中國天然氣地下儲氣庫重大科學理論技術發展方向

馬新華 鄭得文 魏國齊 丁國生 鄭少婧

1. 中國石油勘探開發研究院 2. 中國石油天然氣集團有限公司油氣地下儲庫工程重點實驗室

0 引言

儲氣庫是保障天然氣安全平穩供應的重大民生工程，加快儲氣能力建設是中國石油天然氣集團有限公司（以下簡稱中國石油）貫徹落實習近平主席指示精神和黨中央部署，履行社會責任、保障供氣安全的重大舉措。“十三五”期間，中國儲氣庫加強技術攻關，有效解決了儲氣庫建設面臨的諸多重大難題，實現了儲氣能力從50×108m3到150×108m3的跨越，為國內天然氣安全供應發揮了重要作用。進入“十四五”，隨著天然氣消費量快速增長，儲氣能力不足與天然氣安全平穩供應之間的矛盾進一步加劇。中國儲氣庫建庫地質條件復雜，高效建設與安全運行仍面臨諸多挑戰，繼續開展科技攻關，解決重大生產需求，對中國天然氣業務高質量發展和保障國家能源安全意義重大。中國儲氣庫高效建設與安全運行面臨6個方面的難題：①復雜氣藏儲氣庫擴容難度大、庫容利用率低；②油藏及低滲透率砂巖等新類型儲氣庫，亟需形成相應配套技術；③儲氣庫注采能力要求高，亟需大幅提高單井產能的鉆完井配套技術；④儲氣庫大型化集約化，亟需快速靈活節能高效的地面處理工藝與裝備；⑤風險管控手段單一，亟需提高風險識別、預警與安全管控能力的技術和裝備；⑥數字化轉型勢在必行，但技術基礎薄弱，升級難度大。這些難題制約了新形勢下中國石油儲氣能力建設快速發展。國外儲氣庫百年建設形成的技術雖為中國提供了寶貴的借鑒經驗，但國外以中、高滲透率、淺層、簡單構造儲層為主的儲氣庫建設與運行技術，難以解決中國復雜深層儲氣庫建庫的多方面技術挑戰?！笆奈濉逼陂g新建庫以復雜斷塊油氣藏、已開發油氣藏、低滲透性砂巖巖性氣藏、多夾層層狀鹽巖鹽穴等類型為主，需求與資源品質矛盾突出，仍需持續強化地質氣藏、鉆采工程、地面工程以及智能化管控等技術攻關，開拓建庫新類型新領域，以技術創新支撐中國儲氣能力快速提升。

1 國內外儲氣庫理論技術發展歷程概述

20世紀初葉，隨著油氣工業的發展，尤其是天然氣工業快速發展，油氣儲存已經引起歐美國家的普遍關注[1]，這個階段儲氣庫的建庫目標主要是選擇已開發油氣藏，以傳統的油氣開發理論為指導，借助配套的油氣開發技術與裝備，開展了儲氣庫注氣試驗與早期建設，規模較小，發展速度較慢。當時已開發氣藏建庫目標構造簡單、埋藏較淺、物性較好、產能較高，已形成的油氣開發理論技術完全可以滿足儲氣庫建設的需要。截至20世紀中葉，全球儲氣庫業務發展處于初期階段，建成儲氣庫100余座，基本為氣藏型儲氣庫，形成工作氣量僅200×108m3。

20世紀50年代開始，歐美國家天然氣勘探開發工作取得了快速進展，天然氣消費量快速增長，儲氣庫建設工作進入了快速發展期[2-3]。氣藏型儲氣庫本身已經無法滿足天然氣工業快速發展的需求，不同國家結合自身地質條件，形成了以氣藏型儲氣庫為主，油藏型、鹽穴型及含水層型儲氣庫多元化發展的新格局。這個階段針對不同類型儲氣庫選址評價方法以及高速注采滲流機理已經逐漸形成，但主要是建立在中高滲透率儲層、埋藏較淺、構造比較完整的建庫目標基礎上，仍然遵循油氣滲流基礎理論與生儲蓋圈運保等基本規律，是中高滲透率油氣藏開發理論的進一步應用與升華。到了20世紀70～80年代，歐美國家多類型儲氣庫建設已經發展了高峰，進入了平穩發展階段。

20世紀90年代以來，歐美主要發達國家儲氣庫建設基本飽和，只有局部市場的發展，以及對已有儲氣庫布局的補充完善，儲氣庫建設的數量比較少，鹽穴儲氣庫由于其較高的采氣能力和注采轉換的靈活性得到了用戶的青睞，成為穩定發展階段的首選目標。國外鹽穴儲氣庫建庫條件以鹽丘厚鹽層為主，水溶造腔機理比較簡單，造腔模擬軟件、穩定性評價方法也比較成熟[4-5]（圖1）。

