我國儲氣庫標準體系框架建設(shè)分析

吳張帆，姜煒,趙艷杰

中國石油天然氣股份有限公司 儲氣庫分公司 （北京100101）

0 引言

儲氣庫是將天然氣注入地下空間而形成的人工氣藏，具有調(diào)峰規(guī)模大、占地面積小、安全環(huán)保、污染小、投資成本低等優(yōu)點[1]，是最經(jīng)濟有效的天然氣儲存和調(diào)峰方式。目前全球儲氣庫共有約715座，總工作氣量達4 170×108m3，儲氣庫氣消費量約占全球天然氣年消費量的12%，部分發(fā)達國家占比高達30%～80%，在解決季節(jié)用氣波動、提升管輸效率、國家戰(zhàn)略儲備等方面發(fā)揮了重要作用。

儲氣庫主要包括油氣藏、含水層、鹽穴和礦坑等4種類型，其中:氣藏型儲氣庫數(shù)量多、規(guī)模大，占絕對優(yōu)勢，其工作氣量占全部儲氣庫工作氣總量的74%;含水層次之，占11%;鹽穴占9%，油藏占6%[2]（圖1）。隨著中國天然氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，四大天然氣進口通道初步建成，天然氣業(yè)務遍布全國，消費量年均增長14%，2018年我國天然氣對外依存度上升至45%，形成完善的調(diào)峰、應急保障能力刻不容緩。而天然氣市場具有季節(jié)用氣波動大、資源市場距離遠、進口氣量占比高的顯著特點，冬季用氣高峰期面臨嚴峻挑戰(zhàn)。儲氣庫作為天然氣季節(jié)調(diào)峰和應急供氣的最佳方式，規(guī)劃建設(shè)科學合理的儲氣庫標準體系，為儲氣庫設(shè)計、施工、運行提供技術(shù)支撐是研究的重點。

圖1 不同類型儲氣庫工作氣量占比

1 國內(nèi)儲氣庫發(fā)展歷程

國內(nèi)儲氣庫從20世紀90年代開始正式開工建設(shè)和運營[3]，尤其是2010年以來建庫工程全面提速[4]，經(jīng)歷了早期選址階段（1992—1998年）、啟動建設(shè)階段（1999—2009 年）和規(guī)模建設(shè)階段（2010—2019年）。目前中石油已建成大港、呼圖壁、金壇鹽穴等10座儲氣庫群，設(shè)計工作氣量達174×108m3；中石化建成文96和金壇鹽穴儲氣庫；港華燃氣建成金壇儲氣庫，并已在上海交易所掛牌市場化運營[5]（圖2）。這些儲氣庫的建成使得季節(jié)調(diào)峰與應急供氣能力大大增強，冬季調(diào)峰和應急保供作用日益凸顯。盡管國內(nèi)儲氣庫經(jīng)過了20年的建設(shè)和發(fā)展，設(shè)計總工作氣量達231×108m3，但總體調(diào)峰能力有限。截至2018 年底僅為95×108m3，占天然氣年消費量的3.4%[6]，與國際平均水平相比較少，也與國家發(fā)改委明確要求“供氣企業(yè)應當?shù)?020年擁有不低于其年合同銷售量10%的儲氣能力”差距較大，調(diào)峰保供形勢仍然嚴峻[7]。

