地下儲氣庫建設技術研究現狀及建議

肖學蘭

中國石油西南油氣田公司科技信息處

地下儲氣庫建設技術研究現狀及建議

肖學蘭

中國石油西南油氣田公司科技信息處

為了及時把握地下儲氣庫建設技術研究現狀，系統地梳理了枯竭油氣藏儲氣庫、鹽穴儲氣庫、含水層構造儲氣庫的建設及墊底氣的設計、提高地下儲氣庫有效儲量和生產能力的相關技術、地面系統自動化控制等地下儲氣庫通用技術研究現狀及其應用情況。結論認為，我國地下儲氣庫建設技術的研究現狀可概括為：國內枯竭氣藏建庫技術基本成熟；枯竭油藏建庫技術尚在摸索之中；鹽穴儲氣庫建庫技術取得了長足的進步；含水層構造儲氣庫的研究才剛起步。進而提出了我國今后一段時期地下儲氣庫建設的相關建議：①枯竭油氣藏仍是我國地下儲氣庫建設的主要類型，應關注相關技術的發展；②鹽穴儲氣庫的相關技術需要持續關注，但應當將主要研究力量放在相對薄弱的技術環節上；③我國含水層構造儲氣庫的建設應學習、消化國外相關技術，針對具體的地質條件，加快對注排機理、滲透機理、建庫方式、建庫周期、井網部署、方案設計和施工技術等的研究；④應高度重視地下儲氣庫建設相關標準、規范的建立；⑤應高度重視地下儲氣庫運行的風險管理。

地下儲氣庫 枯竭油氣藏儲氣庫 鹽穴儲氣庫 含水層構造儲氣庫 技術研究 現狀 進展 建議

地下儲氣庫是天然氣生產調峰和天然氣資源儲備的最佳選擇，是保證天然氣安全供應的基本手段［1］。

國外發達國家的地下儲氣庫建庫技術已經比較成熟，地下儲氣庫運行管理技術、相關的技術標準、規范和法律也比較完善［2－3］。

國內枯竭氣藏建庫技術基本成熟，枯竭油藏建庫技術尚在摸索之中，鹽穴儲氣庫建庫技術取得了長足的進步，含水層構造儲氣庫的研究才剛起步。目前我國大多數地下儲氣庫運行管理方面的文獻都是針對鹽穴儲氣庫的，在其他類型地下儲氣庫運行管理方面亟待更廣泛深入的研究。

國內外地下儲氣庫技術研究熱點主要集中在以下5個方面：①適于建庫地質體的四維地震勘探技術；②提高地下儲氣庫有效儲存量和生產能力的相關技術；③利用數值模擬技術進行地下儲氣庫優化運行研究；④與鹽穴儲氣庫建庫和運行管理相關的一系列技術；⑤線性巖層洞穴建庫技術。

1 地下儲氣庫建設技術的最新進展

1.1 枯竭油氣藏儲氣庫技術研究現狀

1.1.1 枯竭油氣藏建庫技術

國內在大港、京58地下儲氣庫群建設中，形成了一系列適用于我國枯竭氣藏建庫的相關技術，主要有：①地質方案設計技術［4］；②廢棄井封井工藝；③鉆井、固井、完井技術；④鉆井液技術；⑤儲層保護技術；⑥地面工程配套技術等。馬小明［4］等在系統總結中國石油大港油田公司地下儲氣庫（以下簡稱大港儲氣庫）地質方案設計技術的基礎上，明確了方案設計應遵循的主要程序及主體內容，創建了7項行之有效的配套設計技術，提出了26項地下儲氣庫的評價與運行指標，形成了較為系統的方案設計模式與技術系列。李建中［5］等在分析枯竭油氣藏建庫特殊性的基礎上，針對性地提出了建庫工程的配套技術，并認為其中老井處理技術和鉆井—固井—完井過程的儲層保護技術是關鍵技術。這兩項技術促進了我國地下儲氣庫工藝設計的統一化和標準化。

