天然气地球科学 >

2021 , Vol. 32 >Issue 6: 923 - 930

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2021.01.014

天然气资源与经济

利用地应力评价地下储气库断层密封性方法及应用

  • 张广权 ,
  • 曾大乾 ,
  • 范照伟 ,
  • 糜利栋 ,
  • 张俊法 ,
  • 王丹丹 ,
  • 贾跃玮 ,
  • 杨小松
展开
  • 中国石化勘探开发研究院，北京 100083

张广权（1979-），男，河北沧州人，高级工程师，硕士，主要从事开发地质、地下储气库评价与设计研究.E-mail： .

收稿日期: 2020-10-13

  修回日期: 2021-01-17

  网络出版日期: 2021-05-24

收起

Method and application of in-situ stress field to evaluate fault sealing of underground gas storage traps

  • Guang-quan ZHANG ,
  • Da-qian ZENG ,
  • Zhao-wei FAN ,
  • Li-dong MI ,
  • Jun-fa ZHANG ,
  • Dan-dan WANG ,
  • Yue-wei JIA ,
  • Xiao-song YANG
Expand
  • SINOPEC Petroleum Exploration and Production Research Institute，Beijing 100083，China

Received date: 2020-10-13

  Revised date: 2021-01-17

  Online published: 2021-05-24

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本文亮点

目前对不同地区不同类型地下储气库圈闭密封性的评价方法差异较大，尤其在圈闭断层动态密封性方面，没有一套系统的、完整的评价方法和体系。在调研大量国内外储气库密封性评价文献的基础上，结合国内27座已建储气库的密封性评价实例，提出了一种利用应力场评价储气库圈闭断层动态密封性的方法。从地质力学角度考虑，通过分析注采过程中应力场的变化，评价储气库圈闭的动态密封性。首先，进行单井地应力参数计算，建立现今三维地应力场，分析各主应力与有效应力的空间分布。其次，利用Coulomb破坏准则，判断现今地应力状态下断层稳定性。最后，在三维地应力模型和三维数值模型的基础上，进行多周期注采、交变载荷下储气库断层动态密封性评价，结合储气库的历史拟合和数值模拟成果，主要是模拟多个注采周期内孔隙压力的变化，建立应力—流体的动态耦合模型，分析储气库注采过程中随着孔隙压力变化引起地应力的动态变化（有效应力）过程，进而评价断层密封性的应力风险。运用该方法，可以明确储气库在不同注采周期下储气库能否安全运行。

本文引用格式

张广权 , 曾大乾 , 范照伟 , 糜利栋 , 张俊法 , 王丹丹 , 贾跃玮 , 杨小松 . 利用地应力评价地下储气库断层密封性方法及应用[J]. 天然气地球科学, 2021 , 32(6) : 923 -930 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2021.01.014

Highlights

At present， there are great differences in the evaluation methods of underground gas storage traps in different regions and types， especially in the aspect of fault dynamic sealing， there is no systematic and complete evaluation method and system. Based on the investigation of a large number of literatures on sealing evaluation of gas storage at home and abroad， combined with the sealing evaluation examples of 27 built gas storages in China， this paper puts forward a method to evaluate the dynamic sealing property of gas storage traps by using stress field. From the perspective of geomechanics， the dynamic sealing property of gas storage traps is evaluated by analyzing the change of stress field in the process of injection and production. Firstly， the in-situ stress parameters of single well are calculated， the current three-dimensional in-situ stress field is established， and the spatial distribution of principal stress and effective stress is analyzed. Secondly， the Coulomb failure criterion is used to judge the fault stability under the present in-situ stress state. Finally， the main purpose of this paper is to establish a three-dimensional numerical model to simulate the dynamic change of reservoir pressure and the cyclic pressure of gas injection reservoir. The process of dynamic change （effective stress） of in-situ stress caused by the change can be used to evaluate the stress risk of fault sealing. This method can be used to determine whether the gas storage can be operated safely under different injection production periods.

