挑戰(zhàn)儲氣庫禁區(qū)

文｜宋曉文

相國寺儲氣庫。資料圖

復雜地質(zhì)條件下氣藏型儲氣庫建設技術創(chuàng)造了世界儲氣庫建設的多項第一，創(chuàng)新成果整體達到國際先進水平，成為防范與化解我國天然氣供應安全風險的“壓艙石”。

要將地面的一條“氣龍”降伏，注入地下2500米深處的天然氣“糧倉”，有多難？　中國西南最大的儲氣庫——相國寺儲氣庫已經(jīng)做了這樣一件事。

新冠肺炎疫情期間，為保障國內(nèi)天然氣產(chǎn)供儲銷平衡，這座藏身重慶華鎣山麓的儲氣庫開啟了應急注氣調(diào)峰模式。這也是自2013年6月29日第一次試注成功以來，相國寺儲氣庫首次在采氣期開啟應急注氣模式。

儲氣庫相當于天然氣地下“糧倉”，具有存量大、調(diào)峰范圍廣、使用年限長、安全系數(shù)高等特點，在極端天氣、突發(fā)事件以及戰(zhàn)略儲備中發(fā)揮著不可替代的作用。

目前，國內(nèi)類似的天然氣“糧倉”共有27座：中國石油23座(22座氣藏型、1座鹽穴型)，中國石化3座，港華燃氣1座，設計總工作氣量231億立方米。自2000年中國第一座商業(yè)儲氣庫——天津大張坨儲氣庫建成投產(chǎn)以來，中國石油不斷攻關復雜地質(zhì)條件下氣藏型儲氣庫建設技術難題，用20年走過了國外50年的發(fā)展歷程，結束了我國“有氣無庫”歷史，建成了22座氣藏型儲氣庫，年采氣能力超過110億立方米，最高日采氣量超1億立方米。

2019年底，復雜地質(zhì)條件氣藏型儲氣庫關鍵技術及產(chǎn)業(yè)化成果鑒定會上，12名中國科學院和中國工程院院士領銜的專家組認為，中國石油復雜地質(zhì)條件下氣藏型儲氣庫建設技術創(chuàng)造了“斷裂系統(tǒng)最復雜、儲層埋藏最深、地層溫度最高、注氣壓力最高、地層壓力系數(shù)最低”等氣藏型儲氣庫建設的世界第一，創(chuàng)新成果整體達到國際先進水平。

“我們國家這套復雜地質(zhì)條件下氣藏型儲氣庫技術和理論走到了世界前列，另外這種低孔低滲儲層強采強注的儲庫技術，我們也走到了世界前列?！敝袊茖W院院士鄒才能說。

“只要有天然氣規(guī)模利用就要有儲氣庫”

中國儲氣庫建設與國內(nèi)天然氣消費快速增長有直接關系。

從數(shù)據(jù)上看，2000年我國天然氣消費245億立方米，2010年達到1000億立方米，2019年達到3067億立方米?！短烊粴獍l(fā)展“十三五”規(guī)劃》更提出天然氣發(fā)展目標：力爭2020年、2030年天然氣占一次能源消費比重分別達到10%左右和15%左右。

值得注意的是，我國天然氣市場季節(jié)用氣波動比較大，比如北京冬季用氣量是夏季的4到10倍，國際通行方法是通過建設儲氣庫進行季節(jié)調(diào)峰，最近幾年大張坨、相國寺等儲氣庫冬天向北京提供了30%-40%的高峰用氣。

為滿足國內(nèi)天然氣需求，我國天然氣進口量一直在增加，對外依存度不斷攀升。2018年，我國成為世界最大的天然氣進口國，進口天然氣1254億立方米，對外依存度升至45.3%。2019年對外依存度雖有下降，但也達到了43.4%。

進口氣量加大，增加了突發(fā)事件導致的供應安全風險。2017年中亞進口氣因突發(fā)事件每天減供4000萬立方米令人記憶猶新，沿線儲氣庫日增供氣3000萬立方米。“那時要是沒有儲氣庫發(fā)揮作用，很多家庭冬天取暖都會遇到困難。”中國石油勘探開發(fā)研究院院長馬新華說。

“只要有天然氣規(guī)模利用就要有儲氣庫?！瘪R新華目睹了中國儲氣庫從無到有并形成規(guī)模儲氣能力、建設技術走向成熟的歷史，他明確指出天然氣產(chǎn)業(yè)鏈具有生產(chǎn)、輸送、儲存、銷售四個環(huán)節(jié)，缺一個都不能稱之為天然氣產(chǎn)業(yè)鏈。

