CN113236242A - 一种确定扩容储气库最高运行压力的方法 - Google Patents

一种确定扩容储气库最高运行压力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种确定扩容储气库最高运行压力的方法，包括以下步骤：步骤一：收集整理储气库各构造点注采井测井资料和储层钻井液密度，计算上覆地层压力和地层孔隙压力；步骤二：加工注采井井下岩心，得到岩心柱样作为试验样品，并确定地层条件参数；步骤三：在地层条件参数模拟下，对岩心柱样进行三轴抗压强度实验和巴西抗拉强度实验，得到泊松比和岩石抗张强度；步骤四：根据计算所得的上覆地层压力、地层孔隙压力、泊松比和岩石抗张强度，并利用储气库储层地层破裂压力模型，计算出地层的破裂压力，得到储气库扩容上限压力。采用本方案，能确定储气库扩容最高运行压力，可在储气库扩容方案设计中提供重要的技术支撑。

Description

一种确定扩容储气库最高运行压力的方法
技术领域
本发明涉及天然气存储领域，具体涉及一种确定扩容储气库最高运行压力的方法。
背景技术
国内天然气消费持续快速增长、对外依存度攀升正在倒逼储气设施建设提速，在众多调峰方式中，地下储气库是当今世界上最主要的天然气储存方式和调峰手段。根据国际经验，一旦天然气对外依存度达到和超过30％，地下储气库工作气量就需要超过消费量的12％，2017年中国天然气对外依存度接近40％，2018年超过40％，但储气调峰设施远未达到前述标准。中国石油2019-2030年地下储气库建设规划部署，明确至2030年将扩容10座储气库(群)，新建23座储气库。提高储气库工作气量不仅应注重储气库数量的建设，还应加强对已建成储气库潜力的挖掘，开展现有储气库扩容工作，提出储气库储层破裂压力，科学制定储气库扩容方案，确保储气库的安全、高效运行。
储气库扩容难题之一就是扩容上限压力的确定，当扩容压力小于扩容上限压力时，无法充分挖掘储气库扩容潜力；当扩容压力大于扩容上限压力时，会将储气库地层压破，地层无法储气，天然气窜逃泄露，严重时使储气库报废。
现有的扩容上限压力主要包括最小主应力确定方式、原始气藏压力确定方式。最小主应力确定方式，只考虑了储气库储层的最小主应力，而未考虑储气库储层岩石特征参数。原始气藏压力确定方式，是用原气藏(建储气库前的原始气藏，气藏开采衰竭后再改建储气库)的气藏压力作为扩容上限压力，此压力往往只是气藏形成的压力，而不是储气库地层能承受的压力。
总体来看，现有的储气库扩容上限压力确定方法，没有考虑储气库储层岩石力学特征，而岩石的抗张强度、泊松比对岩石破碎有影响，无法准确评价储气库储层破裂压力，进而确定储气库扩容的上限压力，不能充分发挥储气库的潜力。因此，急需一种确定扩容储气库最高运行压力的方法，评价储气库储层破裂压力，为现有储气库扩容达产提供有力的技术支撑。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种确定扩容储气库最高运行压力的方法，采用本方案，能确定储气库扩容最高运行压力，可在储气库扩容方案设计中提供重要的技术支撑。
本发明采用的技术方案为：一种确定扩容储气库最高运行压力的方法，包括以下步骤：
步骤一：收集整理储气库各构造点注采井测井资料和储层钻井液密度，计算上覆地层压力和地层孔隙压力；
步骤二：加工注采井井下岩心，得到岩心柱样作为试验样品，并确定地层条件参数；
步骤三：在地层条件参数模拟下，对岩心柱样进行三轴抗压强度实验和巴西抗拉强度实验，得到泊松比和岩石抗张强度；
步骤四：根据计算所得的上覆地层压力、地层孔隙压力、泊松比和岩石抗张强度，并利用储气库储层地层破裂压力模型，计算出地层的破裂压力，得到储气库扩容上限压力。
