中国地下储气库的需求与挑战

摘 要

摘要：建设地下储气库是保障安全平稳供气的主要手段之一。为此，介绍了国外地下储气库建设的主要特点和成功经验，并总结出了对中国建设地下储气库的3点启示：①地下储气库因其储气
摘要：建设地下储气库是保障安全平稳供气的主要手段之一。为此，介绍了国外地下储气库建设的主要特点和成功经验，并总结出了对中国建设地下储气库的3点启示：①地下储气库因其储气规模大、占地少、安全性能高、不污染环境等特点，成为当今世界上最主要的天然气储存方式和调峰手段；②地下储气库工作气量应达到天然气年消费量的15%左右，才能有效保障调峰和安全平稳供气的需要；③有别于常规的气田开发，应根据地下储气库自身的特点进行建设和运行，并注重吸收国外的成熟技术和经验。同时对中国地下储气库的发展需求进行了分析，认为：虽然中国地下储气库建设起步较晚，但由于中国天然气消费需求量的不断增长、天然气消费结构的改变、调峰及天然气战略储备的要求、非常规天然气利用等诸多因素的共同作用，中国地下储气库的需求将快速增长，预计到2020年地下储气库工作气量需求将达到650×108m3，2030年将达到1100×108m3。还指出了中国储气调峰领域存在的瓶颈问题：①地下储气库建设滞后于天然气管道建设；②天然气管道和气田调峰手段弱，根本满足不了天然气下游市场的需要；③已经掌握的建库地质资源少，与未来建库需求存在较大的差距；④地下储气库的设计、建造技术与复杂的建库地质条件不相适应。最后探讨了中国地下储气库建设将面临的资源、技术以及管理方面的挑战。
关键词：中国；地下储气库；现状；发展趋势；需求；技术瓶颈；挑战
1 国外地下储气库建设的主要特点及启示
    全球地下储气库建设已经经历了近百年的历史，其主要特点为：
    1) 全球天然气消费量的10%通过地下储气库进行调节，这充分体现了地下储气库的重要性。
    2) 各国的地下储气库工作气量与其天然气资源、天然气管网完善程度、天然气用户消费结构、天然气进口依存度密切相关，一般占其年天然气消费量的13%～27%。如果天然气对外依存度超过30%，则其地下储气库工作气量一般超过天然气消费量的12%。世界主要国家地下储气库工作气量与进口气量之间的关系见图1。

    3) 建设地下储气库已经成为经济、政治乃至外交领域的一种手段。乌克兰因为有了天然气地下储备，在与俄罗斯“斗气”过程中才有了底气；西欧一些国家共同推进地下储气库建设来应对可能的天然气供应紧缺和中断，同时促进天然气短期贸易。
    4) 地下储气库的运营以国家监管、公司为运营主体的商业化运作模式为主。天然气储备是保证能源安全的重要手段之一，无论是在欧洲还是北美地区，在国家层面的监管之下，以市场化手段运作，通过调峰气价的杠杆作用，刺激了地下储气库的建设和良性竞争，推动了地下储气库的建设和发展。
5) 地下储气库的
建设以靠近天然气下游消费市场和用户为主，以便发挥最大的调峰和应急功能。从国外地下储气库建设的经验来看，地下储气库一般建设在主要消费市场范围内，距离大中型城市的距离一般在200km以内。
   6) 中小型地下储气库由于建库周期短，见效快，普遍受到各国的青睐，且枯竭气藏改建地下储气库最经济，也最为常见。世界上地下储气库平均工作气量为5×108m3，其中储气规模小于5×108m3的占77%。而枯竭气藏型地下储气库工作气量占全部地下储气库工作气量的78%。
   7) 市场对地下储气库工作气量需求会随天然气消费增长而持续增长，由于地下储气库建设周期长，工作气量的建设高峰期往往滞后于天然气消费量高峰期。以美国为例，天然气消费高峰期为1973年，天然气年消费量达6000×108m3，但同期地下储气库工作气量仅200×108m3，不到天然气年消费量的6%。但到了1990年前后，地下储气库工作气量就达到了1200×108m3左右，占天然气年总消费量的15%。美国不同时期天然气年消费量与地下储气库工作气量占天然气年消费量的比例变化情况如图2所示。