0 引言

目前国内外对储气库圈闭密封性评价非常重视，对储气库建设前的密封性评价不论是在广度还是在深度方面都越来越大；不论是在静态密封性评价研究还是在动态密封性评价研究方面都越来越多。据资料统计，国外30%的储气库事故案例是由断层密封性失效引起［1］。储气库强注强采引起地应力周期扰动，造成断块圈闭受力变化大，易引起密封性动态变化，因此地下储气库设计必须具备气体“注得进、存得住、采得出”以及短期高产、高低压往复注采、长期使用的功能。国外的地下储气库埋深一般在2 000 m以浅，构造简单、储层厚度大、物性好，地质条件较好，易于建库［2］。我国地下储气库的建库目标区的地质条件相对较差，埋深较大、普遍大于3 000 m，断层较多、构造较复杂、沉积相变快、储层物性较差、非均质性强。从已建27座储气库地质情况分析，除3座盐穴储气库外，多为断层较发育的气藏型储气库，在建设前期研究和方案设计过程中，圈闭的密封性评价是非常重要的一环。
从目前技术方面来看，在储气库圈闭的静态密封性评价方面已经形成较成熟的评价指标和评价方法。但在储气库动态密封性评价方面，评价指标和评价因素很多，目前还没形成一套动态密封性评价的方法和技术系列［3-7］。主要是定性与定量相结合综合评价断层的密封性。定性方面包括分析断层的特征、两侧岩性对接关系等；定量方面包括根据断层两侧对接关系通过计算断移地层疏导比、泥岩涂抹系数法等评价断层的封闭性［8-11］。

1 地应力场评价储气库圈闭动态密封性思路及流程

储气库圈闭密封性是储气库安全运行的重要因素，储气库强注强采引起地应力周期扰动，造成圈闭受力变化大，易引起密封性动态变化。致使储气库圈闭包括盖层断层发生拉张、剪切破坏的重要原因就是注采过程中地层压力的急剧变化以及由此引起的库区地下应力场的变化。因此，从地质力学角度评价储气库密封性对储气库安全生产运行至关重要。在以封闭断层为边界的渗流性储层中，由于油气密度低，油气不断聚集，断层和储层交界面处的孔隙压力不断增加。随着油气柱的高度不断增加，达到某临界点时孔隙压力足以诱发断层滑动，导致储层油气泄露。例如，国外挪威北海北部Visund油田的断层就是由于上述断层活动原因导致圈闭泄露。国内板桥储气库的板816断层在天然气成藏时是封闭的，但该气藏在做储气库后，由于强注强采导致该断层活动，导致天然气泄露。另外，基于断层封堵机理，通过在室内开展抗剪强度试验和剪切同步渗流试验，模拟断层在地层中的受力过程，以此判定断层临界开启压力。本文是在调研大量国内外储气库密封性评价文献的基础上，结合国内已建成储气库的密封性评价实例，从地质力学角度考虑，通过分析注采过程中应力场的变化，评价储气库圈闭的动态密封性。

1.1　单井地应力参数及获取方法

单井地应力要素主要包括上覆岩层压力（S v）、地层孔隙压力（P p）、最小主应力（SH min）、最大主应力（SH max）、地应力方向及岩石力学性质参数。其中，上覆岩层压力是通过密度测井积分获得；地层孔隙压力主要通过实测、常规测井、地震速度等获得；最小主应力由破裂压力试验、泥浆漏失等获得；最大主应力由分析井筒垮塌、偶极子声波、构造运动分析等获得；地应力方向由成像测井或Cashier效应实验获得。岩石力学性质主要包括单轴岩石强度、泊松比、杨氏模量等岩石力学性质参数，主要由岩心试验、测井、井筒垮塌分析等获取（表1）。获取的以上参数数据作为地应力建模的基础［12-15］。
表1 地下储气库单井地应力及岩石力学参数计算模型

Table 1 Calculation model of in-situ stress and rock mechanical parameters of single well in underground gas storage

