氣藏型地下儲氣庫完整性管理體系及風險識別

馬增輝，徐長峰，王明鋒，許 鵬，姬 康，張海明

(新疆油田公司 呼圖壁儲氣庫作業區，新疆 呼圖壁 831200)

0 引言

地下儲氣庫作為天然氣產業中儲配系統的重要組成部分，具有儲量大、穩定性能好、調峰能力強的優點，能夠有效調節天然氣產銷環節中的不平衡、不均勻。同時，作為目前最大的儲氣“容器”，能有效彌補天然氣管網系統的應急能力較差的缺陷[1]。

自我國第1個儲氣庫喇嘛甸投產以來，隨著我國儲氣庫陸續建設及投產運行，在注采運行中出現環空異常帶壓[2-3]、套管密封塞的破損、地面設施缺陷、超壓，鹽巖蠕變、浸出等引起的運行失效、井口壓力缺失、管柱腐蝕等[4]完整性問題，陽小平等[5]采用定性與定量的評價方法對地下儲氣庫斷層的完整性進行評價，但未對地下地質結構條件進行評價。魏東吼等[1]限定了儲氣庫完整性評價的對象，提出儲氣庫地面設施完整性管理的具體內容與儲氣庫井完整性管理流程，但未提出儲氣庫井以及地質體完整性管理的內容。范張川[6]對文96地下儲氣庫進行了風險評價技術研究，主要對地面工程進行研究分析，未深入涉及到地下工程完整性管理。羅金恒等[7]提出儲氣庫的完整性包括地層、井筒、地面3個方面，并提出地層-井筒-地面立體化檢測體系，但尚未具體明確地質體的概念。鄭雅麗等[8]提出地質體完整性的基本內涵及評價技術，其主要包括圈閉有效性、蓋層完整性、斷層穩定性、儲層穩定性評價技術，但未對井筒、地面系統完整性進行歸納。從以往研究成果來看，主要是儲氣庫的地面系統[9-10]、注采系統[11-12]方面的完整性研究。

目前，氣藏型儲氣庫為有效地進行運行管理，實現優化運行，主要采取地下儲氣庫氣藏管理、地下儲氣庫壓縮機組管理及地下儲氣庫注采壓力限值管理等管理措施，以達到提高注采氣壓縮機組的運行效率，有效保護地層，并能夠在保證安全的情況下，不斷擴大有效儲層面積，增大庫容,如表1所示。而我國儲氣庫在安全環保管理、風險管控能力等安全管理方面較發達國家有一定差距，表現為安全管理意識不強、管理制度不健全、管理專業人員缺乏、管理模式陳舊[13]。

表1 氣藏型儲氣庫運行管理現狀Table 1 Current situation of operation and management of gas reservoir type gas storage

“強注強采”是地下儲氣庫與常規氣田最為顯著的區別，使儲氣庫承受不穩定的地應力，同時與可能出現的腐蝕、沖蝕、巖層蠕變、地質活動等潛在危險因素相結合，會極大的威脅儲氣庫的穩定和安全可靠性[7]。國外儲氣庫事故慘痛的教訓表明：長時間以及大規模對儲氣庫強注強采會造成圈閉及蓋層等地質構造失穩，固井結構以及生產套管失效，地面設施故障，甚至發生泄漏、燃燒或爆炸的事故[14]。儲氣庫完整性管理作為1種新的管理模式和工具，不僅能夠安全保障儲氣庫正常運行，也能為儲氣庫全生命周期管理提供指導。

1 儲氣庫完整性內涵與管理體系

1.1 儲氣庫完整性內涵

對于氣藏型地下儲氣庫完整性，既要從空間上承接管道與油氣井完整性的特點，也要從時間上貫穿地質體、儲氣庫井與地面設施功能始終處于安全可靠的服役狀態，其內涵主要包括3個方面：1)地質體、儲氣庫井與地面站場設施各單元在物理上與功能上是完整的；2)在設計、建造、運營及廢棄等全生命周期內始終處于可靠受控狀態；3)運營方將不斷地采取相關措施防止地下儲氣庫事故的發生。氣藏型儲氣庫完整性管理包含但不局限于管道完整性管理的內容，管理與評價內容對象不同、管理的方式方法不同、對風險管理的要求亦不同。本文基于管道完整性管理的6步循環提出氣藏型儲氣庫完整性管理的6步循環：數據采集、單元識別、風險評價、完整性評價、維修與維護、效能評價。