本方案的具体步骤为：首先收集整理储气库各构造点注采井测井资料，并统计上覆各地层密度及深度，利用上覆地层密度及深度，即可计算出上覆地层压力，一并收集整理储气库各构造点注采井储层钻井液密度，利用注采井钻井液密度，即可计算出地层孔隙压力；然后准备实验样品，即加工注采井井下岩心，并按照符合实验样品的尺寸加工，得到岩心柱样，并确定地层条件参数，然后将岩心柱样加工，将岩心切割为两端平整的表面，使其适用于实验要求的尺寸，其中底层条件参数为该岩心柱样在原有位置时的温度、空隙压力、围压等；然后在地层条件参数模拟下，对岩心柱样进行三轴抗压强度实验，通过监测三轴抗压强度实验岩心柱样，根据径向与轴向形变量，计算得到泊松比；然后通过检测巴西抗拉强度实验岩心柱样在破裂时力的大小，得到岩石抗张强度；最后根据计算所得的上覆地层压力、地层孔隙压力、泊松比和岩石抗张强度，并利用储气库储层地层破裂压力模型，计算出地层的破裂压力，得到储气库扩容上限压力。
目前，国内应用最广泛、最成熟的预测地层破裂压力模型是黄荣樽模型，但是该模型针对的是油气田开发对油气储层压裂改造，是单向地把储层压开进行采油、采气。而储气库的运行不是把储层压开进行单向的采油、采气，而是向储气库储层里注气(在天然气需求淡季，把富裕的天然气存储在地下)、采气(在天然气需求旺季，把储存在地下的天然气采出来)，形成注采循环。本发明的主要目的，是为了在储气库储存更多的天然气，因此需对储气库扩容，测试储气库的最高运行压力，使储气库能在最高压力下储存更多的天然气的同时，还不能把储气库地层压破，否则储层中储存的天然气会外溢，破坏了储气库的密封性。因此，黄荣樽模型不适用于预测储气库储层的破裂压力，而本方案是在黄荣樽模型的基础上优化改进，建立了适用于预测储气库储层破裂压力的一个新的模型。
Figure BDA0003126793150000021
k＝α－3β；
其中k为地质构造应力系数；
在无构造应力时，k＝0；
在有构造应力时，一般情况下在两个水平主方向上所附加的有效应力是不相等的，分别设为水平最大主应力、水平最小主应力。储层压裂改造，形成裂缝是垂直最大水平主应力，向着最小主应力方向延伸，因此，只有把储层压裂，在储层中形成裂缝时，才考虑构造应力k。
而储气库的扩容不是把储层压裂，并不形成储层裂缝。因此，黄荣樽模型中k＝0；
因此式1变为
Figure BDA0003126793150000031
作用在垂直方向上的主地应力成为上覆应力S，是由上覆岩层的重量产生的。由于岩层的密度随深度而变化，故S也是深度的函数，其值可由密度测井曲线求得：
Figure BDA0003126793150000032
式中：D——地层深度；
ρ(D)——岩层的密度ρ随深度D而变化的函数；
g——重力加速度。
Figure BDA0003126793150000033
式中：Pob——上覆地层压力，MPa；
H——地层深度，m；
P(z)——深处z的地层密度，g/cm3；
g——重力加速度，N/kg；
上覆地层应力S＝上覆地层压力Pob；
因此式2变为
Figure BDA0003126793150000034
进一步得式：
Figure BDA0003126793150000035
式5作为储气库储层破裂压力计算模型。
进一步优化，所述步骤一还包括以下子步骤：对储气库构造不同构造位置的注采井测压数据进行统计分析，计算得到多个地层孔隙压力，取最低地层孔隙压力。
进一步优化，所述步骤二还包括以下子步骤：取储气库构造不同构造位置的注采井井下岩心，得到多个试验样品。
进一步优化，所述步骤三还包括以下子步骤：对多个试验样品进行三轴抗压强度实验，通过实验检测得到多个泊松比，取最小泊松比。
进一步优化，所述步骤三还包括以下子步骤：对多个试验样品进行巴西抗拉强度实验，通过实验检测得到多个岩石抗张强度，取最小抗张强度。
进一步优化，所述储气库储层破裂压力计算模型为：