1.1.2 枯竭油氣藏儲氣庫運行、管理和維護技術

國內在枯竭油氣藏儲氣庫運行、管理和維護方面的研究還相對比較零散，沒有形成成熟的技術體系。陶衛方等對大港儲氣庫群的調峰方式進行了優化，有效解決了京津冀冬季用氣的調峰問題。丁國生［6］針對板52井的特殊地理位置及其套管腐蝕情況設計了一套完整的修井工藝。針對大慶喇嘛甸儲氣庫具有統一的油氣界面和水動力系統、運行管理維護難度大的特點，黃伏生等總結了其運行管理維護的技術經驗，形成了一整套頗具特色的開發技術，包括庫容量測算技術、注采氣系統節點分析技術、動態系統監測、油氣界面調整技術、高壓氣體計量技術和地下儲氣庫運行的科學管理技術。

1.2 鹽穴儲氣庫技術研究及應用現狀

近年來，由于鹽穴儲氣庫發展迅速，國內外（特別是國內）對鹽穴儲氣庫的研究相當活躍，在鹽穴儲氣庫的溶腔及造腔、注采方案設計、鉆完井工藝、穩定性分析、密封性能分析以及地下儲氣庫運行管理等方面都取得了長足的進步，并已有專著系統地對我國鹽穴儲氣庫的建庫技術進行了總結［6］。

1.2.1 鹽穴儲氣庫建庫理論及技術

1.2.1.1 溶腔技術

實驗研究表明［7］：溶腔過程的溶解角度不同，巖鹽溶解速率也不同；向上斜溶角度為45°時巖鹽的溶解速度最大。袁進平等研制的噴嘴式、延伸噴嘴式、軟管式促溶工具及促溶工藝，已在金壇儲氣庫成功應用，應用結果顯示：鹽穴溶腔速度提高了1倍左右。

國內較早開始研究溶腔形狀控制技術，一般是基于實驗模擬及數值模擬結果提出相應的控制方法，這些方法主要有巖鹽溶蝕模擬技術、對流擴散模擬技術和單井形態控制建腔模擬技術［8］。國內在預測與控制溶腔過程中泥質夾層垮塌這一難題也有所突破，施錫林等建立了基于單井對流法水溶造腔過程中夾層懸空型垮塌分析的力學模型，給出了計算夾層極限跨度的方法。

1.2.1.2 注氣排鹵及注采完井技術

國外已經形成比較完善的注氣排鹵及注采完井配套技術，國內近兩年也在此領域取得可喜進步，并已在“西氣東輸”儲氣庫建設中成功應用相關技術［9］。主要成果有：①制訂了注氣排鹵中氣液界面的確定方法；②確定了注氣壓力、氣液面高度、排鹵速度等因素的關系式；③研發了注氣排鹵后期不同剩余鹵水深度下的安全排鹵速率的確定方法［10］；④形成了我國鹽穴儲氣庫注氣排鹵及注采完井配套工藝技術。

1.2.1.3 穩定性分析

有關地下儲氣庫運營中鹽腔穩定性分析方面的技術進步較大，但穩定性評價標準研究相對滯后。關于層狀巖鹽的破壞形式，實驗模擬結果表明［10］：巖鹽部分產生拉伸裂紋，表現為柱狀劈裂；夾層部分為壓拉破壞，表現為環狀由外向內的錐形剪裂。在地下儲氣庫運營中體積變形預測、地表沉降預測方面，國內研究的基本思路是［11］：建立一個力學特性與實際相似的鹽巖受力分析試驗模型及相應的數學模型，利用模型進行受力變形模擬試驗和數值模擬，分析得出鹽腔變形規律。從文獻資料看，試驗建模技術已比較成熟，包括材料配方、地質力學模型試驗系統、注采氣智能控制系統等［12］。建立的數學模型也日趨合理、實用，早期主要采用未考慮疲勞損傷的鹽巖非線性蠕變損傷本構模型［11］，趙克烈等進一步提出考慮了蠕變損傷和疲勞損傷交互作用的蠕變—疲勞交互損傷模型，王同濤等提出的礦柱尖點位移突變模型則具有更強的針對性和實用性，利于精確量化失穩判別標準。在穩定性評價標準方面，國內尚未形成一個統一的穩定性評價標準，有研究者認為：我國地質條件復雜，地質構造變化快，各地形成的鹽巖特點也不相同，建立統一的評價標準非常難，應根據具體的地質條件，做出具體的穩定性評價。

