水淹衰竭型地下儲氣庫的達容規(guī)律及影響因素

馬小明 余貝貝 成亞斌 馬東博 張桂明 王艷華 楊玉生

中國石油大港油田公司勘探開發(fā)研究院

水淹衰竭型地下儲氣庫的達容規(guī)律及影響因素

馬小明 余貝貝 成亞斌 馬東博 張桂明 王艷華 楊玉生

中國石油大港油田公司勘探開發(fā)研究院

水淹衰竭型地下儲氣庫庫容動態(tài)變化過程中的驅(qū)水達容規(guī)律具有復雜性和普遍性，是研究地下儲氣庫達到設計庫容時間及最終能達到庫容量的重要依據(jù)。為此，以大港地下儲氣庫群5個投產(chǎn)運行多年的水淹衰竭型地下儲氣庫為例，通過含水巖心氣驅(qū)擴容室內(nèi)實驗，揭示了地下儲氣庫的達容規(guī)律：①地下儲氣庫庫容量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，并最終趨于最大庫容量；②地下儲氣庫投產(chǎn)初期庫容增速快，后期增速變緩；③地下儲氣庫地下墊氣量與工作氣量呈正增長關系，但增長不同步。進而總結出了影響地下儲氣庫達容的主要因素：地下儲氣庫的構造特征、儲層物性、注采能力、水體分布以及擴容方式。

地下儲氣庫 水淹衰竭型氣藏 水體 庫容 達容規(guī)律 影響因素 構造特征 儲層物性 注采能力

1 概況

利用廢棄油氣藏改建地下儲氣庫是國內(nèi)外地下儲氣庫建設的主要類型，在國內(nèi)已建的地下儲氣庫中由水淹氣藏改建地下儲氣庫又是普遍現(xiàn)象［1］。目前我國建成投產(chǎn)的用于商業(yè)性調(diào)峰的地下儲氣庫主要是大港地下儲氣庫群，共有6座，均為砂巖孔隙型，其分布如圖1所示。除大張坨地下儲氣庫外，其余5座地下儲氣庫均由水淹衰竭氣藏改建而成。

目前國內(nèi)對地下儲氣庫庫容的研究多集中于最大庫容量值的確定方法［2－6］。地下儲氣庫設計的庫容量是一個最大靜態(tài)值，也是需要多個注采運行周期才能逐漸達到的目標最大值。因地質(zhì)結構的復雜性、氣藏內(nèi)部流體的混雜性以及地下儲氣庫生產(chǎn)運行方式等方面的原因，地下儲氣庫達到設計庫容是一個長期、復雜的動態(tài)變化過程，業(yè)內(nèi)稱為“達容”過程。對于水淹衰竭氣藏改建的地下儲氣庫其庫容動態(tài)變化過程中體現(xiàn)的驅(qū)水達容規(guī)律，是研究地下儲氣庫達到設計庫容時間以及最終能達到庫容量的重要依據(jù)，而目前國內(nèi)尚無進行此項理論研究的報道，更缺少相應的實例研究。為此，以含水巖心氣驅(qū)擴容室內(nèi)實驗為基礎，以大港儲氣庫群達容實例為依據(jù)，系統(tǒng)闡述了水淹衰竭氣藏改建地下儲氣庫的達容規(guī)律及其影響因素。

圖1 大港地下儲氣庫分布圖

2 含水巖心氣驅(qū)擴容物理模擬實驗研究

選擇已建地下儲氣庫代表性的巖心，進行地下儲氣庫的注采機理物理模擬實驗研究，測試在不同實驗條件、不同注采周期下地下儲氣庫巖心注氣量、采氣量及產(chǎn)液量隨時間的變化規(guī)律。研究水淹型地下儲氣庫在多次循環(huán)注氣、采氣過程中氣、液間的相互作用、氣液滲流特征、采出程度及其對儲采氣能力的影響，為衰竭氣藏改建儲氣庫的達容變化規(guī)律提供實驗依據(jù)。

