地下储气库泥质岩盖层微观结构及封闭性研究

Study on Microstructure and Sealing Property of Argillaceous Rock Cover in Underground Gas Storage

摘要: 盖层封闭性是保障储气库平稳安全运行的关键地质因素之一。泥质岩作为优质的油气封盖层，循环应力下其封闭能力的演化规律尚不明确，制约了此类储气库的建设进展，为此，利用PFC进行循环应力加卸载数值模拟试验，分析泥质岩盖层静态封闭能力，表明循环应力下泥质岩盖层的封闭能力有增强趋势，研究成果可为地下储气库盖层稳定性分析及运行参数设计提供理论指导。

Abstract: Closure of cap layer is one of the key geological factors to ensure the stable and safe operation of gas storage. As a high-quality oil and gas capping layer, the evolution law of its sealing capacity under cyclic stress is still unclear, which restricts the construction progress of this kind of gas storage reservoir. Therefore, the numerical simulation test of cyclic stress loading and unloading is carried out by using PFC to analyze the static sealing capacity of argillous rock cap, which shows that the sealing capacity of argillous rock cap is increasing under cyclic stress. The research results can provide theoretical guidance for the stability analysis and operation parameter design of underground gas storage cap.

1. 引言

储气库是集季节调峰、事故应急供气、国家能源战略储备等功能于一体的能源基础性设施[1]，历经20余年的建设与发展，截止2022年5月，我国已建及部分在建45座储气库，调峰能力超过150 × 10⁸ m³ [2]，在调峰保供与应急保障中发挥了关键作用。但是不同于油气藏，地下储气库循环注采会引起区域地应力场的周期扰动，从而影响地质体圈闭封闭性。

盖层是地质体圈闭封闭性评价中的重要一环，在油气藏型储气库100起事故中，超压或过量存储等导致的盖层封闭性失效的事故占比16% [3]，由此可见，盖层封闭性研究是保障储气库安全运行的关键课题之一[4]。在储气库循环注采过程中，地层应力交替变化，不仅引起宏观力学参数变化，盖层岩石的微观结构也会发生不同程度改变[5]。因此，研究循环应力作用下泥质岩盖层的力学稳定性是地下储气库盖层动态封闭性评价的核心。

国内外学者围绕储气库盖层动态封闭性评价开展了大量研究，认为储气库的盖层封闭机理分为毛细管封闭和力学封闭两种，并采用盖层的微观毛细管力和岩石本身的力学性质展开研究，但在循环应力作用下，盖层岩石的微观结构响应特征认识不清，制约了对盖层动态封闭机理的研究。

2. 储气库研究概况

地下储气库是世界上公认的大规模经济型安全气源，世界上储气库建设最早开始于北美地区，从加拿大于1915年建成第一座储气库到2023年为止，全世界已经建成716座地下储气库[1]。因天然气藏具备合适的孔渗条件以及连续、稳定的封盖保存条件，气藏型储气库成为全球目前最主要的地下储气调峰设施，其工作气量占全球储气库总工作气量的75% [1]。

我国储气库研究较为滞后，始于20世纪90年代初，于20世纪末在大港地区陆续建设了大张坨、板中北等6座水侵砂岩气藏型储气库，随着经济发展需要，我国储气库数量也逐年增加，截至2022年5月，国内已建及部分在建地下储气库45座，形成储气能力150 × 10⁸ m³，其中气藏型储气库36座、油藏型储气库2座、油气藏型储气库6座、盐穴储气库1座，储气库工作量约占天然气消费总量的5%，距离保安调峰所需的15%仍具有较大差距[6]。

3. 循环应力对岩石结构的影响

储气库在注采运行压力范围内所引起的循环荷载将导致盖层岩石微观孔隙结构发生不同程度的弹塑性变形，孔渗参数等发生改变，宏观力学参数也会产生影响。岩石微观结构上有学者研究循环次数及应力水平对泥质岩动剪切模量、弹性模量及动泊松比的变化规律，表明动剪切模量随着振动次数的增加呈现逐渐减小，动泊松比呈现逐渐增加的变化规律[7]，当下限应力不变上限应力越大，塑性变性累计越快，相应循环次数越少[8]，弹性模量随循环次数早期阶段逐渐增加，然后随循环次数的增加而逐渐降低[9]。并且随着循环次数增加，新生成的无黏结接触数量和微裂缝数量均逐渐增加，孔隙度逐渐降低，且无黏结接触数量、微裂缝数量和孔隙度变化速率均呈递减趋势的变化规律[10]。由此可见，前人研究已发现循环应力的大小对微观结构有明显的破坏作用，但是对微观孔隙的破坏特征描述不足。