Figure BDA0003126793150000041
式中：Pf——地层破裂压力，MPa；
γ——地层岩石泊松比，无量纲；
Pob——上覆地层压力，MPa；
Pp——地层孔隙压力，MPa；
St——岩石抗张强度，MPa。
进一步优化，所述上覆地层压力计算公式为：
Figure BDA0003126793150000042
式中：Pob——上覆地层压力，MPa；
H——地层深度，m；
P(z)——深处z的地层密度，g/cm3；
g——重力加速度，N/kg。
进一步优化，所述地层孔隙压力计算公式为：
Pp＝ρgh；
式中：Pp——地层孔隙压力，MPa；
h——储层深度，m；
ρ——压力系数；
g——重力加速度，N/kg。
进一步优化，所述泊松比计算公式为：
γ＝s1/s2；
式中：γ——地层岩石泊松比；
s1——为实验样品的径向形变量，mm；
s2——为实验样品的轴向形变量，mm。
进一步优化，所述岩石抗张强度计算公式为：
Figure BDA0003126793150000043
式中：St——岩石抗张强度，MPa；
P——施加在实验样品上的载荷峰值，MPa；
D——实验样品直径，mm；
t——实验样品试件厚度，mm。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明专利建立的储气库储层破裂压力计算模型，是针对衰竭型储气库扩容上限压力计算的重要补充。
(2)本发明专利利用了钻井、测井资料，结合实验检测结果，计算得到的储气库扩容最高运行压力更真实、可靠。
(3)本发明确定的储气库扩容最高运行压力，可以在储气库扩容方案设计中提供重要的技术支撑。
附图说明
图1为本发明提供的一种确定扩容储气库最高运行压力的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例一：如图1所示，一种确定扩容储气库最高运行压力的方法，包括以下步骤：
步骤一：收集整理储气库各构造点注采井测井资料和储层钻井液密度，计算上覆地层压力和地层孔隙压力；
步骤二：加工注采井井下岩心，得到岩心柱样作为试验样品，并确定地层条件参数；
步骤三：在地层条件参数模拟下，对岩心柱样进行三轴抗压强度实验和巴西抗拉强度实验，得到泊松比和岩石抗张强度；
步骤四：根据计算所得的上覆地层压力、地层孔隙压力、泊松比和岩石抗张强度，并利用储气库储层地层破裂压力模型，计算出地层的破裂压力，得到储气库扩容上限压力。
本方案的具体步骤为：首先收集整理储气库各构造点注采井测井资料，并统计上覆各地层密度及深度，利用上覆地层密度及深度，即可计算出上覆地层压力，一并收集整理储气库各构造点注采井储层钻井液密度，利用注采井钻井液密度，即可计算出地层孔隙压力；然后准备实验样品，即加工注采井井下岩心，并按照符合实验样品的尺寸加工，得到岩心柱样，并确定地层条件参数，然后将岩心柱样加工，将岩心切割为两端平整的表面，使其适用于实验要求的尺寸，其中底层条件参数为该岩心柱样在原有位置时的温度、空隙压力、围压等；然后在地层条件参数模拟下，对岩心柱样进行三轴抗压强度实验，通过监测三轴抗压强度实验岩心柱样，根据径向与轴向形变量，计算得到泊松比；然后通过检测巴西抗拉强度实验岩心柱样在破裂时力的大小，得到岩石抗张强度；然后将预测地层破裂压力精度最高的黄荣樽模型，根据储气库的实际改进作为储气库储层地层破裂压力模型；最后根据计算所得的上覆地层压力、地层孔隙压力、泊松比和岩石抗张强度，并利用储气库储层地层破裂压力模型，计算出地层的破裂压力，得到储气库扩容上限压力。
实施例二：本实施例在实施例一的基础上进一步优化，本实施例所述的储气库为相国寺储气库，包括以下具体方法：
(1)收集整理储气库各构造点注采井测井资料，统计上覆各地层密度及深度，利用上覆地层压力计算公式，即可计算出上覆地层压力。
