劉建勛，劉巖

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.大慶油田第一采油廠，黑龍江 大慶 163318)

21世紀(jì)以來，我國的天然氣工業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，加之近年來推行的“煤改氣”政策，導(dǎo)致國家天然氣供暖季的調(diào)峰供氣形勢嚴(yán)峻[1]。我國天然氣行業(yè)的生產(chǎn)、集輸、消費環(huán)節(jié)在正常情況下運營尚可，但在突發(fā)情況下的應(yīng)急能力不足，鑒于2017年爆發(fā)的冬季氣荒可以看出，國家天然氣的基礎(chǔ)投資建設(shè)存在明顯不足[2]。有效緩解國內(nèi)天然氣使用高峰的壓力，實現(xiàn)供暖季的安全平穩(wěn)供氣迫在眉睫。

儲氣庫由于其建設(shè)周期短、投資小等特性，一直被當(dāng)作重要的調(diào)峰方式之一[3]。迄今為止，全球共建有地下儲氣庫715座，主要分布于美國等發(fā)達(dá)國家，供氣量可占年消費總量的13%～27%[4]。中國的天然氣的對外依存度高，儲氣庫工作氣量相對發(fā)達(dá)國家低得多，且儲氣調(diào)峰系統(tǒng)的建立較晚，在儲氣庫基礎(chǔ)建設(shè)、市場運營機制及配套細(xì)則等環(huán)節(jié)遠(yuǎn)低于國際平均水平[5]。由于受開發(fā)難度、注采能力的限制，加之中國的調(diào)峰基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)跟不上市場的發(fā)展，保供系統(tǒng)有待完善，導(dǎo)致國內(nèi)儲氣庫建設(shè)步伐相當(dāng)緩慢。

1 地下儲氣庫概況

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成及作用

天然氣地下儲氣庫由地下氣藏儲氣層、注采井和觀察井及中央脫水裝置等部分組成[6]，其各部分具體作用及特點見表1。

地下儲氣庫是最常用的氣態(tài)存儲形式，是當(dāng)前儲存天然氣技術(shù)的前沿，其主要儲存主體是枯竭油氣田、廢棄礦井、地下鹽穴及鹽礦層等，具有儲量高、單位儲氣成本低等優(yōu)勢[7]，常被應(yīng)用于季節(jié)性調(diào)峰。建立儲氣庫的作用十分顯著，主要表現(xiàn)為[8]：①協(xié)調(diào)供求關(guān)系與調(diào)峰；②保障冬季供氣的平穩(wěn)性；③提供商業(yè)性供氣服務(wù)；④影響氣價，實現(xiàn)價格套利；⑤提供應(yīng)急服務(wù)。

表1 天然氣地下儲氣庫系統(tǒng)的組成及特點Table 1 Composition and characteristics of underground natural gas storage system

1.2 類型及特性

儲氣庫的分類標(biāo)準(zhǔn)有很多，按構(gòu)造地形進(jìn)行分類，主要分為：枯竭油氣藏、含水層及鹽穴型等[9]，以上類型儲氣庫的特點對比見表2。

表2 不同類型地下儲氣庫的優(yōu)缺點對比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of different types of underground gas storage

1.3 國內(nèi)外儲氣庫發(fā)展現(xiàn)狀

1915年，在Wellland氣田世界首個儲氣庫落成[10]，迄今為止，世界已建立和運行的天然氣儲氣庫超過700余座，庫容量可達(dá)3 930×108m3，占全球用氣量的10%以上，預(yù)測到2030年年底，工作氣量將達(dá)4 500×108m3[11]。世界范圍內(nèi)半數(shù)以上的天然氣儲氣庫分布于歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)，不同國家的儲氣庫工作氣量占天然氣消費總量的比例與對外依存度密切相關(guān)[12]。見圖1，德國、法國等國由于國內(nèi)天然氣管網(wǎng)規(guī)劃制度較為健全，對外依存度相對較低，儲氣庫工作氣量占比約為12%。對外依存度超過50%的匈牙利、奧地利等國，此占比達(dá)到15%以上[13]。

