鹽穴儲氣庫技術現狀及發展方向

完顏祺琪 安國印 李康 李東旭 垢艷俠 冉莉娜 白松

1. 中國石油勘探開發研究院；2. 中國石油天然氣集團公司油氣地下儲庫工程重點實驗室；3. 中國石油華北石油管理局有限公司江蘇儲氣庫分公司

鹽穴儲氣庫的建設可追溯至20 世紀60 年代。第1 座鹽穴儲氣庫于1961 年由廢棄老腔改造而成。截至2020 年6 月，全球在役鹽穴儲氣庫107 座，總工作氣量358 億m3，擬建或在研儲氣庫49 座。

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］。鹽穴儲氣庫具有調峰效率高、短期吞吐量大、墊底氣含量低且可完全回收等優點，不僅可以應對和滿足日、月、季度的調峰需求，也有助于生產系統和輸氣管網的優化與運行。分析論述了國內外鹽穴儲氣庫建設技術發展現狀，并結合國內鹽穴儲氣庫面臨的主要困難與原因，提出我國鹽穴儲氣庫亟須攻關與未來技術發展的主要方向。

1 國外鹽穴儲氣庫建設進展與關鍵技術

1.1 鉆井技術

國外鹽穴儲氣庫鉆井技術以叢式井規模化應用為特征。鹽穴儲氣庫早期采用直井布井技術，自20 世紀90 年代開始，國外鹽穴儲氣庫逐漸開始采用叢式井布井方式。以德國Etzel 儲氣庫［2-3］為例，整個儲氣庫分為南區和北區。新建北區全部采用叢式井技術建站，共布置11 個叢式井組，單個站場布置3～7 口井(圖1)。叢式井中的斜井采用S 型井身結構，在最終套管鞋之上50～100 m 之內需為直井段，直井段井斜控制在1.5°以內，同時斜井段造斜率不宜過大，以保證后期造腔管柱、造腔檢測工具正常下入腔體。通過叢式井建站，可節約鉆井工程鉆機動遷費用、造腔工程修井搬遷費用、地面工程征地與道路管線等費用，減少地面條件對井場布置的限制，靈活布井，同時生產運行階段便于生產運行管理。

圖1 鹽穴儲氣庫叢式井建設技術Fig. 1 Construction for cluster well in salt-cavern UGS

1.2 造腔技術

自20 世紀60 年代開始，國外鹽穴儲氣庫造腔工藝有了長足進展，主要表現為以下方面。

(1)大井眼井身結構，大排量造腔。國外鹽穴儲氣庫普遍采用大尺寸井身結構、大尺寸造腔管柱，有助于大幅度提高排鹵流量，縮短造腔周期，降低管柱摩阻和能耗。美國典型的鹽丘型儲氣庫造腔管徑為?406 mm+?273 mm，排量最高可達800 m3/h；美國層狀鹽巖型儲氣庫和歐洲鹽穴儲氣庫的典型造腔管徑為?273 mm+?177.8 mm，造腔排量可達300～350 m3/h。與之對比，國內常采用管徑?177.8 mm+?114.3 mm 管柱組合，最大排量僅100～120 m3/h。以50 萬m3腔體為例，國外大排量造腔周期不到2 年，國內小排量則長達4 年以上。

(2)鹵水回注地下等處理方式。鹽穴儲氣庫造腔排量主要受制于鹵水處理能力，目前鹵水處理方式包括鹵水輸送鹽廠、鹵水回注地下、鹵水排河排海等方式。通過對國外鹽穴儲氣庫鹵水處理方式的不完全統計，國外鹽穴儲氣庫以鹵水回注地下、鹵水排海方式為主。美國24 座鹽穴儲氣庫中18 座采用鹵水回注地下的方式，6 座采用鹵水輸送至鹽廠處理的方式。歐洲25 座鹽穴儲氣庫中10 座儲氣庫鹵水輸送至鹽廠，10 座采用排河排海的方式，5 座采用鹵水回注地下的方式。