    8) 地下储气库建设周期长，从开工建设到运营达到设计产能需要几年甚至几十年的时间。从国外经验来看地下储气库建设一般要经过立项、前期评价、设计、施工、周期性运营和达到产能等6个阶段，历时多年，且地下储气库规模越大，建设周期越长。俄罗斯卡西莫夫水层储气库建库扩容经历了30多年，目前还在扩容过程中。
    9) 各国在地下储气库的建设和运营过程中均十分重视地下储气库本身的安全，及时采用新技术努力提高地下储气库运行效率。高度的自动化管理、水平井和多分支井的应用、气库群的运行优化、气井焊接管柱和井筒完整性管理等对延长地下储气库的寿命、提高地下储气库安全性均发挥了十分重要的作用。
    总结国外地下储气库的建设经验，得出以下3点启示：
    1) 世界发达国家天然气利用的经验表明，在长输管道、地面储罐、液化天然气和地下储气库等多种储气调峰方式中，地下储气库因其储气规模大、占地少、安全性能高、不污染环境等特点，成为当今世界上最主要的天然气储存方式和调峰手段。
    2) 中国的天然气对外依存度将不断提高，参照国外经验，地下储气库工作气量也应达到天然气年消费量的15%左右，才能有效保障调峰和安全平稳供气的需要。
    3) 地下储气库的建设和运行与常规的气田开发有着显著的差别，应根据地下储气库自身的特点进行建设和运行，并注重吸收国外地下储气库建设的成熟技术和经验。
2 中国地下储气库建设现状与需求
2.1 中国地下储气库建设现状
    中国地下储气库发展始于20世纪90代初，经过近20年的发展，地下储气库在平衡天然气管网的压力和输气量、调节区域平衡供气方面发挥了重要作用。
    2000年，中国第1座商业地下储气库投入运行，在保障北京一天津地区的安全稳定供气中发挥了巨大的作用，高峰日采气量已达到地区高峰日用气量的1/3。目前已经在大张坨建成6座地下储气库，形成一个小规模地下储气库群。板桥地下储气库群的陆续建成投产，也为北京地区冬季调峰和安全供气提供了有效的保障，2004年末到2005年初该地下储气库群调峰供气11×108m3，占陕京线当年输气量的34%；2010年该地下储气库群调峰能力为19×108m3，为区域平衡调峰发挥了重要作用。
    2005年，中国第1个盐穴地下储气库——金坛储气库投入建设，其设计工作气量为17×108m3，目前正在造腔，地下储气库建设将会持续到2020年左右。金坛储气库于2005年投产，开创了中国已有盐穴改建地下储气库的先河，在区域调峰方面也发挥了重要的作用。
    2009年，华北地区京58地下储气库群投入建设，其设计工作气量为7×108m3，是华北地区第2个小规模地下储气库群。
    目前中国石油天然气集团公司正在积极推进地下储气库建设，新投入建设和评价的地下储气库达到14座。建设的地下储气库工作气量接近120×108m3，开启了中国大规模地下储气库建设的局面。中国石油化工集团公司也正在抓紧有关地下储气库的建设。
2.2 中国地下储气库的未来需求
    1) 天然气市场需求量呈快速增长趋势，国内天然气供给缺口不断加大。随着国内天然气基础设施的不断完善以及经济的持续发展，预计2015年全国天然气需求量将达到2350×108m3，2020年将达3000～3500×108m3[2]，2030年将达5000×108m3。由于国内天然气产量满足不了消费需求，为保障国内天然气供应，需要大量进口国外天然气。根据预测，国内天然气进口量将从2010年的约200×108m3增加到2020年的1360×108m3和2030年的2100×108m3，天然气对外依存度将逐年提高，2020年的天然气对外依存度将超过50%。
    2) 调峰与战略储备的双重要求决定了天然气储备的需求巨大。预计到2020年，中国天然气对外依存度将超过50%，借鉴国外经验，天然气进口量超过50%的国家其地下储气库工作气量将达到天然气消费量的15%左右。以此为依据，按2020年国内天然气消费量3500×108m3测算，调峰气量将达到525×108m3的规模。而且随着中国天然气对外依存度的不断提高，天然气进口量将不断增长，供气中断的风险将越来越大，因此应适当考虑战略储备需求。中国进口天然气主要来源于中亚、俄罗斯和海运LNG，因此应考虑在天然气进口通道附近或国内天然气长输管网的枢纽地区建设国家天然气战略储备，按2020年天然气战略储备量达到30d天然气进口量、2030年天然气战略储备量达到60d天然气进口量的目标，则可估算出2020年的天然气战略储备量为110×108m3，2030年的天然气战略储备量为350×108m3。综合调峰和战略储备的需求，2020年地下储气库工作气量应为650×108m3，2030年工作气量应为1100×108m3。