相比世界上大部分儲氣庫，我國儲氣庫起步比較晚，國外儲氣庫建設大概有100年的歷史，我國儲氣調(diào)峰是目前天然氣產(chǎn)業(yè)鏈的短板，補齊短板尤為迫切。

2017年以來，我國要求建立天然氣儲備制度，提升儲氣調(diào)峰能力。2018年，國家提出要建設年消費量16%的儲氣調(diào)峰能力目標，特別是2018年2月，習近平總書記做出“要把天然氣產(chǎn)供儲銷體系建設作為一個重點工作抓好，以防再現(xiàn)‘氣荒”的指示。2019年10月11日，李克強總理在主持召開的國家能源委員會會議上提出，增強油氣安全儲備和應急保障能力是長期戰(zhàn)略任務。

儲氣庫調(diào)峰保供應急作用日益凸顯。中國石油儲氣庫調(diào)峰數(shù)據(jù)顯示，截至2020年3月，國內(nèi)27座儲氣庫累計調(diào)峰供氣量突破500億立方米，相當于2019年全年天然氣消費量的六分之一，創(chuàng)歷史新高。

儲氣庫：“從0到1”

不過，“從0到1”絕非一帆風順。在中國石油勘探開發(fā)研究院地下儲氣庫研究所黨支部書記丁國生的記憶中，上世紀九十年代，隨著陜甘寧靖邊氣田發(fā)現(xiàn)，陜京一線供北京用氣安全成為一個課題。當時極少數(shù)去國外考察的人說，國外通過儲氣庫保障天然氣管線供應安全，大概有氣藏型、含水層、鹽穴、礦坑4類儲氣庫，了解上述信息后，選址團隊即開始選址。

選址團隊先后考察門頭溝煤礦、牛頭鎮(zhèn)構造、風和營含水層、華北油田油氣藏等地，遺憾的是，不是因密封性不好，就因油氣藏還有一定開采價值作罷。最終選擇的是一處未開發(fā)的凝析氣藏——天津大張坨作為我國的第一座商業(yè)儲氣庫。

如果往前追溯，1980年5月，中國第一座地下天然氣貯氣庫（儲氣庫）就在大慶正式投入使用。這座名為喇嘛甸的貯氣庫1975年建成，試用了五年，效果較好。

大張坨儲氣庫設計方案邀請美國一家公司和中方團隊背靠背設計，主要是為“找差距”。據(jù)丁國生回憶，美國人是按市場需求來設計方案，中方是按照氣田開發(fā)來設計方案，“兩者是完全不一樣的思路”。

正如馬新華所說，早期技術不是很成熟，那個階段建設的儲氣庫大多沒有達到設計預期，達容率大概70%左右。最明顯的是，大港板中北投運16年實際工作氣量僅為方案設計指標的56%。

早期面臨的問題是，讓業(yè)界接受不同類型的儲氣庫。以配套西氣東輸一線的金壇鹽穴儲氣庫為例，2001年4月7日，河北廊坊中國石油國際飯店舉行西氣東輸可行性研究論證會，丁國生作金壇鹽穴儲氣庫匯報。“因為鹽穴儲氣庫在中國是一個全新而十分陌生的概念，加上與國外優(yōu)良的建庫條件差距較大，與會專家普遍擔心中國建造鹽穴儲氣的安全性，地下一千多米深，你弄那么大的洞，還要存氣，漏了怎么辦？”他回憶道。

鹽穴儲氣庫成本比較高，每1億立方米工作氣量，需投資5億至6億元人民幣。而利用枯竭油氣藏建儲氣庫，地質(zhì)簡單的庫1億立方米工作氣量投資需2億多元，地質(zhì)復雜的庫投資超過3億元。不過，正是這種堅持探索，為復雜鹽層鹽穴儲氣庫突破創(chuàng)新奠定了基礎。

事實上，2004年的北京氣荒、2008—2009年的冰雪災害導致的氣荒、2016-2017年煤改氣政策快速推進導致的氣荒，讓各界意識到儲氣庫的應急作用，促進了儲氣庫建設。特別是冰雪災害之后，呼圖壁、相國寺、蘇橋庫群、雙6、板南庫群、陜224等儲氣庫陸續(xù)上馬。

突破世界禁區(qū)

對于中國儲氣庫建設者而言，找到一塊好庫址，無異于撿到寶。

用馬新華的話來說，我國東部地層主要處于拉張環(huán)境下，形成斷陷盆地，“就像一個摔碎的盤子，還被踢了一腳”。西部則主要處于擠壓環(huán)境下，形成疊合盆地。上面是陸相，下面是海相，且很多地層被破壞掉了。

