一文了解國(guó)內(nèi)外地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)和全生命周期安全運(yùn)行無(wú)損監(jiān)測(cè)技術(shù)

導(dǎo)讀：地下儲(chǔ)氣庫(kù)是國(guó)家能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備的重要保障，其監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于保障儲(chǔ)氣庫(kù)服役安全意義重大。下面概述了國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)氣庫(kù)監(jiān)測(cè)技術(shù)體系研究進(jìn)展及關(guān)鍵監(jiān)測(cè)方法與核心技術(shù)情況，為我國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)監(jiān)測(cè)技術(shù)完善和進(jìn)步提供參考。地下儲(chǔ)氣庫(kù)類型用于天然氣儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)氣庫(kù)。天然氣能夠以多種不同方式存儲(chǔ)。地下儲(chǔ)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(chǔ)氣庫(kù)類型表1是4種類型儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)存方法?？萁哂蜌獠貎?chǔ)氣庫(kù)是目前最常用且最經(jīng)濟(jì)的地下儲(chǔ)氣形式。首先，地質(zhì)性質(zhì)是儲(chǔ)存天然氣的理想選擇，孔隙度大、滲透率強(qiáng)，與其他類型的儲(chǔ)氣庫(kù)相比，可以儲(chǔ)存更多氣體；其次，對(duì)其地質(zhì)、流體力學(xué)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(chǔ)氣庫(kù)的利用率最高，每年注氣-采氣循環(huán)可達(dá)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(guó)極少建設(shè)這類儲(chǔ)氣庫(kù)。表1儲(chǔ)氣庫(kù)類型及儲(chǔ)存方法地下儲(chǔ)氣庫(kù)監(jiān)測(cè)體系及監(jiān)測(cè)方法地下儲(chǔ)氣庫(kù)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括動(dòng)態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、密封性監(jiān)測(cè)(蓋層、斷層)、油水界面監(jiān)測(cè)、腔體監(jiān)測(cè)、井筒完整性及儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)。國(guó)外的儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)已有百年歷史，監(jiān)測(cè)技術(shù)成熟完善。而我國(guó)經(jīng)過20年的發(fā)展，在借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況，也逐步形成了具有自身特色的儲(chǔ)氣庫(kù)監(jiān)測(cè)體系?？萁哂蜌獠貎?chǔ)氣庫(kù)與含水層儲(chǔ)氣庫(kù)的監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)相同，但是鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)與其不同。

1枯竭油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)的監(jiān)測(cè)體系及監(jiān)測(cè)方法01國(guó)內(nèi)：地層－井筒－地面“三位一體”立體化監(jiān)測(cè)體系經(jīng)過20年的發(fā)展，我國(guó)逐步形成了氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)地層-井筒-地面“三位一體”立體化監(jiān)測(cè)體系，涵蓋了儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)運(yùn)行全過程監(jiān)測(cè)，主要包括地質(zhì)體密封性監(jiān)測(cè)、井筒動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、內(nèi)部運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和地面設(shè)施監(jiān)測(cè)4大方面。地質(zhì)體密封性監(jiān)測(cè)主要對(duì)蓋層、斷裂系統(tǒng)、溢出點(diǎn)、周邊儲(chǔ)層及上覆滲透層和淺層水域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)天然氣通過地層漏失實(shí)施預(yù)警。井筒動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要包括注采井參數(shù)監(jiān)測(cè)、注采井密封性監(jiān)測(cè)/檢測(cè)、泄漏監(jiān)測(cè)等，涉及井下動(dòng)態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)、固井質(zhì)量評(píng)價(jià)和管柱完整性以及儲(chǔ)層狀況監(jiān)測(cè)技術(shù)。內(nèi)部運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)包括注采動(dòng)態(tài)、內(nèi)部溫壓和流體性質(zhì)、氣液界面與流體運(yùn)移、注采井產(chǎn)能，目的是了解單井注采氣能力、儲(chǔ)層性質(zhì)、流體分布及變化等。地面設(shè)施監(jiān)測(cè)包括地面腐蝕監(jiān)測(cè)、管道壓力監(jiān)測(cè)、天然氣泄漏監(jiān)測(cè)。02國(guó)外：儲(chǔ)氣庫(kù)井完整性監(jiān)測(cè)國(guó)外早已形成以井工程、圈閉密封性及氣庫(kù)運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)為核心的完備監(jiān)測(cè)體系，并配置部署足夠數(shù)量的監(jiān)測(cè)井以及空間對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)(GPS)，形成空地一體化監(jiān)測(cè)網(wǎng)。