1.3 監測技術

鹽穴儲氣庫的監測包括腔體形態監測、腔體溫度與壓力監測、地表變形監測等。目前國外鹽穴儲氣庫發展較快的監測技術為微地震技術、InSAR 衛星影像監測分析技術。微地震可用來監測腔體溶腔垮塌事件［4］、天然斷裂活動、分析腔體變形機制［5］(拉伸/剪切/擠壓破壞)，提前預警腔體可能發生的垮塌或變形。InSAR 技術相比于傳統地面沉降監測手段精度更高，以美國Bryan Mound 鹽穴儲庫為例［6］，InSAR 監測觀察到鹽丘西側存在較強的水平方向運動，而這一特征未被之前傳統的地面沉降基準監測法觀測到。

2 中國鹽穴儲氣庫建設成就及面臨困難

2.1 建設成就

我國鹽穴儲氣庫前期評價始于1998 年，經過20 余年的探索和實踐，在金壇建成3 座鹽穴儲氣庫，并相繼投產運行；基本形成了復雜鹽層條件建庫技術及安全控制技術系列，有效支撐了鹽穴儲氣庫的建設。

中國石油2004 年啟動金壇鹽穴儲氣庫建設，已在金壇完成老腔改造5 口、新井造腔25 口，已投入注采鹽腔28 口(老腔5 口，新腔23 口)，形成工作氣量6.03×108m3。中國石化2012 年啟動金壇鹽穴儲氣庫建設，2016 年5 月茅資1 井、J103 井正式投產，標志中國石化金壇鹽穴儲氣庫進入生產運行階段。正在建設的中國石化金壇儲氣庫設計工作氣量7.23×108m3，預計2025 年全面建成。港華金壇儲氣庫于2014 年開始建設，設計工作氣量2.6×108m3，目前已投產并形成工作氣量0.88×108m3［7-8］。另外淮安、楚州、平頂山、黃場、安寧、三水等儲氣庫也開展了大量的工作。

金壇鹽穴儲氣庫已完成多周期注采循環，在滿足季節調峰、周調峰、日調峰、小時調峰和應急采氣中發揮了重要作用。自2007 年中石油金壇儲氣庫投產以來，已累計采氣超35×108m3，最高日采氣量達到1 235×104m3。金壇鹽穴儲氣庫每年均進行多輪次注氣和采氣，在調峰保供中發揮了極其重要的作用。2019 年，港華金壇儲氣庫調峰氣上線儀式在上海石油天然氣交易中心啟動，成為全國首例商業運行模式鹽穴儲氣庫。

建庫技術方面，經過20 余年的攻關，形成復雜鹽層條件下的儲氣庫建設與安全控制技術。我國復雜鹽層具有泥質含量高、夾層多、隔層厚度大等不利因素，增加了造腔和腔體形態控制的難度。目前已初步厘清復雜多夾層條件下鹽巖溶蝕規律、成腔控制機理，掌握了復雜流態大型不規則腔體鹵水濃度場和速度場的分布規律，建立了低品質鹽層造腔預測模型，形成厚夾層造腔過程垮塌預測模型與控制工藝，掌握了高低壓快速轉換條件下鹽腔圍巖應力應變規律和溶腔穩定性控制方法，首次采用全井筒套銑老腔改造工藝等［9-10］。形成的鹽穴儲氣庫關鍵技術支撐了中國復雜地質條件下的鹽穴儲氣庫建設，也為保障西氣東輸管道的安全運行發揮了重要作用。

2.2 面臨困難

2.2.1 建庫地質條件復雜，優質庫址資源稀缺

中國鹽巖礦床一般呈層狀、似層狀或透鏡狀，埋深從幾十米到幾千米不等，普遍具有礦層多、單層薄、夾層多、夾層厚等特點，決定了建庫目標為多夾層復雜層狀鹽層。除金壇鹽礦建庫地質條件較為優越外，平頂山鹽礦建庫層段埋深較大(＞2 000 m)，楚州鹽礦建庫層段水不溶物含量高(＞45%)，淮安鹽礦有利建庫層段厚度小(＜100 m)。受地質條件和地理分布的雙重因素限制，基本滿足建庫條件的鹽礦資源相對不足，優質建庫目標庫址資源稀缺［11-12］。

