一文了解國內(nèi)外地下儲氣庫建設(shè)和全生命周期安全運行無損監(jiān)測技術(shù)

導讀：地下儲氣庫是國家能源戰(zhàn)略儲備的重要保障，其監(jiān)測技術(shù)對于保障儲氣庫服役安全意義重大。下面概述了國內(nèi)外儲氣庫監(jiān)測技術(shù)體系研究進展及關(guān)鍵監(jiān)測方法與核心技術(shù)情況，為我國儲氣庫監(jiān)測技術(shù)完善和進步提供參考。地下儲氣庫類型用于天然氣儲存、注入、采出的地下和地面設(shè)施，包括通過人工建造或者天然形成儲存天然氣的地下構(gòu)造、注采天然氣的地面設(shè)施，以及連接地面與地下的設(shè)施等，以上統(tǒng)稱為地下儲氣庫。天然氣能夠以多種不同方式存儲。地下儲氣方式主要有4種：枯竭油氣藏、含水層、鹽穴和廢棄礦坑。全球數(shù)量最多的是前3種，如圖1所示。圖1全球數(shù)量最多的3種儲氣庫類型表1是4種類型儲氣庫的儲存方法?？萁哂蜌獠貎鈳焓悄壳白畛Ｓ们易罱?jīng)濟的地下儲氣形式。首先，地質(zhì)性質(zhì)是儲存天然氣的理想選擇，孔隙度大、滲透率強，與其他類型的儲氣庫相比，可以儲存更多氣體；其次，對其地質(zhì)、流體力學等都非常了解；第三，可以利用現(xiàn)有地面基礎(chǔ)設(shè)施。但鹽穴儲氣庫的利用率最高，每年注氣-采氣循環(huán)可達4～6次，特別適合日調(diào)峰。由于符合條件的礦坑很少，因此各國極少建設(shè)這類儲氣庫。表1儲氣庫類型及儲存方法地下儲氣庫監(jiān)測體系及監(jiān)測方法地下儲氣庫的監(jiān)測內(nèi)容主要包括動態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測、密封性監(jiān)測(蓋層、斷層)、油水界面監(jiān)測、腔體監(jiān)測、井筒完整性及儲層監(jiān)測。國外的儲氣庫建設(shè)已有百年歷史，監(jiān)測技術(shù)成熟完善。而我國經(jīng)過20年的發(fā)展，在借鑒國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)的實際情況，也逐步形成了具有自身特色的儲氣庫監(jiān)測體系。枯竭油氣藏儲氣庫與含水層儲氣庫的監(jiān)測方法和技術(shù)相同，但是鹽穴儲氣庫與其不同。

1枯竭油氣藏型儲氣庫的監(jiān)測體系及監(jiān)測方法01國內(nèi)：地層－井筒－地面“三位一體”立體化監(jiān)測體系經(jīng)過20年的發(fā)展，我國逐步形成了氣藏儲氣庫地層-井筒-地面“三位一體”立體化監(jiān)測體系，涵蓋了儲氣庫建設(shè)運行全過程監(jiān)測，主要包括地質(zhì)體密封性監(jiān)測、井筒動態(tài)監(jiān)測、內(nèi)部運行動態(tài)監(jiān)測和地面設(shè)施監(jiān)測4大方面。地質(zhì)體密封性監(jiān)測主要對蓋層、斷裂系統(tǒng)、溢出點、周邊儲層及上覆滲透層和淺層水域進行監(jiān)測，對天然氣通過地層漏失實施預警。井筒動態(tài)監(jiān)測主要包括注采井參數(shù)監(jiān)測、注采井密封性監(jiān)測/檢測、泄漏監(jiān)測等，涉及井下動態(tài)參數(shù)監(jiān)測、固井質(zhì)量評價和管柱完整性以及儲層狀況監(jiān)測技術(shù)。內(nèi)部運行動態(tài)監(jiān)測包括注采動態(tài)、內(nèi)部溫壓和流體性質(zhì)、氣液界面與流體運移、注采井產(chǎn)能，目的是了解單井注采氣能力、儲層性質(zhì)、流體分布及變化等。地面設(shè)施監(jiān)測包括地面腐蝕監(jiān)測、管道壓力監(jiān)測、天然氣泄漏監(jiān)測。