摘　要：介绍我国天然气地下储气库的发展现状，分析在建库资源考察、建库核心技术、储气库安全运行管理以及风险评价等方面的技术瓶颈问题，提出了建议。

关键词：地下储气库　天然气储存　技术瓶颈

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

天然气上游与下游之间存在供气量与消费需求量的严重不均衡性。近年来，我国天然气事业的迅猛发展进一步加剧了这种供需矛盾，夏季低峰用气量和冬季高峰用气量相差数倍的情况在某些天然气消费区域时常发生^[1]。天然气储存设施是平衡供气的均匀性和用气的不均匀性之间的固有矛盾的关键。

天然气的储存方式有地面储气罐储存、输气管道末段(输气管道末段指输气管道中最后一个压气站到城市门站之间的管段)储存、天然气液化储存、天然气固态储存、地下储气库储存等。地面储气罐储存常用于调节城市小时用气不均衡。储罐建造技术简单，但其容量小，储配站占地面积较大，经济效益差。输气管道末段储存能灵活调节气量，可操作性强，用于调节小时用气不均衡。但是管道末段储气量小，调节气量范围较窄。天然气液化储存的储气量大，但其局限性在于LNG多采用海上运输方式，并且大型的LNG接收站都建在沿海地区，因此这种天然气储存技术更加适用于利用船舶运输天然气的沿海地区而非内陆地区。天然气固态储存是指甲烷和水在一定的温度、压力条件下，转变成一种结晶状笼形化合物^[2]，即天然气水合物(Natural Gas Hydrate)，以实现天然气的高密度储存。据现有资料，0℃时，甲烷水合物的形成压力一般为2.78MPa左右。随着温度升高，其形成压力也相应提高。制备出相对稳定的水合物后，一般在-20℃左右、常压条件下储存在钢制储罐中。1m³的水合物可含有150～170m³的天然气(折合成标准状态)。天然气中各种烷烃的组成不同，影响天然气水合物形成的温度及压力条件。如Gudmunsson通过实验发现^[2]，天然气中加入5％的乙烷和2％的丙烷(均为气体体积分数)可以降低平衡压力。因此，他认为天然气在0～20℃、2～6MPa的条件下，能制备天然气水合物。分解天然气水合物时，将储罐中的水合物与20℃的水混合，释放出天然气，气体再经压缩脱水等处理达到管输要求后，即可用于输配管网。但目前这一技术还处于研究阶段，在国内尚未应用。由此可见，要能够经济有效地解决城市用气季节不均匀性，并且还要考虑到调节范围广和供气安全可靠等问题，以上几种储气方式均不够理想。

地下储气库是将天然气经过压缩机压缩以后，注入枯竭的气(油)藏、地下盐穴溶腔或其他地质构造中加以储存，到消费高峰期采出以满足天然气用气市场需求的一种储气设施。地下储气库的突出优点有储气量大、调峰范围广、运行成本低、安全可靠、经久耐用等，不仅能够较好地解决城市用气季节性不均匀的问题，而且具有其他天然气储存方式远不能及的战略意义^[3]。政治动荡、气源或上游输气故障、上游输气设施停产检修、战争、重大自然灾害等都可能致使供气中断。例如输气干线管道因地震出现泄漏，甚至被严重破坏出现断裂等运行事故造成短时间供气中断，这时地下储气库可以兼作应急后备气源保障用户正常用气。还有不可忽视的一点是，我国天然气对外依存度(即从国外进口的天然气量占国内所需天然气总量的百分比)越来越高，需要从国外进口大量的天然气来满足国内各类用户的需求。文献数据显示，到2020年，我国天然气对外依存度将超过50％^[4]。由此可见，如果没有充足的天然气战略储备，后果不堪设想。

综上可知，地下储气库是天然气季节性调峰和资源战略储备的最佳选择，它已经成为当今天然气消费大国储存和调配天然气的重要基础设施，是天然气上、中、下游一体化利用的重要组成部分。同时，地下储气库的建造技术和相关工艺水平与现代科学技术的发展紧密相关，储气库受到世界各国的重视^[5]。

