基于多周期注采的氣藏型地下儲氣庫儲層滲流規律

范 宇 高新平 寧 飛 彭鈞亮 李力民 彭 歡 陳明君

1.中國石油西南油氣田公司工程技術研究院 2.中國石油西南油氣田公司技術咨詢中心 3.重慶相國寺儲氣庫有限公司 4.油氣藏地質及開發工程全國重點實驗室·西南石油大學

0 引言

近年來，隨著天然氣消費量的快速增長，儲氣能力不足與天然氣安全平穩供應之間的矛盾進一步加劇。地下儲氣庫作為保障天然氣能源市場安全、平穩運行的“壓艙石”，在天然氣全產業鏈中起到不可或缺的作用[1-2]。根據國際經驗，天然氣對外依存度一旦超過30%，地下儲氣庫工作氣量就需要超過消費量的12%，而中國2022年天然氣對外依存度達40.9%，而地下儲氣庫工作氣量僅為全國天然氣消費量的4%～5%，中國地下儲氣庫建設目前還處于快速發展初期[3-6]。中國新建地下儲氣庫大多由于地質條件復雜而存在建設難度大、運行風險高、建庫成本高等難題[7-9]。提高地下儲氣庫儲氣調峰能力，不僅應注重建設規模，還應加強對已建成地下儲氣庫潛力的挖掘，以確保地下儲氣庫高效運行。

地下儲氣庫注采生產具有多周期、大流量、強注強采的特征，這種特征必然會引起儲層滲流特征變化，不利于地下儲氣庫高效運行[10-13]：①不合理的注采壓差將引起儲層微粒運移堵塞油氣滲流通道[14-15]；②儲層有效應力發生周期性變化，表現出應力敏感性[16-18]；③注采生產時，儲層滲透率受溫度變化影響[19-21]；④儲層巖石力學特征隨多周期注采發生變化[22-23]。國內外研究表明，地下儲氣庫在多周期注采生產時，會引起儲層巖石強度、有效應力、注采壓差及溫度的變化，進而影響注采效果，但尚未就如何確保儲氣庫高效注采提出建議措施，且常規實驗評價方法難以準確評價多周期注采對儲層的傷害程度，缺乏一套基于地下儲氣庫多周期注采生產特征的實驗評價方法。

針對碳酸鹽巖氣藏型儲氣庫（以下簡稱儲氣庫）高效注采的技術難題，筆者以相國寺儲氣庫儲層為研究對象，基于儲氣庫注采生產特征建立實驗方法，開展儲層巖石強度、有效應力、注采壓差和溫度變化對儲層注采能力影響實驗，通過檢測實驗過程中巖樣的抗壓強度、滲透率、線性膨脹率變化，分析多周期注采對儲氣庫儲層滲流特征的影響，并以此建立基于儲層保護的儲氣庫高效注采技術。研究結果為優化儲氣庫注采制度提供實驗技術支撐，同時為其他儲氣庫制定高效注采方案提供指導和經驗借鑒。

1 實驗準備

1.1 實驗樣品

實驗巖樣來自于相國寺儲氣庫儲層巖心（圖1-a），根據測井解釋及巖心分析，孔隙度介于2.5%～16.1%，平均為4.94%；滲透率介于0.1～1 151.60 mD，平均為11.9 mD。加工巖心為直徑約2.5 cm，長度約5 cm 的柱狀樣（圖1-b、c）；除巖石力學實驗外，其余柱狀樣采用劈裂法進行人工造縫，獲得天然裂縫粗糙表面（圖1-d）；再用熱縮管包裹柱狀樣，檢測柱狀樣的孔隙度與滲透率。為了更好地開展實驗比對，將實驗巖心按孔隙度、滲透率劃分為優（孔隙度為16.1%左右、滲透率為20 mD 左右）、中（孔隙度為4.94%左右、滲透率為11.9 mD 左右）、差（孔隙度為2.5%左右、滲透率為0.1 mD 左右），優選能代表儲層物性特征的柱狀樣作為實驗樣品（表1）。