1.2 儲氣庫完整性管理體系

氣藏型儲氣庫是基于已經開采枯竭廢棄或開采到一定程度的氣藏，掌握油氣層的孔隙度、滲透率、水浸現象、巖層厚度、井身結構等方面的數據，利用對各種地下巖層的改造而形成的儲氣庫。基于管道與井筒完整性管理提出儲氣庫完整性管理，主要分為6個環節：數據采集、單元識別、風險評價、完整性評價、維修與維護、效能評價。對于氣藏型儲氣庫完整性管理而言，其特點與重點在于對地質體完整性管理。地質體作為氣藏型儲氣庫的核心單元，其完整性狀態是決定建造儲氣庫的先決條件，其安全穩定的工作狀態是保證儲氣庫安全運行的基本條件。對氣藏型儲氣庫進行完整性管理主要分為地面站場設施完整性管理、儲氣庫井完整性管理、地質體完整性管理，如圖1所示。基于此，對地面系統、儲氣庫井、地質體完整性管理體系進行分析。

圖1 氣藏型儲氣庫完整性管理內容Fig.1 Contents of integrity management of gas reservoir type gas storage

1)地面站場設施完整性管理體系

儲氣庫地面設施完整性管理與一般的站場完整性管理大同小異，國內外諸多學者展開了研究。站場地面設施完整性管理的對象主要包含站場風險評價、站場完整性評價、站場運行狀態管理、管道完整性檢測/監測等，具體管理體系結構如圖2所示。

圖2 地面站場設施完整性管理體系Fig.2 Integrity management system of ground station facilities

2)儲氣庫井完整性管理體系

儲氣庫的井完整性管理從時間跨度上應貫穿其設計、建設、運營等全過程。每1個過程的主要目標是對儲存流體的有效控制與監測。采集樹/井口裝置、生產套管與注采管柱、固井結構是儲氣庫井完整性的關鍵組成部分。儲氣庫井的完整性設計應涵括井口裝置、套管、管柱的密封完整性設計；由于儲氣庫有“強采強注”的特點，套管/管柱材質及結構應適應注采循環的工況，并根據地下巖層巖性選擇抗腐蝕材料。在建設期，主要是延長固井結構的壽命，確保地層-水泥環-套管的膠結質量、管柱絲扣密封性、環空保護液的時效性等技術；運營期間，儲氣庫井完整性管理體系如圖3所示，主要包括采氣樹/井口裝置完整性檢測、套管/油管柱完整性檢測、儲氣庫井維修與維護、固井結構完整性檢測等。

圖3 儲氣庫井完整性管理體系Fig.3 Integrity management system of gas storage wells

3)地質體完整性管理

對儲氣庫地質體進行評價涉及到圈閉構造地質學、儲層地質學、氣藏流體學等多學科交叉，地質體是由蓋層、儲層、斷層、監測層及流體的圈閉組成，其評價的內涵是設計前的儲氣空間規劃，庫容設計，地質體原始狀態、強注強采下不同階段的密封性，以保證儲氣庫長期安全高效運行。由于地質體復雜的地下環境及監測設備與技術的局限性，地質體完整性管理的難點是設計及建設期，需對圈閉進行有效性評價，其主要包含3個方面：構造形態及圈閉特征、斷層的封堵性、蓋層封蓋性。

在運行期需對蓋層完整性、儲層穩定性、斷層穩定性以及水體侵入進行評價，如圖4所示。

圖4 地質體完整性管理體系Fig.4 Integrity management system of geological body

根據蓋層封閉機理與儲氣庫的特性，蓋層完整性被破壞主要分為毛細管滲漏與力學破壞2種形式。針對這2種形式，可以用測定突破壓力值、多周期交變載荷疲勞損失實驗、小型水力壓裂獲最小水平主應力、數值模擬預測等方法對蓋層完整性進行評價。可以采用活動時期評價法、走向與地應力方向的配置關系評價法、斷層上下盤巖性或油氣界面差異分析法、斷層兩側儲層的生產差異性分析法、泥質含量分布率法、泥巖涂抹因子計算等方法對地下儲氣庫斷層完整性進行定性或定量評價。由于儲層易受儲氣庫強采強注影響而致使井底附近巖層破壞出現出砂現象，可導致儲層遭受剪切破壞及拉張破壞，基于此，以三維地址模型為基礎，建立儲層巖性模型，充分考慮注采壓差、地應力等因素的影響，利用有限元方法對模型進行數值模擬，通過預測出砂壓差評估儲層的穩定性。