圖1 世界儲氣庫建設歷程與規模圖

從國外建庫發展歷程中可以看出，國外以構造相對簡單、儲層中高滲透性、蓋層封閉性好以及以鹽丘為主的厚鹽層等建立的油氣藏型和鹽穴型儲氣庫評價設計方法，有效指導了歐美發達國家百年儲氣庫建設與高效運營[6]。但中國建庫條件十分復雜，油氣藏型儲氣庫斷塊發育、儲層中低滲且非均質性強[7]，鹽穴型儲氣庫為陸湖相、多夾層、低品位薄鹽層。國外成熟建庫理論與技術方法無法有效指導中國復雜地質條件儲氣庫選址評價與方案設計，早期板橋儲氣庫群建設缺少成熟方法與設計理念，運行20多年以來，無法達到設計方案水平[8]。建立適合中國復雜地質條件儲氣庫選址、設計、工程建設、高效運行等理論方法與技術，是天然氣大發展新形勢下中國儲氣庫高質量建設與高效運營的必然要求[9]。

2 中國儲氣庫面臨的重大科技問題

中國真正意義上的調峰儲氣庫建設始于陜京管道建成通氣后。隨著西氣東輸、中緬管道、中俄東線以及海上通道陸續建成，中國天然氣消費量快速增長，儲氣庫建設與運行數量增加，天然氣保供體系逐步完善（表1），但天然氣儲存能力與調峰能力仍難以滿足市場需求[10]。同時中國地質條件復雜多變，儲氣庫選址、設計、建設與運行面臨一系列重大科技難題。

表1 中國已建及部分在建天然氣地下儲氣庫基礎信息表

探索儲氣庫的重大科技問題，首先從氣田開發的技術問題入手。氣田開發是把發現的天然形成的氣藏通過實施氣藏工程、鉆井工程、地面工程、市場營銷工程等一系列綜合技術組合，把天然氣經濟有效、平穩安全地投放到市場。氣田開發從上產、穩產、減產到停產等是一個長期緩慢的降壓生產過程，一般根據儲量大小與市場情況要經歷十幾年到幾十年歷程，遵循油氣藏已經形成的滲流機理、產能計算公式等已有理論與方法。而儲氣庫是利用地下儲存空間短期高效建成的人工氣田，主要功能是周期性地進行生產調節、應急保供、安全保障等。儲氣庫這種高速注采、高低壓交變的運行工況（圖2），對建庫目標的選址、設計、工程建設與安全運行提出了更高要求[11]，也決定了其地質評價、氣藏工程設計、地面集輸系統、風險管控技術等的特殊性，已有的理論、技術與方法無法有效指導儲氣庫高質量快速發展。中國構造運動劇烈背景下形成的儲氣構造斷裂發育，加之儲氣庫高低壓交變的運行工況，儲氣庫構造的動態密封性是儲氣庫選址評價的首要科技問題，其次是中低滲透率儲層高速注采滲流機理問題，預測油氣藏開發建立的達西滲流規律已經無法準確描述儲氣庫產能，需建立高速非穩態滲流機理表征儲氣庫產能方程[12]，這是儲氣庫科學設計、高效注采的重大基礎問題；大井眼、定向水平井工程設計是儲氣庫高效注采的瓶頸技術，配套的井型、井筒等設計以及鉆井、固井、完井配套技術尚需加強攻關，為儲氣庫高效注采提供最優井通道[13]；儲氣地質體完整性監測技術，是一個地下、井筒、地面等全系統安全工程問題，地質力學形變、井筒材料腐蝕、地面裝置泄漏等系統自動識別監測技術的建立，是儲氣庫安全高效運營的根本保證。這些重大理論及科技問題是地下儲氣庫特有問題，急需攻關研究，逐步形成儲氣庫學科理論技術體系與主體技術系列，指導天然氣大發展背景下儲氣庫高質量快速建設，滿足國家能源戰略發展的需要。

圖2 中國氣田開發與儲氣庫運行狀態分析圖

3 中國天然氣地下儲氣庫理論技術發展方向

大力發展與建設儲氣庫是中國天然氣大發展形勢下的必然要求，也是天然氣“產、供、儲、銷”產業鏈協同高效發展的重要保障。建立完善的儲氣庫學科及配套的標準技術體系，是新時期儲氣庫科研工作者面臨的重大使命與責任。