表1 實驗樣品孔滲參數檢測結果統計表

圖1 實驗樣品照片

1.2 實驗流體

檢測柱狀樣的孔隙度與滲透率，流體采用氮氣、氦氣；不同有效應力模擬實驗、注采壓差模擬實驗，流體采用純凈水；溫度對儲層巖石滲透率影響實驗，流體采用氮氣。

2 實驗方法

現有實驗評價是在儲層狀態不變，即在同一溫度（初始儲層溫度）、壓力（初始地層壓力）下開展實驗，這與儲氣庫在注采生產過程中儲層狀態周期性變化實際不相符。為了模擬儲氣庫在多周期注采過程中巖石抗壓強度、有效應力、注采壓差、溫度變化對儲層的影響，建立了模擬儲層多周期注采過程的儲層傷害實驗評價方法，實驗過程更符合儲氣庫實際注采生產工況。

2.1 實驗條件參數設計

儲氣庫運行時上覆地層壓力保持不變，儲層孔隙壓力在注氣時升高、采氣時降低，其始終在儲氣庫上、下限壓力之間反復變換。依據相似相近原理，室內實驗采用定圍壓、變孔壓的方式開展，利用圍壓模擬上覆地層壓力，注入壓力模擬儲層孔隙壓力，注入壓力改變模擬儲氣庫儲層多周期注采過程壓力的變化。

根據儲氣庫儲層上覆地層壓力測井解釋結果，確定實驗圍壓為71 MPa。由于儲氣庫多周期注采實際運行壓力介于11.6～30.0 MPa，有效應力介于41.0～59.4 MPa，注采生產壓差介于2.5～5.3 MPa，儲層溫度介于37.85～61.89 ℃，為提高實驗研究的針對性及準確性，實驗有效應力取40 MPa、50 MPa、60 MPa，實驗驅替壓差取2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa、7 MPa，實驗溫度取30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃。

2.2 實驗方案

為了準確評價儲氣庫多周期注采生產過程中，儲層巖石抗壓強度、有效應力、注采壓差、溫度變化對儲層的影響。模擬儲氣庫儲層多周期注采生產狀態，檢測實驗樣品抗壓強度，評價巖石抗壓強度變化對儲層裂縫產生及儲氣庫安全運行的影響；檢測實驗樣品滲透率的變化，評價有效應力變化對儲層滲流能力的影響；檢測實驗樣品滲透率、流體濁度，評價注采壓差變化引起微粒運移對儲層的傷害程度；檢測實驗樣品線性膨脹率、滲透率，評價注采生產過程儲層溫度變化對儲層滲流能力的影響（表2）。

表2 儲氣庫多周期注采對儲層影響實驗方案設計表

1）儲層巖石抗壓強度實驗：利用多功能巖石力學儀開展三軸巖石力學實驗，選取物性特征相近的3個實驗樣品，設置實驗溫度為60 ℃，實驗圍壓（有效應力）分別為40 MPa、50 MPa、60 MPa，加載至目標圍壓值并保持不變，穩壓30 min，評價不同圍壓下，實驗樣品的抗壓強度。

2）儲層巖石滲流能力實驗：使用巖心傷害評價儀開展實驗，選取6 個實驗樣品，每2 個物性特征相近編為1 組，共3 組，每組2 個樣品分別開展儲層物性、多周期注采傷害實驗。確定實驗驅替流量，排除速敏的影響[24]，線性加載圍壓，加載速率為1 MPa/min，加載至71 MPa 并保持不變，穩壓30 min；在穩定驅替流量下進行有效應力加載，先由60 MPa 按10 MPa梯度減小至40 MPa，再由40 MPa 按10 MPa 梯度增加至60 MPa，每個有效應力點穩壓60 min，檢測實驗樣品的滲透率并計算滲透率變化值（ΔK）：

式中ΔK表示滲透率變化；K'表示注氣階段有效應力60 MPa 下的滲透率，mD；K''表示采氣階段有效應力60 MPa 下的滲透率，mD；K0表示樣品初始滲透率，mD。