02國外：儲氣庫井完整性監(jiān)測國外早已形成以井工程、圈閉密封性及氣庫運行動態(tài)監(jiān)測為核心的完備監(jiān)測體系，并配置部署足夠數(shù)量的監(jiān)測井以及空間對地觀測系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)(GPS)，形成空地一體化監(jiān)測網(wǎng)。儲氣庫井完整性缺失或喪失是儲氣庫運營的最大威脅，21世紀幾次重大泄漏事故教訓深刻，因此完整性監(jiān)測是國外相關(guān)部門以及儲氣庫經(jīng)營者最重視的部分，并針對完整性測試和強化監(jiān)測制定了相應的標準和法規(guī)。儲氣庫完整性監(jiān)測包括井身完整性評價（管柱內(nèi)完整性監(jiān)測，指套管、油管、封隔器等的監(jiān)測；管柱外完整性監(jiān)測，指生產(chǎn)套管或其他套管外的流體流動監(jiān)測）、地質(zhì)特征、天然氣庫存評估、流量和壓力監(jiān)測；井筒內(nèi)和井筒外完整性監(jiān)測（生產(chǎn)套管或其他套管外的流體流動）。03監(jiān)測技術(shù)與方法儲氣庫井動態(tài)監(jiān)測和內(nèi)部運行動態(tài)監(jiān)測是儲氣庫安全運行最重要的保證，所涉及的監(jiān)測項目多樣，可應用的監(jiān)測技術(shù)及方法都有獨特的特點與要求。儲氣庫井是保證儲氣庫安全的第一道屏障，因此儲氣庫井動態(tài)監(jiān)測至關(guān)重要。表2概括了儲氣庫井動態(tài)監(jiān)測的目的以及監(jiān)測技術(shù)。表2儲氣庫井動態(tài)監(jiān)測技術(shù)儲氣庫井內(nèi)部運行動態(tài)監(jiān)測包括注采動態(tài)、內(nèi)部溫壓和流體性質(zhì)、氣液界面與流體運移、注采井產(chǎn)能等，目的是了解單井注采氣能力、儲層性質(zhì)、流體分布及變化等，指導氣庫擴容達產(chǎn)、優(yōu)化配產(chǎn)配注及井工作制度調(diào)整。監(jiān)測內(nèi)容和方法見表3。表3儲氣庫內(nèi)部運行動態(tài)監(jiān)測內(nèi)容及方法04監(jiān)測實例實例1：水泥膠結(jié)評價與腐蝕檢測組合評估井筒完整性該儲氣庫井的完井管柱包括3層：7in（1in=25.4mm）套管、9in套管（1746in以上）、13in套管（深度為257in）。井口壓力1000psi（1psi=6.895kPa）。水泥膠結(jié)儀器選擇了基于電磁聲換能器（EMAT）的無損檢測裝置，腐蝕檢測利用的是三軸漏磁（MFL）傳感器。電磁聲換能器（EMAT）是一類傳感器，同時起到發(fā)射器和接收器的作用，EMAT原理圖如圖2所示。圖2EMAT原理圖當系統(tǒng)處于發(fā)射模式時，向線圈施加電流J，線圈周圍感生對應的交變磁場，在被測套管中將會感生交變電場，進而感生渦流I，在偏置磁場H的作用下，電流直接在套管中產(chǎn)生洛倫茲力。套管表面的帶電粒子受力而產(chǎn)生偏移振動。帶電粒子間的不斷機械振動進而形成波動，由此形成了超聲波源。EMAT能夠產(chǎn)生兩種基本波模式：水平剪切（SH）波和蘭姆（Lamb）彎曲波。水平剪切波模式是傳統(tǒng)傳感器無法產(chǎn)生的。因為SH是一種剪切模式，它的粒子位移垂直于波的傳播方向，與套管表面平行，沒有法向位移，僅對與套管耦合的固體材料、與水泥直接相關(guān)的水平剪切漏失作出響應。而在Lamb彎曲模式下，粒子運動垂直于套管表面。與剪切波組合，可用于檢測微環(huán)的存在，并且無需對套管多次施加壓力。EMAT最大的特點是將套管作為傳感器的一部分。