模型参数 计算公式 公式符号说明
上覆岩层压力 σ V = ∫ 0 H ρ g d h ρ为岩石密度，g/cm3;g为重力加速度,m/s2;h为垂深,m
地层孔隙压力 P p = σ V - σ V - P N C T x N C T x o b s 3.0 P N C T为正常地层压力,MPa; x N C T、 x o b s分别为正常压力和实际压力条件下的测井响应
最大水平主应力 S H m a x = K 1 × S V - P p + P p K 1为最大水平主应力有效应力比值，暂取0.43
最小水平主应力 S H m i n = K 2 × S V - P p + P p K 2为最小水平主应力有效应力比值，暂取0.62
砂岩单轴抗压强度 U C S S T = 325    700 × e x p - 0.037 × D T C O DTCO为声波时差,s/m
泥岩单轴抗压强度 U C S S H = 72.5 × V p 2 V p为纵波速率,km/s
砂、泥岩动态弹性模量 Y M D = ρ V s 2 3 V p 2 - 4 V s 2 / V p 2 - V s 2 V p、V s分别为纵、横波速率,km/s
砂、泥岩静态弹性模量 Y M S = 0.066 × Y M D 1.632
动态泊松比 P R D = V p 2 - 2 V s 2 / 2 V p 2 - V s 2 V p、V s分别为纵、横波速率,km/s
伪密度 D E N = 0.23 × 1    000    000 / D T C O 0.25 DTCO为声波时差,s/m

1.2　现今三维地应力场建立及应力分析

在三维地质建模的基础上，通过单井计算上覆岩层压力（S v）、地层孔隙压力（P p）、最小主应力（SH min）、最大主应力（SH max）、地应力方向及岩石力学性质等各参数（图1），利用地质模型的构造模型作为约束，通过序贯高斯等模拟方法，构建三维地应力模型。针对建立的三维地应力模型，分析三轴主应力（垂直应力、最大水平应力及最小水平应力）和孔隙压力在地层的分布规律和变化情况，精确分析地应力空间分布特征。
图1 地应力模型

Fig.1 In situ stress model

1.3　现今应力状态下储气库断层密封性评价

在各个方向地应力空间分布的基础上，分析断层在现今应力状态下的稳定性。其原理是通过分析比较断面处正应力与剪应力的大小确定断层稳定性，当剪应力大于正应力时，断层将滑移；反之，断层稳定。一般来说，作用于断层面的剪应力（ τ n e t）和正应力（ σ n）主要取决于主应力的大小、孔隙压力以及断层面与主应力的夹角（β）（图2）。其计算公式如下：
    τ n e t = 0.5 ( σ 1 - σ 3 ) s i n β
σ n = 0.5 σ 1 + σ 3 + 0.5 ( σ 1 - σ 3 ) c o s β
式中： σ 1为最大主应力，MPa； σ 3为最小主应力，MPa； β为最大主应力与断层面之间的夹角，°； σ n为正应力，MPa； τ n e t为剪应力，MPa。
图2 三轴压缩下岩样应力分布模式

Fig.2 Stress distribution pattern of rock sample under triaxial compression

利用Coulomb破坏准则 C F F = τ n e t - μ σ n，判断断层稳定性。在此公式中， μ取值介于0.6~1之间，该值通过室内实验可以获取。当CFF为负值时，断层面保持稳定，剪应力不足以克服滑动阻力 μ σ n；当CFF达到0时，在原生断层的平面上，剪应力可以克服有效正应力，从而发生滑动。利用该方法，评价现今地应力状态下，储气库各个断层的稳定性。

1.4　利用Coulomb破坏准则和现今地应力分布预测储气库上限运行压力

在现今地应力状态下，若断层是稳定的，需要分析在哪种应力状态下，断层可能会滑动或开启。如1.3部分，孔隙压力对断层滑动的作用是通过有效正应力 σ n引入，有效正应力为 S n - P p，式中， P p为孔隙压力， S n为分解在断面上的正应力。因此，若是提高断面的孔隙压力（如提高流体注入压力）会引起有效正应力降低，从而导致断层发生滑动。具体做法是，不断提高注气压力，导致地下应力场发生变化，最大、最小主应力值重新分布。然后利用Coulomb准则，得到CFF等于0值的临界点，即最大的孔隙压力（ P p）。

1.5　多周期注采、交变载荷下储气库断层动态密封性评价

在储气库注采周期内，注气压力变化导致整个储气库孔隙压力场的变化，而由于孔隙压力变化，会导致整个应力场的变化，即最大、最小有效主应力的变化。有效主应力的变化会引起断层的有效正应力与剪应力的变化，断层的稳定性就会发生变化。
评价方法如下：其原理同现今地应力场评价断层稳定性，取一个注采周期内，在不同的时间节点下地应力场的大小，分析其断层的稳定性。
（1）在三维地质模型和三维地应力模型的基础上，结合储气库的历史拟合和数值模拟成果，模拟多个注采周期内孔隙压力的变化，建立应力—流体的动态耦合模型，即流固耦合模型。
（2）根据建立的流固耦合模型，模拟储气库注采过程中随着孔隙压力变化引起地应力的动态变化（有效应力）过程，以及引起的储、盖层岩石应变（变形），进而评价断层密封性的应力风险。
通过以上计算和评价，可以明确不同注采周期储气库能否安全运行。

