摘　要：介紹我國天然氣地下儲氣庫的發展現狀，分析在建庫資源考察、建庫核心技術、儲氣庫安全運行管理以及風險評價等方面的技術瓶頸問題，提出了建議。

關鍵詞：地下儲氣庫　天然氣儲存　技術瓶頸

Discussion on Current Development and Technical Bottleneck of Underground Gas Storage in China

Abstract：The development status of underground gas storage in China is introduced．The technical bottleneck problems such as the resouree investigation of gas storage in process，core technology of construction of gas storage，safe operation and management of gas storage and risk assessment are analyzed，and some suggestions are put froward．

Keywords：underground gas storage：natural gas storage；technical bottleneck

1　概述

天然氣上游與下游之間存在供氣量與消費需求量的嚴重不均衡性。近年來，我國天然氣事業的迅猛發展進一步加劇了這種供需矛盾，夏季低峰用氣量和冬季高峰用氣量相差數倍的情況在某些天然氣消費區域時常發生^[1]。天然氣儲存設施是平衡供氣的均勻性和用氣的不均勻性之間的固有矛盾的關鍵。

天然氣的儲存方式有地面儲氣罐儲存、輸氣管道末段(輸氣管道末段指輸氣管道中最后一個壓氣站到城市門站之間的管段)儲存、天然氣液化儲存、天然氣固態儲存、地下儲氣庫儲存等。地面儲氣罐儲存常用于調節城市小時用氣不均衡。儲罐建造技術簡單，但其容量小，儲配站占地面積較大，經濟效益差。輸氣管道末段儲存能靈活調節氣量，可操作性強，用于調節小時用氣不均衡。但是管道末段儲氣量小，調節氣量范圍較窄。天然氣液化儲存的儲氣量大，但其局限性在于LNG多采用海上運輸方式，并且大型的LNG接收站都建在沿海地區，因此這種天然氣儲存技術更加適用于利用船舶運輸天然氣的沿海地區而非內陸地區。天然氣固態儲存是指甲烷和水在一定的溫度、壓力條件下，轉變成一種結晶狀籠形化合物^[2]，即天然氣水合物(Natural Gas Hydrate)，以實現天然氣的高密度儲存。據現有資料，0℃時，甲烷水合物的形成壓力一般為2.78MPa左右。隨著溫度升高，其形成壓力也相應提高。制備出相對穩定的水合物后，一般在-20℃左右、常壓條件下儲存在鋼制儲罐中。1m³的水合物可含有150～170m³的天然氣(折合成標準狀態)。天然氣中各種烷烴的組成不同，影響天然氣水合物形成的溫度及壓力條件。如Gudmunsson通過實驗發現^[2]，天然氣中加入5％的乙烷和2％的丙烷(均為氣體體積分數)可以降低平衡壓力。因此，他認為天然氣在0～20℃、2～6MPa的條件下，能制備天然氣水合物。分解天然氣水合物時，將儲罐中的水合物與20℃的水混合，釋放出天然氣，氣體再經壓縮脫水等處理達到管輸要求后，即可用于輸配管網。但目前這一技術還處于研究階段，在國內尚未應用。由此可見，要能夠經濟有效地解決城市用氣季節不均勻性，并且還要考慮到調節范圍廣和供氣安全可靠等問題，以上幾種儲氣方式均不夠理想。

地下儲氣庫是將天然氣經過壓縮機壓縮以后，注入枯竭的氣(油)藏、地下鹽穴溶腔或其他地質構造中加以儲存，到消費高峰期采出以滿足天然氣用氣市場需求的一種儲氣設施。地下儲氣庫的突出優點有儲氣量大、調峰范圍廣、運行成本低、安全可靠、經久耐用等，不僅能夠較好地解決城市用氣季節性不均勻的問題，而且具有其他天然氣儲存方式遠不能及的戰略意義^[3]。政治動蕩、氣源或上游輸氣故障、上游輸氣設施停產檢修、戰爭、重大自然災害等都可能致使供氣中斷。例如輸氣干線管道因地震出現泄漏，甚至被嚴重破壞出現斷裂等運行事故造成短時間供氣中斷，這時地下儲氣庫可以兼作應急后備氣源保障用戶正常用氣。還有不可忽視的一點是，我國天然氣對外依存度(即從國外進口的天然氣量占國內所需天然氣總量的百分比)越來越高，需要從國外進口大量的天然氣來滿足國內各類用戶的需求。文獻數據顯示，到2020年，我國天然氣對外依存度將超過50％^[4]。由此可見，如果沒有充足的天然氣戰略儲備，后果不堪設想。