1.2.1.4 密封性能分析與檢測評價技術

鹽腔的密封性能分析主要有試驗研究和數值模擬分析兩種技術手段。國外根據空間結構和大小變化情況來確定孔滲參數降低的原因，并對此開展了一系列的實驗研究。國內研究者主要針對我國鹽穴儲氣庫含夾層多的特點，大多采用數值模擬方式開展了密封性能研究，取得的主要成果有：①基于層狀鹽巖中鹽巖與夾層的孔隙率與滲透率在氣壓作用下的變化規律，提出了地下儲氣庫極限運行壓力的確定原則［13］；②建立了含軟弱夾層鹽巖儲氣庫的等效邊界氣體滲流模型，該模型可反映夾層層面流的問題，可用于含夾層鹽穴儲氣庫運行過程中天然氣滲透規律的研究［14］。

關于鹽腔的密封性檢測及評價技術，國外已有多種成果［15］：①液體泄漏測試方法及其準確度的確定；②氮氣泄漏檢測法；③淡水—鹵水界面法；④燃料油—鹵水界面法；⑤鹽穴儲氣庫最小可檢測泄漏率與最大允許泄漏率的標準。此外，俄羅斯近年來研制了地下儲氣庫生產監測系統，可對地下儲氣庫進行可靠的動態監測。而在國內，袁光杰等依據國內鹽穴儲氣庫的實際情況，提出了以氮氣或空氣為介質的鹽穴儲氣庫密封測試方法及檢測結果的評價標準、泄漏位置的判別方法，給出了氣水界面處的壓力平衡方程，并在金壇B1鹽穴腔體密封檢測中成功得以應用。

1.2.1.5 聲吶＊＊“聲吶”一詞本刊根據《現代漢語詞典》（第5版）1222頁和“黑馬校對軟件”統一為“聲吶”，但在本文2.4節和參考文獻［17］中保留了原用的“聲納”，特此說明——編者注。測量技術

除上述技術外，聲吶測量技術也廣泛應用于采鹽井腔的腔體形態測量、初選和穩定性評價過程，并據此確定注氣排鹵參數、制訂井筒修復改建和現場施工技術方案［16－17］。

1.2.2 鹽穴儲氣庫運行、管理、維護技術

鹽穴儲氣庫運行管理的關鍵技術包括：①減少運行過程中溶腔的收斂性；②防止天然氣水合物的形成；③溶腔建腔過程形成的冷帶和殘留鹽水對運行過程的影響；④鹽穴儲氣庫運行的穩定性及注采循環中應注意的問題。從文獻調研結果來看，目前我國在與穩定性相關的地下儲氣庫運行安全技術、優化配產技術和風險管理方面已經取得一些進展。

國內基于交變氣壓、氣壓變化速率等風險因素對地下儲氣庫運營安全穩定的影響研究結果表明［18］：洞腔徑向收斂位移和徑向應變隨儲氣內壓的減小逐漸增大，為保證地下儲氣庫的運行安全，地下儲氣庫的儲氣內壓應大于4 MPa；注采氣壓變化速率越快，洞腔徑向收斂位移和徑向應變變化速率越大。

在鹽穴儲氣庫的優化配產方面，譚羽非等以腔群總壓降最小為優化目標，提出了鹽穴儲氣庫腔群配產模型，可應用于鹽穴儲氣庫注采運行方案的確定及多腔優化生產調度。

近年來，由于天然氣管道完整性管理的理念被廣泛應用到管道系統管理中，地下儲氣庫的完整性管理也引起專業人員的關注。國外已經制訂了涉及地下儲氣庫風險評估技術方面的標準，國內的相關研究則剛剛起步。針對我國鹽穴儲氣庫的特點，目前初步提出了實施定量風險評估的關鍵技術、設置監控井、規范監（檢）測作業和維修更換管理、設置防護欄和預測鹽穴體積收縮率等鹽穴儲氣庫的風險控制措施［19－20］。