這種構造破碎、儲層非均質(zhì)強的建庫地質(zhì)條件，造成在我國中東部選擇庫址更難，而國外儲氣庫選址余地較大，可選擇構造較完整、無斷層或極少斷層，儲層高孔、高滲的氣藏或含水層建設儲氣庫，很多儲層滲透率均是達西級。這種情況下，國內(nèi)儲氣庫選址必須解決動態(tài)密封性和庫容高效利用難題。

“儲氣庫最重要的是要把氣高壓注進去，要把它保存好，然后每年要注，每年要采，對地下密封條件要求很高。跟國外一對比，我們國家地質(zhì)條件是目前在世界上建設儲氣庫最具挑戰(zhàn)性的?！瘪R新華說。

不僅地質(zhì)條件差，而且儲層埋藏深、溫度高。華北蘇4深層潛山儲氣庫，是世界上埋藏最深、壓力最高、溫度最高的儲氣庫，平均埋深達到3200米，最深埋深達到了5399米，溫度139℃，壓力48MPa。與之對應的是，根據(jù)丁國生團隊的研究，國外七百多座儲氣庫平均埋深在1000米左右，80％的儲氣庫埋深1500米以內(nèi)。

形象而言，如果儲氣庫埋藏深了，相當于高血壓，地面注氣壓力就要高，注氣的心臟——壓縮機的負荷就更重；此外，大量快速注氣，要求注氣井的口徑大，口徑大、井深、地層溫度高，就要求鉆機的負荷大，鉆進、固井以及處理井漏、井壁垮塌等施工作業(yè)的難度增大，整體帶來的就是建造成本高、運行成本高、風險管控難。

此外，國內(nèi)儲氣庫儲層壓力系數(shù)超低，最具代表性的就是相國寺儲氣庫壓力系數(shù)只有0.1，鉆井過程中極易造成儲層污染、泥漿漏失，嚴重影響儲層建庫效率和單井注采能力?！耙话阄覀兏阌蜌忾_發(fā)沒有這么低的壓力?！蔽髂嫌蜌馓锕練馓镩_發(fā)管理部高級工程師毛川勤說。

同時，我國儲氣庫注氣壓力和骨干管網(wǎng)壓力均為世界最高，在這種復雜地質(zhì)條件下，需要滿足“大吞大吐，反復注采”，地下-井筒-地面風險點多，一旦“封不住”出現(xiàn)泄漏，不僅儲氣庫報廢且威脅公共安全。

2015年10月，美國　Aliso Canyon儲氣庫發(fā)生的泄漏事故就是例證。該事故直接原因是天然氣注入井套管破裂導致天然氣泄漏,泄漏持續(xù)了111天，事故導致1.1萬名居民疏散，經(jīng)濟損失10億美元，這也是美國歷史上最大的天然氣泄漏事故。

理論、設備、材料國產(chǎn)化

正是在這種復雜油氣地質(zhì)條件下，中國石油創(chuàng)立了一套適合中國地質(zhì)條件的儲氣庫選址理論及關鍵技術，改變了儲氣庫“選址無理論、設計無方法、建設無技術、管控無手段”的困局。

從選址角度，這套被稱為復雜斷塊儲氣庫斷層和蓋層動態(tài)密封理論，突破了儲氣庫選址的“禁區(qū)”。通俗來說，儲氣庫好比一個埋在地下兩千多米深的“糧倉”，天然氣就儲存在“糧倉”里，評價即要把“糧倉”能否安全儲氣說清楚，儲氣庫需要周圍包裹得很好，不會泄漏。以儲氣庫動態(tài)密封理論為指導，可以解決密封評價難題，是實現(xiàn)“存得住”的一個先決條件。動態(tài)密封理論實現(xiàn)了從靜態(tài)到動態(tài)，從定性到定量的轉(zhuǎn)變，突破了復雜地質(zhì)條件選庫的技術瓶頸。

從設計角度，創(chuàng)新了復雜地質(zhì)條件氣藏型儲氣庫高速注采滲流理論和優(yōu)化設計方法，建立了復雜儲氣庫庫容參數(shù)設計指標體系，使得復雜儲氣庫能夠充分發(fā)揮效率。中國石油勘探開發(fā)研究院首席專家魏國齊表示，這套指標體系讓庫容預測精度較國外提升了20%，庫容利用率由70%提高至90%以上，實現(xiàn)復雜儲層儲氣庫能夠高效“采得出”。

