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(fā)研究院 2.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司油氣地下儲庫工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.中國石油吉林油田公司勘探開發(fā)研究院

0 引言

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

我國地下儲氣庫建設(shè)起步較晚，在儲氣地質(zhì)體完整性[5-6]、天然氣損耗構(gòu)成[7-8]、損耗判別標(biāo)志[9]、損耗量評價(jià)方法[10-11]等方面開展過相關(guān)研究，但整體仍處于初級階段。雖然2007年中國石油第一次發(fā)布了地下儲氣庫天然氣損耗計(jì)算方法的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，明確了天然氣損耗量和損耗率的定義，界定了損耗量的構(gòu)成，提供了損耗量具體的計(jì)算方法，但隨著近年來天然氣損耗評價(jià)技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，采用該方法計(jì)算的天然氣損耗量精確度已不能再滿足相關(guān)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(jià)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(dá)74%[13-14]，因此調(diào)研國內(nèi)外氣藏型地下儲氣庫天然氣損耗評價(jià)與管控的成熟技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，針對我國地下儲氣庫運(yùn)營過程中存在的問題，提出相關(guān)建議，以期為我國地下儲氣庫安全高效運(yùn)行提供參考。

1 天然氣損耗的產(chǎn)生原因

地下儲氣庫天然氣的損耗主要包括儲氣地質(zhì)體中天然氣的向外運(yùn)移、井筒完整性破壞引起的天然氣泄漏和地面設(shè)施運(yùn)行過程中發(fā)生的天然氣逸散。另外也有部分運(yùn)營商將從地下儲氣庫中采出用于地面設(shè)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(zhì)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(fā)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(fā)育程度等對地下儲氣庫縱向密封性至關(guān)重要。當(dāng)注氣壓力超過蓋層動態(tài)突破壓力時(shí)，可能會造成天然氣沿蓋層薄弱帶逸散。邊界斷層或內(nèi)部斷層可能會由于注氣壓力過高、注水作用或者構(gòu)造運(yùn)動等重新發(fā)生活化，從而引起天然氣的散失。

1.1.2 側(cè)向運(yùn)移損耗

隨著注氣的進(jìn)行，氣藏邊界會逐步向構(gòu)造低部位推進(jìn)。當(dāng)注氣壓力過高時(shí)，會導(dǎo)致注氣邊界超過圈閉溢出點(diǎn)，向構(gòu)造圈閉外發(fā)生天然氣側(cè)向漏失[15-16]。斷層對氣藏的側(cè)向封堵作用主要表現(xiàn)在斷層兩側(cè)巖性對接關(guān)系和斷層帶內(nèi)泥質(zhì)的含量，當(dāng)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(cè)向運(yùn)移到圈閉之外。

1.1.3 內(nèi)部損耗

含邊底水氣藏改建的地下儲氣庫在多周期注采運(yùn)行的過程中，由于孔喉分布的復(fù)雜性和儲層的非均質(zhì)性，注入氣在氣水前緣附近由于指進(jìn)現(xiàn)象、賈敏效應(yīng)等發(fā)生卡斷形成一些水封氣或者運(yùn)移到儲層低滲透率區(qū)而無法采出[16-18]。這部分天然氣雖然還在庫內(nèi)，但由于目前的技術(shù)水平無法將其采出，所以也視為損耗。另外對于帶油環(huán)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(xù)無法采出從而發(fā)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(huán)失效等問題，引起天然氣從井筒中發(fā)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(nèi)氣體擴(kuò)散[19]。這部分漏失的天然氣會沿井筒運(yùn)移到地面，可能會引起嚴(yán)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(yè)有組織地放噴。注采井在壓井作業(yè)后，需要放噴清除井筒壓井液恢復(fù)生產(chǎn)，一般通過點(diǎn)火把的方式，需要燃放一定數(shù)量的天然氣。注采井作業(yè)完成后，往往需要測定注采井產(chǎn)能的變化，放噴時(shí)需要測定幾個(gè)不同制度下的壓力和產(chǎn)量，這部分氣量一般是經(jīng)過計(jì)量的。