1.3 含水層構造儲氣庫技術研究現狀

世界上主要的含水層構造儲氣庫均位于歐美發達國家，我國尚無建成的含水層構造儲氣庫。目前，含水層構造儲氣庫有向大型化發展的趨勢，主要表現在定向井、叢式定向井、水平井等鉆完井工程技術運用于地下儲氣庫的建設中；采用數值模擬方法指導地下儲氣庫的建設和整個注采氣工藝過程。最近，俄羅斯為發展統一供氣系統，提高應對復雜形勢下的供氣能力，對含水層構造儲氣庫的設計提出了新要求。

煙草MES中，對于卷包車間的生產環節，應建立卷包設備控制和數據采集系統，實現生產狀態實時跟蹤與監控，實現設備運行數據、卷煙質量數據和產量數據的自動采集。在集控和數采系統的基礎上，建立卷包車間生產管理系統，全面實現卷包生產過程的精細化管理。

2 各類型地下儲氣庫通用技術研究現狀

2.1 墊底氣的設計

由于用惰性氣體代替天然氣作為墊底氣可以大幅減少地下儲氣庫建設的一次性投資，國內外對其相關的技術都給予了持續的關注。國外采用混合氣作為墊底氣在7座地下儲氣庫進行了試驗［21］，試驗結果表明：應用墊底氣后，地下儲氣庫的投資成本可降低20%。國內研究者也做了一些相關研究工作，李娟娟用惰性氣體與天然氣混合，建立了氣體擴散模型，并模擬了含水層構造儲氣庫以惰性氣體作為部分墊底氣的建庫過程和運行情況。

2.2 提高地下儲氣庫有效儲量和生產能力的相關技術

水平鉆井技術、大井眼完井技術、巖石酸化處理技術以及提高最大儲氣壓力都可以提高地下儲氣庫的有效儲量和生產能力。此外，俄羅斯目前正在從改進注氣和采氣方法上研究提高地下儲氣庫生產能力的新技術。針對中低滲透氣藏改建地下儲氣庫，丁國生提出：盡量采用平穩的運行方式，以均勻供氣進行季節調峰為主，以利于在調峰期采出更多的天然氣。

2.3 地面系統自動化控制

國外近年來在這方面又取得一些新進展，例如，德國對Rehden儲氣基地地面自動控制系統進行了全面更新，采用按IEC 60870要求制造出的遙控系統，包括Rosherg Engineering GMBH的現代化儀表、控制系統以及西門子Simatic PCS的工藝系統［22］。這些技術極大地提高了地下儲氣庫工藝系統的靈活性。

中國石油天然氣集團公司借鑒歐洲、美洲在鹽穴儲氣庫方面的相關標準、國內在該方面的研究成果及施工經驗，于2010年制訂了《鹽穴儲氣庫腔體設計規范》、《鹽穴儲氣庫造腔技術規范》和《鹽穴儲氣庫聲納檢測技術規范》3項標準，分別對鹽穴儲氣庫的設計、施工和檢測技術要求進行了規范。

2.5 其他相關技術

為了優化地下儲氣庫的運行，以下相關技術和工具也常被使用：①地下儲氣庫設備維修和操作技術；②新的測井工具，如核磁共振、改進的三維地震傳感器、多種流體及砂粒探測器等；③永久傳感器和（或）井內光纖等。

3 我國地下儲氣庫建設技術需求及建議

如前所述，我國地下儲氣庫建設具有自身的特點，且不同類型地下儲氣庫的現有技術水平參差不齊，因此，為了迎接地下儲氣庫建設快速發展帶來的挑戰，應立足國內地下儲氣庫建設的要求，將有限的科研技術力量合理地分配在相應的技術上。

1）枯竭油氣藏儲氣庫仍是我國地下儲氣庫建設的主要類型，其相關技術也將是關注的重點。鑒于目前我國東部地質條件復雜，改建地下儲氣庫的難度較大的客觀條件以及枯竭氣藏建庫技術相對成熟、枯竭油藏建庫技術相對滯后的現實狀況，建議：①下大力氣研究針對復雜斷塊油藏改建地下儲氣庫時在注排機理、滲流機理、建庫方式、建庫周期、井網部署、方案設計和施工技術等方面的摸索和研究；②及時總結已經比較成熟的枯竭氣藏建庫技術，并加強對地下儲氣庫運行管理技術方面的研究，特別是優化運行、提高生產能力以及如何將建庫與提高采收率相結合方面的技術研究。

