天然气地下储备是利用地下断层空间分布，通过固井技术对天然气进行注采，把开采出来的天然气以实物形式存放起来，采取“缺进盈出”的方式为季节性调峰需要提供保障^[1-3]。地下储气库用气调节包括注气、采气及平衡期3个部分。在注气和采气过程中储气库内部会产生巨大的压力差，将直接影响到气藏内部及其附近断层内的应力状态和介质属性。受注采气压变化、注采量速率变化、最大最小内压交变频率变化、稳压时间等一系列相关参数的影响，在反复加载、卸载的过程中，地下储气库岩石盖层和储气断层会产生一系列弹性变形(变形大小由腔内压力变化的大小和弹性模量确定)、蠕变变形、塑性变形，有可能引发一系列中小地震^[4-10]。

呼图壁地下储气库位于准噶尔盆地南缘，距呼图壁县东约4.5 km，属于枯竭油气田型储气库。原气田中部深度3 585 m，地层压力33.96 MPa^[4]，其库容量107亿m³，生产库容为45.1亿m³，是我国目前运行的最大储气库。为加强对储气库的安全运行监测，新疆地震局、中国地震局地震研究所以及地壳运动监测工程研究中心联合在呼图壁地下储气库建立了一个以GPS、水准及重力等为观测手段的形变监测网(图 1)，从2013年至今已获得多期观测数据。本文为合理调节天然气的注入与抽取量提供风险评估与参考。

1 呼图壁地下储气库几何模型建立 1.1 呼图壁地下储气库气藏地质特征

呼图壁气田所在的呼图壁背斜位于北天山山前坳陷第三排构造带东端。海西运动使天山地槽褶皱回返，北天山坳陷是准噶尔盆地自晚海西运动以来接受陆相沉积的持续性沉积坳陷。中新世晚期山前一带遭受强烈挤压，形成由山前到盆地腹部方向的三排背斜带与两排向斜带。该坳陷沉积岩最大厚度达15 000 m，是准噶尔盆地侏罗系最主要的生烃坳陷。

为了更加准确地建立储气库几何模型，将储气库周边已知的活动断裂加载到模型中。由于断层地理分布、构造倾角等因素的影响，所有模型建立时应充分考虑断层的走向、倾角、几何位置(表 1)。模型中断层的性质、断裂宽度、走向、倾角、断距需严格根据构造圈闭资料进行处理，以确保几何模型的准确性，为后期的约束加载及数值模拟提供保障。

1.2 几何模型的建立

针对储气库周边抽样取样并对岩石力学性质进行实验，根据实验数据进行筛选、求平均值，计算得到地下储气库区域分别在盖层、储气层、地壳的厚度、密度及基岩的弹性模量、泊松比(表 2)，重力加速度取9.8 kg/N。由于断层贯穿3层，根据断层的性质将其处理为软弱带。

受喜山期挤压应力场作用，储气库整体构造形态为近东西向分布的长轴断背斜，东西长约20 km，南北宽约3.5 km。H断裂将背斜切割为上、下盘两个断背斜，结合储气库本身的地质特征以及周边断层分布，根据GPS、水准野外实测资料，通过坐标系反算得到储气库几何模型的坐标数据。几何模型从上到下分为均匀水平的3层，分别为盖层、储气层、上地壳层，总厚度为8 000 m。储气库周边简化为3个断裂带，断层作为储气层边界贯穿盖层、储气层、地壳3层。利用ANSYS的前处理模块(参数定义、实体建模)构建的储气库几何模型如图 2所示。

1.3 储气库几何模型的网格划分

呼图壁地下储气库采用SOLID185单元，用于构造三维固体结构。单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿X、Y、Z方向平移的自由度。单元具有超弹性、应力钢化、蠕变、大变形和大应变能力，还可采用混合模式模拟几乎不可压缩的弹塑材料和完全不可压缩的超弹性材料。

网格划分是储气库数值模拟的步骤，其好坏直接影响解算的精度和速度。本文采用自由网格划分，在几何体上自动生成四面体网格，利用智能尺寸控制网格的大小和疏密。对储气库进行网格划分时，盖层、储气层、地壳层由于模型介质属性不一致，分别进行网格划分。盖层和地壳层采用限定最小边长为500 m的方式进行网格划分，储气层采用自动网格划分，将Smart Size里的疏密程度设置为2。网格划分见图 3。

呼图壁储气库随注采压力的不规则变化，储层岩石的受压状态随之产生变化，造成地下构造体弹性变形。影响储气库变形的最核心因素是压力的变化。储气库目前只有点位数据，采用GPS插值结果进行约束会造成模型计算结果不准确。由于储气库边界与几何模型边界距离南北向超过10 km，东西向超过1 km，将储气库几何模型边界采取ALL DOF约束，将GPS结果作为模型比对结果使用。

