氣藏型地下儲氣庫天然氣損耗量研究進展與建議

胥洪成 劉君蘭 丁國生 李曉松 范家屹 宋麗娜 郭世超 趙 凱 裴 根

1.中國石油勘探開發研究院 2.中國石油天然氣集團有限公司油氣地下儲庫工程重點實驗室 3.中國石油吉林油田公司勘探開發研究院

0 引言

天然氣損耗是指地下儲氣庫注采運行過程中發生的天然氣損失。由于儲氣圈閉密封失效、井筒失效、地面設施失效等原因，都可能引起天然氣損耗[1]，如果沒有及時控制，則可能對建庫的安全性帶來嚴重影響。同時，天然氣損耗的發生也會在一定程度上影響地下儲氣庫的經濟效益，因此國外地下儲氣庫運營商特別重視對天然氣損耗的評價和管控[2]，將其作為一項年度例行工作長期持續開展[3-4]。

我國地下儲氣庫建設起步較晚，在儲氣地質體完整性[5-6]、天然氣損耗構成[7-8]、損耗判別標志[9]、損耗量評價方法[10-11]等方面開展過相關研究，但整體仍處于初級階段。雖然2007年中國石油第一次發布了地下儲氣庫天然氣損耗計算方法的企業標準，明確了天然氣損耗量和損耗率的定義，界定了損耗量的構成，提供了損耗量具體的計算方法，但隨著近年來天然氣損耗評價技術的創新和應用，采用該方法計算的天然氣損耗量精確度已不能再滿足相關需求[12]，適用性較為受限，急需形成新的地下儲氣庫天然氣損耗評價體系。由于氣藏型地下儲氣庫是全球地下儲氣庫的主要建庫類型，工作氣量占比高達74%[13-14]，因此調研國內外氣藏型地下儲氣庫天然氣損耗評價與管控的成熟技術和經驗，針對我國地下儲氣庫運營過程中存在的問題，提出相關建議，以期為我國地下儲氣庫安全高效運行提供參考。

1 天然氣損耗的產生原因

地下儲氣庫天然氣的損耗主要包括儲氣地質體中天然氣的向外運移、井筒完整性破壞引起的天然氣泄漏和地面設施運行過程中發生的天然氣逸散。另外也有部分運營商將從地下儲氣庫中采出用于地面設備燃料和生活取暖的天然氣納入天然氣損耗范圍。

1.1 儲氣地質體因素造成的損耗

1.1.1 縱向散失損耗

縱向散失是指由于蓋層失效、天然裂縫發育或斷層活化，儲層中的天然氣向上逸散到上覆滲透層或者地表而造成的氣量損失（圖1）[15-16]。蓋層的巖性、厚度、分布及裂縫發育程度等對地下儲氣庫縱向密封性至關重要。當注氣壓力超過蓋層動態突破壓力時，可能會造成天然氣沿蓋層薄弱帶逸散。邊界斷層或內部斷層可能會由于注氣壓力過高、注水作用或者構造運動等重新發生活化，從而引起天然氣的散失。

1.1.2 側向運移損耗

隨著注氣的進行，氣藏邊界會逐步向構造低部位推進。當注氣壓力過高時，會導致注氣邊界超過圈閉溢出點，向構造圈閉外發生天然氣側向漏失[15-16]。斷層對氣藏的側向封堵作用主要表現在斷層兩側巖性對接關系和斷層帶內泥質的含量，當注氣壓力超過斷層巖排替壓力，可能會造成注入天然氣沿儲層側向運移到圈閉之外。

1.1.3 內部損耗

含邊底水氣藏改建的地下儲氣庫在多周期注采運行的過程中，由于孔喉分布的復雜性和儲層的非均質性，注入氣在氣水前緣附近由于指進現象、賈敏效應等發生卡斷形成一些水封氣或者運移到儲層低滲透率區而無法采出[16-18]。這部分天然氣雖然還在庫內，但由于目前的技術水平無法將其采出，所以也視為損耗。另外對于帶油環或者邊底水的地下儲氣庫，一部分注入氣會溶于原油或地層水，后續無法采出從而發生損耗。

