中國地下儲氣庫建設的發展現狀及展望

劉建勛，劉巖

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

21世紀以來，我國的天然氣工業發展突飛猛進，加之近年來推行的“煤改氣”政策，導致國家天然氣供暖季的調峰供氣形勢嚴峻[1]。我國天然氣行業的生產、集輸、消費環節在正常情況下運營尚可，但在突發情況下的應急能力不足，鑒于2017年爆發的冬季氣荒可以看出，國家天然氣的基礎投資建設存在明顯不足[2]。有效緩解國內天然氣使用高峰的壓力，實現供暖季的安全平穩供氣迫在眉睫。

儲氣庫由于其建設周期短、投資小等特性，一直被當作重要的調峰方式之一[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達國家，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達國家低得多，且儲氣調峰系統的建立較晚，在儲氣庫基礎建設、市場運營機制及配套細則等環節遠低于國際平均水平[5]。由于受開發難度、注采能力的限制，加之中國的調峰基礎設施建設跟不上市場的發展，保供系統有待完善，導致國內儲氣庫建設步伐相當緩慢。

1 地下儲氣庫概況

1.1 系統構成及作用

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存儲形式，是當前儲存天然氣技術的前沿，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勢[7]，常被應用于季節性調峰。建立儲氣庫的作用十分顯著，主要表現為[8]：①協調供求關系與調峰；②保障冬季供氣的平穩性；③提供商業性供氣服務；④影響氣價，實現價格套利；⑤提供應急服務。

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

1.2 類型及特性

儲氣庫的分類標準有很多，按構造地形進行分類，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缺點對比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of different types of underground gas storage

1.3 國內外儲氣庫發展現狀

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3 930×108m3，占全球用氣量的10%以上，預測到2030年年底，工作氣量將達4 500×108m3[11]。世界范圍內半數以上的天然氣儲氣庫分布于歐美等發達地區，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[12]。見圖1，德國、法國等國由于國內天然氣管網規劃制度較為健全，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展和應用最成功的國家，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和東南沿海主產氣區，由于國內地質構造環境的差異，80%以上的含水層型儲氣庫集中在中西部區域，幾乎所有的鹽穴儲氣庫都分布在中南部地區[16]。由于其國內衰竭油氣藏眾多，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主導地位，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，多數應用于不具備氣藏和鹽穴地質構造的地區[18]。

中國的儲氣庫建設起步較晚，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、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4 354×108m3[20]。經過多年發展，中國已經逐步形成了以儲氣庫、接收站儲罐為主的儲氣調峰系統。我國儲氣調峰能力的增加主要依賴于已建成地下儲氣庫的擴容達產，近年來，國內新建儲氣庫進程明顯減慢，同時我國境內鹽穴地下儲氣庫地形條件復雜，人工造腔難度很大，建庫存在諸多不穩定因素，導致建設耗時較長[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 建設地下儲氣庫關鍵技術

2.1 庫址優選

調峰需求與庫址資源是決定儲氣庫選址的重要指標。我國的主要油氣產區分布在東北、西北、西南及環渤海等地區，但主要消費區域卻集中在東南、長三角及京津冀等地區[22]，由于國內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，具備鹽穴地質構造的地區較多，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的經驗，綜合地質與地表等多方面考慮，確定了中國儲氣庫庫址的優選方針[24]：(1)從地質方面，選址地區的構造、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，則需兼顧有效規避特殊區域、與管網保持合適的距離、充足的水源保障等因素。

2.2 鉆井完井

鉆完井工藝往往經濟投入大、耗費時間長，儲氣庫的穩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進程中，已初步形成了較為完善的儲氣庫鉆井完井工藝系統，包括枯竭氣藏儲氣庫的井型優化設計、超低壓地層防漏堵漏及儲層保護等特色工藝。但與歐美等國相比，在注采井筒完整性、井身結構優化及井筒長效密封固井等多項技術方向還具有一定的差距[26]。當前，儲氣庫快速發展期已經到來，建庫質量的高標準和高要求給儲氣庫鉆井完井技術帶來了新的挑戰，綜合多學科技術的優勢，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的工作目標。