儲(chǔ)氣庫(kù)井完整性缺失或喪失是儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)營(yíng)的最大威脅，21世紀(jì)幾次重大泄漏事故教訓(xùn)深刻，因此完整性監(jiān)測(cè)是國(guó)外相關(guān)部門以及儲(chǔ)氣庫(kù)經(jīng)營(yíng)者最重視的部分，并針對(duì)完整性測(cè)試和強(qiáng)化監(jiān)測(cè)制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。儲(chǔ)氣庫(kù)完整性監(jiān)測(cè)包括井身完整性評(píng)價(jià)（管柱內(nèi)完整性監(jiān)測(cè)，指套管、油管、封隔器等的監(jiān)測(cè)；管柱外完整性監(jiān)測(cè)，指生產(chǎn)套管或其他套管外的流體流動(dòng)監(jiān)測(cè)）、地質(zhì)特征、天然氣庫(kù)存評(píng)估、流量和壓力監(jiān)測(cè)；井筒內(nèi)和井筒外完整性監(jiān)測(cè)（生產(chǎn)套管或其他套管外的流體流動(dòng)）。03監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法儲(chǔ)氣庫(kù)井動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和內(nèi)部運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是儲(chǔ)氣庫(kù)安全運(yùn)行最重要的保證，所涉及的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目多樣，可應(yīng)用的監(jiān)測(cè)技術(shù)及方法都有獨(dú)特的特點(diǎn)與要求。儲(chǔ)氣庫(kù)井是保證儲(chǔ)氣庫(kù)安全的第一道屏障，因此儲(chǔ)氣庫(kù)井動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。表2概括了儲(chǔ)氣庫(kù)井動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的目的以及監(jiān)測(cè)技術(shù)。表2儲(chǔ)氣庫(kù)井動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)儲(chǔ)氣庫(kù)井內(nèi)部運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)包括注采動(dòng)態(tài)、內(nèi)部溫壓和流體性質(zhì)、氣液界面與流體運(yùn)移、注采井產(chǎn)能等，目的是了解單井注采氣能力、儲(chǔ)層性質(zhì)、流體分布及變化等，指導(dǎo)氣庫(kù)擴(kuò)容達(dá)產(chǎn)、優(yōu)化配產(chǎn)配注及井工作制度調(diào)整。監(jiān)測(cè)內(nèi)容和方法見表3。表3儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)部運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)內(nèi)容及方法04監(jiān)測(cè)實(shí)例實(shí)例1：水泥膠結(jié)評(píng)價(jià)與腐蝕檢測(cè)組合評(píng)估井筒完整性該儲(chǔ)氣庫(kù)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(wú)損檢測(cè)裝置，腐蝕檢測(cè)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(shí)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(dāng)系統(tǒng)處于發(fā)射模式時(shí)，向線圈施加電流J，線圈周圍感生對(duì)應(yīng)的交變磁場(chǎng)，在被測(cè)套管中將會(huì)感生交變電場(chǎng)，進(jìn)而感生渦流I，在偏置磁場(chǎng)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(dòng)。帶電粒子間的不斷機(jī)械振動(dòng)進(jìn)而形成波動(dòng)，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(wú)法產(chǎn)生的。因?yàn)镾H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(duì)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(yīng)。而在Lamb彎曲模式下，粒子運(yùn)動(dòng)垂直于套管表面。與剪切波組合，可用于檢測(cè)微環(huán)的存在，并且無(wú)需對(duì)套管多次施加壓力。EMAT最大的特點(diǎn)是將套管作為傳感器的一部分。這樣，聲波的產(chǎn)生和測(cè)量都在套管中，無(wú)需流體耦合，不需要在井眼中充液，也無(wú)需傳感器與套管的物理接觸。儲(chǔ)氣庫(kù)井水泥膠結(jié)測(cè)井的最大問題就是需要在測(cè)井前用液體壓井，這不僅帶來(lái)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(cè)井后，在某些情況下很難恢復(fù)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(yīng)用，還可以在正常生產(chǎn)的情況下提供更詳細(xì)的水泥環(huán)狀況。常規(guī)的漏磁檢測(cè)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(duì)磁、電和機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)了適用于儲(chǔ)氣庫(kù)井的新型三軸漏磁（MFL）測(cè)井儀，原理如圖3所示，分辨率提高了10倍，能提供準(zhǔn)確的破裂壓力計(jì)算值。圖3三軸MFL測(cè)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(lái)的射孔記錄一致。整個(gè)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(cè)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(shuō)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(cè)井結(jié)果顯示，在檢測(cè)出微環(huán)的層段上方，整個(gè)井眼長(zhǎng)度范圍內(nèi)的7in套管均膠結(jié)良好，包括1746ft以上的部分。測(cè)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(cè)量值可以檢測(cè)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(cè)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(chǔ)氣庫(kù)井中通過水泥膠結(jié)和套管狀況相當(dāng)精確地評(píng)估層間隔離，而不必在測(cè)井前向井筒內(nèi)注入液體。