循环应力岩石内部损伤能量演化规律的表明岩石的能耗比受围压影响比较大，围压越大，岩石的能耗比越小[11]。随着循环加载次数的增加，岩石的耗散能会经历先减少后增加的变化过程[12]。峰前阶段，岩石内部能量主要表现为弹性应变能的储存和释放，只有少部分能量用于微裂隙的生成与扩展，岩石失效后，耗散能占比逐渐增加，甚至超过弹性应变能[13]。循环应力下岩石峰值强度均比常规压缩强度低，因循环加卸载所累积的损伤导致岩石强度降低，在应力超过岩石内部微裂纹发生扩展的条件下进行循环加卸载，每一级加卸载将对岩石造成新的累积损伤，这就是循环加卸载曲线不断向前推移的主要原因[14] [15]。由此可见，前人研究发现不可逆变形随着循环次数的增加而增加但并非呈线性最大趋势，但缺少循环次数对泥质岩内部损伤量变化规律研究。

循环应力作用下分析动应力–应变曲线的下岩石结构变化特征，泥岩的应力应变曲线主要分为四个阶段，分别为微裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙的发生扩展直到破坏阶段、不稳定阶段[16]。目前泥岩峰前渗透性试验研究比较多，得出的结论基本一致：在弹性变形阶段，泥岩微孔隙、裂隙被压缩，渗透性减小：随着应力进一步增加，岩石微裂隙开始扩展，渗透性开始增加；围压限制了泥岩的侧向变形，减小了孔隙度，限制了裂隙扩展及宽度，随着围压的增大，渗透性降低[16]。在岩石力学试验系统上对泥岩进行循环荷载试验，揭示了在动应力–动应变曲线中，加载与卸载的滞回环呈弯月形且不重合，表明在外部荷载翻转时试样的弹性变形响应迅速，塑性变形小，因此循环荷载对于岩石结构影响较大[17]。由此可见，前人研究认为应力–应变曲线中不同阶段所描述的岩石力学特征不同，但对岩石内部结构的不同阶段特征总结不够充分。

前人围绕循环应力下储气库盖层开展了大量研究，提出许多岩石类型的内部结构疲劳模型，但在针对地下储气库中泥质岩盖层微观结构响应的目前略有不足，因此有必要进行开展研究。

4. 泥质岩盖层力学封闭性数值模拟

随着计算机技术不断的发展，国内外学者使用离散元数值模拟方法研究循环荷载下岩石的宏观及微观力学相应和破裂特征，针对储气库循环注采过程中循环应力对储气库岩石内部产生疲劳损伤的问题。有学者使用REPA2D软件对裂隙岩石进行单轴压缩试验，结果表明，随着裂纹倾角的增大，裂隙岩石的峰值强度呈V字形变化，拐点裂纹倾角为45^˚ [18]。对含裂隙岩石进行单轴压缩数值模拟试验，研究表明，裂隙长度和位置对裂纹的萌生、扩展和贯通具有重要影响[19]。也有学者使用FLAC模拟软件对完整岩石和含水平裂隙的岩石进行了单轴压缩试验，对完整岩石和裂隙岩石的破坏过程进行了对比分析[20]。通过FLAC数值验证损伤软化模型理论计算应力–应变曲线与试验曲线高度吻合，采用非线性拟合方法对模型参数进行修正，最后得到修正的损伤软化本构模型[21]。构建考虑腐蚀时间的黑云片岩峰后应变软化模型并基于FLAC平台进行了二次开发，利用开发后的应变软化模型进行三轴压缩试验的数值模拟，并模拟结果与试验数据吻合较好[22]。由此可见，相比之下得出PFC数值模拟中颗粒的变化能够较好的反应岩石内部结构破坏特征。

PFC是基于颗粒离散元法的数值模拟软件，具有不受变形量限制、有效模拟介质开裂、分离等非连续现象的优点，是岩石力学研究中应用最为广泛的数值模拟软件。利用颗粒离散元法建立不同的岩心真三轴数值模型进行对比见表1，研究循环应力对储气库岩石微观结构及力学性质的影响[10]。利用PFC3D建立了单调及循环荷载作用下不同含泥量饱和砂土外裹柔性膜的常规三轴和真三轴数值试验模型[23]。为开展不同上下限应力比条件下砂岩的损伤破裂过程试验，然后基于颗粒流数值模拟方法，引入应力腐蚀模型反映应力作用下岩石的疲劳损伤过程[8]。为探究锚杆对裂隙岩体的锚固效应及其对裂纹扩展的影响，建立了带有预制裂隙试块破坏模型[24]，模拟预测出盖层脆韧性转换的临界值，应用离散元数值模拟方法进行了相同围压的模拟，模拟结果与三轴压缩试验吻合度高[25]。

数值模拟下研究循环应力对储气库岩石微观结构及力学参数的影响，通过对颗粒流试样细观参数的进一步分析表明通过控制细观参数可实现对宏观力学响应的调整，给出法向刚度和切向刚度的比值与泊松比存在定量关系，因此材料的泊松比可通过设置颗粒刚度比来确定[26]。并且通过颗粒流也分析出循环应力作用下黏土弹性模量变化规律及永久累积变形特征[27]，提出一种通过膜边界施加围压的离散元建模办法，并对数值模型进行三轴压缩数值模拟试验，分析围压对三轴压缩试验中模型强度和变形影响[28]。通过模拟岩石材料的微观结构特征和矿物颗粒组成建立离散元数值模型，研究外力作用下岩石的宏观破裂特征和破坏演化过程[29]。采用PFC2D的平行黏结模型建立了单裂隙大理岩试样，并对其进行了不同围压的双轴压缩试验，观察了微裂纹的扩展过程[30]。