1.3 地面設(shè)施因素造成的損耗

根據(jù)地面設(shè)施發(fā)生天然氣損耗的方式，將天然氣損耗的構(gòu)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(shè)備、閥門、接頭、密封件和密封氣體系統(tǒng)等位置，由于密封性失效發(fā)生的比較連續(xù)的天然氣泄漏，是地面設(shè)施天然氣損耗的主要構(gòu)成。②氣動泄漏是指由地面設(shè)施中氣體操作閥門引起的所有天然氣排放，包括連續(xù)排放和間歇性排放。③放空包括維修放空、突發(fā)事件放空和操作放空。維修放空是指在設(shè)施定期維修過程中大量天然氣從管網(wǎng)排放到大氣中；突發(fā)事件放空是由于非計(jì)劃事件、第三方活動導(dǎo)致的系統(tǒng)故障以及天然氣公司無法控制的外部因素導(dǎo)致的天然氣排放，一般是一些突發(fā)事件；操作放空是啟停壓縮機(jī)引起的天然氣放空。④不完全燃燒排放是燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)獍l(fā)動機(jī)、燃燒設(shè)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(jià)方法

2.1 定容封閉氣藏庫存量核實(shí)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(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積。當(dāng)?shù)叵聝鈳彀l(fā)生損耗時(shí)，造成庫存量減少和氣井產(chǎn)能降低。地下儲氣庫運(yùn)營商為了獲取地下儲氣庫產(chǎn)能和運(yùn)營成本，需要通過定期核實(shí)庫存量來計(jì)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(yùn)行過程中，可以根據(jù)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(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的庫存量），為建庫前剩余天然氣地質(zhì)儲量與凈注采氣量之和。如果天然氣正在發(fā)生損耗，會導(dǎo)致庫內(nèi)真正的庫存量一直減少，因此下個(gè)周期需要注入更多的天然氣才能達(dá)到相同的壓力水平。目前普遍認(rèn)為當(dāng)庫存曲線向右平移時(shí)，表明地下儲氣庫天然氣在發(fā)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(biāo)志及損耗量標(biāo)注圖

每個(gè)周期發(fā)生的天然氣損耗量計(jì)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(shí)對應(yīng)的庫內(nèi)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(shí)對應(yīng)的庫內(nèi)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(shí)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(biāo)的交點(diǎn)值，m3。

2.2 定容封閉氣藏狀態(tài)方程計(jì)算法

對于一個(gè)定容氣藏來說，地下儲氣庫內(nèi)天然氣的損耗指在兩個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)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(jù)一般氣體狀態(tài)方程，同一摩爾質(zhì)量的氣體在不同壓力下有如下狀態(tài)關(guān)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(nèi)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(yùn)行過程中是不變的，那么在任意給定時(shí)刻，庫內(nèi)儲存的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積可以表示為：

兩個(gè)不同時(shí)刻（t1和t2）地下儲氣庫中產(chǎn)生的天然氣損耗量計(jì)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(shí)刻庫內(nèi)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(shí)刻庫內(nèi)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(qiáng)水驅(qū)氣藏型地下儲氣庫產(chǎn)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(xù)侵入會不斷補(bǔ)充儲層壓力，所以無法用以上方法來進(jìn)行天然氣損耗量計(jì)算。目前主要根據(jù)每個(gè)采氣周期發(fā)生水侵前的累采氣量來確定天然氣損耗量。

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

圖3 縮容狀態(tài)下的強(qiáng)水驅(qū)氣藏型地下儲氣庫日采氣能力與累計(jì)采氣量關(guān)系示意圖

每個(gè)周期發(fā)生的天然氣損耗量計(jì)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(jì)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(jì)采氣量，m3。

用該方法計(jì)算損耗量時(shí)需要確定發(fā)生水侵時(shí)對應(yīng)的采氣能力值、采氣期采氣能力降低至該值時(shí)的累計(jì)采氣量以及本周期庫存量的增量。例如國外某強(qiáng)水驅(qū)氣藏型地下儲氣庫，當(dāng)日采氣能力降低至39×104m3時(shí)，采氣能力會迅速下降并發(fā)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(shí)的累計(jì)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(jiān)控措施