3.1 儲氣庫地質評價理論體系的建立與發展

儲氣庫地質學與傳統地質學研究的重點不同。儲氣庫高低壓循環注采工況決定了儲氣構造的動態密封性是儲氣庫地質學研究的前提，儲氣空間的儲氣能力評估是重點，循環注采單井產能設計是關鍵。故儲氣庫地質學研究的對象是儲氣地質體而非傳統地質學研究的儲氣構造?！皟獾刭|體是由儲氣構造和監測構造組成的地下三維空間內地層、構造、流體等的集合體”[14-15]（圖3）。以儲氣地質體為研究對象的儲氣庫地質學的技術內涵是儲氣庫工況引起儲氣空間、密封性、滲流能力變化。儲氣空間減小可通過物理模擬獲取孔隙度變化率，精確估算庫容量大??；密封性能弱化可通過定量評價密封性弱化程度，優化儲氣庫運行壓力；滲流能力降低可通過物模確定滲透率降低程度，確定單井注采氣能力。

圖3 氣藏儲氣庫儲氣地質體結構組成示意圖

動態密封理論是研究評價儲氣庫高低壓循環注采工況下，儲氣庫封蓋層與斷層的毛細管力、抗張抗剪力與儲氣層的流體壓力，地應力之間相互作用、互為約束的一種新型動力學，該理論揭示了儲氣庫交變載荷狀態引起密封能力變化規律，融合了巖石物理學、地質力學、流體力學等相關原理，解決了儲氣庫選址、設計、運行、監測全生命周期的動力學問題。動態密封性評價技術包括：①儲氣地質體精細表征技術，落實地質體空間展布；②儲氣構造動態密封性評價技術，評估蓋層、斷層等密封要素的極限承壓能力，合理優化上限壓力；③儲氣構造動態密封性失效風險評價技術，評估蓋層、斷層等密封要素的密封失效風險，保障儲氣庫安全運行。

3.2 儲氣庫中低滲儲層高效建庫滲流機理與關鍵工程技術

與中高滲透率構造氣藏建庫目標相比，大型低滲透率巖性氣藏建庫受復雜巖性展布、儲層非均質性、高速注采滲流—擴散速度、儲氣動邊界擴展范圍等多因素影響，采用傳統整體建庫方式成本高、單井產能低[16-17]。以中國長慶榆林氣田大型低滲氣藏（天然氣地質儲量達3 000×108m3）為例，針對低滲透率、超低滲透率巖性氣藏建庫面臨的庫容參數設計難、工作氣量比例低、單井產能低、經濟性差等難題，通過儲氣甜點區建庫設計、井型與井網優化、釋放儲層產能的鉆完井新工藝、保持蓋層與井筒完整性的儲層改造等關鍵技術[18]的攻關研究，創建了以局部甜點區為核心的泛連通動邊界庫容控制理論，揭示了保持蓋層與井筒完整性的儲層微壓裂改造裂縫擴展機理，科學指導建庫模式和動邊界條件下庫容參數優化設計，大幅提高單井產能，降低建庫成本，基本形成了低滲透率、超低巖性氣藏建庫地質—工程專業技術系列，開辟了低滲透率在產大氣田建庫新領域。

3.3 儲氣庫高壓大流量注采地面工程關鍵技術與裝置

與氣田開發相比，儲氣庫的地面工程面臨諸多挑戰：①儲氣庫一周期“采空”一個氣田，這種高低壓頻繁注采、大吞大吐運行工況，使得地面大規模處理裝置核心裝備面臨挑戰；②儲氣庫多周期循環注采，油氣水流體組成多樣、氣質組分多變、部分儲氣庫酸性氣體分壓高腐蝕性強等，使得地面處理工藝復雜，對管道防腐技術要求提高[19]；③儲氣庫埋藏較深、地層壓力偏高，地面高壓離心壓縮機需要適應儲氣庫運行工況，高壓大功率壓縮機需升級，壓縮機制造技術尚需攻關。

上述地面工程關鍵技術與裝備的不斷攻關與改造升級，逐步實現地面工程關鍵技術與裝備國產化，形成適合中國復雜地質條件地面工程技術系列，是中國儲氣庫復雜地質特點下儲氣庫高效運行的重要保障（圖4）。