2.1 實驗過程

1）建立4塊巖心的原始含水氣藏模型，其中1－1、1－2號為低孔低滲巖心，2－1、2－2號為中高孔中高滲巖心。

2）針對4塊巖心分別進行了較低采氣速度下的3次采氣和2次注氣循環(huán)實驗，模擬地下儲氣庫低速注氣驅(qū)水的3次過程。

3）對低孔低滲的巖心1－2和中孔中滲巖心2－2分別進行了較高采氣速度下的4次采氣和3次注氣循環(huán)實驗，模擬地下儲氣庫高速注氣驅(qū)水的4次過程。

4）4塊巖心的試驗壓力介于35～10 MPa，相當于地下儲氣庫原始壓力的100%～29%。

2.2 實驗結果

實驗結果得出的地下儲氣庫巖心注氣驅(qū)水擴容變化曲線如圖2所示。

圖2 地下儲氣庫巖心注氣驅(qū)水擴容變化曲線圖

1）氣驅(qū)水效率與巖石的致密性有關：中高孔中高滲巖心的氣體驅(qū)水效率明顯高于低孔低滲巖心，第1次氣驅(qū)水效率可以達到34%～40%，經(jīng)過3～4次的驅(qū)替，氣驅(qū)水效率可以達到36%～46%。

2）氣驅(qū)水效率與驅(qū)替速度有關：低速注氣驅(qū)水擴容效率大于高速注氣驅(qū)水擴容效率，中高孔中高滲巖心擴容效率差異較大，可達4%，低孔低滲巖心達2%。

3）氣驅(qū)水效率與驅(qū)替次數(shù)有關：隨驅(qū)替次數(shù)的增加，巖心每次采氣的產(chǎn)水量逐漸減少，巖心增容能力逐漸減弱并趨于最大值，中高孔中高滲巖心的氣體驅(qū)水最高效率可達46%，低孔低滲巖心氣體驅(qū)水最高效率可達36%。

2.3 實驗規(guī)律

實驗結果揭示：地下儲氣庫內(nèi)的含水區(qū)可以實現(xiàn)較高的氣體驅(qū)替，4塊巖心的氣驅(qū)試驗壓力降落區(qū)間為地下儲氣庫原始壓力的100%～29%時，第1次氣體驅(qū)替效率可達到34%～40%，第2、3次累加氣驅(qū)效率可達36%～46%；地下儲氣庫實際注采生產(chǎn)過程中隨多周期的注采驅(qū)替，氣驅(qū)水達容效率是逐步增加的過程，或者說若要實現(xiàn)地下儲氣庫較高的氣體驅(qū)替效率，則需要多年的注采周期。

3 已建水淹衰竭型地下儲氣庫的庫容變化規(guī)律

5座水淹衰竭氣藏地下儲氣庫都是由帶邊水的衰竭開發(fā)至廢棄的凝析氣藏改建而成，盡管注采周期不同，但都體現(xiàn)了相同的庫容變化規(guī)律。各地下儲氣庫注采時的庫容變化曲線如圖3～7所示。

圖3 板876地下儲氣庫庫容變化曲線圖

圖4 板中南地下儲氣庫庫容變化曲線圖

圖5 板808地下儲氣庫庫容變化曲線圖

圖6 板828地下儲氣庫庫容變化曲線圖

圖7 板中北地下儲氣庫庫容變化曲線圖

1）地下儲氣庫庫容量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，并最終趨于最大庫容量。以注氣期結束時的庫容量為地下儲氣庫的當期庫容量，采氣期結束時的庫容量為地下儲氣庫的當期墊氣量，庫容量與墊氣量之差即為當期工作氣量（采氣量）。從地下儲氣庫的實際庫容量變化曲線看（圖3～7），隨著地下儲氣庫注采周期的增加，庫容曲線普遍右移，地下儲氣庫庫容明顯增大，而且注采周期越多，庫容增加愈多。板876地下儲氣庫運行5～8個注采周期時，庫容變化曲線基本重疊，表明地下儲氣庫已達到最大庫容量。由此也說明地下儲氣庫達容是一個長期的過程。從已建地下儲氣庫的達容特征看，水淹型地下儲氣庫的達容周期超過5年。