    3) 天然气消费结构逐渐多元化，城市燃气比例增加，储气调峰需求不断增加。2000年以前，化工和工业燃料是天然气消费的主体，1996年，这一消费主体占到了天然气总消费量的82%左右，这种消费结构对调峰需求并不是十分迫切。近年来随着城市燃气和天然气发电比例的上升，中国天然气消费市场逐渐形成了城市燃气、工业燃料、天然气化工、天然气发电相对均衡的消费结构，而城市燃气和天然气发电对调峰的要求高、需求大，需要建设足够的调峰配套实施，尤其是地下储气库以满足需求。
    4) 煤层气和页岩气的大规模开发利用，对地下储气库的建设提出了更高的要求。目前国内正在大规模开发利用非常规天然气，尤其是页岩气、煤层气及致密气，预计到2020年，中国煤层气产量将达500×108m3、页岩气的产量也将达到800×108m3[3]，煤制气产量将超过100×108m3。由于非常规天然气单井产量低，本身所具备的调节功能弱，因此开发利用这些天然气资源必须有配套的储气调峰设施加以保障。
    5) 平衡长输骨干管网压力和输气量、加快地下储气库调峰需求不断增长。根据国外的经验，长输骨干管网形成后的5～10年，是地下储气库需求快速增长阶段，待天然气消费量达到高峰之后，地下储气库需求将呈现平稳增长趋势。目前中国的天然气消费还处于快速增长阶段，调峰的需求还可以通过新建管道未达到满负荷运行前的富余输送能力加以调剂，到2020年前后，中国的长输管网基本建成并基本满负荷运行时，对地下储气库的需求将会更加迫切。
    综上所述，由于中国天然气消费需求的不断增长、天然气消费结构的改变、调峰及天然气战略储备的要求、非常规天然气利用等诸多因素的共同作用，中国地下储气库的需求将快速增长，预计到2020年地下储气库工作气量需求将达到650×108m3，2030年将达到1100×108m3。
3 中国地下储气库发展面临的挑战
3.1 中国储气调峰领域存在的瓶颈问题
    1) 地下储气库建设滞后于天然气管道建设。进入21世纪以来，中国的长输天然气管道建设力度空前，供气增长速度很快，而地下储气库建设往往在天然气管道投入运行后才开始正式启动，并且建设周期需要5～8a的时间，导致国内地下储气库建设速度跟不上天然气管道建设速度，满足不了调峰增长的需要，调峰需求大与调峰设施不足之间的矛盾开始凸现。
    2) 天然气管道和气田调峰手段弱，根本满足不了天然气下游市场的需要。由于中国幅员辽阔，天然气资源分布不均，天然气资源主要集中在西部地区，而天然气消费市场主要集中在东部和南方地区，长输天然气管道的距离都超过1000km，“西二线”等长输天然气管道距离超过3000km，利用上游气田和天然气管道来满足下游天然气市场调峰的可能性小，操作难度大，经济效益差。
3) 已经掌握的建库地质资源少，与未来建库需求存在较大的差距。中国目前已经掌握的建库地质资源少，在主要天然气消费区利用枯竭气藏远远不能满足建库的需要。从目前天然气主要消费区东北、环渤海、长江三角洲地区来看，具备建设地下储气库的气藏资源基本都已经纳入地下储气库建设规划，但仍不能满足该地区未来的调峰需要，仍需要寻找新水层建库目标。东南、中南地区没有油气藏建库的资源，只能选择含水层和盐矿建库，且库址选址难度大。
   4) 地下储气库的设计、建造技术与复杂的建库地质条件不相适应。对已经纳入建库目标的气藏来说，埋藏深、渗透率低、水淹严重等问题一直困扰着地下储气库的建设。中国东部和南方地区的盐层特点是层状分布、多夹层、厚度小，造腔技术难度大，在国际上也属于盐穴储气库建造的难题。而含水层、油藏建库在中国尚无先例，这类地下储气库选址标准及建库技术还在摸索中。