2　国内地下储气库发展现状

我国地下储气库发展起步较晚。初次尝试利用废弃气藏建设储气库是在20世纪60年代末。但直到20世纪90年代初，随着陕京输气管道的建设，国内才真正投入地下储气库建设技术的研究^[6]。

我国在大庆油田曾建造过两座枯竭气藏类型的储气库，分别是1969年建成的萨尔图1号地下储气库和l975年建成的喇嘛甸地下储气库。萨尔图l号储气库的储气量为3 800×104 m3。储气量指在20℃、l01325Pa的状态下，储气腔体中能够储存的气体总体积(以下所有提到描述储气库气体体积的物理量，均为在上述状态下的值)。储气量包括注采季节不断交替注入或采出的工作气量和垫层气量两个部分。工作气量是指储气库正常运营工况下，随着注采季节的交替而不断从地下储气层或溶腔中采出或者向储气空间中注入的气体体积最大值。在储气库注采运行时，有一部分气体滞留在库中，维持储气库采气地层压力、抑制地层水流动侵入储气库的这部分气体称为垫层气。在运行l0多年后，萨尔图1号储气库因与市区扩大后的安全距离问题而被拆除。喇嘛甸储气库经两次扩建，储气量已达到25×10⁸m³。在其安全运行的30年间，累计总采气量(指在储气库采气系统正常工作条件下，从地下储气空腔中能够采出的气体换算到20℃、101325Pa的状态下的体积，以下同)为10×10⁸m^3[7-9]。

2000年冬季，我国第一座大型地下储气库——大张坨地下储气库在天津大港建成投产，工作气量达6×10⁸m³，最大日调峰量达l000×10⁴m³／d。大张坨储气库在运营期采气作业时，应用目前国内最先进的循环注气开采系统(指反复循环向储气库的储气地层中注入二氧化碳或者氮气等气体，以维持地层压力，更有利于储气库采气作业进行)。自2001年以来，在大港油田附近，板876储气库、板中北储气库、板中南储气库、板808储气库、板828储气库陆续建成投产，加上大张坨储气库共6座储气库一起构成了天津大港地下储气库群，是陕京管线储配气系统的重要组成部分。截至2010年，大港油田储气库群总储气量达69.57×10⁸m³。工作气量达30.58×10⁸m³，最大日调峰量达3400×10⁴m³／d，成功实现了京津地区安全平稳调峰供气，完成了亚运会、奥运会等国际型盛会的供气，确保了陕京线、陕京二线的安全运行。

2007年，江苏省金坛储气库部分投产运行，开创了我国盐穴地下储气库的先河。截至2011年底，金坛储气库已建成地下储气盐穴溶腔50多个，总储气量达6.7×l0⁸m³。目前，金坛储气库处于建设与运行并行阶段，整个建造工程将会持续到2020年左右，届时总储气量将达到19.8×10⁸m³。2011年11月，江苏淮阴市刘庄储气库竣工投产，这是为西气东输冀宁联络线配套建设的首座利用废弃油气藏改建的储气库，其设计储气量(指储气库注入的天然气压力达到地下空腔的设计压力值时，库内地下储气层能够储存的天然气换算到20℃、l01325Pa下的气体总体积。由于通常情况下，储气库注气压力小于等于储气空腔的设计压力，因此储气库的储气量小于等于其设计总储气量，以下同)为4.55×10⁸m³。2012年7月底，湖北云应储气库项目开工，其设计工作气量(指储气库注入的天然气压力达到地下空腔的设计压力值时，储气库中可以采出使用的气体换算到20℃、101325Pa下的气体体积。通常储气库工作气量小于等于其设计工作气量，以下同)为6×10⁸m³。江苏金坛储气库、江苏刘庄储气库、湖北云应储气库、江西南昌麻丘储气库是为西气东输管道配套的四大储气库，目前前三个储气库已部分运营投产。