圖2 國內(nèi)已投產(chǎn)儲氣庫分布圖

為滿足國內(nèi)天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求，增強油氣安全儲備和應急保障能力的長期戰(zhàn)略任務，中石油規(guī)劃在2030年形成東北、華北、西北、中西部、西南、中東部6 大儲氣中心，儲氣庫數(shù)量約50 個，工作氣量超700×108m3。中石化正在加快中原文23 儲氣庫、江漢鹽穴儲氣庫建設(shè)，并積極開展庫址篩選工作。中海油正加快LNG設(shè)施建設(shè)，并開展海上儲氣庫庫址篩選。港華燃氣和云南能投等地方燃氣公司也在積極投建儲氣庫。隨著國內(nèi)儲氣庫建設(shè)步入發(fā)展的快車道，儲氣庫數(shù)量多、類型多，地質(zhì)條件更加復雜，科學設(shè)計、高效建設(shè)及優(yōu)化運行等面臨前所未有的挑戰(zhàn)。同時，各類投資主體和企業(yè)將以多種方式進入儲氣庫行業(yè)，掀起建設(shè)熱潮，而標準體系建設(shè)是指導儲氣庫建設(shè)運行的基礎(chǔ)，也是儲氣庫行業(yè)市場開放和規(guī)范監(jiān)管的技術(shù)和標準支撐。

2 國外儲氣庫標準現(xiàn)狀

通過與國外標準現(xiàn)狀對標，全面梳理了儲氣庫建設(shè)與運行技術(shù)標準情況。1915 年世界第一座儲氣庫建成，截至目前已經(jīng)歷了100多年的發(fā)展歷史，美國、加拿大、俄羅斯、歐盟等國家都已形成比較完善的儲氣庫系列標準[8-9]?？傮w上技術(shù)成熟，針對不同類型儲氣庫建設(shè)運行的特點，建立了適合本國特點的標準規(guī)范，涵蓋選址、設(shè)計、建設(shè)、運行、監(jiān)測、維護及廢棄等全過程的標準模式。

美國儲氣庫標準主要是API RP 1114—2013《地下儲庫的設(shè)計推薦實施規(guī)程》，主要為新建鹽穴地下儲氣庫的設(shè)計和建造提供基本指南，涵蓋了建造鹽穴地下儲氣庫的各個方面，包括選址、造腔、測試和投產(chǎn)等內(nèi)容。API RP 1115—2012《地下儲庫的運行推薦實施規(guī)程》，為鹽穴地下儲氣庫的運行提供了一個基本指南，但它只適用于在儲氣庫中儲存液態(tài)碳氫化合物或液化石油氣，而不完全適用于天然氣儲存。API RP 1170—2015《鹽穴地下儲氣庫的設(shè)計和運行》，提供了鹽穴地下儲氣庫存儲天然氣的功能建議，包括實施地質(zhì)力學評估、鹽穴儲氣庫設(shè)計和鉆完井、水溶造腔技術(shù)和操作以及監(jiān)測和維護實踐。API RP 1171—2015《枯竭油氣藏和含水層儲氣庫的功能完整性》，提供了2種類型儲氣庫功能完整性方面的建議，包括建設(shè)、維護、運行、風險管理和完整性管理程序。

加拿大儲氣庫標準為CSA Z341 Series—2018系列《碳氫化合物地下儲庫》標準，涵蓋多型儲氣庫在地下儲氣庫設(shè)計、建造、運行、維護、報廢和安全等方面的最低要求。

歐盟EN 1918:2016 系列標準為關(guān)于儲氣庫全生命周期的推薦做法，分為5 個部分，分別為《含水層儲氣庫推薦做法》《油氣藏儲氣庫推薦做法》《鹽穴儲氣庫推薦做法》《礦坑儲氣庫推薦做法》《儲氣庫地面設(shè)施推薦做法》，涵蓋各類型儲氣庫在設(shè)計、施工、測試和調(diào)試、運行、監(jiān)測、維護、廢棄等方面通用的基本原則。

通過分析對比，國外地下儲氣庫標準數(shù)量少，均為推薦做法，大量引用相關(guān)標準且篇幅都不太長。優(yōu)點是涉及的范圍全面、原則指導性強，提出了各個階段的原則性要求；缺點是沒有細致的專業(yè)劃分和缺乏細化的專項標準[10]。

3 國內(nèi)儲氣庫標準體系現(xiàn)狀

3.1 標準體系建設(shè)基礎(chǔ)