3）微粒運移對儲層傷害實驗：利用巖心傷害評價儀開展實驗，選取物性特征相近的4 個實驗樣品，實驗溫度60 ℃，實驗時始終保持圍壓大于入口壓力1.5～2 MPa。2 個實驗樣品壓差由2 MPa 按1 MPa梯度增加至7 MPa，2 個實驗樣品壓差由7 MPa 按1 MPa 梯度減少至2 MPa，檢測滲透率變化，收集出口端液體，觀測濁度變化。

4）溫度敏感性實驗：利用動態膨脹試驗儀開展線性膨脹率實驗，氣測滲透率儀開展滲透率實驗，選取6 個實驗樣品，每2 個物性特征相近編為1 組，共3 組，每組2 個樣品分別開展儲層巖石線性膨脹率[25]、巖石滲透率實驗。實驗溫度由70 ℃按10 ℃梯度降低至30 ℃，再由30 ℃按10 ℃梯度升高至70℃，每個溫度點保溫30 min，測5 個周期的線性膨脹率、滲透率。

3 結果與討論

3.1 有效應力對巖石抗壓強度的影響

巖石受力會發生形變，經歷壓實、彈性及破碎變化。巖石體積由壓縮轉為膨脹的點是巖石內部結構由壓縮轉為裂紋萌生，最終導致巖石滲透率由降低轉為升高的關鍵點[26-29]。從應變曲線分析可以看出（圖2），隨著有效應力的升高，巖石抗壓強度逐漸升高，其體積膨脹點（a1、a2、a3）應力是峰值強度的70%～80%。繼續加壓后巖石發生共軛剪切破壞（圖3），其殘余強度是峰值強度的60%～80%。在最低有效應力40 MPa 下，按峰值抗壓強度302 MPa的70%計算，體積膨脹點應力為211.4 MPa；按峰值抗壓強度60%計算，殘余強度為181.2 MPa；體積膨脹點應力及殘余強度遠大于儲氣庫運行時最大有效應力71 MPa（上覆地層壓力）。因此，注采生產過程巖石抗壓強度變化不會造成新裂縫產生，避免了儲層滲透率增加，即使發生巖石破碎，其強度仍足以支撐上覆地層。

圖2 三軸巖石力學應力—應變曲線圖

圖3 實驗樣品剪切破壞后裂縫走向圖

3.2 有效應力對儲層滲流能力的影響

3.2.1 有效應力對單周期注采儲層滲流能力的影響

對不同物性特征的實驗樣品開展單周期注采模擬實驗，實驗結果如圖4所示。同一樣品，在不改變有效應力條件下，注氣階段滲透率大于采氣階段，說明注采生產對儲層注采能力的傷害是不可逆的；初始滲透率、孔隙度依次增大的不同樣品（4 號＜5 號＜6 號），在注采結束后，樣品相對滲透率4號（0.48）＜5號（0.55）＜6 號（0.65），說明巖石滲流能力與儲層初始物性正相關，即儲層初始物性越好，注采后儲層滲流能力越高。在注采結束后，樣品滲透率變化（ΔK）4 號（0.08）＞5 號（0.07）＞6 號（0.05），說明ΔK與儲層初始物性反相關，即儲層初始物性越好滲透率變化值（ΔK）越小，注采生產對儲層滲流能力傷害越弱。

圖4 不同儲層物性特征的樣品相對滲透率隨有效應力變化曲線圖

3.2.2 有效應力對多周期注采儲層滲流能力的影響

對不同物性特征的實驗樣品開展多周期注采實驗，其中7 號樣品相對滲透率、孔隙度與儲層物性中值一致，代表儲層物性特征，其滲透率隨多周期注采變化曲線如圖5所示。同一注采周期，注氣時相對滲透率隨有效應力的升高而增大，采氣時隨有效應力降低而減小；同一有效應力點，注氣相對滲透率大于采氣，差異隨著有效應力的增大而變大，說明有效應力的變化對儲層傷害不可逆。不同注采周期下，相對滲透率隨注采周期的增加而減小，從第1注采周期開始時的0.75 減小至第5 注采周期結束時的0.43，但幅度逐漸變小，在第3 注采周期后趨于穩定，說明隨注采周期的增加，有效應力的變化對儲層滲流能力傷害變弱且趨于穩定。