1.2 井筒因素造成的損耗

1.2.1 井筒失效損耗

井筒失效造成的損耗主要包括：由于注采井套管損壞、管柱腐蝕、套管絲扣松動以及固井水泥環失效等問題，引起天然氣從井筒中發生泄漏[15-16]；老井封堵不完全造成儲層與其他層位連通引起的庫內氣體擴散[19]。這部分漏失的天然氣會沿井筒運移到地面，可能會引起嚴重的安全問題。

1.2.2 井噴損耗

井噴損耗是指地下儲氣庫注采井作業有組織地放噴。注采井在壓井作業后，需要放噴清除井筒壓井液恢復生產，一般通過點火把的方式，需要燃放一定數量的天然氣。注采井作業完成后，往往需要測定注采井產能的變化，放噴時需要測定幾個不同制度下的壓力和產量，這部分氣量一般是經過計量的。

1.3 地面設施因素造成的損耗

根據地面設施發生天然氣損耗的方式，將天然氣損耗的構成分為逃逸散失、氣動泄漏、放空和不完全燃燒排放等4 大類[4]：①逃逸散失是指在法蘭、管道設備、閥門、接頭、密封件和密封氣體系統等位置，由于密封性失效發生的比較連續的天然氣泄漏，是地面設施天然氣損耗的主要構成。②氣動泄漏是指由地面設施中氣體操作閥門引起的所有天然氣排放，包括連續排放和間歇性排放。③放空包括維修放空、突發事件放空和操作放空。維修放空是指在設施定期維修過程中大量天然氣從管網排放到大氣中；突發事件放空是由于非計劃事件、第三方活動導致的系統故障以及天然氣公司無法控制的外部因素導致的天然氣排放，一般是一些突發事件；操作放空是啟停壓縮機引起的天然氣放空。④不完全燃燒排放是燃氣輪機、燃氣發動機、燃燒設施和照明彈等排出的廢氣中未充分燃燒的甲烷，這部分天然氣損失量占比一般較小。

2 天然氣損耗量評價方法

2.1 定容封閉氣藏庫存量核實法

庫存量指地下儲氣庫在某地層壓力下儲存的天然氣量在標準參比條件下的體積。當地下儲氣庫發生損耗時，造成庫存量減少和氣井產能降低。地下儲氣庫運營商為了獲取地下儲氣庫產能和運營成本，需要通過定期核實庫存量來計算天然氣的損耗量。目前最常用的方法是庫存—視壓力曲線法[20-22]。

在地下儲氣庫運行過程中，可以根據注采氣量及注采末期平衡期壓力測試獲得地下儲氣庫的庫存—視壓力曲線，該庫存量為賬面庫存量（即為國內行業標準中的庫存量），為建庫前剩余天然氣地質儲量與凈注采氣量之和。如果天然氣正在發生損耗，會導致庫內真正的庫存量一直減少，因此下個周期需要注入更多的天然氣才能達到相同的壓力水平。目前普遍認為當庫存曲線向右平移時，表明地下儲氣庫天然氣在發生損耗，損耗量即為每年右移的庫存增加量（圖2）[23]。

圖2 庫存曲線損耗判別標志及損耗量標注圖

每個周期發生的天然氣損耗量計算公式表示為：

式中Q表示天然氣損耗量，m3；pi表示第i采氣周期庫存量為I時對應的庫內壓力，MPa；Zi表示pi壓力條件下的壓縮因子；pi+1表示第i+1 采氣周期庫存量為I時對應的庫內壓力，MPa；Zi+1表示pi+1壓力條件下的壓縮因子；I表示采氣過程中某一時刻的庫存量，m3；I0表示第i周期采氣曲線反向延長線與橫坐標的交點值，m3。

2.2 定容封閉氣藏狀態方程計算法

對于一個定容氣藏來說，地下儲氣庫內天然氣的損耗指在兩個不同時間點儲存的氣體體積的差異，這種體積上的差異稱為天然氣損失量[24]。根據一般氣體狀態方程，同一摩爾質量的氣體在不同壓力下有如下狀態關系式：

式中pSC表示大氣壓力，一般取0.1 MPa；VSC表示大氣壓力下氣體的體積，m3；TSC表示該壓力下的溫度，一般取15 ℃；ZSC表示大氣壓力下的壓縮因子，一般取1；p表示庫內的壓力，MPa；V表示地下儲氣庫的儲氣孔隙體積，m3；T表示該壓力下的溫度，K；Z表示該壓力條件下的壓縮因子。