這樣，聲波的產(chǎn)生和測量都在套管中，無需流體耦合，不需要在井眼中充液，也無需傳感器與套管的物理接觸。儲氣庫井水泥膠結(jié)測井的最大問題就是需要在測井前用液體壓井，這不僅帶來額外的作業(yè)問題，還限制了靈活性，提高了成本。更重要的是水泥膠結(jié)測井后，在某些情況下很難恢復到原有產(chǎn)能。但是EMAT克服了這些局限，可以在任何井眼流體環(huán)境中應用，還可以在正常生產(chǎn)的情況下提供更詳細的水泥環(huán)狀況。常規(guī)的漏磁檢測只能提供單軸的低分辨率數(shù)據(jù)，不能顯示缺陷的具體幾何形狀。經(jīng)過對磁、電和機械結(jié)構(gòu)進行改進，開發(fā)了適用于儲氣庫井的新型三軸漏磁（MFL）測井儀，原理如圖3所示，分辨率提高了10倍，能提供準確的破裂壓力計算值。圖3三軸MFL測量原理圖圖4(a)顯示的是底部射孔層段。該層段主要用于天然氣的注入或采出。從圖上可以看到各組射孔孔眼及其確切的深度和方向，與多年來的射孔記錄一致。整個射孔層段的套管沒有顯示任何內(nèi)部或外部腐蝕缺陷。射孔層段上方的水泥膠結(jié)測井曲線如圖4(b)所示，結(jié)果表明，射孔層段上方膠結(jié)良好，說明該層段上方的水力封隔良好。圖4各層段信息射孔層段上方2822～3032ft之間，水泥膠結(jié)和水力封隔總體良好。但是2493～2822ft之間的層段，通過比較彎曲波和剪切波的衰減，確定有充液微環(huán)，如圖4(c)所示，彎曲波和剪切波衰減之間的紅色陰影表示充液微環(huán)。EMAT測井結(jié)果顯示，在檢測出微環(huán)的層段上方，整個井眼長度范圍內(nèi)的7in套管均膠結(jié)良好，包括1746ft以上的部分。測井圖上可以看到7in和9in套管之間的水泥膠結(jié)情況。高分辨率測量值可以檢測到水泥質(zhì)量的變化，但是，在出現(xiàn)微環(huán)的層段上方并沒有檢測出連續(xù)的水泥膠結(jié)較差層段或明顯的竄槽。通過兩種技術(shù)的結(jié)合，能夠在儲氣庫井中通過水泥膠結(jié)和套管狀況相當精確地評估層間隔離，而不必在測井前向井筒內(nèi)注入液體。

實例2：井溫/能譜噪聲/脈沖中子/電磁探傷組合識別出水來源該枯竭氣藏儲氣庫井包括兩個儲氣層———D2a和D2c，如圖5所示，從左到右依次是：深度、6in生產(chǎn)套管和4in套管厚度、儲氣庫井示意圖、巖性、西格瑪、溫度、關(guān)井SNL、放空SNL、向環(huán)空注氣時的SNL。位于底部的D2c儲氣層是底水驅(qū)動，注氣時底水下移，采氣時底水上移。這口井已有30年的歷史，在過去的兩年中，由于無法繼續(xù)注入天然氣，因此一直處于閑置狀態(tài)。為了找出原因，利用井溫/能譜噪聲/脈沖中子/電磁探傷組合測井分析確定出水來源。分別在關(guān)井、油管和生產(chǎn)套管之間的環(huán)空(A環(huán)空)放空、在A環(huán)空壓力為4.0MPa時注氣，進行了測井。圖5識別出水來源由于A環(huán)空壓力較低（0.8MPa），流入量也較低，所以在放空期間未發(fā)現(xiàn)溫度曲線異常。能譜噪聲已公認是識別竄槽的最佳辦法，在圖5中，能譜噪聲捕獲了這3種測井模式下1.0～34kHz低頻范圍內(nèi)的噪聲信號，這些信號都是D2a儲層發(fā)生竄槽后氣體侵入到相鄰的D2c儲層而產(chǎn)生的。同時，兩個儲層的溫度都在下降。三軸測井模式下都出現(xiàn)了高頻能譜噪聲信號，這說明D2c儲氣層發(fā)生了氣體流動。該層的噪聲是氣體流經(jīng)D2c儲層時產(chǎn)生的。而脈沖中子數(shù)據(jù)顯示D2c是水飽和儲層，D2a是飽和氣層，這意味著由于儲層壓力降低，氣水界面向上移動了。這是含水率增加的原因。未發(fā)現(xiàn)來自上覆含水層的竄流。