3.1 天然氣損耗監(jiān)檢測系統(tǒng)

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(tài)監(jiān)測，已形成了以井工程、圈閉密封性及地下儲氣庫運(yùn)行動態(tài)監(jiān)測為核心的完備監(jiān)測體系，還有以常規(guī)溫壓測量、特殊測井、微地震、產(chǎn)能測試及干涉雷達(dá)測量（InSAR）系統(tǒng)為主的監(jiān)測方法和手段[25]。在地下儲氣庫邊界和內(nèi)部部署足夠數(shù)量的監(jiān)測井，再配置空間對地觀測系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)（GPS），形成空地一體化監(jiān)測網(wǎng)。監(jiān)測井?dāng)?shù)介于注采井?dāng)?shù)的50%～100%，部分區(qū)域甚至達(dá)150%。

同時(shí)，這些國家對地下儲氣庫的監(jiān)測內(nèi)容也較為完備，對儲氣地質(zhì)體主要開展圈閉密封性和內(nèi)部運(yùn)行動態(tài)監(jiān)測，對井筒的監(jiān)測內(nèi)容則主要包括井溫、氣體壓力、油套管泄漏、水泥膠結(jié)質(zhì)量、管截面、井口天然氣動態(tài)和井口設(shè)備等，對地面設(shè)施的監(jiān)測包括腐蝕、管道壓力和地面泄漏等方面內(nèi)容。通過建設(shè)運(yùn)行全過程監(jiān)測體系，及時(shí)掌握儲氣設(shè)施安全性和運(yùn)行動態(tài)，為地下儲氣庫科學(xué)建設(shè)、優(yōu)化運(yùn)行及安全生產(chǎn)提供第一手資料。

3.2 持續(xù)動態(tài)跟蹤與生產(chǎn)優(yōu)化

在地下儲氣庫交變載荷運(yùn)行應(yīng)力變化條件下，斷層、裂縫系統(tǒng)的封閉性以及儲層性質(zhì)可能發(fā)生變化。因此國外成熟地下儲氣庫運(yùn)營商會在地下儲氣庫全生命周期開展持續(xù)動態(tài)跟蹤。通過監(jiān)測注采井生產(chǎn)動態(tài)、儲氣層內(nèi)部溫壓及流體性質(zhì)、氣液界面與流體運(yùn)移、注采井產(chǎn)能等，了解單井注采氣能力、儲集層性質(zhì)、流體分布及變化等，指導(dǎo)地下儲氣庫擴(kuò)容達(dá)產(chǎn)、優(yōu)化配產(chǎn)配注及井工作制度調(diào)整[26]。對于可能發(fā)生泄漏的部位，可以通過控制注采氣速度、調(diào)整井網(wǎng)和運(yùn)行制度等來降低或阻止損耗的發(fā)生。

3.3 定期天然氣損耗評價(jià)

國外運(yùn)營商為了計(jì)算天然氣損耗造成的經(jīng)濟(jì)損失，會定期對天然氣損耗量進(jìn)行評價(jià)，采用的主要方法是庫存核實(shí)法。通過在地下儲氣庫每周期注氣末期和采氣末期進(jìn)行測壓，獲取注氣末期和采氣末期的儲層壓力，利用物質(zhì)平衡和儲層壓力獲得庫存數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證實(shí)際庫存量和天然氣損耗量[27]。還可以通過監(jiān)測關(guān)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(guān)鍵顯示井來監(jiān)測壓力—庫存量的關(guān)系，以獲取天然氣損耗的評價(jià)參數(shù)。為了提高評價(jià)結(jié)果的精度，除定期測量注采井和監(jiān)測井關(guān)井后的穩(wěn)定井口壓力，還要測試井下壓力以驗(yàn)證地下儲氣庫壓力和井口壓力轉(zhuǎn)化井底壓力的準(zhǔn)確性。