2 方法运用

该方法是一种可操作性强、结果清晰、适用性强的评价手段，在储气库选址评价、建设过程中具有重要的意义。在中石化多个储气库库址筛选和建库方案设计中都已得到实施应用。例如，在我国东部某储气库的先导试验过程中，利用该方法评价了断裂的稳定性，确定了储气库的上限运行压力，为储气库的方案设计和建设提供了关键参数。
以我国东部X储气库为例（图3），该库储层段上部的盖层很厚，达400 m，盖层密封性在强注强采的情况下较好。库区发育多条断层，断距大小不一，在高速注采气过程中，断层有可能开启或滑动，造成储气库泄露。因此，该断层的密封性评价对储气库的安全运行至关重要。
图3 X地下储气库断层分布

Fig.3 Fault distribution of X underground gas storage

由于实际研究过程中鲜有钻井钻遇断层面，且难以取到与断层相关的地下实际资料。基于此，利用人工断层模拟工况条件方式，设计和开展工况条件下断层抗剪实验和剪切同步渗流实验，分析储气库在注气过程中断层临界开启压力随应力差的变化规律，模拟断层在地层中动态受力活化的过程，确定断层动态滑移剪切力。分为3个阶段：稳定阶段，应力加载不产生滑移破坏；沿裂缝剪切滑移阶段，加载剪切应力差达到8.5 MPa时，初始裂缝开始产生滑移，随着剪切进行，剪切逐渐应力降低；直接剪切破坏阶段，裂缝表面粗糙，产生新剪切面，直接剪切破坏，剪切应力增加。实验结果表明，在持续加载三轴压力到8.5 MPa时，断层开始滑动。也就是说，此时储气库在注气过程中有效剪切应力超过了断层的抗剪强度，断层开启（图4）。
图4 X地下储气库断层室内实验结果

Fig.4 Laboratory test results of faults of X underground gas storage

在静态评价和实验结果的基础上，结合数值模拟孔隙压力预测的成果，运用地应力场分析储气库运行过程中的动态密封性，分析在一个运行周期内，随孔隙压力的变化储气库圈闭的动态密封性。

2.1　单井地应力参数计算

基于库区钻井X1的岩石力学实验，以有实验数据的样品井为基准井，经实验数据刻度和校正，最终确定了库区钻井的上覆岩层压力S V、地层孔隙压力P p、最大水平主应力SH max、最小水平主应力SH min，及其计算过程中的关键参数UCS（单轴抗压强度）、YM（杨氏模量）、PR（泊松比）、IF（内摩擦系数）计算模型（图5），完成了库区所有井的单井地应力计算。该结果作为三维地应力建模的基础。
图5 X1井地应力计算结果

Fig. 5 Calculation results of in-situ stress of Well X1

2.2　X地下储气库现今三维地应力场建立及应力分析

2.2.1　网格划分

针对库区地质特点，结合三维地质模型，对该地区的网格进行平面和纵向划分。平面网格为50 m×50 m，纵向为1 m。如图6所示，最上面的面为地表，下面2个面为目的层段的顶和底面。
图6 X地下储气库上覆地层压力（S V）三维地应力模型

Fig.6 3D geostress model of overlying formation pressure (S V) of X underground gas storage

2.2.2　三维地应力模型建立

在三维地质建模的基础上，通过单井计算的上覆岩层压力（S V）、地层孔隙压力（P p）、最小主应力（SH min）、最大主应力（SH max）、地应力方向及岩石力学性质等各参数，利用地质模型的构造模型作为约束，通过岩相/序贯高斯建模方法，构建三维地应力模型（图6）。

2.2.3　地应力空间分布

针对建立的三维地应力模型，分析三轴主应力（垂直应力、最大水平应力及最小水平应力）和孔隙压力在地层的分布规律和变化情况，精确分析地应力空间分布特征。上覆地层压力（S V）介于0~50 MPa之间，孔隙压力（P p）介于0~25 MPa之间，最小主应力（SH min）介于0~28 MPa之间，最大主应力（SH max）介于0~40 MPa之间。主应力值随深度加大而增大，垂向上变化与构造基本一致。