2鹽穴儲氣庫監(jiān)測體系及監(jiān)測方法01監(jiān)測體系和方法鹽穴儲氣庫的監(jiān)測體系主要包括兩個方面：儲氣庫建設(shè)時的密封監(jiān)測、儲氣庫運行后的監(jiān)測情況，見表4。表4鹽穴儲氣庫的監(jiān)測體系與監(jiān)測方法02監(jiān)測實例：利用井溫/能譜噪聲/脈沖中子/熱導流量計/電磁探傷組合測井確定持續(xù)環(huán)空壓力的來源持續(xù)環(huán)空壓力（SAP）通常是由于套管漏失或套管外水泥膠結(jié)缺失造成的。在該實例中，利用井溫/能譜噪聲（SNL）/脈沖中子/熱導流量計（HEX）/電磁探傷組合測井在兩個環(huán)形空間同時確定SAP的來源：A環(huán)空（9in與13in套管之間）和C環(huán)空（13in和16in套管之間）。這口井在鹽穴沖洗開始后一年就在A環(huán)空中產(chǎn)生了SAP。在壓力測試時檢測出環(huán)空出現(xiàn)連通。為了確定漏失位置及多層管柱外的氣體流動路徑，進行了組合測井分析。測井前的地面壓力測試顯示B環(huán)空SAP為6.8MPa，C環(huán)空壓力為21MPa，A環(huán)空壓力為9.8MPa。測井步驟為：(1)

關(guān)井，測量基線；(2)C環(huán)空放空時進行第2次測井；(3)B環(huán)空放空時進行第3次測井。利用不同井下條件下的測井數(shù)據(jù)，追蹤天然氣向地面的遷移路徑。雖然井溫測井獲得的信息量非常豐富，但由于套管外和環(huán)空中的流動速率較低，所以其結(jié)果在這種特殊情況下意義不大，因此，解釋結(jié)果主要依據(jù)能譜噪聲數(shù)據(jù)。寬頻NMSE出現(xiàn)在四個沖洗層段：A、B、C、D。放空時噪聲振幅發(fā)生變化，這些噪聲都是套管漏失產(chǎn)生的。為了確定漏失位置，對能譜噪聲、熱導流量計和電磁探傷數(shù)據(jù)進行了綜合分析。在產(chǎn)生噪聲的層段C，熱導流量計曲線變化，表明傳感器與流體發(fā)生直接接觸，意味著漏失出現(xiàn)在7in生產(chǎn)套管中，如圖6和圖7所示。與電磁探傷數(shù)據(jù)的相關(guān)性表明漏失是由于套管接箍松動造成的。另外兩處漏失（層段B和D）出現(xiàn)在第2層和第3層管柱。圖6套管接箍找漏圖7不同套管的接箍找漏通過綜合數(shù)據(jù)解釋可以確定：B環(huán)空和C環(huán)空中的SAP來源是早前為了防止腔體頂部沖洗而注入環(huán)空的氣體。這些氣體通過9in套管接箍（層段B）的漏失點進入B環(huán)空，然后通過泄漏的13in套管接箍進入C環(huán)空，從而在兩個環(huán)空中產(chǎn)生超壓（氣體運移如圖7中的黃色箭頭所示）。對井中氣體運移路徑的了解有助于成功實施經(jīng)濟高效的修井作業(yè)。圖6中從左到右依次是：深度、井的示意圖、溫度、關(guān)井SNL、C環(huán)空放空SNL、B環(huán)空放空SNL、7、9和13in套管厚度。圖7中從左到右依次是：深度、HEX、井的示意圖、溫度、關(guān)井SNL、C環(huán)空放空SNL、B環(huán)空放空SNL、7、9和13in套管厚度。結(jié)論全面總結(jié)并詳細闡述了保障地下儲氣庫建設(shè)和全生命周期安全運行的監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測方法，可根據(jù)不同的監(jiān)測目的及內(nèi)容進行選擇。每種方法都有獨特的特點與要求，但是任何單一的測試方法都不足以全面評估井筒完整性，例如，溫度和噪聲的靈敏度有限且不能預估風險；套管腐蝕測井和水泥膠結(jié)測井能識別完整性缺陷及具體位置，但無法判定漏失現(xiàn)狀；壓力測試無法提供具體的漏