綜上可知，地下儲氣庫是天然氣季節性調峰和資源戰略儲備的最佳選擇，它已經成為當今天然氣消費大國儲存和調配天然氣的重要基礎設施，是天然氣上、中、下游一體化利用的重要組成部分。同時，地下儲氣庫的建造技術和相關工藝水平與現代科學技術的發展緊密相關，儲氣庫受到世界各國的重視^[5]。

2　國內地下儲氣庫發展現狀

我國地下儲氣庫發展起步較晚。初次嘗試利用廢棄氣藏建設儲氣庫是在20世紀60年代末。但直到20世紀90年代初，隨著陜京輸氣管道的建設，國內才真正投入地下儲氣庫建設技術的研究^[6]。

我國在大慶油田曾建造過兩座枯竭氣藏類型的儲氣庫，分別是1969年建成的薩爾圖1號地下儲氣庫和l975年建成的喇嘛甸地下儲氣庫。薩爾圖l號儲氣庫的儲氣量為3 800×104 m3。儲氣量指在20℃、l01325Pa的狀態下，儲氣腔體中能夠儲存的氣體總體積(以下所有提到描述儲氣庫氣體體積的物理量，均為在上述狀態下的值)。儲氣量包括注采季節不斷交替注入或采出的工作氣量和墊層氣量兩個部分。工作氣量是指儲氣庫正常運營工況下，隨著注采季節的交替而不斷從地下儲氣層或溶腔中采出或者向儲氣空間中注入的氣體體積最大值。在儲氣庫注采運行時，有一部分氣體滯留在庫中，維持儲氣庫采氣地層壓力、抑制地層水流動侵入儲氣庫的這部分氣體稱為墊層氣。在運行l0多年后，薩爾圖1號儲氣庫因與市區擴大后的安全距離問題而被拆除。喇嘛甸儲氣庫經兩次擴建，儲氣量已達到25×10⁸m³。在其安全運行的30年間，累計總采氣量(指在儲氣庫采氣系統正常工作條件下，從地下儲氣空腔中能夠采出的氣體換算到20℃、101325Pa的狀態下的體積，以下同)為10×10⁸m^3[7-9]。

2000年冬季，我國第一座大型地下儲氣庫——大張坨地下儲氣庫在天津大港建成投產，工作氣量達6×10⁸m³，最大日調峰量達l000×10⁴m³／d。大張坨儲氣庫在運營期采氣作業時，應用目前國內最先進的循環注氣開采系統(指反復循環向儲氣庫的儲氣地層中注入二氧化碳或者氮氣等氣體，以維持地層壓力，更有利于儲氣庫采氣作業進行)。自2001年以來，在大港油田附近，板876儲氣庫、板中北儲氣庫、板中南儲氣庫、板808儲氣庫、板828儲氣庫陸續建成投產，加上大張坨儲氣庫共6座儲氣庫一起構成了天津大港地下儲氣庫群，是陜京管線儲配氣系統的重要組成部分。截至2010年，大港油田儲氣庫群總儲氣量達69.57×10⁸m³。工作氣量達30.58×10⁸m³，最大日調峰量達3400×10⁴m³／d，成功實現了京津地區安全平穩調峰供氣，完成了亞運會、奧運會等國際型盛會的供氣，確保了陜京線、陜京二線的安全運行。