3.4 四維地質(zhì)力學(xué)仿真模擬與在線預(yù)警

部分地下儲氣庫運(yùn)營商通過地質(zhì)、地震、測井、動態(tài)監(jiān)測資料以及各類室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立地下儲氣庫三維靜態(tài)及四維地質(zhì)力學(xué)模型，分析儲氣地質(zhì)體地質(zhì)力學(xué)變化特征、氣相延伸范圍和泄漏量，并開展多周期注采預(yù)測模擬，對可能存在的泄漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行提前預(yù)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(jiān)檢測系統(tǒng)

我國地下儲氣庫地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層發(fā)育，儲層非均質(zhì)性強(qiáng)。高壓高速注采條件下，圈閉和井筒失效風(fēng)險(xiǎn)大。地面設(shè)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(shí)涵蓋儲氣地質(zhì)體、井筒及地面設(shè)施三大系統(tǒng)的地下儲氣庫的完整性監(jiān)檢測系統(tǒng)，通過建立三位一體的自動識別監(jiān)檢測系統(tǒng)，為地下儲氣庫安全高效運(yùn)營提供基本保障。地質(zhì)體密封性可采用微地震監(jiān)測系統(tǒng)，并結(jié)合監(jiān)測井動態(tài)資料進(jìn)行泄漏風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警。井筒完整性需要實(shí)時(shí)對井筒壓力進(jìn)行監(jiān)測，并采用測井等方法定期對套管進(jìn)行損傷檢測。地面可通過對壓縮機(jī)、管道、處理系統(tǒng)等檢測與評估技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地面設(shè)施的安全可控。

4.2 重視地下儲氣庫全生命周期注采運(yùn)行動態(tài)監(jiān)測

保障運(yùn)行安全是地下儲氣庫運(yùn)營的核心問題，為實(shí)時(shí)掌握地下儲氣庫運(yùn)行和損耗情況，必須開展地下儲氣庫全生命周期注采氣運(yùn)行的動態(tài)監(jiān)測。目前我國地下儲氣庫的監(jiān)測井?dāng)?shù)相較于注采井?dāng)?shù)明顯偏低，其比例遠(yuǎn)低于國外運(yùn)營商50%～100%的合理區(qū)間，因此首先要增加監(jiān)測井?dāng)?shù)量。其次，要嚴(yán)格執(zhí)行地下儲氣庫運(yùn)行動態(tài)資料錄取規(guī)范，保證資料的完整性和準(zhǔn)確性，為地下儲氣庫運(yùn)行和損耗評價(jià)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

4.3 注重多周期運(yùn)行動態(tài)滾動跟蹤評價(jià)與分析預(yù)警

在我國地下儲氣庫復(fù)雜地質(zhì)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(fēng)險(xiǎn)[28]。因此需要開展多周期運(yùn)行動態(tài)滾動跟蹤評價(jià)，建立地下儲氣庫四維地質(zhì)力學(xué)模型，結(jié)合注采運(yùn)行動態(tài)監(jiān)測資料，及時(shí)分析和預(yù)測地下儲氣庫運(yùn)行狀態(tài)，對可能存在的泄漏風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測和控制。

4.4 加強(qiáng)井筒和地面設(shè)施完整性檢測與管理

井筒和地面設(shè)施位于近地表，一旦發(fā)生大規(guī)模的泄漏，會嚴(yán)重影響人身和財(cái)產(chǎn)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(fā)生。

4.5 健全地下儲氣庫天然氣損耗量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

我國地下儲氣庫發(fā)展起步晚，近年來隨著需求增加，建庫數(shù)量逐漸增多，并形成了一定的儲氣規(guī)模。但地下儲氣庫運(yùn)行管理體系標(biāo)準(zhǔn)還處于逐步建立健全和調(diào)整完善階段。地下儲氣庫長期高速交替注氣采氣的特點(diǎn)決定了其存在潛在的高風(fēng)險(xiǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)需要全生命周期科學(xué)設(shè)計(jì)和通盤考慮。因此要加快推動地下儲氣庫標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，積極健全地下儲氣庫天然氣損耗評價(jià)、管理、監(jiān)控的方法與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，促進(jìn)損耗評價(jià)技術(shù)的快速發(fā)展，以保障我國地下儲氣庫的高效和規(guī)范運(yùn)行。