2011年开工建设的苏桥储气库群建成投产后，工作气量达23.32×10⁸m³，是河北省任丘市华北油田继京58储气库群之后，投入建设的第二个储气库群。京58、苏桥这两个储气库群是为陕京输气管线系统配套建设的，其功能主要为陕京二、三线输气管道的正常运行提供保障，同时能较好地解决京、津、冀地区工业及民用天然气的季节调峰和事故应急供气等问题。京58地下储气库群工程是陕京二线的配套系统工程，包括京58、永22和京51三座地下储气库，分别建在华北油田京58、永22和京51这三个地质断块(断块是指岩石圈内被断裂构造所围限的构造块体，以下同)。其中最大的京58储气库储气量达ll.5×10⁸m³，工作气量为3.9×10⁸m³；永22储气库的储气量为6×10⁸m³，工作气量为3×10⁸m³；京51储气库的储气量为l.2×10⁸m³，工作气量为0.6×10⁸m³。

苏桥储气库群储气层埋深最深达5500m，是目前世界上储层埋深最大的储气库。其注气压力高达42MPa，建成后将突破世界上现有储气库的最高设计压力值，成为当前设计压力最高的储气库。苏桥地下储气库群包括苏1、苏20、苏4、苏49、顾辛庄五个储气库，总设计储气量为67.38×10⁸m³，设计工作气量为23.32×10⁸m³。预计到“十二五”末，华北油田储气库群总储气量将达240×10⁸m³，工作气量达73×10⁸m³，最大日调峰量达4000×10⁴m³／d。

2012年9月，位于河南省濮阳市中原油田的文96储气库正式投产运行，是榆(榆林)—济(济南)输气干线的配套工程，其储气量为5.588×10⁸m³，工作气量为2.95×10⁸m³。在冬季用气高峰期，文96储气库最大日调峰量可达500×10⁴m³／d。

2012年竣工的靖边储气库位于陕西省榆林市靖边县北部，设计储气量为l20×10⁸m³，是国内目前最大的天然气地下储气库。靖边气田是长庆油田的8个气田的主力产气区，也是西气东输的枢纽和陕京线、陕宁线、靖西输气管线的起点。

我国西南地区首座天然气储气库——相国寺储气库在2011年11月投产使用，计划于2013年底全部建成投运。位于重庆市北碚区的相国寺储气库是我国西南地区油气战略通道的重点配套工程，属于宁夏中卫至贵阳联络线。该储气库的设计储气量为40.6×10⁸m³，年调峰量超过22.8×10⁸m³。

新疆呼图壁储气库于2011年5月开工建设，该储气库设计储气量达107×10⁸m³，设计工作气量为45.1×10⁸m³。呼图壁储气库于2013年7月投入使用，到2014年全部工程完工。

2013年4月，国内外专家对河南省濮阳市中原油田的文23气田进行储气库建设前期技术调研。同年6月，技术人员对文23气田文23～28井实施注气先导试验。文23储气库建成后将是我国中部地区最大的储气库。

依据国家的总体战略部署，我国将形成四大区域性联网协调的储气库群：东北储气库群、华北储气库群、长江中下游储气库群和珠江三角洲储气库群。国家“十二五”规划(2011—2015年)储气库建设目标实现后，储气库工作气量预计将占其年总销售气量的8％～l0％。

3　国内地下储气库发展面临的挑战

①我国天然气地下储气库建设严重滞后于输气管道的建设。国内现状往往是在大型输气管道正式投产运行以后才启动储气库的建设工程，而地下储气库的建设期平均为5～8a，日益凸显的调峰需求与调峰基础设施不足之间的矛盾日益激化。中国天然气资源主要集中分布在西部地区，比如川渝地区和新疆地区，而天然气主要消费市场集中在东部和南方经济较为发达的地区^[10]。如果仅仅利用天然气管道末段或者地面天然气储罐这些储气调峰设施来实现下游天然气市场的调峰供气，不仅操作难度较大，经济效益也不突出。

②相比国外发达的地下储气库的建设，国内复杂的地质条件给建库工作带来了极大的挑战。以盐穴型储气库为例，国外的盐穴储气库溶腔洞室多建立在厚或巨厚型盐丘上，而我国的盐岩矿藏以非均质薄层状盐岩为主，且盐岩体中含有众多夹层，因此国外的一些先进经验以及盐穴储气库的设计运行标准不能直接应用到国内建库工程中。又如在气(油)藏型储气库建库领域，我国气(油)藏的埋藏深度普遍较深并且存在气井单井产能低、储层(储层指地下具有一定孔隙性和渗透性的可以储集和渗滤流体的岩层，以下同)非均质性强、储层改造难度和保护难度大等难题。