3.2 中国地下储气库发展面临的挑战
3.2.1资源挑战
   中国东部地区油气藏目标已经基本上纳入了地下储气库建库的范围。由于东部地区地质条件复杂，寻找合适建库目标需要投入大量的工作量。南方地区的油气勘探没有突破，无法利用油气藏建库，水层建库勘探任务艰巨。世界上地下储气库单个平均工作气量为5×108m3，按世界平均水平计算，新建500×108m3的工作气量，需要新建100座地下储气库，就需要发现、寻找、评价300个左右的圈闭构造。
3.2.2技术挑战
   1) 国外已基本形成一套成熟的地下储气库评价、筛选、建设和管理的技术体系和流程，国内在这一领域刚刚起步，技术体系还不成熟。
2) 相比国外地下储气库的建设，中国的建库对象具有相当的复杂性，如何在低渗透、超深、复杂油气水系统地质条件下建库具有相当的挑战性。从目前的建库目标来看，油气藏地下储气库埋藏深度普遍较深，几乎都超过2000m，最深的达到5000m；储层物性较差，部分区块渗透率只有几个毫达西；而且有些目标已经水淹，建库扩容难度非常大。另外这些气藏往往又是20世纪60—70年代的开发井，井况复杂，处理或修复难度大，对地下储气库安全影响也较大；与此同时，不少气藏衰竭程度较高，压力系数低，钻井、完井、同井的难度大。
3) 含水层储气库、岩洞型储气库建设对中国南方地区建库来讲具有重要意义，但这类地下储气库建设难度较大，目前中国这方面还处于空白，相关的技术经验都还不具备。在盐层建库方面，尽管金坛盐穴储气库建设积累了一定的经验，但是针对多夹层盐层建库过程中溶腔控制、实时监控等同样面临很多技术难题。
    4) 在工程技术方面，尤其是在钻井、完井、保证井筒安全方面，还面临相当多的困难。目前地下储气库均处于主要的建设阶段，如何确保安全钻进、保证同井质量面临很多技术难题。今后随着地下储气库的投产，所有的地下储气库注采井的井筒都将面临注采过程中温度和压力的周期性变化，保证井筒的完整性，建立起一套科学有效的安全评价标准体系对地下储气库的安全运行至关重要。
3.2.3管理挑战
    1) 地下储气库的优化运行管理、提高地下储气库的运行效率是一个十分复杂的课题，其包括提高运行压力、减少水侵入影响、安全管理规范、应急注采方案、地下储气库的有效监测、井筒完整和系统完整性管理与监测等。
    2) 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，针对不同管径、不同压力系统、不同的储气库注采调峰方式，将天然气管道与地下储气库作为一个整体进行优化管理非常重要：在正常调峰状态下，兼顾天然气管道输送效率和地F储气库建库达容的需要，研究整个系统的最佳调配运行方案；在不同管道、不同供气阶段、不同管段检修和事故状态下，研究最优的地下储气库注采运行方案；在不同地区极端气候条件下，研究合理的天然气管道与地下储气库的调配方案；形成系统应急处置预案。
4 结束语
    中国地下储气库建设虽处于发展初期，尽管在地下储气库建设上面临着许多挑战，但只要重视地下储气库在天然气上下游中不可缺少的重要地位，重视消化吸收国外先进经验和技术，通过技术创新和管理创新，不断加大建设力度，地下储气库事业必将随着中国天然气业务快速发展而发展，在中国天然气稳定和安全供给中发挥不可替代的重要作用。
参考文献
[1] International Gas Union.2006 2009 triennium work report： study group 2.1：UGS database[C]∥24th world Gas Conference 2009.Buenos Aires：IGU，2009.
[2] 邱中建，方辉.中国天然气大发展——中国石油工业的二次创业[J].天然气工业，2009，29(10)：1-4.
[3] 潘继平，胡建武，安海忠.促进中国非常规天然气资源开发的政策思考[J].天然气工业，2011，31(9)：1-6.
 
(本文作者：丁国生 中国石油勘探开发研究院廊坊分院)