圖5 不同注采周期注采系數隨有效應力變化曲線圖

3.3 注采壓差對儲層滲流能力的影響

儲氣庫是通過控制注采壓差實現注采生產。壓差遞增時（圖6-a），濁度平均增加0.18 NTU，相對滲透率平均損害率8.5%，對儲層傷害弱。在2～4 MPa壓差下，濁度、相對滲透率與初始一致，無微粒運移；在4～5 MPa 壓差下，濁度快速上升，相對滲透率緩慢下降，這是因為大量較小粒徑微粒開始運移，堵塞極少數尺寸小的孔喉，但這部分孔喉對整體滲透率影響小；在5～7 MPa 壓差下，濁度緩慢上升，滲透率緩慢下降，運移的微粒變少，仍有少數尺寸小的孔喉被堵塞，對儲層整體滲透率影響小。

圖6 濁度、相對滲透率隨驅替壓差的變化曲線圖

壓差遞減時（圖6-b），濁度平均增加1.33 NTU，但滲透率損害率僅為0.13%，可視為對儲層無傷害。在7 →4 MPa 壓差下，濁度快速增加，滲透率下降緩慢，說明有大量微粒被運移出儲層；在4 →2 MPa 壓差下，濁度、相對滲透率基本保持不變，說明基本無微粒運移。

對比分析發現，壓差遞減運移出的微粒（1.33 NTU）是壓差遞增（0.18 NTU）的7 倍多，且對儲層滲流能力幾乎無傷害。

3.4 溫度對儲層滲流能力的影響

3.4.1 溫度對儲層巖石膨脹率的影響

不同儲層物性特征的樣品均具有熱膨脹性，即溫度升高膨脹，溫度降低收縮。由多周期注采下儲層巖石線性膨脹率隨溫度的變化曲線圖可以看出（圖7），線性膨脹率變化幅度隨注采周期增加而減小，且從第3 周期后趨于穩定。儲氣庫儲層在投入運行的前3 個注采周期，體積受溫度影響大，每完成一個注采周期，儲層體積都將縮小；從第4 注采周期開始，儲層體積受溫度影響變小，注采周期完成后，儲層體積基本能恢復。

3.4.2 溫度對儲層巖石滲透率的影響

由多周期注采下儲層滲透率隨溫度的變化曲線圖可以看出（圖8），巖石滲透率隨溫度升高而減小，隨溫度降低而增大；滲透率變化幅度隨周期增加而減小，從第4 周期開始趨于穩定。說明儲氣庫在投入運行前3 個注采周期，儲層滲透率受溫度影響大，每完成一個注采周期，儲層滲透率都將減小；而從第4 注采周期開始，儲層滲透率受溫度影響減小，注采周期完成后，儲層滲透率基本都能恢復。多周期注采下儲層滲透率并未增大，說明儲氣庫注采生產引起的儲層溫度變化，不會使巖石熱破裂造成滲透率急劇增大。

圖8 多周期注采下儲層滲透率隨溫度的變化曲線圖

對比圖7、圖8可知，線性膨脹率與滲透率變化趨勢相反，即溫度升高，線性膨脹率增大、滲透率減小；溫度降低，線性膨脹率減小、滲透率增大。這是因為與砂巖儲層不同[30-33]，碳酸鹽巖裂縫—孔隙型儲層溫度變化引起熱脹冷縮，溫度升高，巖石基質體積增大的同時也壓縮了孔隙空間，造成巖石體積增大滲透率減小；溫度降低，巖石基質收縮的同時釋放了孔隙空間，造成巖石體積減小滲透率增大（圖9）。