③地下储气库的风险评价和优化运行管理是十分复杂的课题。天然气地下储气库系统分为地下储气设施和地面厂站两大部分，分别包含诸多工艺单元，涉及到复杂的风险评估体系。如盐穴储气库，地下储气设备可能受腐蚀、设备失效、机械损伤、盐岩蠕变导致储气溶腔变形等不良影响。众多风险因素给储气库风险评价带来了前所未有的难度。

储气库优化运行管理的任务主要是，在符合环境保护要求的同时，用最低的生产运行费用，保证必须的昼夜注(采)气量，同时还要保证储气库在今后规定时间内的运行潜能。储气库优化管理任务多，且各项优化任务还可能相互抵触。因此，如何利用系统动态模拟与多目标优化方法结合，在各个单目标优化计算结果的基础上对系统进行多目标优化计算，建立储气库最佳运行模式。以上问题能否较为满意地得到解决直接影响到地下储气库的调峰作用以及实现储气库长期可持续运营。

④当今全球天然气工业急速发展，我国近年来积极为已建长输管道建设配套储气库工程，对具有建库潜力的地区投入大量人力物力考察其建库可行性，掀起了储气库建设高潮。地下储气库总数不断增多，类型不一，且分布在不同的天然气管道沿线，针对不同的管径、不同的运行压力、不同的储气库注采调峰方式，如何将输气管道与其配套的储气库作为一个整体进行优化管理是亟待研究的重要课题。

4　对我国储气库发展的建议

①欧美国家地下储气库的发展和成功运营的范例揭示了储气库在天然气产业链中不可替代的地位，天然气行业中的各个基础环节必须协调发展，才能构成一条成熟、完备的产业链，即上游资源的勘探开发、中游能源的储存与输送以及下游市场的能源利用。

国外尤其是北美地区天然气地下储气库运行已有80多年的历史^[11]，在储气库建造、运行、管理、风险评价等方面有较为完善成熟的法律法规以及相应标准。我国在这方面起步较晚，很多涉及储气库的法律法规和标准规范甚至是空白。虽然我们要积极借鉴学习国外储气库的先进经验和技术，但国外储气库的地质条件等情况和我国同类型储气库建设的实际情况有很大不同，因此不能直接照搬国外经验。我国应根据自身的具体情况，相应地制定出行之有效的法律法规及规范标准。

②在选择储气库的建设库址之前，应对其地区及其周围地域的天然气用户市场进行全方位的充分调查，根据市场的具体需求来确定储气库的规模，同时更要做好储气库发展的中长期规划。储气库的建设通常分为若干期工程，工程规模的大小很大程度上取决于已建成或规划的长输管道的走向以及下游天然气消费市场的具体情况，以此确定储气库中长期调峰量以及出于战略储备考虑的储气库规模。

③应持续关注盐穴型地下储气库的相关技术。盐岩具有孔隙度低、渗透率小、蠕变性能良好、损伤自我恢复和塑性变形能力强等特性，因而被公认为储存天然气较为理想的场所。盐穴型储气库与其他类型的地下储气库相比还具有以下突出优点：注采气作业效率高，储气库利用率较高，垫层气气量低且有需要时垫层气可完全采出，盐岩矿床具有良好的蠕变特性和低渗透率。因此，盐穴型储气库相对不易发生漏气事故，安全性高^[12]。利用盐岩溶腔进行能源储存在欧美等西方发达国家得到了广泛的应用，世界上许多国家的能源地下储存库建在岩盐介质或报废的盐矿井中。

我国盐岩矿层的基本特点是：盐岩层数多，单层厚度薄，含盐岩地层中不可溶夹层众多。由此可见，和国外一些盐丘型盐岩相比，我国利用地下盐穴溶腔进行能源储存将面临更复杂的技术难题。因此，针对我国盐岩矿层的实际储存条件，进行能源地下储存中关键技术的系统研究并解决能源储存中面临的困难，是我国战略能源领域急需开展的重大课题，具有极其重要的意义。