2）地下儲氣庫投產(chǎn)初期庫容增速快，后期增速變緩。從地下儲氣庫庫容增量與注采周期關系曲線看（圖8），盡管地下儲氣庫不同、注采周期不同，但基本遵循了早期擴容多、后期擴容少、庫容逐漸增加的規(guī)律。水淹衰竭型氣藏改建地下儲氣庫后，第1注采周期由于地層壓力低，地下儲氣庫虧空大，注入氣以彌補空余的孔隙空間為主，庫容增加快。一旦第1注采周期補虧庫容之后，隨著地下墊氣量增多和地層壓力水平的提高，第2注采周期達容主要體現(xiàn)在以氣驅(qū)水置換水體孔隙空間為主，驅(qū)水擴容成為主要增容方式，增容難度增大，增容幅度變小。同時此階段也真實反映了地下儲氣庫地層水體對庫容的影響效果。

圖8 地下儲氣庫庫容增量與注采周期的關系曲線圖

盡管地下儲氣庫的達容過程具有前快后慢的特點，但地下儲氣庫從第2注采周期開始，單位壓力下庫容的變化量即彈性庫容率卻基本維持在一個穩(wěn)定值，盡管不同地下儲氣庫的該數(shù)值不同，但同一地下儲氣庫彈性庫容率基本穩(wěn)定的規(guī)律相同。地下儲氣庫單位壓力庫容變化曲線圖9所示。同理，在圖3～7中每個地下儲氣庫不同注采周期的曲線斜率也基本相同，反映每一個地下儲氣庫在壓力運行區(qū)間內(nèi)單位壓力變化所波及的有效孔隙空間容積基本不變。由此推測，實際上地下儲氣庫內(nèi)的氣水與地下儲氣庫外部的弱水體總體上組成了同一氣水系統(tǒng)，類似于定容氣水系統(tǒng)的特征。以板876地下儲氣庫為例，在地下儲氣庫生產(chǎn)運行的8個注采周期中，除第5注采周期生產(chǎn)管理因素外，其余各注采周期的彈性庫容率基本相同，無論庫容增速快慢或庫容量大小變化，但彈性庫容率卻基本不變。但板中北地下儲氣庫卻是個特例，其具有較強的邊部水體，在地下儲氣庫生產(chǎn)運行的7個注采周期中，隨著注采周期增加庫容量逐漸增大，同期彈性庫容率也逐漸增大，反映了強邊水地下儲氣庫的庫容率變化規(guī)律。

圖9 各注采周期內(nèi)地下儲氣庫單位壓力庫容變化曲線圖

3）地下儲氣庫的墊氣量與工作氣量呈正增長關系，但增長不同步。地下儲氣庫的每一注采周期墊氣量都在增加，由于儲層物性的非均質(zhì)性及地下儲氣庫內(nèi)侵入水體的存在，導致水淹型地下儲氣庫注氣階段會有一部分氣體向邊部水體突進，在采氣階段由于水的阻隔作用，造成部分氣體成為死氣區(qū)無法采出，顯示為盡管地下的存氣量不斷增加，庫容量不斷增加，但工作氣量卻比庫容增加得緩慢（圖10、11）。

圖10 板876地下儲氣庫各注采周期內(nèi)庫容量與工作氣量關系圖

圖11 板中北地下儲氣庫各注采周期內(nèi)庫容量與工作氣量關系圖

4 影響地下儲氣庫達容的主要因素

目前，大港水淹衰竭型氣藏改建的地下儲氣庫經(jīng)過5～8個注采周期的運行，庫容達容率為70%～90%，影響水淹衰竭型地下儲氣庫達容的主要因素有以下5點：

4.1 地下儲氣庫構造特征對達容的影響

地下儲氣庫的構造特征影響著達容的速度。對于完整的背斜或單斜構造型地下儲氣庫，邊部水體在建庫前的氣藏開采階段，由低向高的水侵結果通常使低部位含水多高部位含水少，流體分布遵循上輕下重的重力分異規(guī)律。當?shù)叵聝鈳觳扇∮筛呦虻偷淖怛?qū)水達容方案時，這種規(guī)律性表現(xiàn)得更突出，這是由實踐證實的普遍性規(guī)律。板中北高點地下儲氣庫7個注采周期后的流體分布狀態(tài)如圖12所示。對于內(nèi)部存在較多斷層的破碎型地下儲氣庫，由于斷層的阻隔作用，只能形成局部性的小單元注氣驅(qū)水達容過程，通常由于范圍小、井數(shù)少，無法實現(xiàn)高部位注氣向低部位驅(qū)水的理想過程，造成小單元內(nèi)氣水分布混雜、驅(qū)水達容效果差，進而影響到整個地下儲氣庫驅(qū)水達容的效果。如板中南地下儲氣庫整體形態(tài)為一背斜構造（見圖12），但由于內(nèi)部發(fā)育有5條小斷層，造成多個小單元自成系統(tǒng)，難以實現(xiàn)完善的氣體驅(qū)水注采關系，影響了達容效率，延長了達容時間。板中南地下儲氣庫5個注采周期后的流體分布狀態(tài)如圖12所示。