圖1 各國天然氣對外依存度與 儲氣庫工作氣量占比關(guān)系Fig.1 The relationship between the degree of dependence on foreign natural gas in various countries and the proportion of gas storage capacity

美國是目前全球天然氣儲氣庫發(fā)展和應(yīng)用最成功的國家，美國于1916年便首次在已開采枯竭的氣田上建立了一座天然氣儲氣庫[14]。截止2018年，美國擁有天然氣儲氣庫418座，約為世界總量的3/4， 庫容量為2 613×108m3，工作氣量為1 354×108m3，約占美國該年度用氣總額的18%[15]。美國儲氣庫庫存量與國內(nèi)天然氣的用氣總量的變化趨勢基本保持一致，見圖2。

美國儲氣庫集中分布于東北部主用氣區(qū)和東南沿海主產(chǎn)氣區(qū)，由于國內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境的差異，80%以上的含水層型儲氣庫集中在中西部區(qū)域，幾乎所有的鹽穴儲氣庫都分布在中南部地區(qū)[16]。由于其國內(nèi)衰竭油氣藏眾多，因此該類型儲氣庫是美國儲氣庫的主體，其工作庫容占美國總工作庫容的80%[17]。隨著天然氣消費比例的不斷增加，注采能力高可滿足快速注采的鹽穴型儲氣庫逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，雖然工作庫容占比不高，但日采出能力所占比例不斷攀升。此外，美國還建有47座含水層儲氣庫，由于投資價格不菲，單位工作氣量投資較高，多數(shù)應(yīng)用于不具備氣藏和鹽穴地質(zhì)構(gòu)造的地區(qū)[18]。

中國的儲氣庫建設(shè)起步較晚，1969年，我國建立了首座地下儲氣庫-薩中東2-1地下儲氣庫[19]，自此對于儲氣庫的建設(shè)、運行及研究就此拉開序幕。在此之后，我國相繼建成了多座天然氣儲氣庫，總儲氣量達(dá)4 354×108m3[20]。經(jīng)過多年發(fā)展，中國已經(jīng)逐步形成了以儲氣庫、接收站儲罐為主的儲氣調(diào)峰系統(tǒng)。我國儲氣調(diào)峰能力的增加主要依賴于已建成地下儲氣庫的擴(kuò)容達(dá)產(chǎn)，近年來，國內(nèi)新建儲氣庫進(jìn)程明顯減慢，同時我國境內(nèi)鹽穴地下儲氣庫地形條件復(fù)雜，人工造腔難度很大，建庫存在諸多不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致建設(shè)耗時較長[21]。迄今為止，我國主要運行的天然氣儲氣庫庫容及工作氣量見表3。

圖2 美國天然氣地下儲存量與天然氣消費走勢Fig.2 U.S.underground natural gas storage and natural gas consumption trend chart

表3 中國主要運行儲氣庫的庫容及工作氣量Table 3 Storage capacity and working gas volume of China’s main operating gas storages

2 建設(shè)地下儲氣庫關(guān)鍵技術(shù)

2.1 庫址優(yōu)選

調(diào)峰需求與庫址資源是決定儲氣庫選址的重要指標(biāo)。我國的主要油氣產(chǎn)區(qū)分布在東北、西北、西南及環(huán)渤海等地區(qū)，但主要消費區(qū)域卻集中在東南、長三角及京津冀等地區(qū)[22]，由于國內(nèi)適宜的衰竭油氣藏庫址資源相對短缺，含水層儲氣庫受限因素較多，具備鹽穴地質(zhì)構(gòu)造的地區(qū)較多，因此我國首選的天然氣儲氣庫為鹽穴儲氣庫[23]。

借鑒歐美等國儲氣庫建設(shè)的經(jīng)驗，綜合地質(zhì)與地表等多方面考慮，確定了中國儲氣庫庫址的優(yōu)選方針[24]：(1)從地質(zhì)方面，選址地區(qū)的構(gòu)造、埋藏深度、含鹽地層厚度、氯化鈉含量、頂板及儲量都是所需考慮的因素；(2)從地表及其他方面，則需兼顧有效規(guī)避特殊區(qū)域、與管網(wǎng)保持合適的距離、充足的水源保障等因素。