2.3 注采工程

國外在注采工藝及完井管柱的設計主要依托形成的注采管柱優化設計軟件，可以全方位考慮在設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，國外在工具設計、材料及加工方面有著明顯的優勢。目前井下工具的穩定性與可靠性方面與國外工具還存在著一定的差距，大多數高性能井下工具仍然被國外幾大石油技術服務公司所壟斷[28]。為保證儲氣庫的安全運行，國內儲氣庫應用的井下工具主要還是依賴國外進口，未來國產化、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。

2.4 地面工藝

儲氣庫地面工藝體系是一種相對復雜的綜合性工程，其融合了多項專業技術和子技術，具有集成化高、綜合性強等優點，需要相應完備的操作與管理經驗，才能高效完成施工。經過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口，加之地面釆出氣處理流程復雜，規模較大，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化、采氣設備大型化及靈活化的研究，針對儲氣庫地面工程的相關設備的質量與進度進行嚴格的把關和控制。

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，系統各個部分可以安全高效地完成相應的調峰任務過程中各項性能參數的完整程度，其實質是在儲氣庫投運進行中，保持儲氣庫的安全性與有效性。我國儲氣庫地質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鍵，其評價技術體系主要包括：圈閉有效性、蓋層完整性及斷層穩定性等多項評價技術，該技術的根本目的是利用技術的不斷更新和有效的組織管理，實現物理和功能上的完整，保證儲氣庫地面設施、注采井(含井筒)、地質體等各組成單元(圖 3)始終處于受控狀態。當前我國的儲氣庫完整性評價技術主要以面設施和注采井為主，缺乏系統全面的地質完整性評價技術[31]，急需一套完整的評價和檢測技術，對斷層與蓋層的完整性破壞進行有效的預防、診斷和分析，提升完整性評價的嚴謹性和可靠性。

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 優勢

地下儲氣庫調峰方式從諸多方面考慮，都具有一定的優越性，其具有儲量大、投資成本低、調峰能力強等及安全系數高等優勢，被選作我國調峰的首要方式[32]。同時加快儲氣庫建設被列入保障國內天然氣平穩供應的長遠戰略計劃，儲氣庫調峰與其他調峰技術的對比見表4。

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

3.2 面臨的挑戰

雖然我國儲氣庫調峰技術應用前景好，開發潛力大，但其中也包含了一些仍需突破的關鍵技術和不足，主要包含以下幾個方面：

(1)建庫起步晚，建設明顯滯后。我國的天然氣儲氣庫建設起步較晚，發展歷程較短，受統籌規劃欠缺、行業標準模糊及儲備能力不足問題的限制[33]，儲氣庫建設的前進步伐十分緩慢，仍有需要關鍵的技術需要突破。

(2)產氣區與消費區分布不均，投資成本較高。中國的主產氣區與主消費區分離，產氣區集中分布于中西部區域，但用氣區卻集中于東部和南部區域[34]，西氣東輸的管線鋪設較長，相應增大了運輸成本。

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

4 結論與建議

當前我國天然氣對外貿易系數已達40%，但主要儲氣方式的供氣量僅占全國用氣總量的5.2%，國內儲氣庫庫容占比與世界平均水平還有一定差距，嚴重影響了供氣平衡。國家已出臺了一系列相關政策和實施意見，旨在加快天然氣儲氣庫建設，進一步提升儲備能力，但受統籌規劃欠缺、行業標準模糊及儲備能力不足問題的限制，儲氣庫建設的前進步伐十分緩慢。要進一步推動我國地下儲氣庫的高效平穩發展并非易事，建議加強對天然氣儲氣庫各項關鍵技術的攻堅力度，加大資金和政策支持的同時，采取儲氣庫、LNG及CNG等多種方式相互調劑從根本上實現我國儲氣調峰體系的降本增效，解決國內冬季供氣緊張的現狀。