假定V在注采運行過程中是不變的，那么在任意給定時刻，庫內儲存的氣體在標準狀態下的體積可以表示為：

兩個不同時刻（t1和t2）地下儲氣庫中產生的天然氣損耗量計算公式為：

式中V表示地下儲氣庫儲氣孔隙體積，m3；p1表示t1時刻庫內的壓力，MPa；T1表示p1下的溫度，℃；Z1表示p1條件下的壓縮因子；p2表示t2時刻庫內的壓力，MPa；T2表示p2下的溫度，℃；Z2表示p2條件下的壓縮因子。

2.3 強水驅氣藏型地下儲氣庫產能變化分析法

對于由邊底水比較活躍的氣藏改建成的地下儲氣庫，由于采氣過程中邊底水持續侵入會不斷補充儲層壓力，所以無法用以上方法來進行天然氣損耗量計算。目前主要根據每個采氣周期發生水侵前的累采氣量來確定天然氣損耗量。

具有強水驅的天然氣藏在每個采氣周期發生水侵時，采氣能力會迅速降低（圖3）。并且只有當采氣能力低于某一個特定值的時候，才會發生采氣能力的迅速下降和邊底水的侵入。當達到這一特定值的時候，氣藏基本接近枯竭。因此可以通過對比任意兩個采氣周期水侵前（即采氣能力降低到某一特定值時）的累采氣量和庫存量的差異，來計算得到天然氣損耗量[20]。

圖3 縮容狀態下的強水驅氣藏型地下儲氣庫日采氣能力與累計采氣量關系示意圖

每個周期發生的天然氣損耗量計算公式如下：

式中Ii表示第i采氣周期末地下儲氣庫庫存量，m3；Gi表示第i采氣周期水淹前累計采氣量，m3；Ii+1表示第i+1 采氣周期末地下儲氣庫庫存量，m3；Gi+1表示第i+1 采氣周期水淹前累計采氣量，m3。

用該方法計算損耗量時需要確定發生水侵時對應的采氣能力值、采氣期采氣能力降低至該值時的累計采氣量以及本周期庫存量的增量。例如國外某強水驅氣藏型地下儲氣庫，當日采氣能力降低至39×104m3時，采氣能力會迅速下降并發生水侵[20]。第二周期末與第一周期末相比庫存增量為255×104m3，日采氣能力降低至39×104m3時的累計采氣增量為99×104m3。因此，第二周期天然氣損耗量為156×104m3。

3 天然氣損耗監控措施

3.1 天然氣損耗監檢測系統

美國、俄羅斯、法國等天然氣市場成熟國家特別重視地下儲氣庫全生命周期動態監測，已形成了以井工程、圈閉密封性及地下儲氣庫運行動態監測為核心的完備監測體系，還有以常規溫壓測量、特殊測井、微地震、產能測試及干涉雷達測量（InSAR）系統為主的監測方法和手段[25]。在地下儲氣庫邊界和內部部署足夠數量的監測井，再配置空間對地觀測系統和全球定位系統（GPS），形成空地一體化監測網。監測井數介于注采井數的50%～100%，部分區域甚至達150%。

同時，這些國家對地下儲氣庫的監測內容也較為完備，對儲氣地質體主要開展圈閉密封性和內部運行動態監測，對井筒的監測內容則主要包括井溫、氣體壓力、油套管泄漏、水泥膠結質量、管截面、井口天然氣動態和井口設備等，對地面設施的監測包括腐蝕、管道壓力和地面泄漏等方面內容。通過建設運行全過程監測體系，及時掌握儲氣設施安全性和運行動態，為地下儲氣庫科學建設、優化運行及安全生產提供第一手資料。

3.2 持續動態跟蹤與生產優化

在地下儲氣庫交變載荷運行應力變化條件下，斷層、裂縫系統的封閉性以及儲層性質可能發生變化。因此國外成熟地下儲氣庫運營商會在地下儲氣庫全生命周期開展持續動態跟蹤。通過監測注采井生產動態、儲氣層內部溫壓及流體性質、氣液界面與流體運移、注采井產能等，了解單井注采氣能力、儲集層性質、流體分布及變化等，指導地下儲氣庫擴容達產、優化配產配注及井工作制度調整[26]。對于可能發生泄漏的部位，可以通過控制注采氣速度、調整井網和運行制度等來降低或阻止損耗的發生。