圖4 大型儲氣庫地面配套裝置工作流程示意圖

3.4 儲氣庫地層—井筒—地面“三位一體”實時監測預警關鍵技術

中國儲氣庫建庫目標多構造破碎、埋藏深、非均質性強，加上儲氣庫高低壓頻繁注采轉換運行工況，儲存的天然氣存在著通過斷層向相鄰斷塊或通過高滲透性儲層向儲氣范圍之外的水域氣竄的地質風險，存在著儲氣庫井因螺紋接頭密封失效、固井質量差等導致的環空帶壓的風險，存在著地面管道節流閥前后管道因土壤凍脹抬升導致法蘭斷裂失效及其振動導致復合管內襯塌陷的風險[20]。以上地質—井工程—地面的安全風險給儲氣庫安全運行與實時監測帶來巨大挑戰[21]。為此，急需建立儲氣庫地層—井筒—地面“三位一體”實時監測預警系統。

地下地質體動態密封性實時監測可利用微地震巖石形變信號識別與定位技術，結合監測井動態資料實現蓋層變形、斷層滑移、流體滲漏等風險實時監測預警[22]。井筒監測可通過井筒泄漏檢測系列工具，利用井筒安全評價技術，確保井筒完整性受控。地面可通過對壓縮機、管道、處理系統等檢測與評估技術，實現地面設施的安全可控，據此形成的儲氣庫地層—井筒—地面“三位一體”風險管控技術體系與實時預警技術，可保障儲氣庫高質量建設與安全有效運行（圖5）。

圖5 儲氣庫地層—井筒—地面“三位一體”監測預警示意圖

3.5 儲氣庫數字化建設與智能化運行關鍵技術

中石油搭建了儲氣庫信息管理平臺，可實現對已建儲氣庫動靜態數據的存儲、管理及應用，但數據錄入尚不完整，總體來看，中國儲氣庫業務的數字化、信息化、智能化尚處于起步階段，庫址資源、監測數據、市場需求、管網能力基礎數據庫尚未搭建，全系統數字化模擬、多方聯動優化運行、安全預警等系統平臺仍處于空白[23]。為此，構建以一體化模擬為核心的數字化、智能化應用平臺，實現實時模擬計算、在線風險預警與決策支持同步銜接，可為未來實現儲氣庫智能化調峰、數字化運營、一體化管控奠定基礎（圖6）。

圖6 儲氣庫數字化建設與智能化運行平臺頂層設計示意圖

4 結論與建議

中國儲氣庫規模建設歷經20余年，取得了令人矚目的成績，建成了28座儲氣庫，調峰能力超過150×108m3，在調峰保供與應急保障中發揮了關鍵作用。隨著國家“雙碳”戰略的實施和風、光等新能源技術的發展，非化石能源在國家一次能源中的占比將持續增長，天然氣需求在2040年將達到頂峰6 500×108m3左右，天然氣清潔、響應快、能量密度高、可以轉化為優質熱能與清潔電力，具有靈活的調峰性能，天然氣與新能源具有良好的互補性，均對天然氣儲存與調峰提出了更高要求，儲氣庫在中國天然氣“產、供、儲、銷”產業鏈中“穩定器”和“調節器”作用更加突出。

“十四五”期間隨著中國儲氣庫新類型不斷拓展、儲氣地質體復雜多樣、儲氣庫功能靈活多變，開展儲氣庫基礎理論與關鍵技術持續攻關，是解決中國復雜地質條件儲氣庫高質量快速發展，保障中國天然氣供應安全的有效措施。結論與建議如下：

1）儲氣庫動態密封理論體系是復雜地質條件選址與評價的基礎，是高速注采運行工況下安全監測的重要依據，建議繼續加強地質力學、巖石力學、滲流力學相結合的儲氣庫動力學機制研究。

2）中國氣藏型儲氣庫大多數為中低滲氣藏，儲氣庫高速注采工況給多相流體滲流規律認識帶來了難題，建議持續開展中低滲儲層高速注采條件下多輪相滲滯后機理攻關，提高儲氣空間動用效率。

3）中國儲氣能力不斷擴大，儲氣庫功能多樣化，對地面的處理能力、注采轉換頻率提出了更高要求，建議加快研制高壓大功率離心式壓縮機和大流量、寬工況、多頻次快啟停、節能降耗的大型化地面處理裝備。

4）復雜地質條件儲氣庫風險點多面廣，針對儲氣地質體的動態密封性、高速注采井筒的完整性、高壓大流量地面處理裝置的安全性，建議不斷加強以微地震監測為主的“三位一體”實時預警關鍵技術攻關。

5）儲氣庫數字化轉型、智能化發展是新形勢下的必然要求，建議加快建立儲氣庫地質體、井筒和地面系統一體化數字孿生體，通過數字化進行動態仿真模擬，實現對儲氣庫全生命周期智能管控。