Figure BDA0003126793150000061
式中：Pob——上覆地层压力，MPa；
H——地层深度，m；
P(z)——深处z的地层密度，g/cm3；
g——重力加速度，N/kg；
对储气库构造不同构造位置的注采井测压数据进行统计分析，本实例选取构造上、中、下三个位置注采点的注采井。2号注采点，相储15井，相储16井；6号注采点相储1井，相储6井；11号注采点相储22井，相储9井。
Pob＝Pobmin(72.53,70.37,67.74……)＝67.74MPa。
(2)收集整理储气库各构造点注采井储层钻井液密度，利用地层孔隙压力计算公式，即可计算出地层孔隙压力，取最低地层孔隙压力。
Pp＝ρgh；
式中：Pp——地层孔隙压力，MPa；
h——储层深度，m；
ρ——压力系数，无量纲；
g——重力加速度，N/kg；
对储气库构造不同构造位置的注采井测压数据进行统计分析，本实例选取构造上、中、下三个位置注采点的注采井。2号注采点，相储15井，相储16井平均压力系数1.05，平均储层深度2823.31m；6号注采点相储1井，相储6井平均压力系数1.06，平均储层深度2297.25m；11号注采点相储22井，相储9井平均压力系数1.08，平均储层深度2579.52m。
Pp＝Ppmin(29.051,26.795,24.314)＝24.314MPa。
(3)取储气库构造不同构造位置的注采井井下岩心，本实例选取构造上部相储15井、相储16井，中部相储1井，相储6井，下部相储22井，相储9井的井下岩心。加工注采井井下岩心适用强度实验样品
Figure BDA0003126793150000071
实验条件：温度73.5℃，孔隙压力24.314MPa，围压19.45MPa，开展三轴抗压实验，取最小泊松比(泊松比越大岩石脆性越弱)。
γ＝s1/s2；
式中：γ——地层岩石泊松比，无量纲；
s1——为实验样品的径向形变量，mm；
s2——为实验样品的轴向形变量，mm。
γ＝γmin(0.215,0.262,0.243)＝0.215。
(4)取储气库构造不同构造位置的注采井井下岩心，本实例选取构造上部相储15井、相储16井，中部相储1井，相储6井，下部相储22井，相储9井的井下岩心。加工注采井井下岩心适用强度实验样品
Figure BDA0003126793150000072
开展巴西抗张强度实验，取最小抗张强度。
Figure BDA0003126793150000073
式中：St——岩石抗张强度，MPa；
P——施加在圆盘试件上的载荷峰值，MPa；
D——圆盘直径，mm；
t——圆盘试件厚度，mm；
St＝Stmin(8.11、9.51、8.76、10.71)＝8.11MPa。
(3)利用储气库储层破裂压力计算模型进行计算：
Figure BDA0003126793150000081
式中：Pf——地层破裂压力，MPa；
γ——地层岩石泊松比，无量纲；
Pob——上覆地层压力，MPa；
Pp——地层孔隙压力，MPa；
St——岩石抗张强度，MPa；
地层岩石泊松比为0.215，上覆地层压力为67.74MPa，地层孔隙压力为24.31MPa，岩石抗张强度7.48MPa，即可计算出地层破裂压力为56.21MPa；通过计算得出的地层破裂压力，在实际运用过程中，扩充到55MPa也未出现地层破裂等情况，即以上算法所得结论能应用到实际场景中，得到储气库最高运行压力。
地层岩石泊松比为0.215，上覆地层压力为67.74MPa，地层孔隙压力为24.31MPa，岩石抗张强度7.48MPa，即可计算出相国寺储气库地层破裂压力为56.21MPa。