3.3 定期天然氣損耗評價

國外運營商為了計算天然氣損耗造成的經濟損失，會定期對天然氣損耗量進行評價，采用的主要方法是庫存核實法。通過在地下儲氣庫每周期注氣末期和采氣末期進行測壓，獲取注氣末期和采氣末期的儲層壓力，利用物質平衡和儲層壓力獲得庫存數據，以驗證實際庫存量和天然氣損耗量[27]。還可以通過監測關井壓力趨勢，檢查是否有氣體泄漏的顯示。如果有明顯的壓力異常，則需要使用關鍵顯示井來監測壓力—庫存量的關系，以獲取天然氣損耗的評價參數。為了提高評價結果的精度，除定期測量注采井和監測井關井后的穩定井口壓力，還要測試井下壓力以驗證地下儲氣庫壓力和井口壓力轉化井底壓力的準確性。

3.4 四維地質力學仿真模擬與在線預警

部分地下儲氣庫運營商通過地質、地震、測井、動態監測資料以及各類室內巖心實驗數據，建立地下儲氣庫三維靜態及四維地質力學模型，分析儲氣地質體地質力學變化特征、氣相延伸范圍和泄漏量，并開展多周期注采預測模擬，對可能存在的泄漏風險進行提前預警和評估。

4 對我國地下儲氣庫天然氣損耗管理的建議

4.1 建立地下儲氣庫三位一體監檢測系統

我國地下儲氣庫地質條件復雜，斷層發育，儲層非均質性強。高壓高速注采條件下，圈閉和井筒失效風險大。地面設施和管道也存在天然氣泄漏等安全隱患。因此，需要建立同時涵蓋儲氣地質體、井筒及地面設施三大系統的地下儲氣庫的完整性監檢測系統，通過建立三位一體的自動識別監檢測系統，為地下儲氣庫安全高效運營提供基本保障。地質體密封性可采用微地震監測系統，并結合監測井動態資料進行泄漏風險實時預警。井筒完整性需要實時對井筒壓力進行監測，并采用測井等方法定期對套管進行損傷檢測。地面可通過對壓縮機、管道、處理系統等檢測與評估技術，實現地面設施的安全可控。

4.2 重視地下儲氣庫全生命周期注采運行動態監測

保障運行安全是地下儲氣庫運營的核心問題，為實時掌握地下儲氣庫運行和損耗情況，必須開展地下儲氣庫全生命周期注采氣運行的動態監測。目前我國地下儲氣庫的監測井數相較于注采井數明顯偏低，其比例遠低于國外運營商50%～100%的合理區間，因此首先要增加監測井數量。其次，要嚴格執行地下儲氣庫運行動態資料錄取規范，保證資料的完整性和準確性，為地下儲氣庫運行和損耗評價提供堅實基礎和科學依據。

4.3 注重多周期運行動態滾動跟蹤評價與分析預警

在我國地下儲氣庫復雜地質條件下，地下儲氣庫高壓注氣采氣交變工況，可能會引起斷層的重新活化，增加圈閉失效風險[28]。因此需要開展多周期運行動態滾動跟蹤評價，建立地下儲氣庫四維地質力學模型，結合注采運行動態監測資料，及時分析和預測地下儲氣庫運行狀態，對可能存在的泄漏風險點進行重點監測和控制。

4.4 加強井筒和地面設施完整性檢測與管理

井筒和地面設施位于近地表，一旦發生大規模的泄漏，會嚴重影響人身和財產安全，因此要重視完整性檢測與管理。通過定期檢測，排查問題，從源頭阻止和降低損耗的發生。

4.5 健全地下儲氣庫天然氣損耗量評價標準規范

我國地下儲氣庫發展起步晚，近年來隨著需求增加，建庫數量逐漸增多，并形成了一定的儲氣規模。但地下儲氣庫運行管理體系標準還處于逐步建立健全和調整完善階段。地下儲氣庫長期高速交替注氣采氣的特點決定了其存在潛在的高風險，標準化建設需要全生命周期科學設計和通盤考慮。因此要加快推動地下儲氣庫標準化建設，積極健全地下儲氣庫天然氣損耗評價、管理、監控的方法與標準規范，促進損耗評價技術的快速發展，以保障我國地下儲氣庫的高效和規范運行。