圖12 板中北地下儲氣庫和板中南地下儲氣庫的流體分布現(xiàn)狀圖

4.2 地下儲氣庫儲層物性對達容的影響

儲層物性的好壞和非均質(zhì)性的強弱直接影響著地下儲氣庫的達容效果。由于水淹衰竭型氣藏改建的地下儲氣庫實現(xiàn)庫容主要依靠注氣驅(qū)水擴容，因此儲層物性較好的地下儲氣庫注氣驅(qū)水速度快、效果好，而儲層物性較差的地下儲氣庫注氣驅(qū)水速度慢、效果差，這已為室內(nèi)巖心實驗和開采實踐所證實。

儲層非均質(zhì)性強弱對地下儲氣庫驅(qū)水擴容效率的影響較大，在注氣和采氣過程中，儲層高滲透帶氣驅(qū)水速度快，低滲透帶氣驅(qū)水速度慢，非均質(zhì)性強弱造成氣水移動界面不會呈活塞式移動，而是出現(xiàn)舌進、指進等現(xiàn)象。其中板中南高點地下儲氣庫除內(nèi)部斷層影響外，儲層非均質(zhì)性強也是造成達容效果差的重要原因。

4.3 地下儲氣庫注采能力對達容的影響

水淹衰竭型氣藏改建的地下儲氣庫，改建地下儲氣庫前的氣藏內(nèi)部均有不同程度的水淹，且通常氣水分布復雜，往往出現(xiàn)新鉆井井底氣水混雜分布的現(xiàn)象，導致地下儲氣庫井開始生產(chǎn)就見水。氣井含水降低了氣井的產(chǎn)能，進而降低了地下儲氣庫的采氣量；同時氣井井底地層含水，增大了地層流體的滲流阻力，影響了累計注氣量。地層含水對氣井注氣、采氣能力的雙向影響，降低了地下儲氣庫每個生產(chǎn)周期的注氣量與采氣量，致使氣驅(qū)水達容速度降低。

4.4 地下儲氣庫地層水體對達容的影響

水體對地下儲氣庫達容的影響主要表現(xiàn)在以下3個方面：①地下儲氣庫的快速采氣生產(chǎn)導致邊水侵入地下儲氣庫內(nèi)部，邊部水體能量愈強則侵入地下儲氣庫的程度越強，而退出地下儲氣庫的程度越弱，達容難度越大；②地下儲氣庫內(nèi)存在的水體（尤其是井底附近的水體）封堵了氣體滲流通道，降低了注入氣的滲流能力和散布范圍，使注氣井少量注氣就會造成井區(qū)壓力快速升高，迅速達到地下儲氣庫上限壓力，使得注氣過程被迫停止，降低注氣量，導致井區(qū)壓力達到地下儲氣庫上限壓力，但整個地下儲氣庫實際的平均地層壓力明顯小于設計的運行上限壓力；③水體的影響導致氣井含水后出現(xiàn)高壓停采，使得地下儲氣庫運行的下限壓力高于設計的下限壓力，縮小了地下儲氣庫運行的真實運行區(qū)間，嚴重影響了地下儲氣庫的達容速度和工作氣量。

4.5 地下儲氣庫擴容方式對達容的影響

地下儲氣庫達容的途徑有2種：①注入氣驅(qū)替庫內(nèi)水體外移實現(xiàn)驅(qū)液達容；②通過氣井采液來增加庫容。從地下儲氣庫實際生產(chǎn)效果分析，水淹衰竭型氣藏改建地下儲氣庫的達容規(guī)律以驅(qū)液達容為主、采液達容為輔。板876地下儲氣庫運行8個注采周期驅(qū)液和采液增加的庫容量數(shù)值如表1所示。