Table 1. Comparison of PFC numerical models

表1. PFC数值模型对比

试样模型	叠加损伤模型	模拟结果	示意图	来源	不足
岩心真三轴数值模型	叠加预制岩石 裂缝模型	吻合度高		文献[29]	没有考虑岩石的矿物组分差异
岩心真三轴数值模型	叠加含泥量饱和 砂土模型	吻合度高		文献[29]	没有考虑岩石的预制裂缝
预制裂隙试块破坏模型	叠加锚杆裂隙模型	吻合度高		文献[24]	没有考虑岩石的矿物组分差异
颗粒位移模型	无叠加	吻合度较高		文献[25]	既没有考虑岩石的矿物组分差异也没有考虑岩石的预制缝

5. 储气库泥岩盖层力学封闭机理

储气库的盖层密封机理可总结为毛细管密封和力学密封两种，毛细管密封与常规油气藏相似，指依靠盖层的微观毛细管力密封天然气；力学密封则是依靠盖层岩石本身的力学性质密封油气，当盖层岩石的毛细管力非常大时，盖层岩石破裂可能导致盖层密封失效[31]。其封闭性研究内容可综合这两种密封机制来厘定，毛细管密封机制研究已较为成熟，包括宏观封闭性和微观封闭性两大方面，盖层的宏观封闭性主要体现在岩性、空间展布、厚度等方面，而微观封闭性则主要反映在盖层岩石的孔渗性、微观孔喉结构、排替压力、突破压力等多个方面，并建立了盖层封闭性评价行业标准[32] [33]；由此可见，盖层的力学密封机制则主要通过盖层岩石的力学性质来反映。

根据岩石破裂的应力条件和不同岩性盖层力学性质的差异，从理论上探讨了盖层力学性质及其应力状态对盖层封闭性能的影响[34]，指出应力状态直接决定了盖层所能承受最大超压的大小，应力对不同岩性盖层封闭性能的影响程度和影响方式也不一样，盖层中水平应力变化由孔隙压力变化与盖层弯曲变形两部分引起的附加应力构成[35]。交变应力下盖层岩石微观孔隙结构改变、微裂缝扩大或高速注采地层压力强烈非均质性扰动，使盖层原始水动力系统发生改变，盖层毛管密封失效。通过对交变应力损伤后的岩心再次测试气体突破压力，即“动态突破压力”[36]，来研究盖层毛细管密封失效风险。此外，随着地层压力的逐渐增加，流体难以通过毛细管渗漏方式有效地卸载孔隙流体压力，致使盖层所受有效应力逐渐降低，并最终发生水力破裂形成微裂缝[37]。水平最小主应力与抗张强度(可忽略)之和与孔隙流体压力之差越大说明盖层密封能力越强，与水平最小主应力相等时的孔隙流体压力可视为水力密封阈值压力[38]。

针对储气库盖层封闭性，建立了盖层封闭能力动态演化过程定量评价方法[39]。为研究盖层质量是决定枯竭气藏能够改建地下储气库的关键因素。在室内试验的基础上，建立基于全应力–应变特征的盖层岩石脆性评价模型，综合盖层常规物性封闭和岩石力学2种评价方法，提出一种改进的储气库盖层质量综合评价方法[40]。在对枯竭气藏储气库盖层影响因素进行详细分类和分析的基础上，提出了各评价指标的等级划分标准，建立枯竭气藏储气库盖层质量评价体系的目标层次结构模型，应用层次分析法确定模型中12项基本指标在评价体系中所占的权重，建立盖层质量评价的适宜度计算公式[41]。由此可见，盖层封闭性的评价最好采用层次分析法来确定评价模型。

综上所述，前人围绕循环应力下储气库盖层封闭性开展了大量研究，认识到毛细管密封和力学密封是核心问题，但仍存在对循环应力下泥质岩盖层力学封闭参数动态演化规律以及循环应力下泥质岩盖层力学损伤规律和机制研究相对欠缺。

6. 结论

(1) 泥质岩在循环应力下发生弹性变形和塑性变形，每个循环的加卸载均使得泥质岩盖层发生了一定的不可逆的塑性变形，导致应力–应变曲线的滞回曲线随着循环次数的增加不断右移，在岩石循环加卸变形的弹性范围之内，不会发生损伤。

(2) 循环次数对泥岩盖层影响总体分为三个阶段，初始疲劳荷载阶段，随着应力的不断增加，迅速产生微裂纹；稳定扩展阶段，随着循环次数的增加，微裂纹的数量快速增加；加速破坏阶段，随着循环次数的增加，试件接近完全破坏，最后贯穿整个模型产生宏观的剪切破坏面。

基金项目

重庆科技大学研究生创新计划项目“地下储气库泥质岩盖层微观结构及封闭性研究”(YKJCX2320130)。