天然气在中国能源战略格局所占比重日益增加,调峰能力是天然气生产和销售环节的重要指标,在无废弃油气藏条件的大中型城市周边建设含水层储气库是储存天然气的一个重要途径。永21气藏是一个废弃多年的气藏,目前气藏基本整体水淹,永21气藏可视为含水层。本文以永21废弃气藏的地质成果、生产数据、测试资料等数据为基础,依据气藏工程理论,标定废弃气藏储量以及改建储气库的极限库容量,界定含水层的水体性质和规模,描述废弃气藏生产过程的气水界面推进情况。依据永21区块地质模型建立数值模拟模型,拟合废弃气藏开发期生产历史,界定气藏水体性质和水侵参数;评估水体不确定参数、平均渗透率、射孔厚度以及渗流特征对库容的影响;设置不同的物性参数分布,进一步深入研究平面非均质性和纵向非均质性对扩容的影响,明确库容变化的敏感因素,降低建库的盲目性。最后,以数值模拟手段开展永21改建含水层储气库动态库容研究,包括连续性注气、间歇性注气以及周期性注采等扩容方式优选,储气库运行参数的优化以及排水建库辅助扩容模式效果研究。研究结果表明,通过对废弃气藏生产动态历史全过程拟合和压力恢复资料分析,认为永21废弃气藏水体为恒压水体,水侵系数为6 m~3/（d·bar）。通过水体不确定分析,认为封闭水体下地层综合压缩系数和恒压水体下水侵系数是库容的主要影响因素。平面非均质性引起一定的气水绕流现象,但是储气库外围气水界面推移过程较为平稳,对储气库扩容形成的储气区影响较小;正韵律含水层储气库相对反韵律含水层储气库的地层容压能力强。随水气互驱轮次增加,气水相渗两相区变窄,进而导致有效库容量降低。以地层上限压力29 MPa为约束条件,连续性注气单程扩容模式的有效库容利用率最高可达70.9%;间歇性注气单程扩容模式的有效库容利用率最高可达79.3%,周期性注采扩容模式经过周期性注采有效库容量可达到极限库容量,采用周期性注采扩容模式可使储气库地层压力围绕一个水平数值上下波动,波动的峰值仍低于地层上限压力29 MPa,保证储气库的安全高效运行。经过数值模拟研究,永21区块改建含水层储气库适宜采用周期性注采扩容模式,并结合排水建库辅助扩容。