表1 板876地下儲氣庫不同注采周期庫容量的變化情況表 108 m3

板876地下儲氣庫庫容量從投產(chǎn)運行前的1.530 ×108m3上升到第8注采周期的4.005×108m3，累計增加了2.475×108m3，其中驅(qū)替累計增加2.385× 108m3，占總庫容增量的96.36%，采液累計增加0.090 ×108m3，占總庫容增量的3.64%。可見水淹衰竭型地下儲氣庫庫容的增加量以注氣驅(qū)替水體為主，氣井采液增加的庫容量比例較小。其他水淹衰竭型氣藏改建地下儲氣庫的達容規(guī)律也基本相同。

5 結論

大港地下儲氣庫是國內(nèi)最早一批建成投產(chǎn)的地下儲氣庫，其庫容的變化規(guī)律及其影響因素對目前國內(nèi)正在建設或待建的地下儲氣庫有著重要的借鑒意義。地下儲氣庫的注采機理物理模擬實驗研究規(guī)律表明：地下儲氣庫內(nèi)的含水區(qū)可以實現(xiàn)較高的氣體驅(qū)替，但氣驅(qū)水達容效率是逐步增加的過程，需要多年的注采周期才能實現(xiàn)。以大港水淹型地下儲氣庫為例，總結了地下儲氣庫擴容規(guī)律及影響庫容的主要因素：

1）地下儲氣庫庫容量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，并最終趨于最大庫容量。

2）地下儲氣庫投產(chǎn)初期庫容增速快，后期增速變緩。

3）地下儲氣庫地下墊氣量與工作氣量呈正增長關系，但增長不同步。

4）影響地下儲氣庫達容的主要因素包括：構造特征、儲層物性、注采能力、水體分布以及擴容方式。

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Rules and influencing factors on the capacity establishment of underground gas storage based on flooded depleted gas reservoirs

Ma Xiaoming，Yu Beibei，Cheng Yabin，Zhang Guiming，Wang Yanhua，Yang Yusheng，Ma Dongbo
（Research Institute of Exploration and Development of Dagang Oilfield Company，PetroChina，Tianjin 300280，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 2，pp.86－90，2／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

The rules on water displacement and capacity establishment during the dynamic changing process of underground gas storage（UGS）based on flooded depleted gas reservoirs are of complexity and generality and are also an important basis in determining the final storage capacity and the time needed to achieve the designed storage capacity.Based on the existing 5 UGSs built on flooded depleted gas reservoirs operated by the Dagang Oilfield Company，this paper hereby reveals the capacity establishment rules by means of indoor experiments on gas－driving capacity expansion of water－bearing core.First，the storage capacity of UGS shows a gradually growing trend and will eventually reach the maximum storage capacity.Second，the capacity grows rapidly at the early stage and slows down at the late stage.Third，there exists a positive relationship between the UGS cushion gas volume and the working gas volume，but the growth is not synchronized.The paper also concludes that the main factors which impact the UGS capacity establishment process include the structural characteristics，reservoir petrophysical properties，injection and production capacity，water distribution，and capacity expansion means.

underground gas storage（UGS），flooded depleted gas reservoir，water body，storage capacity

馬小明，1962年生，高級工程師，博士；中國石油大港油田公司氣藏工程首席專家；長期從事天然氣開發(fā)科研工作。地址：（300280）天津市大港區(qū)大港油田勘探開發(fā)研究院新樓1012室。電話：（022）63953147，13820560790。E－mail：mxm688＠sina.com

馬小明等.水淹衰竭型地下儲氣庫的達容規(guī)律及影響因素.天然氣工業(yè)，2012，32（2）：86－90.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.2.021

2011－09－24 編輯 何 明）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.02.021

Ma Xiaoming，senior engineer，born in 1962，has been long engaged in natural gas development and scientific researches.

Add：Room 1012，New Building of Research Institute on Exploration and Development of Dagang Oilfield Company，Dagang District，Tianjin 300280，P.R.China

Tel：＋86－22－6395 3147 Mobile：＋86－13820560790 E－mail：mxm688＠sina.com