在工程建設技術方面，創(chuàng)新了交變載荷防裂隙固井技術、超低壓地層堵漏技術和高壓大流量注采核心裝備，攻克了復雜深層儲氣庫工程建設關鍵技術瓶頸。根據(jù)研究，晶須納米韌性水泥漿體系抗壓強度、耐溫差、穩(wěn)定性等指標均優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，在相國寺儲氣庫固井質(zhì)量100%合格。復合凝膠堵漏材料用于儲氣庫超低壓地層隨鉆和承壓堵漏，一次成功率由30%提升至80%以上。

要想“注得進”，往復式壓縮機是儲氣庫注采的關鍵設備,之前國內(nèi)主要進口Ariel等歐美公司產(chǎn)品。2017年9月，成都壓縮機廠自主研發(fā)的最大功率高速往復式壓縮機運用于蘇橋儲氣庫，我國成為世界上第二個具備制造同等級壓縮機的國家，該壓縮機獲“改革開放40周年——機械工業(yè)杰出產(chǎn)品”。

“國外那些庫都是幾十年前建的，我們的對象比它復雜，就得用最新的工程技術?！倍f。

從管控手段而言，創(chuàng)新復雜地質(zhì)體和井筒泄漏風險識別定位與評價技術，解決了儲氣庫長期運行風險預警的難題，構建了儲氣庫“地下-井筒-地面”三位一體的全生命周期風險管控體系。

通俗而言，選址階段已對儲氣庫的斷層、蓋層、溢出點等進行了精細刻畫，在此基礎上部署的一些隨時間變化，隨注采活動變化的監(jiān)控，如巖石形變微地震信號與定位、井筒泄漏超聲波檢測定位等。如果出現(xiàn)不同事件，可以提前檢測預警，分析數(shù)據(jù)，調(diào)整儲氣庫工作方案，從而提高儲氣庫運行效率。

“用最先進的技術手段去分析監(jiān)控這個儲氣體，保證儲氣體在目前運行20年沒有出現(xiàn)事故，這就是我們的水平?！泵ㄇ谡f。

底氣很足

新冠肺炎疫情以來，全球經(jīng)濟受到巨大沖擊，國際油價大幅下跌，國際形勢錯綜復雜，我國能源嚴重依賴進口，天然氣供應面臨嚴峻挑戰(zhàn)，只有加快儲氣能力建設，才能確保天然氣平穩(wěn)供應，才能確保國家能源安全。國家已經(jīng)啟動新一輪儲氣能力建設，儲氣庫迎來了發(fā)展的黃金機遇期。

中國石油提出要因地制宜，分層次分區(qū)域建立六大儲氣中心，具備建成700億立方米工作氣量建庫資源，其中華北、東北、西南、中西部等主要消費區(qū)儲氣中心分別具備70、135、180、200億立方米工作氣量建庫資源。規(guī)劃到2020、2030年分別建成130億、405億立方米工作氣量，滿足國家要求的儲氣任務。

魏國齊認為，該目標面臨三大挑戰(zhàn)：一是建庫目標更加復雜、優(yōu)質(zhì)建庫資源日益匱乏的挑戰(zhàn)；二是特殊巖性氣藏、復雜斷塊油藏、含水層等不同類型儲氣庫建庫技術的挑戰(zhàn)；三是深度挖掘現(xiàn)役儲氣庫調(diào)峰潛力、提高運行效率的挑戰(zhàn)。

馬新華透露，包括土耳其、烏茲別克斯坦等國家，紛紛主動找到中國石油，邀請去設計儲氣庫，這和上世紀九十年代有了天壤之別?！拔覀儨蕚鋵⑦@套東西進行技術輸出，去為一帶一路沿線國家建儲氣庫。”

2018年3月，重慶召開中國儲氣庫科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展國際高峰論壇期間，法國Storengy公司高級業(yè)務經(jīng)理馬克·福萬認為，歐洲雖然有早于中國的建設經(jīng)驗，但如果能夠向中國同行學習，對于世界的儲氣庫發(fā)展都是有益的。

我國儲氣庫具有后發(fā)優(yōu)勢，在學習國外經(jīng)驗的基礎上，利用最先進的技術，走跟隨創(chuàng)新、集成創(chuàng)新的路子。歷經(jīng)二十年持續(xù)攻關，取得了一批創(chuàng)新成果，積累了儲氣庫建設和管理的經(jīng)驗，將為2030年我國建成405億立方米工作氣量的藍圖提供強有力的技術支撐。2020年4月10日，國家發(fā)展改革委等五部門聯(lián)合下發(fā)文件，要求加快推進天然氣儲備能力建設，作為儲氣庫建設和管理的主力軍，中國石油底氣很足。