天然气地下储气库是为平抑用气峰值波动、保证城市连续供气、满足城市调峰的主要途径之一。利用单一孔隙砂岩结构的枯竭气藏改建天然气地下储气库是最为理想的选择。但在我国用气需求量大的华北、华东等亟需调峰储气的发达地区,其储层多为裂缝型碳酸盐岩储层结构,而目前还没有针对裂缝型碳酸盐岩储层结构做为天然气地下储气库的研究与工程实践。为了缓解我国天然气供求的不平衡性、满足城市调峰需求,迫切需要对裂缝型枯竭气藏建设天然气地下储气库,开展前期理论研究,为我国建设裂缝型地下储气库的工程实践,提供理论依据。本课题以裂缝型枯竭气藏改建地下储气库为研究对象,从裂缝储层气水渗流机理、地层物性参数的反演确定、储气库注采渗流模型建立及求解、裂缝型枯竭气藏地下储气库注采模拟优化,以及二氧化碳（CO₂）做储气库垫层气的关键技术问题等多方面开展研究。采用实验的方法,测试了10种碳酸盐岩裂缝储层岩心的孔隙度、渗透率、毛细管压力等地层物性参数,得出不同的测试压力下,孔隙度、渗透率等参数也发生改变;通过人工构造的碳酸盐岩裂缝储层岩心平板模型,完成了气水驱替渗流实验,得出具有裂缝—孔隙通道的碳酸盐岩储层内结构是地下储气库的理想储层,而且在地下储气库注采运行的压力区间内,气体的储存和输运过程均在裂缝通道内,基质储层基本无渗流过程。通过引入双重孔隙介质模型,建立了裂缝型枯竭气藏天然气地下储气库的气水两相渗流模型,并给出模型的数值求解方法。针对裂缝储层孔隙度、渗透率等物性参数随注采过程变化,基于数学反演理论,利用地质统计学方法,提出注采过程渗透率和孔隙度的反演计算方法,并通过实测数据验证了方法的正确性。借鉴我国华北地区某裂缝型枯竭气藏的地质数据,利用所建立的数学模型,分别对裂缝型地下储气库的扩容建库和调峰注采的运行过程,以及气水边界的运移稳定性,进行模拟分析。计算结果表明:建库阶段,应尽量采用间歇式注气扩容建库过程,以保证在满足储气库地层约束压力条件下,达到最大设计库容量;对于满足城市调峰需求的注采过程,需要合理的匹配储气库各单井的调峰注采量,避免储气库发生在注气时的气窜和采气时的水淹问题。对于采用CO₂做裂缝型地下储气库垫层气所产生的混气和溶解问题,建立了CO₂与天然气在裂缝型地下储气库中的混气模型,并给出模型的数值求解方法。模拟分析了在地下储气库多周期注采时,天然气与CO₂垫层气的混气和CO₂在边底水中的溶解等问题。在不同注采运行机制下,分析了天然气与CO₂气体混合带的运移规律。通过储气库的运行算例表明:CO₂在裂缝型储气库内做垫层气的比例不超过32.5%时,CO₂与天然气的混合带即不会影响天然气储气库的城市调峰运行过程;考虑CO₂溶于边底水的特性,当储气库达到最大库容时,CO₂垫层气量最大损失比例为15.5%。考虑到储气库多井在满足城市调峰需求时,需要优化分配各单井的注采量,通过建立裂缝型枯竭气藏天然气地下储气库注采优化配产模型,运行的约束条件,通过采用遗传算法求解,分析计算了在满足不同优化目标条件下,各单井的优化注采量,在此基础上给出了裂缝型天然气地下储气库的优化运行控制方案。算例分析结果表明:在满足城市总调峰需求条件下,优化分配各单井的注采量,即能减小地层压力波动,又能在一定程度上降低压缩机耗功,保证储气库安全高效运行。随着我国天然气工业的发展,城市用气需求的加大,地下储气库已成为愈加迫切的需求。本课题的研究成果可为我国裂缝型天然气地下储气库的建设和运行,提供理论依据和技术支撑,具有广阔的应用前景。