断层发生滑动所需增加的最小流体压力值, 该参数将滑动趋势的定性评价升级为定量表征。建库前, T断层储层临界孔隙压力为36 MPa, 经多周期注采后, 临界孔隙压力降为35.3 MPa（图15）, 大于设计上限压力值31.5 MPa, 表明断层较稳定。
 | 图15 断层不同时期临界孔隙压力 |
5 结论与建议
本文采用室内实验与地质力学理论相结合的途径, 对Z储气库多周期注采运行下地质体的完整性进行了评价。
（1）通过三轴压缩实验, 获得了Z储气库的储层、盖层的力学参数, 储气库盖层岩石弹性模量为14.25~17.54 GPa、泊松比为0.16~0.17; 储层岩石弹性模量为6.87~13.33 GPa, 泊松比为0.13~0.24。为后期深入研究储气库地质体完整性提供了重要依据。
（2）通过三维地质力学分析, 对Z储气库地质体的承压能力进行了评估, 认为盖层的极限孔隙压力为48.8 MPa, 控圈T断层的极限承压能力为35.1 MPa, 因此, Z储气库圈闭的极限承压能力为35.1 MPa。Z储气库的运行上限压力为31.5 MPa, 在安全范围内。
（3）通过流固耦合四维地质力学对Z储气库目前的密封性进行了评价, 针对盖层破坏、储层破坏以及断层稳定性进行了圈闭密封性评估, 认为在经历20个注采周期后, Z储气库的盖层、储层较稳定, 断层出现个别风险点, 但仍处于安全状态。
（4）受限于现有资料的完整性及地质体演化过程的复杂性, 当前基于岩石力学准则对盖层-断层稳定性的评价仍存在一定不确定性。为进一步提升Z储气库地质体风险管控精度, 需依托四维地质力学模型研究成果, 扩大监测井网密度、深化多场耦合动态监测, 构建储气库全生命周期地质安全预警系统, 为储气库长期安全高效运行提供更精准的理论支撑。
（编辑 孔宪青）
参考文献
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