2）鹽穴儲氣庫的相關技術需要持續關注，但應當將主要的研究力量放在相對薄弱的技術環節上，建議加強以下8項技術的研究：①基于穩定性要求條件下，優化溶腔控制技術；②穩定性評價標準；③溶腔過程中夾層垮塌的預測和控制；④優化運行技術；⑤地面流程優化；⑥自動化控制系統；⑦運行管理中天然氣水合物的防治技術；⑧減少溶腔的收斂性，避免殘留鹽水的影響。

3）對于含水層構造儲氣庫而言，我國中小型盆地儲蓋組合較復雜，含水層構造儲氣庫建設將面臨很大的技術難題（已納入建設規劃的麻丘儲氣庫屬于含水層構造儲氣庫），該項工程方面的技術還相當匱乏。因此，給出以下建議：①學習、消化國外相關的技術；②針對具體的地質條件，加快對注排機理、滲流機理、建庫方式、建庫周期、井網部署、方案設計和施工技術等的研究。

4）應高度重視地下儲氣庫建設相關標準、規范的建立。目前我國主要針對鹽穴儲氣庫有一些相關標準和規范，但涉及其他類型地下儲氣庫的標準、規范還寥寥無幾。

5）應高度重視地下儲氣庫運行的風險管理。地下儲氣庫是天然氣產運銷系統的重要設施，確保其安全運行十分重要，引入完整性管理的理念、加強地下儲氣庫運行風險管理勢在必行。

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Research and proposals on underground gas storage construction technologies

Xiao Xuelan
（Department of Technology and Information，Southwest Oil ＆Gasfield Company，PetroChina，Chengdu，Sichuan 610051，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 2，pp.79－82，2／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

In order to timely learn about the underground gas storage（UGS）construction technologies，this paper overviews the present status and field experiences of the involved technologies in the construction of different types of gas storage such as that based on depleted oil－gas reservoirs，salt caverns，aquifer structures，as well as techniques in the design of cushion gas and in improving the efficient capacity of UGS and production capacity.On this basis，this paper points out that the current UGS technical studies should focus on the following 5 aspects：（1）The depleted gas reservoir is still the main option for the UGS construction projects so the involved techniques will be the focus in the present studies.（2）Techniques about the salt cavern UGS should be continuously concerned but the bottlenecking technical problems should be tackled at first.（3）Due to the complexity of source－reservoir－cap assemblage in middle and small basins in China，the UGS built on aquifer structures will have to face great challenges.（4）High attention should be paid to the formulation of codes and criteria for the UGS construction projects.（5）The risk management system should be highly thought in the UGS construction projects.Moreover，it also summarizes the present status of the technology and techniques involved in Chinese UGS construction projects.Even though such technologies for UGS based on depleted gas reservoirs have basically become mature，those for UGS based on depleted oil reservoirs are still being explored；great progress has been made in the construction of salt cavern gas storage，whereas that based on aquifer structures has just started its initial step.Finally the paper concludes with some recommendations on further UGS construction projects in near future.

underground gas storage（UGS），gas storage based on depleted oil－gas reservoir，salt cavern gas storage，gas storage based on aquifer structure，technology research，present situation，progress

肖學蘭，女，1961年生，高級工程師；主要從事油氣田開發技術研究及管理工作。地址：（610051）四川省成都市府青路一段3號。電話：（028）86011204，13608027679。E－mail：xiaoxl＠petrochina.com.cn

肖學蘭.地下儲氣庫建設技術研究現狀及建議.天然氣工業，2012，32（2）：79－82.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.02.019

2011－10－31 編輯 何 明）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.02.019

Xiao Xuelan，senior engineer，born in 1961，is mainly engaged in technical development and management.

Add：No.3，Sec.1，Fuqing Rd.，Chengdu，Sichuan 610051，P.R.China

Tel：＋86－28－8601 1204 Mobile：＋86－13608027679 E－mail：xiaoxl＠petrochina.com.cn