2.2 鉆井完井

鉆完井工藝往往經(jīng)濟(jì)投入大、耗費時間長，儲氣庫的穩(wěn)定性和有效性很大程度上取決于井筒的完整性[25]。在我國天然氣儲氣庫建設(shè)進(jìn)程中，已初步形成了較為完善的儲氣庫鉆井完井工藝系統(tǒng)，包括枯竭氣藏儲氣庫的井型優(yōu)化設(shè)計、超低壓地層防漏堵漏及儲層保護(hù)等特色工藝。但與歐美等國相比，在注采井筒完整性、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化及井筒長效密封固井等多項技術(shù)方向還具有一定的差距[26]。當(dāng)前，儲氣庫快速發(fā)展期已經(jīng)到來，建庫質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)和高要求給儲氣庫鉆井完井技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)，綜合多學(xué)科技術(shù)的優(yōu)勢，形成一套健全完備的鉆完井工藝體系是下一階段我國天然氣儲氣庫建設(shè)的工作目標(biāo)。

2.3 注采工程

國外在注采工藝及完井管柱的設(shè)計主要依托形成的注采管柱優(yōu)化設(shè)計軟件，可以全方位考慮在設(shè)計過程中對管柱安全性影響較大的載荷變化、溫度壓力交變影響及腐蝕等因素[27]。在井下工具方面，國外在工具設(shè)計、材料及加工方面有著明顯的優(yōu)勢。目前井下工具的穩(wěn)定性與可靠性方面與國外工具還存在著一定的差距，大多數(shù)高性能井下工具仍然被國外幾大石油技術(shù)服務(wù)公司所壟斷[28]。為保證儲氣庫的安全運行，國內(nèi)儲氣庫應(yīng)用的井下工具主要還是依賴國外進(jìn)口，未來國產(chǎn)化、智能化、及注采營運一體化是我國儲氣庫工程的階段性目標(biāo)。

2.4 地面工藝

儲氣庫地面工藝體系是一種相對復(fù)雜的綜合性工程，其融合了多項專業(yè)技術(shù)和子技術(shù)，具有集成化高、綜合性強等優(yōu)點，需要相應(yīng)完備的操作與管理經(jīng)驗，才能高效完成施工。經(jīng)過10余年的探索與研究，我國的儲氣庫地面工藝體系已十分成熟[29]，但由于受到相關(guān)工藝條件的限制，我國儲氣庫地面裝置特別是壓縮機基本依靠進(jìn)口，加之地面釆出氣處理流程復(fù)雜，規(guī)模較大，靈活性差，今后我國地下儲氣庫地面工程需要加強對核心裝置國產(chǎn)化、采氣設(shè)備大型化及靈活化的研究，針對儲氣庫地面工程的相關(guān)設(shè)備的質(zhì)量與進(jìn)度進(jìn)行嚴(yán)格的把關(guān)和控制。

2.5 完整性評價

儲氣庫完整性是指天然氣儲氣庫在運行生命周期內(nèi)，系統(tǒng)各個部分可以安全高效地完成相應(yīng)的調(diào)峰任務(wù)過程中各項性能參數(shù)的完整程度，其實質(zhì)是在儲氣庫投運進(jìn)行中，保持儲氣庫的安全性與有效性。我國儲氣庫地質(zhì)完整性評價方面的研究起步較晚，評價對象與概念相對模糊，研究層面僅僅停留在起始狀態(tài)斷層與蓋層的封閉性，尚未對交變壓力下斷層的長期密封性和儲層的變形程度進(jìn)行深入的研究[30]。