2007年，江蘇省金壇儲氣庫部分投產運行，開創了我國鹽穴地下儲氣庫的先河。截至2011年底，金壇儲氣庫已建成地下儲氣鹽穴溶腔50多個，總儲氣量達6.7×l0⁸m³。目前，金壇儲氣庫處于建設與運行并行階段，整個建造工程將會持續到2020年左右，屆時總儲氣量將達到19.8×10⁸m³。2011年11月，江蘇淮陰市劉莊儲氣庫竣工投產，這是為西氣東輸冀寧聯絡線配套建設的首座利用廢棄油氣藏改建的儲氣庫，其設計儲氣量(指儲氣庫注入的天然氣壓力達到地下空腔的設計壓力值時，庫內地下儲氣層能夠儲存的天然氣換算到20℃、l01325Pa下的氣體總體積。由于通常情況下，儲氣庫注氣壓力小于等于儲氣空腔的設計壓力，因此儲氣庫的儲氣量小于等于其設計總儲氣量，以下同)為4.55×10⁸m³。2012年7月底，湖北云應儲氣庫項目開工，其設計工作氣量(指儲氣庫注入的天然氣壓力達到地下空腔的設計壓力值時，儲氣庫中可以采出使用的氣體換算到20℃、101325Pa下的氣體體積。通常儲氣庫工作氣量小于等于其設計工作氣量，以下同)為6×10⁸m³。江蘇金壇儲氣庫、江蘇劉莊儲氣庫、湖北云應儲氣庫、江西南昌麻丘儲氣庫是為西氣東輸管道配套的四大儲氣庫，目前前三個儲氣庫已部分運營投產。

2011年開工建設的蘇橋儲氣庫群建成投產后，工作氣量達23.32×10⁸m³，是河北省任丘市華北油田繼京58儲氣庫群之后，投入建設的第二個儲氣庫群。京58、蘇橋這兩個儲氣庫群是為陜京輸氣管線系統配套建設的，其功能主要為陜京二、三線輸氣管道的正常運行提供保障，同時能較好地解決京、津、冀地區工業及民用天然氣的季節調峰和事故應急供氣等問題。京58地下儲氣庫群工程是陜京二線的配套系統工程，包括京58、永22和京51三座地下儲氣庫，分別建在華北油田京58、永22和京51這三個地質斷塊(斷塊是指巖石圈內被斷裂構造所圍限的構造塊體，以下同)。其中最大的京58儲氣庫儲氣量達ll.5×10⁸m³，工作氣量為3.9×10⁸m³；永22儲氣庫的儲氣量為6×10⁸m³，工作氣量為3×10⁸m³；京51儲氣庫的儲氣量為l.2×10⁸m³，工作氣量為0.6×10⁸m³。

蘇橋儲氣庫群儲氣層埋深最深達5500m，是目前世界上儲層埋深最大的儲氣庫。其注氣壓力高達42MPa，建成后將突破世界上現有儲氣庫的最高設計壓力值，成為當前設計壓力最高的儲氣庫。蘇橋地下儲氣庫群包括蘇1、蘇20、蘇4、蘇49、顧辛莊五個儲氣庫，總設計儲氣量為67.38×10⁸m³，設計工作氣量為23.32×10⁸m³。預計到“十二五”末，華北油田儲氣庫群總儲氣量將達240×10⁸m³，工作氣量達73×10⁸m³，最大日調峰量達4000×10⁴m³／d。

2012年9月，位于河南省濮陽市中原油田的文96儲氣庫正式投產運行，是榆(榆林)—濟(濟南)輸氣干線的配套工程，其儲氣量為5.588×10⁸m³，工作氣量為2.95×10⁸m³。在冬季用氣高峰期，文96儲氣庫最大日調峰量可達500×10⁴m³／d。

2012年竣工的靖邊儲氣庫位于陜西省榆林市靖邊縣北部，設計儲氣量為l20×10⁸m³，是國內目前最大的天然氣地下儲氣庫。靖邊氣田是長慶油田的8個氣田的主力產氣區，也是西氣東輸的樞紐和陜京線、陜寧線、靖西輸氣管線的起點。