2.3　X储气库的现今地应力状态下断层的稳定性

在三维地应力模型的基础上，分析目前地应力下断层的稳定性。利用Coulomb破坏准则 C F F = τ n e t - μ σ n， μ取值介于0.6~1之间，该值通过室内实验取值0.6。通过三维地应力模型的建立，分析 τ n e t / μ σ n值大小，若该值小于1，说明断层稳定，未滑动；当该值等于或大于1时，说明断层开始滑动或开启。
针对库区的F1断层，提取该断层的各参数，包括断层的摩擦系数（Friction Coefficient）、断层的上覆压力（S V）、断层的孔隙压力（P p）、断层的最大主应力（SH max）、断层的最小主应力（SH min）、断层的有效法向应力（S n， effective）、断层的剪应力（T au）（图7）。
图7 X地下储气库F1断层地应力参数

Fig.7 Parameter diagram of ground stress of F1 fault in X underground gas storage

通过提取F1断层的 τ n e t / μ σ n值图（图8），目前三维地应力状态下，利用该方法判断目前断层是稳定的， τ n e t / μ σ n值介于0.4~0.6之间，法向应力大于剪应力，断层未滑动，说明断层是稳定的。
图8 X地下储气库现今地应力下断层的稳定性（F1断层的Tau-ratio）

Fig.8 Stability of fault under current in-situ stress of X underground gas storage （Tau-ratio of foult F1）

2.4　利用Coulomb破坏准则和现今地应力分布预测该储气库的上限运行压力

对于该库址来讲，目前地应力下断层是稳定的。为了确定上限压力，就需要分析在哪种应力状态下断层会滑动或开启，即最高上限压力。依据Coulomb破坏准则，通过改变孔隙压力（P p），即改变有效正应力。当增大孔隙压力时，有效正应力减小，CFF值逐渐接近零值或 τ n e t / μ σ n逐渐接近1。对于该地区的储气库，当孔隙压力为28 MPa时，从F1断层的分析图（图9）中可以看出，断层的中部 τ n e t / μ σ n出现了大于1的部分，说明断层不稳定，开始出现滑动。
图9 X储气库预测最高孔隙压力状态下断层的稳定性

Fig.9 Stability of fault under maximum pore pressure predicted by underground gas storage

2.5　X储气库在多周期注采、交变载荷下储气库断层动态密封性评价

在三维地质模型和三维地应力模型的基础上，结合储气库的历史拟合和数值模拟成果，根据储气库在多个注采周期内孔隙压力的变化体，建立应力—流体的动态耦合模型，综合评价储气库圈闭在多轮次强注强采条件下断层的密封性和稳定性。
评价方法的原理同现今地应力场评价断层稳定性。取一个注采周期内，在不同的时间节点下地应力场的大小，分析其断层的稳定性。根据设计气库运行周期，注气期为180 d；采气期为120 d。
根据数值模拟的孔隙压力的变化体（图10），取4个时间节点即采气期内2个和注气期内2个：注气期1（7月1日）、注气期2（10月31日）、采气期1（12月1日）及采气期2（3月31日）分析断层的稳定性。图11为一个注采周期内4个时间节点的断层稳定性图。通过分析，在一个注采周期内，F1断层的 τ n e t / μ σ n值均没有出现过大于或等于1的情况，说明断层稳定，没有出现滑动或开启。
图10 断面处某时刻孔隙压力的分布

Fig.10 Distribution of pore pressure at a certain time in the section

图11 断层四维动态稳定性分析

Fig.11 Four dimensional dynamic stability analysis of fault

3 结论

（1）储气库圈闭的密封性决定着储气库能否安全平稳运行。从地质力学角度考虑，在三维地应力模型的基础上，结合地质模型、数值模型，“三模融合”建立应力-流体的动态耦合模型，分析注采过程中应力场的变化，以此确定储气库圈闭四维动态密封性。
（2）运用该方法对我国东部X储气库的圈闭密封性进行评价，通过开展该储气库断层的现今密封性和不同注采周期、不同工作制度下断层的动态密封性的评价，确定该储气库的上限运行压力为28 MPa。

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