由于我国盐层的特殊性，国外盐穴型地下储气库的相关经验和建造技术并不能照搬使用，因此应对盐穴型储气库的建造技术、投产运行以及运营维护等方面存在的薄弱环节进行针对性研究。盐穴储气库储气溶腔的建造、投产运行后储气溶腔的变化规律、盐岩夹层垮塌的预测和控制技术是这类储气库安全平稳运营的关键点。国内力学专家学者对我国普遍存在的多层非均质薄层状盐岩地质特点有了一些研究成果，但仍存在诸多技术盲区，需要在这方面加大研究力度，有针对性地根据我国盐穴地下储气库的建造以及运行管理方面的特点，总结出关键技术解决方案并建立相应标准。

对于枯竭气(油)藏储气库，我国的地质储层条件不够理想，建库技术相对国外落后。建议应深入研究地下注排气机理、渗流机理、注采井和观察井的布置方式等方面。同时也应该积极借鉴国外成熟的此类储气库建造技术，注重优化运行和安全管理方面的研究。

④重视对储气库垫层气的研究。天然气地下储气库进行注采运行时，必须有一部分垫层气滞留在库中，目的是维持储气库采气作业时所需的地层压力，同时抑制地层水流动，防止水体侵入储气库，保证储气库工作的稳定性。一般来说，地下储气库中垫层气量占整个储气库储气量的15％～75％，其投资费用在整个储气库运营过程中占到了相当大的比例^[13]。垫层气量又分为基础垫层气量和附加垫层气量两部分。基础垫层气量是储气库压力降低到无法采出时储气库内残存的天然气量，而附加垫层气量是在基础垫层气的基础上，为保证采气井能达到最低设计采气量所需要的额外的垫层气量。

用惰性气体代替天然气作垫层气可以大幅度减少地下储气库建设的投资，同时在储气库投产后也能节约运行费用。目前国外运用惰性气体作垫层气的成功范例有很多，比如法国Beynes储气库、美国德克萨斯Hanson储气库、丹麦Tonder市附近的含水层地质构造等。在这些储气库或地质储层中使用二氧化碳或者氮气或者两者混合气作为垫层气的研究和实践分析表明，当注入惰性气体量占总垫层气量的20％时，不会影响采出气的质量，同时也达到了垫层气维持储维持气库压力、节约储气库投资费用的目的^[14]。

但是采用惰性气体作垫层气会带来惰性气体与天然气的混合问题，惰性气体与注入气(工作气)混合与扩散，导致调峰时采出气的热值降低、杂质增多等一些问题。为了有效预防及减少惰性气体与天然气混合，从混气机理上可以采取以下措施：一是选取与工作气有较大密度差的垫层气。由于重力作用，两种气体之间将出现分层现象而减少混合；二是采取在储气库外侧注入惰性气体，而不是向整个储气空间内均匀注入，这样会形成不同气体浓度区域，减少混合。

对于垫层气和工作气的混合问题的定量计算，国内有学者对于混合机制的模拟以及数值求解方法进行了研究。谭羽非^[15]。建立三维两相渗流模型和三维气体扩散模型，用跳跃式的求解方法，确定气体混合时气体浓度的变化，模拟计算出气—水储层中储气压力和气体组成与时间和空间的函数关系。焦文玲等^[16]。通过建立气一水渗流模型及气体扩散模型，采用有限元求解方法，确定储气库压力、含水饱和度及气体浓度分布情况。李佩铭等^[17]建立了气—水两相渗流模型及气体扩散模型，建立了二维平面有限元模型，采用部分离散方法对数学模型进行有限元方程的推导。对于垫层气和工作气的掺混现象，李娟娟等^[18]研究了示踪剂测试技术应用于储气库中垫层气和工作气相互掺混时，如何在混合气体的边缘区域中测试得到不同气体的扩散系数，介绍了这项技术在丹麦岑讷储气库、法国杰尔米尼苏斯库隆储气库、日本Nakajo储气库等的成功运用。

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本文作者：梁光川  田源  蒲宏斌

作者单位：西南石油大学石油工程学院

  中国石油化工股份有限公司天然气分公司