圖9 巖石孔隙空間受溫度的影響機理示意圖

4 基于儲層保護的注采技術措施

4.1 擴大運行壓力上下限

儲氣庫運行有效應力變化會引起巖石抗壓強度的變化，但不會造成新裂縫產生而導致儲層滲透率增加，不影響儲氣庫儲層安全性，結合前人對相國寺儲氣庫研究得出蓋層、斷層動態密封性良好，儲氣庫不存在氣體漏失風險的認識[34-36]，儲氣庫仍有擴大運行壓力上下限的潛力。因此，適時擴大儲氣庫運行壓力上下限，既安全可行，又能增大儲層滲流能力，同時提升儲氣庫工作氣量。

4.2 開展儲層改造

注采生產會對儲層滲流能力造成傷害，儲層初始孔隙度、滲透率越好傷害越弱。在儲氣庫投運前進行儲層改造，可以提高儲層的初始滲透率、孔隙度，能減小注采生產對儲層的傷害。由于有效應力、溫度變化對儲層滲流能力的傷害主要發生在前3 個注采周期，為維持儲氣庫儲層注采能力，可以從第4注采周期開始擴大儲氣庫運行上下限，進行儲氣庫擴容。

4.3 控制注采壓差

儲氣庫注氣壓差遞增，采氣壓差遞減。在注氣階段應控制注氣壓差小于4 MPa，使儲層溫度緩慢下降，最大限度利用庫容，同時避免微粒運移對儲層造成傷害。在采氣階段應維持高生產壓差4～7 MPa，快速采氣使儲層溫度迅速升高，巖石基質膨脹壓縮孔隙體積，有利于其中的天然氣排出，也有利于攜帶出儲層中的微粒疏通滲流通道，提高天然氣的采收率。

5 應用成效

相國寺儲氣庫注采井完井后，通過開展儲層酸化改造作業，改善儲層滲流能力，注采井平均注采量達到100×104m3/d 以上，表現出較好的注采能力，為之后儲氣庫強注強采、大吞大吐創造了良好的儲層滲流條件。從第4 注采周期開始擴壓增量工程建設，相國寺儲氣庫運行上下限壓力由13.8～28.0 MPa擴大至11.6～30.0 MPa，庫容由42.6×108m3提升至45×108m3，工作氣量由22.8×108m3提升至26×108m3，各項監測數據顯示，相國寺儲氣庫動靜態密封性良好。

整體控制相國寺儲氣庫注采生產壓差，2022年10月完成第10 注氣期，控制注氣壓差2～4 MPa，儲層溫度從61.52 ℃緩慢下降至56.93 ℃并保持，累計注氣21.5×108m3，同比增長12.6%，期間注氣壓力與地層壓力同步增加，說明儲層滲流通道通暢。2023年3月完成第9 采氣期，維持高采氣壓差4～7 MPa，采氣開始時儲層溫度從57 ℃快速升高至62.97 ℃，并保持儲層溫度高于注氣時儲層溫度，儲層滲流通道體積比注氣時減小，有利于排出其中的天然氣增加采氣量，累計采氣22.5×108m3，同比增長13.7%，期間連續64 天日采氣量突破2 000×104m3，提高了相國寺儲氣庫注采效率。

6 結論及建議

1）基于儲氣庫實際注采生產特征建立的實驗方法，能夠模擬儲層巖石滲流特征隨多周期注采生產的變化，實驗過程更符合儲氣庫生產實際。

2）多周期注采引起的儲層有效應力變化不會造成新裂縫產生，巖石強度足以保障儲氣庫擴容后的運行安全；在儲氣庫投運前進行儲層改造，可以增大儲層初始滲流條件，減小注采生產對儲層滲流能力造成的傷害。

3）有效應力、溫度、微粒運移對儲層滲流能力傷害主要發生在前面3 個注采周期，從第4 注采周期開始通過提高儲氣庫運行的上下限壓力進行儲氣庫擴容，可以有效減小有效應力、溫度、微粒運移對儲層滲流能力的傷害。

4）合理控制注采壓差可以實現同周期注氣時儲層微粒運移造成的傷害在采氣時解除，緩解注氣時儲層溫度下降庫容體積減小的影響，有利于采氣時儲層溫度上升滲流通道縮小而排出更多天然氣，保障儲氣庫工作氣量，提高儲氣庫注采效率。