2.2.2 建庫周期長、建庫達產速度慢

金壇鹽穴儲氣庫是我國建造的第1 座鹽穴儲氣庫，該儲氣庫的研究始于1998 年，2004 年開始建造，設計庫容26.38×168m3，工作氣量17.14×168m3。受造腔方式、建庫地質條件、鹵水接收能力等多重因素影響，建庫周期長，達產速度慢。截至2019 年底，金壇鹽穴儲氣庫僅形成6.03×108m3的工作氣量。

2.2.3 鹽腔形態控制難，腔體有效利用率低

已建金壇儲氣庫部分鹽腔形態不規則，存在偏溶、頂板平緩、腔體各向異性大、直徑偏小、鹽巖利用率低等現象。待建的楚州等儲氣庫呈現多夾層、低品位、不溶物含量高等特點，利用傳統單井單腔造腔方式不僅建庫周期長，而且能耗大、投資高、鹽巖有效利用程度低。研究表明，金壇、平頂山等5 座已建和待建鹽穴儲氣庫，水不溶物殘渣占據鹽腔總體積的33%～66.2%(平均46.8%)［13］，現有注氣排鹵工藝，排鹵管柱通常只能下至殘渣堆積物頂部，排鹵管柱的排鹵口以下的鹵水無法排出，也使可利用的鹽腔空間進一步減少。

2.2.4 現有建庫工程技術尚難完全適應建庫的需要

目前國內鹽穴儲氣庫鉆完井工程技術主要采用直井單腔的造腔鉆完井工藝，其技術相對成熟，但適合于建庫層段較薄的水平井及適合于厚夾層的單井雙腔等鉆完井工藝尚無成功經驗，需要在實踐中不斷完善鉆完井工藝，滿足復雜鹽層建庫的需求。

現有造腔工藝與復雜鹽層優快造腔及擴大空間動用等要求不適應，主要體現在：大井眼、雙井、水平井、單井雙腔等造腔方式模擬預測手段及控制方法尚未形成；鹽腔水不溶物殘渣成因、殘渣膨脹系數確定、殘渣空隙空間利用技術仍處在摸索階段；反循環造腔鹽腔形態控制技術不完善。

2.2.5 多類型老腔評價及改造利用技術尚難滿足老腔改造的需要

我國鹽化企業采鹽形成的老腔數量眾多，雖然金壇老腔改建儲氣庫獲得了成功，但僅限于單井單腔、形狀規則老腔。大部分鹽礦老腔存在腔體形態復雜、檢測困難、利用難度大等難題，尚缺乏對流井老腔、連通老腔形態檢測、模擬、評價及利用手段，未形成多類型老腔利用標準規范［14］。

2.2.6 當前建庫模式難以體現儲氣庫效益，制約建庫資源有效利用

鹽穴儲氣庫建設受礦權登記制約，“鹵水換礦權”模式導致不擁有鹽礦礦權的油氣企業缺乏建庫主動權；國家能源局對城鎮燃氣企業與地方政府均有儲氣能力建設要求，因燃氣企業和地方政府不擁有油氣藏的勘探開發權，鹽穴儲氣庫成為鹽礦資源豐富地區城鎮燃氣企業建庫目標的首選。目前的建庫模式易導致地方及燃氣企業與油氣企業無序爭奪鹽穴儲氣庫建庫資源。且在我國當前天然氣價格體制下儲氣庫投資尚無明確回收渠道，國有企業難以背負儲氣庫建設的巨額投資，儲氣庫有償服務基礎的天然氣峰谷差價尚未形成，如何實現鹽穴儲氣庫快速建設及可持續發展面臨較大的挑戰。