隨著20多年國內(nèi)儲氣庫業(yè)務的發(fā)展，我國已形成完善的儲氣庫選址評價與建庫地質(zhì)設(shè)計技術(shù)、超低壓地層交變載荷工況鉆完井、高壓大規(guī)模儲氣庫地面核心技術(shù)與裝備、風險評價與控制關(guān)鍵技術(shù)、層狀鹽巖建庫高效造腔關(guān)鍵技術(shù)等5大關(guān)鍵核心技術(shù)[11]。儲氣庫企業(yè)管理逐步規(guī)范化，例如中石油已制定儲氣庫初步設(shè)計、注采方案設(shè)計、地面設(shè)計、信息化管理等指導性文件，編制氣藏型和鹽穴儲氣庫內(nèi)部暫行技術(shù)管理規(guī)定75 項。儲氣庫技術(shù)標準制修訂工作有序開展，2016 年以來，制修訂儲氣庫行業(yè)標準2項，中石油企業(yè)標準15項（5項待2020年正式發(fā)布）。

3.2標準體系建設(shè)難點

生產(chǎn)實踐證明，儲氣庫設(shè)計建設(shè)運行與氣田開發(fā)具有較大的差異性。主要體現(xiàn)在：①氣田開發(fā)是單一的衰竭開采，儲氣庫是周期性交替強注強采，對氣藏密封性要求高；②枯竭氣藏改建儲氣庫面臨地層水侵入與注入水影響，三相滲流復雜；③儲氣庫注采井地層壓力和管柱壓力交替變化，井筒溫度波動劇烈，管柱伸縮變化大，井筒完整性失效風險高；④采氣速率高，為氣田開發(fā)的30～50 倍，應急采氣時達到60～70 倍；⑤地面系統(tǒng)長期大規(guī)模超高壓注采，對處理、計量、控制等地面系統(tǒng)要求高；⑥地層壓力虧空嚴重，服役周期長達30～50年，鉆井工程難度大，需要高質(zhì)量固井,且在防腐方面要求更高；⑦儲氣庫類型多，且各具特殊性[12]。國內(nèi)儲氣庫從20世紀末啟動建設(shè)以來，初期主體技術(shù)主要依賴于氣藏開發(fā)經(jīng)驗建立，經(jīng)過20 多年的建設(shè)運行與實踐，中國復雜地質(zhì)條件下建庫系列技術(shù)已經(jīng)成熟，儲氣庫總體技術(shù)框架初步形成，主體技術(shù)系列基本清晰，但具體分支技術(shù)和標準規(guī)范尚未配套，仍需加強攻關(guān)研究[13]。同時國內(nèi)庫址資源少，與市場存在東西差異，氣藏型庫址主要分布在中西部地區(qū)，天然氣主要市場在東部地區(qū)，東部鹽穴庫址資源有限。

3.3標準建設(shè)現(xiàn)狀

與國外百年歷史相比，國內(nèi)儲氣庫建設(shè)起步相對較晚，同時國內(nèi)氣藏型儲氣庫建庫地質(zhì)條件復雜，埋藏深度大、物性差；鹽穴儲氣庫夾層多、品位低，導致工程建設(shè)難度大，投資成本高，國外配套技術(shù)標準適用性受限[14]。2006年我國發(fā)布第一項儲氣庫技術(shù)標準，截至目前已發(fā)布32 項，按儲氣庫類型劃分，氣藏24項、鹽穴8項；按專業(yè)劃分，地質(zhì)氣藏7項、鉆完井工程9 項、注采工程6 項、地面工程6 項、質(zhì)量安全環(huán)保4項。標準基本涵蓋儲氣庫全專業(yè)和業(yè)務鏈，但尚未形成系統(tǒng)的標準體系（表1）。