1.3 氣藏型儲氣庫完整性管理的應用

利用數據采集、單元識別、風險評價、完整性評價、維修與維護、效能評價6步循環對氣藏型儲氣庫進行完整性管理，在建造儲氣庫的基礎資料之上，對儲氣庫地質體、儲氣庫井、地面站場系統數據進行采集。根據儲氣庫運營方對風險管理的要求，對單元識別與劃分，各單元對應指標；通過定量或定性的方法對各級指標進行風險評價，再由數學方法(如層次分析法等)對各級指標進行加權計算，最終對儲氣庫進行風險評價，得到儲氣庫的風險等級；采用數學或物理的方法對各級指標進行完整性評價，根據風險評價與完整性評價結果對儲氣庫采取一定的維修維護措施，最終對儲氣庫進行效能評價，氣藏型儲氣庫完整性管理技術如圖5所示。

圖5 氣藏型儲氣庫完整性管理相關技術Fig.5 Related technologies for integrity management of gas reservoir type gas storage

2 儲氣庫風險識別

據統計：截至2020年全球枯竭氣藏型地下儲氣庫事故共發生16起，包括儲層密封性失效引發氣體泄漏，注采氣系統失效以及地面設施失效[15]。為確保我國地下能源儲備系統的安全發展，需要有效識別氣藏型地下儲氣庫建設運營期間可能遇到的各種風險、建立有效的風險評價方法、采取有效的調控優化措施并最終構建完善的枯竭氣藏型儲氣庫風險評價管理體系。對儲氣庫進行風險識別，既有利于儲氣庫完整性管理，也利于保障儲氣庫安全運行。本文主要從安全環保風險方面對地面站場系統、儲氣庫井和地質體的風險進行識別與分析，可作為建立氣藏型儲氣庫事故樹圖的基礎，對完成儲氣庫的風險評估與評價、儲氣庫的失效概率與后果計算起到一定的作用，為管理儲氣庫提供安全的運行保障以及風險管控手段。

2.1 地面系統風險識別

有效識別與評估地面系統的風險因素，如表2所示，主要包括管道、壓力容器、壓縮機。分析失效可能性及其后果，從而采取有效的防范措施，可以有效保障儲氣庫安全運行和操作人員生命安全。

表2 地面系統風險識別及分析Table 2 Risk identification and analysis of ground system

2.2 儲氣庫井風險識別

儲氣庫井風險管理是完整性管理中重要的環節，是指對儲氣庫井進行風險識別，風險因素評估，采取有效性的維修與維護措施來降低或避免風險因素帶來的災害。其主要內容是對采氣樹及井口裝置、注采井筒、固井結構進行風險識別，如表3所示。

表3 儲氣庫井風險識別及分析Table 3 Risk identification and analysis of gas storage wells

2.3 地質體風險識別

地質體完整性是保障儲氣庫運行功能重要的一環。地質體是天然氣儲存的容器，其受地質結構的影響，是影響天然氣儲存的主要因素。對地質體進行風險識別，其事故類型主要分為斷層密封失效、蓋層及底托層密封失效、封堵井密封性失效及水體侵入，如表4所示。

表4 地質體風險識別及分析Table 4 Risk identification and analysis of geological body

3 結論

1)提出氣藏型完整性管理的6個環節：數據采集、單元識別、風險評價、完整性評價、維修與維護、效能評價。6個環節互相關聯為6步循環，貫穿在氣藏型儲氣庫完整性管理的工作中。

2)闡明氣藏型儲氣庫完整性管理概念，將儲氣庫完整性管理內容分為地面系統、儲氣庫井、地質體，并建立各自的完整性管理體系。以地質體完整性管理作為氣藏型儲氣庫完整性管理的核心。

3)基于6步循環闡述氣藏型儲氣庫完整性管理的內容，并對氣藏型儲氣庫完整性管理技術進行總結。對地面系統、儲氣庫井、地質體進行風險識別與分析，詳細分析了各模塊的事故類型與危險、有害因素分析。