3 亟須攻關的建庫關鍵技術

3.1 建庫地質評價技術

金壇儲氣庫經過近20 年的建設和運行，已經獲得了一系列的技術和經驗。但是面對國內日益復雜的建庫地質條件，選址向多夾層低品位和中深層、薄鹽層邁進，目前的技術和經驗尚不能滿足未來儲氣庫建設和運行的需要，急需對復雜層狀鹽巖水溶造腔機理開展攻關。在深層鹽巖建庫和夾層垮塌預測控制方面，盡管國內已有不少相關的探索，但深層鹽巖穩定性與運行過程的蠕變預測、鹽層內厚夾層垮塌預測與控制、單腔形態優化、合理運行壓力區間確定、庫容參數優化等方面需要加大攻關力度，以滿足復雜鹽層建庫要求［15］。

3.2 多井型造腔設計及控制技術

國內鹽穴儲氣庫在造腔設計、造腔工程方面取得了較大的進展，單腔優化設計技術已基本形成。但部分鹽腔形態不規則，急需進一步加強已建鹽腔造腔效果分析研究，梳理影響金壇儲氣庫造腔效果的關鍵因素，合理減少管柱提升次數、優化造腔工藝，針對性開展鹽腔形態修復，以提高造腔效率、擴大鹽腔體積。從造腔方式來看，對多井型造腔模擬預測及控制技術尚屬于空白，隨著平頂山、淮安、楚州等儲氣庫水平腔、單井雙腔、雙井先導試驗工程的開展，急需攻關多井型造腔數值模擬預測技術及優化控制技術，形成適應我國地質條件的造腔模擬軟件和方法。

3.3 配套鉆完井技術

國內鹽穴儲氣庫鉆完井技術經過10 多年的發展，取得了不錯的成績。但隨著鹽穴儲氣庫不斷向深層發展，大井筒條件下的深部鹽層鉆完井與固井技術也亟待解決。在鉆完井裝備方面，國外為了保證井筒完整性而采用了焊接套管工藝，國內目前已有嘗試，但經驗不足，尚未規模化使用焊接套管技術。多周期交變注采工況及高溫高壓條件下管材優選標準亟待完善。

3.4 復雜連通老腔評價利用改造技術

擬建庫區的300 余口老腔多為對流井老腔，形態較為復雜。針對復雜連通老腔利用，亟需開展新型聲吶檢測設備攻關、在老腔形態預測基礎上攻關復雜老腔形態模擬預測及穩定性評價，制定老腔可利用的評價標準。同時，對楚州儲氣庫老腔“兩注一排”改造技術開展注氣先導試驗，探索復雜連通老腔改造技術。

3.5 擴大鹽腔空間動用技術

擬建鹽穴儲氣庫水不溶物殘渣膨脹占據大量鹽腔體積，水不容物殘渣空隙空間存在的鹵水難以外排，降低了鹽腔有效儲氣空間及單腔工作氣量。亟需開展殘渣空隙空間形成機理研究，分析殘渣空隙空間影響因素和驅替效果，評估殘渣空間利用的可行性，驗證鹵水驅替擴大儲氣庫空間的可行性，形成新腔及定向對接井老腔擴大儲氣空間配套工藝方法。

4 結論

(1)國內鹽穴儲氣庫在調峰和安全平穩供氣中發揮了重要作用，但是與國內調峰需求還存在較大的差距，鹽穴儲氣庫建庫工作任重道遠。

(2)鹽穴儲氣庫建庫技術經過多年的發展取得了較大的進步，但已經形成的建庫技術尚不足以應對國內日益復雜的建庫條件所帶來的挑戰。通過對國內外鹽穴儲氣庫建設技術進行總結，認為國外鹽穴儲氣庫采用的叢式井布井方式、大井眼井身結構與大排量造腔、鹵水回注地下等工藝，值得我國鹽穴儲氣庫借鑒。

(3)依靠科技進步，加大技術攻關是解決當前國內鹽穴儲氣庫建設面臨問題的關鍵，必須加強研究地質評價與造腔工藝、鉆完井工程、注采工程、老腔評價改造等多個方面的核心技術，大幅度提高鹽穴儲氣庫建庫效率。