实际应用，在未得出相国寺储气库地层破裂压力为56.21MPa前，相国寺储气库的储气上限压力为原始气藏压力，即原始气藏(建储气库前的原始气藏，气藏开采衰竭后再改建储气库)的气藏压力28MPa作为储气库运行的上限压力，此压力往往只是气藏形成的压力，而不是储气库地层能承受的压力。在得出相国寺储气库地层破裂压力为56.21MPa后，相国寺储气库逐渐扩扩容到55MPa，也未出现地层破裂等情况，从而储气库库容大幅提升，达到了储气库扩容的目的，即验证本专利提供的扩容储气库最高运行压力准确、适用性强。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种确定扩容储气库最高运行压力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：收集整理储气库各构造点注采井测井资料和储层钻井液密度，计算上覆地层压力和地层孔隙压力；
步骤二：然后加工注采井井下岩心，得到岩心柱样作为试验样品，并确定地层条件参数；
步骤三：在地层条件参数模拟下，对岩心柱样进行三轴抗压强度实验和巴西抗拉强度实验，得到泊松比和岩石抗张强度；
步骤四：根据计算所得的上覆地层压力、地层孔隙压力、泊松比和岩石抗张强度，并利用储气库储层地层破裂压力模型，计算出地层的破裂压力，得到储气库扩容上限压力。
2.根据权利要求1所述的一种确定扩容储气库最高运行压力的方法，其特征在于，所述步骤一还包括以下子步骤：对储气库构造不同构造位置的注采井测压数据进行统计分析，计算得到多个地层孔隙压力，取最低地层孔隙压力。
3.根据权利要求1所述的一种确定扩容储气库最高运行压力的方法，其特征在于，所述步骤二还包括以下子步骤：取储气库构造不同构造位置的注采井井下岩心，得到多个试验样品。
4.根据权利要求3所述的一种确定扩容储气库最高运行压力的方法，其特征在于，所述步骤三还包括以下子步骤：对多个试验样品进行三轴抗压强度实验，通过实验检测得到多个泊松比，取最小泊松比。
5.根据权利要求3所述的一种确定扩容储气库最高运行压力的方法，其特征在于，所述步骤三还包括以下子步骤：对多个试验样品进行巴西抗拉强度实验，通过实验检测得到多个岩石抗张强度，取最小抗张强度。
6.根据权利要求1所述的一种确定扩容储气库最高运行压力的方法，其特征在于，所述储气库储层破裂压力计算模型为：
Figure FDA0003126793140000011
式中：Pf——地层破裂压力，MPa；
γ——地层岩石泊松比，无量纲；
Pob——上覆地层压力，MPa；
Pp——地层孔隙压力，MPa；
St——岩石抗张强度，MPa。
7.根据权利要求1所述的一种确定扩容储气库最高运行压力的方法，其特征在于，所述上覆地层压力计算公式为：
Figure FDA0003126793140000021
式中：Pob——上覆地层压力，MPa；
H——地层深度，m；
P(z)——深处z的地层密度，g/cm3；
g——重力加速度，N/kg。
8.根据权利要求1所述的一种确定扩容储气库最高运行压力的方法，其特征在于，所述地层孔隙压力计算公式为：
Pp＝ρgh；
式中：Pp——地层孔隙压力，MPa；
h——储层深度，m；
ρ——压力系数；
g——重力加速度，N/kg。
9.根据权利要求1所述的一种确定扩容储气库最高运行压力的方法，其特征在于，所述泊松比计算公式为：
γ＝s1/s2；
式中：γ——地层岩石泊松比；
s1——为实验样品的径向形变量，mm；
s2——为实验样品的轴向形变量，mm。
10.根据权利要求1所述的一种确定扩容储气库最高运行压力的方法，其特征在于，所述岩石抗张强度计算公式为：
Figure FDA0003126793140000022
式中：St——岩石抗张强度，MPa；
P——施加在实验样品上的载荷峰值，MPa；
D——实验样品直径，mm；
t——实验样品试件厚度，mm。
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