我國西南地區首座天然氣儲氣庫——相國寺儲氣庫在2011年11月投產使用，計劃于2013年底全部建成投運。位于重慶市北碚區的相國寺儲氣庫是我國西南地區油氣戰略通道的重點配套工程，屬于寧夏中衛至貴陽聯絡線。該儲氣庫的設計儲氣量為40.6×10⁸m³，年調峰量超過22.8×10⁸m³。

新疆呼圖壁儲氣庫于2011年5月開工建設，該儲氣庫設計儲氣量達107×10⁸m³，設計工作氣量為45.1×10⁸m³。呼圖壁儲氣庫于2013年7月投入使用，到2014年全部工程完工。

2013年4月，國內外專家對河南省濮陽市中原油田的文23氣田進行儲氣庫建設前期技術調研。同年6月，技術人員對文23氣田文23～28井實施注氣先導試驗。文23儲氣庫建成后將是我國中部地區最大的儲氣庫。

依據國家的總體戰略部署，我國將形成四大區域性聯網協調的儲氣庫群：東北儲氣庫群、華北儲氣庫群、長江中下游儲氣庫群和珠江三角洲儲氣庫群。國家“十二五”規劃(2011—2015年)儲氣庫建設目標實現后，儲氣庫工作氣量預計將占其年總銷售氣量的8％～l0％。

3　國內地下儲氣庫發展面臨的挑戰

①我國天然氣地下儲氣庫建設嚴重滯后于輸氣管道的建設。國內現狀往往是在大型輸氣管道正式投產運行以后才啟動儲氣庫的建設工程，而地下儲氣庫的建設期平均為5～8a，日益凸顯的調峰需求與調峰基礎設施不足之間的矛盾日益激化。中國天然氣資源主要集中分布在西部地區，比如川渝地區和新疆地區，而天然氣主要消費市場集中在東部和南方經濟較為發達的地區^[10]。如果僅僅利用天然氣管道末段或者地面天然氣儲罐這些儲氣調峰設施來實現下游天然氣市場的調峰供氣，不僅操作難度較大，經濟效益也不突出。

②相比國外發達的地下儲氣庫的建設，國內復雜的地質條件給建庫工作帶來了極大的挑戰。以鹽穴型儲氣庫為例，國外的鹽穴儲氣庫溶腔洞室多建立在厚或巨厚型鹽丘上，而我國的鹽巖礦藏以非均質薄層狀鹽巖為主，且鹽巖體中含有眾多夾層，因此國外的一些先進經驗以及鹽穴儲氣庫的設計運行標準不能直接應用到國內建庫工程中。又如在氣(油)藏型儲氣庫建庫領域，我國氣(油)藏的埋藏深度普遍較深并且存在氣井單井產能低、儲層(儲層指地下具有一定孔隙性和滲透性的可以儲集和滲濾流體的巖層，以下同)非均質性強、儲層改造難度和保護難度大等難題。

③地下儲氣庫的風險評價和優化運行管理是十分復雜的課題。天然氣地下儲氣庫系統分為地下儲氣設施和地面廠站兩大部分，分別包含諸多工藝單元，涉及到復雜的風險評估體系。如鹽穴儲氣庫，地下儲氣設備可能受腐蝕、設備失效、機械損傷、鹽巖蠕變導致儲氣溶腔變形等不良影響。眾多風險因素給儲氣庫風險評價帶來了前所未有的難度。

儲氣庫優化運行管理的任務主要是，在符合環境保護要求的同時，用最低的生產運行費用，保證必須的晝夜注(采)氣量，同時還要保證儲氣庫在今后規定時間內的運行潛能。儲氣庫優化管理任務多，且各項優化任務還可能相互抵觸。因此，如何利用系統動態模擬與多目標優化方法結合，在各個單目標優化計算結果的基礎上對系統進行多目標優化計算，建立儲氣庫最佳運行模式。以上問題能否較為滿意地得到解決直接影響到地下儲氣庫的調峰作用以及實現儲氣庫長期可持續運營。