實(shí)例2：井溫/能譜噪聲/脈沖中子/電磁探傷組合識(shí)別出水來(lái)源該枯竭氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)井包括兩個(gè)儲(chǔ)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(chǔ)氣庫(kù)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(shí)的SNL。位于底部的D2c儲(chǔ)氣層是底水驅(qū)動(dòng)，注氣時(shí)底水下移，采氣時(shí)底水上移。這口井已有30年的歷史，在過去的兩年中，由于無(wú)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(cè)井分析確定出水來(lái)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(shí)注氣，進(jìn)行了測(cè)井。圖5識(shí)別出水來(lái)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(rèn)是識(shí)別竄槽的最佳辦法，在圖5中，能譜噪聲捕獲了這3種測(cè)井模式下1.0～34kHz低頻范圍內(nèi)的噪聲信號(hào)，這些信號(hào)都是D2a儲(chǔ)層發(fā)生竄槽后氣體侵入到相鄰的D2c儲(chǔ)層而產(chǎn)生的。同時(shí)，兩個(gè)儲(chǔ)層的溫度都在下降。三軸測(cè)井模式下都出現(xiàn)了高頻能譜噪聲信號(hào)，這說(shuō)明D2c儲(chǔ)氣層發(fā)生了氣體流動(dòng)。該層的噪聲是氣體流經(jīng)D2c儲(chǔ)層時(shí)產(chǎn)生的。而脈沖中子數(shù)據(jù)顯示D2c是水飽和儲(chǔ)層，D2a是飽和氣層，這意味著由于儲(chǔ)層壓力降低，氣水界面向上移動(dòng)了。這是含水率增加的原因。未發(fā)現(xiàn)來(lái)自上覆含水層的竄流。2鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)監(jiān)測(cè)體系及監(jiān)測(cè)方法01監(jiān)測(cè)體系和方法鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的監(jiān)測(cè)體系主要包括兩個(gè)方面：儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)時(shí)的密封監(jiān)測(cè)、儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行后的監(jiān)測(cè)情況，見表4。表4鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的監(jiān)測(cè)體系與監(jiān)測(cè)方法02監(jiān)測(cè)實(shí)例：利用井溫/能譜噪聲/脈沖中子/熱導(dǎo)流量計(jì)/電磁探傷組合測(cè)井確定持續(xù)環(huán)空壓力的來(lái)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(shí)例中，利用井溫/能譜噪聲（SNL）/脈沖中子/熱導(dǎo)流量計(jì)（HEX）/電磁探傷組合測(cè)井在兩個(gè)環(huán)形空間同時(shí)確定SAP的來(lái)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(cè)試時(shí)檢測(cè)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(dòng)路徑，進(jìn)行了組合測(cè)井分析。測(cè)井前的地面壓力測(cè)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(cè)井步驟為：(1)

關(guān)井，測(cè)量基線；(2)C環(huán)空放空時(shí)進(jìn)行第2次測(cè)井；(3)B環(huán)空放空時(shí)進(jìn)行第3次測(cè)井。利用不同井下條件下的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，追蹤天然氣向地面的遷移路徑。雖然井溫測(cè)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(dòng)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(gè)沖洗層段：A、B、C、D。放空時(shí)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(duì)能譜噪聲、熱導(dǎo)流量計(jì)和電磁探傷數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合分析。在產(chǎn)生噪聲的層段C，熱導(dǎo)流量計(jì)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(dòng)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(lái)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(diǎn)進(jìn)入B環(huán)空，然后通過泄漏的13in套管接箍進(jìn)入C環(huán)空，從而在兩個(gè)環(huán)空中產(chǎn)生超壓（氣體運(yùn)移如圖7中的黃色箭頭所示）。對(duì)井中氣體運(yùn)移路徑的了解有助于成功實(shí)施經(jīng)濟(jì)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(xì)闡述了保障地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)和全生命周期安全運(yùn)行的監(jiān)測(cè)技術(shù)和監(jiān)測(cè)方法，可根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)目的及內(nèi)容進(jìn)行選擇。每種方法都有獨(dú)特的特點(diǎn)與要求，但是任何單一的測(cè)試方法都不足以全面評(píng)估井筒完整性，例如，溫度和噪聲的靈敏度有限且不能預(yù)估風(fēng)險(xiǎn)；套管腐蝕測(cè)井和水泥膠結(jié)測(cè)井能識(shí)別完整性缺陷及具體位置，但無(wú)法判定漏失現(xiàn)狀；壓力測(cè)試無(wú)法提供具體的漏