2 储气库注采气过程地表位移模拟分析 2.1 储气库注气过程地表位移模拟结果

地下储气库在天然气注压过程中会出现孔隙流体压力的变化，造成储层岩石的空隙弹性变形和疲劳破坏，储层内部压力增大，在空隙弹性变形的基础上产生应力扩容，浮力和体积增大产生的膨胀力共同作用在盖层上，在介质向上传递的过程中使得覆盖地层产生垂直向上的膨胀变形以及对储气库边界构造断层的水平横向挤压。注气时将井口压力作为边界约束加载至模型上，利用ANSYS进行模拟，得到水平位移模拟结果，见图 4~6。

注气过程模拟结果在水平方向位移较小，整体分布差异不大，在储气层主要呈现出向外部作微小扩张的趋势，且以靠近储气库边界处扩张位移较大; 在地表盖层呈现出微小变形，以储气库盖层垂直向上变化最小。注气监测期间X方向模拟位移结果在-0.002 085~0.002 059 m之间，Y方向模拟位移结果在-0.028 37~0.002 826 m之间。储气库周边断层位移水平方向模拟结果位移较小，在注气过程中储气层边界稳定。地下储气库在注气期间井口压力对地表的影响在模拟结果上显示为向上的形变，对储气层周边点的影响为向外膨胀。整体模拟结果Z方向位移为0~0.012 566 m，地表点位移以靠近储气层的地表层形变为最大，约为0.012 m。

2.2 储气库采气过程地表位移模拟结果

储气库采气过程中伴随着储层气体压力的收缩，会对储气库周边地表产生影响。利用ANSYS软件模拟采气过程中地表及各部分的位移云图见图 7~9。

地下储气库实际采气过程比注气过程更为复杂。采气过程中有天然气的向上运动，这种运动产生的浮力和体积减小产生的收缩力作用在储气层，并对盖层产生影响。同时，实际的采气过程中储气层压力的变化是渐进的，模型对采气过程的研究简化为单一压力值的研究，故采气过程中位移数值模拟研究与注气过程存在某种对称性。从图 7~9看出，采气过程中地表水平模拟位移较小，储气库周围地区地表水平方向竖向位移产生微小沉降，整体运动趋势为向内塌陷。储气库整个注气过程和采气过程类似于地球的呼吸，在注气过程中地面点由于压力的作用呈现出向外膨胀的趋势，在采气过程中地面点点位向储气层垂直向上的盖层集中运动，呈现出向内塌陷的趋势。

3 水准结果与模拟沉降结果对比

呼图壁储气库位于天山以北准格尔盆地以南的天山中段地区，以往区域水准测量结果显示，该地区主要呈盆地下降、天山隆起的继承性运动，其形变是一个多方面因素作用的结果。表 3列出了水准点实测值与模拟值的变化。图 10选取储气库周边8个点的模拟数据，用第六期水准测量数据(201503)与第五期测量数据(201410)求得采气过程中的高差与模拟结果对比，用第七期水准测量数据(201510)与第六期水准测量数据(201403)求得注气过程中的高差与模拟结果对比。可以看出，利用ANSYS建立储气库模型得到的形变数据与实测数据相比，不管是注气期间还是采气期间得到的数据绝对值偏小，数值变化趋势吻合度好，注采期间地表沉降趋势基本一致—在注气阶段，地表抬升相对高差值为正值; 采气阶段，地表沉降值为负值，整体形变量很小，沉降趋势基本一致。

4 结语

目前在呼图壁储气库周边布设的监测网已有多期水准、GPS及重力数据。本文利用ANSYS建模，通过建立储气库几何模型，施加约束后求解，所得结果与实测结果趋势一致，表明本模型具有一定的可靠性。储气库的压力变化对形变模拟是一个复杂的过程，本储气库模型仅考虑弹性阶段，对于岩石的蠕变、塑性、粘弹性阶段尚未考虑。后续工作应综合水准、重力、GPS结果及储气库区地质等更多参数及采注井口压力变化作为边界约束等来构造模型，同时可采用气体模型，结合流体性质，通过地表多期观测数据对模型的约束进行细化，研究储气库地表、地下构造在注采时的动态应变响应。储气库周边的地表形变因素复杂，包括储气库压力变化、地质构造变化、地下水等多种因素影响，本模型采用了综合因素影响下的形变数据对比，未来可剔除除集采气压力变化外的其他因素，采用得到的仅由储气压力变化产生的位移结果进行比对。