4 標準體系框架

4.1 標準體系建設(shè)目標

標準體系建設(shè)目標是以儲氣庫業(yè)務發(fā)展規(guī)劃為指導，圍繞建庫運行關(guān)鍵技術(shù)，建立先進、系統(tǒng)、科學、實用的標準體系，引導儲氣庫科學建設(shè)，提高運行效率；規(guī)范儲氣庫生產(chǎn)作業(yè)，保障安全運行；瞄準國際標準，提升儲氣庫水平和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。儲氣庫標準體系目標應具有：

1）先進性。儲氣庫標準體系應體現(xiàn)儲氣庫建設(shè)與運行的先進技術(shù)。我國儲氣庫建設(shè)發(fā)展20 余年，應設(shè)立多項科技攻關(guān)項目與生產(chǎn)研究課題，系統(tǒng)梳理儲氣庫建設(shè)運行全過程核心關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新成果[15]，在具有一定代表性基礎(chǔ)上逐步轉(zhuǎn)化成標準規(guī)范。

表1 儲氣庫行業(yè)已發(fā)布標準規(guī)范統(tǒng)計

2）系統(tǒng)性。儲氣庫標準體系覆蓋地下地面各專業(yè)，相關(guān)系列標準配合成套。針對我國儲氣庫建庫成套技術(shù)，形成與之相適應的標準，做到儲氣庫全專業(yè)鏈、全過程有標準可用。

3）科學性。儲氣庫標準體系專業(yè)劃分科學，標準數(shù)量和層級設(shè)置合理。標準體系分一級、二級、三級設(shè)置的依據(jù)和主線清晰，整個標準規(guī)范樹狀結(jié)構(gòu)合理。

4）實用性。標準規(guī)劃遵從用戶導向，便于儲氣庫設(shè)計單位、建設(shè)單位、生產(chǎn)單位及管理部門諸多業(yè)務使用，著眼于規(guī)范儲氣庫設(shè)計、建設(shè)、運行及管理，提高建設(shè)質(zhì)量、運行水平和管理效率，貼近現(xiàn)場生產(chǎn)，從儲氣庫地質(zhì)特點、生產(chǎn)動態(tài)、礦產(chǎn)管理等要求出發(fā)，把相應的設(shè)計方法、管理做法等上升到規(guī)范，在儲氣庫推廣應用中切實指導儲氣庫建設(shè)和運行管理。

4.2 標準體系建設(shè)原則

按照國家標準GB/T 13016—2018《標準體系構(gòu)建原則和要求》，結(jié)合國內(nèi)儲氣庫業(yè)務發(fā)展實際情況，儲氣庫標準體系構(gòu)建應目標明確、全面成套、層級適當、界限清晰，并突出完整性、特殊性、時效性。

1）完整性。國外儲氣庫已有百年發(fā)展歷史，形成了成熟配套的標準規(guī)范。通過充分調(diào)研國外儲氣庫建設(shè)和標準制定經(jīng)驗，建立系統(tǒng)的標準體系，應涵蓋建庫全過程、全專業(yè)，確保標準體系的完整性。

2）特殊性。盡管儲氣庫運行和氣藏開發(fā)存在一定差異，但在地質(zhì)、鉆井、地面等多個專業(yè)具有共性[16]。因此，需梳理清楚氣藏開發(fā)現(xiàn)行的標準規(guī)范，分析哪些規(guī)范部分可用、全部可用或不可用，針對可用程度，確定修訂、制定的標準規(guī)范，以滿足儲氣庫生產(chǎn)需求。

3）時效性。我國儲氣庫建設(shè)總體處于初級建設(shè)階段，已有標準數(shù)量少、分散零亂。以現(xiàn)役儲氣庫和規(guī)劃待建儲氣庫為重點對象，分類型、分階段，有序推進儲氣庫標準體系建設(shè)。針對現(xiàn)有研究標準的成熟度、礦場生產(chǎn)需求的迫切性，分近期、中期和長期不同階段制定亟需發(fā)布、攻關(guān)研究和待攻關(guān)的標準，以滿足儲氣庫建設(shè)需求。