④當今全球天然氣工業急速發展，我國近年來積極為已建長輸管道建設配套儲氣庫工程，對具有建庫潛力的地區投入大量人力物力考察其建庫可行性，掀起了儲氣庫建設高潮。地下儲氣庫總數不斷增多，類型不一，且分布在不同的天然氣管道沿線，針對不同的管徑、不同的運行壓力、不同的儲氣庫注采調峰方式，如何將輸氣管道與其配套的儲氣庫作為一個整體進行優化管理是亟待研究的重要課題。

4　對我國儲氣庫發展的建議

①歐美國家地下儲氣庫的發展和成功運營的范例揭示了儲氣庫在天然氣產業鏈中不可替代的地位，天然氣行業中的各個基礎環節必須協調發展，才能構成一條成熟、完備的產業鏈，即上游資源的勘探開發、中游能源的儲存與輸送以及下游市場的能源利用。

國外尤其是北美地區天然氣地下儲氣庫運行已有80多年的歷史^[11]，在儲氣庫建造、運行、管理、風險評價等方面有較為完善成熟的法律法規以及相應標準。我國在這方面起步較晚，很多涉及儲氣庫的法律法規和標準規范甚至是空白。雖然我們要積極借鑒學習國外儲氣庫的先進經驗和技術，但國外儲氣庫的地質條件等情況和我國同類型儲氣庫建設的實際情況有很大不同，因此不能直接照搬國外經驗。我國應根據自身的具體情況，相應地制定出行之有效的法律法規及規范標準。

②在選擇儲氣庫的建設庫址之前，應對其地區及其周圍地域的天然氣用戶市場進行全方位的充分調查，根據市場的具體需求來確定儲氣庫的規模，同時更要做好儲氣庫發展的中長期規劃。儲氣庫的建設通常分為若干期工程，工程規模的大小很大程度上取決于已建成或規劃的長輸管道的走向以及下游天然氣消費市場的具體情況，以此確定儲氣庫中長期調峰量以及出于戰略儲備考慮的儲氣庫規模。

③應持續關注鹽穴型地下儲氣庫的相關技術。鹽巖具有孔隙度低、滲透率小、蠕變性能良好、損傷自我恢復和塑性變形能力強等特性，因而被公認為儲存天然氣較為理想的場所。鹽穴型儲氣庫與其他類型的地下儲氣庫相比還具有以下突出優點：注采氣作業效率高，儲氣庫利用率較高，墊層氣氣量低且有需要時墊層氣可完全采出，鹽巖礦床具有良好的蠕變特性和低滲透率。因此，鹽穴型儲氣庫相對不易發生漏氣事故，安全性高^[12]。利用鹽巖溶腔進行能源儲存在歐美等西方發達國家得到了廣泛的應用，世界上許多國家的能源地下儲存庫建在巖鹽介質或報廢的鹽礦井中。

我國鹽巖礦層的基本特點是：鹽巖層數多，單層厚度薄，含鹽巖地層中不可溶夾層眾多。由此可見，和國外一些鹽丘型鹽巖相比，我國利用地下鹽穴溶腔進行能源儲存將面臨更復雜的技術難題。因此，針對我國鹽巖礦層的實際儲存條件，進行能源地下儲存中關鍵技術的系統研究并解決能源儲存中面臨的困難，是我國戰略能源領域急需開展的重大課題，具有極其重要的意義。

由于我國鹽層的特殊性，國外鹽穴型地下儲氣庫的相關經驗和建造技術并不能照搬使用，因此應對鹽穴型儲氣庫的建造技術、投產運行以及運營維護等方面存在的薄弱環節進行針對性研究。鹽穴儲氣庫儲氣溶腔的建造、投產運行后儲氣溶腔的變化規律、鹽巖夾層垮塌的預測和控制技術是這類儲氣庫安全平穩運營的關鍵點。國內力學專家學者對我國普遍存在的多層非均質薄層狀鹽巖地質特點有了一些研究成果，但仍存在諸多技術盲區，需要在這方面加大研究力度，有針對性地根據我國鹽穴地下儲氣庫的建造以及運行管理方面的特點，總結出關鍵技術解決方案并建立相應標準。