儲氣庫的完整性評價是保障其安全長期有效運行的關(guān)鍵，其評價技術(shù)體系主要包括：圈閉有效性、蓋層完整性及斷層穩(wěn)定性等多項評價技術(shù)，該技術(shù)的根本目的是利用技術(shù)的不斷更新和有效的組織管理，實現(xiàn)物理和功能上的完整，保證儲氣庫地面設(shè)施、注采井(含井筒)、地質(zhì)體等各組成單元(圖 3)始終處于受控狀態(tài)。當(dāng)前我國的儲氣庫完整性評價技術(shù)主要以面設(shè)施和注采井為主，缺乏系統(tǒng)全面的地質(zhì)完整性評價技術(shù)[31]，急需一套完整的評價和檢測技術(shù)，對斷層與蓋層的完整性破壞進(jìn)行有效的預(yù)防、診斷和分析，提升完整性評價的嚴(yán)謹(jǐn)性和可靠性。

圖3 儲氣庫完整性生命周期示意Fig.3 Schematic diagram of the integrity life cycle of gas storage

3 評價

3.1 優(yōu)勢

地下儲氣庫調(diào)峰方式從諸多方面考慮，都具有一定的優(yōu)越性，其具有儲量大、投資成本低、調(diào)峰能力強等及安全系數(shù)高等優(yōu)勢，被選作我國調(diào)峰的首要方式[32]。同時加快儲氣庫建設(shè)被列入保障國內(nèi)天然氣平穩(wěn)供應(yīng)的長遠(yuǎn)戰(zhàn)略計劃，儲氣庫調(diào)峰與其他調(diào)峰技術(shù)的對比見表4。

表4 儲氣庫調(diào)峰與其他類型調(diào)峰技術(shù)對比Table 4 Comparison of gas storage peak shaving and other types of peak shaving technology

3.2 面臨的挑戰(zhàn)

雖然我國儲氣庫調(diào)峰技術(shù)應(yīng)用前景好，開發(fā)潛力大，但其中也包含了一些仍需突破的關(guān)鍵技術(shù)和不足，主要包含以下幾個方面：

(1)建庫起步晚，建設(shè)明顯滯后。我國的天然氣儲氣庫建設(shè)起步較晚，發(fā)展歷程較短，受統(tǒng)籌規(guī)劃欠缺、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模糊及儲備能力不足問題的限制[33]，儲氣庫建設(shè)的前進(jìn)步伐十分緩慢，仍有需要關(guān)鍵的技術(shù)需要突破。

(2)產(chǎn)氣區(qū)與消費區(qū)分布不均，投資成本較高。中國的主產(chǎn)氣區(qū)與主消費區(qū)分離，產(chǎn)氣區(qū)集中分布于中西部區(qū)域，但用氣區(qū)卻集中于東部和南部區(qū)域[34]，西氣東輸?shù)墓芫€鋪設(shè)較長，相應(yīng)增大了運輸成本。

(3)安全、科學(xué)運行經(jīng)驗不足，管理模式不盡完善。我國儲氣庫建設(shè)及運營模式主要借鑒于國外，由于發(fā)展歷程較短，積累的現(xiàn)場經(jīng)驗明細(xì)不足，對儲氣庫投資、調(diào)度運行及組織管理等方面不能做到統(tǒng)籌兼顧，不能發(fā)揮儲氣庫的最大功效[35]。

4 結(jié)論與建議

當(dāng)前我國天然氣對外貿(mào)易系數(shù)已達(dá)40%，但主要儲氣方式的供氣量僅占全國用氣總量的5.2%，國內(nèi)儲氣庫庫容占比與世界平均水平還有一定差距，嚴(yán)重影響了供氣平衡。國家已出臺了一系列相關(guān)政策和實施意見，旨在加快天然氣儲氣庫建設(shè)，進(jìn)一步提升儲備能力，但受統(tǒng)籌規(guī)劃欠缺、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模糊及儲備能力不足問題的限制，儲氣庫建設(shè)的前進(jìn)步伐十分緩慢。要進(jìn)一步推動我國地下儲氣庫的高效平穩(wěn)發(fā)展并非易事，建議加強對天然氣儲氣庫各項關(guān)鍵技術(shù)的攻堅力度，加大資金和政策支持的同時，采取儲氣庫、LNG及CNG等多種方式相互調(diào)劑從根本上實現(xiàn)我國儲氣調(diào)峰體系的降本增效，解決國內(nèi)冬季供氣緊張的現(xiàn)狀。