4.3 標準體系案例調(diào)研

頁巖氣和煤層氣行業(yè)與儲氣庫行業(yè)類似，都與石油天然氣工業(yè)有共同點，但都具有特殊性。針對頁巖氣和煤層氣標準體系進行調(diào)研，對儲氣庫標準體系建設(shè)提供一定的參考。

4.3.1 頁巖氣標準體系

頁巖氣標準體系劃分為通用基礎(chǔ)標準及產(chǎn)業(yè)鏈專業(yè)技術(shù)標準2個層次，前者包括名詞術(shù)語標準、取樣及測試標準；后者細分了7 個類別，分別是分析、評價、鉆完井、儲層改造、氣藏開發(fā)、安全環(huán)保、經(jīng)濟評價，共81項標準[17-18]。由此可以看出，頁巖氣標準體系是按階段進行劃分的。

4.3.2 煤層氣標準體系

煤層氣標準體系劃分為3 個層次，分別為行業(yè)通用、產(chǎn)業(yè)鏈通用和專業(yè)標準。該體系二級標準按資源評價、工程施工、生產(chǎn)利用、協(xié)調(diào)開發(fā)等產(chǎn)業(yè)鏈進行劃分；三級標準按地質(zhì)、地震、測井錄井、鉆井、壓裂、生產(chǎn)、地面、經(jīng)濟評價、健康安全環(huán)保等專業(yè)劃分[19-20]。

4.4 標準體系框架建設(shè)

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，儲氣庫標準體系應采用分級結(jié)構(gòu)建設(shè)，設(shè)立4 級，第一級層次為儲氣庫通用標準，包括儲氣庫命名、術(shù)語等規(guī)范（表2）；第二級層次按照儲氣庫生命周期中所處的不同階段建立，按照儲氣庫選址與方案論證、設(shè)計、施工、生產(chǎn)運營、廢棄處置5 個階段進行劃分；第三級層次按照各階段不同的工作內(nèi)容和專業(yè)方向構(gòu)建儲氣庫標準體系架構(gòu)（圖3）；第四級層次為專項標準，將已發(fā)布的儲氣庫標準體系架構(gòu)行業(yè)及企業(yè)標準納入并進行修改完善，共有55項，其中通用標準2項（表3）。

5 我國儲氣庫標準體系改進建議

儲氣庫生產(chǎn)與油氣田開發(fā)、天然氣處理、地面建設(shè)存在較大差異。隨著儲氣庫規(guī)?；ㄔO(shè)的快速推進，一大批儲氣庫建成投產(chǎn)運行，儲氣庫標準體系的建立是可行的、必要的，也是對行業(yè)20 多年技術(shù)發(fā)展的總結(jié)與提煉。下一步將調(diào)研國內(nèi)較為成熟技術(shù)專業(yè)的標準體系現(xiàn)狀，征求多方意見，進一步修改、完善標準體系構(gòu)架、層次及內(nèi)容，力求達到先進性、系統(tǒng)性、科學性和實用性。同時完善未來3～5 年儲氣庫標準建設(shè)規(guī)劃，加快符合儲氣庫標準體系規(guī)劃中突出儲氣庫技術(shù)特點和專業(yè)特色、相對成熟、管理與生產(chǎn)急需的標準制定速度，力爭盡早發(fā)布，應用于國內(nèi)各個儲氣庫當中。

儲氣庫標準體系的建立，對促進儲氣庫經(jīng)濟高效運行、提升我國調(diào)峰保供能力具有重要意義。隨著標準體系的不斷完善與健全，可緩解我國天然氣供需緊張的局面，改善大氣環(huán)境，促進經(jīng)濟發(fā)展，具有重大的經(jīng)濟效益和社會效益。

表2 儲氣庫標準體系通用標準

圖3 儲氣庫標準體系架構(gòu)

表3 儲氣庫標準體系框架設(shè)計

續(xù)表3