對于枯竭氣(油)藏儲氣庫，我國的地質儲層條件不夠理想，建庫技術相對國外落后。建議應深入研究地下注排氣機理、滲流機理、注采井和觀察井的布置方式等方面。同時也應該積極借鑒國外成熟的此類儲氣庫建造技術，注重優化運行和安全管理方面的研究。

④重視對儲氣庫墊層氣的研究。天然氣地下儲氣庫進行注采運行時，必須有一部分墊層氣滯留在庫中，目的是維持儲氣庫采氣作業時所需的地層壓力，同時抑制地層水流動，防止水體侵入儲氣庫，保證儲氣庫工作的穩定性。一般來說，地下儲氣庫中墊層氣量占整個儲氣庫儲氣量的15％～75％，其投資費用在整個儲氣庫運營過程中占到了相當大的比例^[13]。墊層氣量又分為基礎墊層氣量和附加墊層氣量兩部分?；A墊層氣量是儲氣庫壓力降低到無法采出時儲氣庫內殘存的天然氣量，而附加墊層氣量是在基礎墊層氣的基礎上，為保證采氣井能達到最低設計采氣量所需要的額外的墊層氣量。

用惰性氣體代替天然氣作墊層氣可以大幅度減少地下儲氣庫建設的投資，同時在儲氣庫投產后也能節約運行費用。目前國外運用惰性氣體作墊層氣的成功范例有很多，比如法國Beynes儲氣庫、美國德克薩斯Hanson儲氣庫、丹麥Tonder市附近的含水層地質構造等。在這些儲氣庫或地質儲層中使用二氧化碳或者氮氣或者兩者混合氣作為墊層氣的研究和實踐分析表明，當注入惰性氣體量占總墊層氣量的20％時，不會影響采出氣的質量，同時也達到了墊層氣維持儲維持氣庫壓力、節約儲氣庫投資費用的目的^[14]。

但是采用惰性氣體作墊層氣會帶來惰性氣體與天然氣的混合問題，惰性氣體與注入氣(工作氣)混合與擴散，導致調峰時采出氣的熱值降低、雜質增多等一些問題。為了有效預防及減少惰性氣體與天然氣混合，從混氣機理上可以采取以下措施：一是選取與工作氣有較大密度差的墊層氣。由于重力作用，兩種氣體之間將出現分層現象而減少混合；二是采取在儲氣庫外側注入惰性氣體，而不是向整個儲氣空間內均勻注入，這樣會形成不同氣體濃度區域，減少混合。

對于墊層氣和工作氣的混合問題的定量計算，國內有學者對于混合機制的模擬以及數值求解方法進行了研究。譚羽非^[15]。建立三維兩相滲流模型和三維氣體擴散模型，用跳躍式的求解方法，確定氣體混合時氣體濃度的變化，模擬計算出氣—水儲層中儲氣壓力和氣體組成與時間和空間的函數關系。焦文玲等^[16]。通過建立氣一水滲流模型及氣體擴散模型，采用有限元求解方法，確定儲氣庫壓力、含水飽和度及氣體濃度分布情況。李佩銘等^[17]建立了氣—水兩相滲流模型及氣體擴散模型，建立了二維平面有限元模型，采用部分離散方法對數學模型進行有限元方程的推導。對于墊層氣和工作氣的摻混現象，李娟娟等^[18]研究了示蹤劑測試技術應用于儲氣庫中墊層氣和工作氣相互摻混時，如何在混合氣體的邊緣區域中測試得到不同氣體的擴散系數，介紹了這項技術在丹麥岑訥儲氣庫、法國杰爾米尼蘇斯庫隆儲氣庫、日本Nakajo儲氣庫等的成功運用。

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本文作者：梁光川  田源  蒲宏斌

作者單位：西南石油大學石油工程學院

  中國石油化工股份有限公司天然氣分公司