國內(nèi)外地下儲氣庫研究現(xiàn)狀與應用展望

張福強，曾 平，周立堅，3*，李 波，3，張士華

(1.中國煤炭地質(zhì)總局廣西煤炭地質(zhì)局，南寧 530299；2.中能化華南建設工程有限公司，貴陽 550009；3.廣西煤炭地質(zhì)局一五○勘探隊，南寧 530299)

天然氣、石油、煤炭同為世界三大能源消費產(chǎn)品，在世界能源供應中占有極為重要的地位。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標任務的要求，對低碳清結、綠色多元的天然氣消費需求必將持續(xù)旺盛。“十三五”期間，我國的天然氣開發(fā)和輸氣管網(wǎng)得到大規(guī)模發(fā)展，但受極端天氣災害、管網(wǎng)事故、用氣峰谷差等因素影響，天然氣的供應安全依舊脆弱，供需矛盾正在凸顯。調(diào)節(jié)這一矛盾的重要方法就是構建地下儲氣庫。

地下儲氣庫是天然氣生產(chǎn)調(diào)峰和天然氣資源儲備的最佳選擇，是保證天然氣安全供應的基本手段，能夠很好的解決城市用氣不均勻問題，起到季節(jié)調(diào)峰作用，大大提高了供氣的可靠性[1-2]。相較于地面金屬儲氣罐，在靠近主要用氣城市的經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)建設地下儲氣庫，儲氣量大、安全性高、占地面積小，可實現(xiàn)天然氣生產(chǎn)和運輸?shù)钠胶猓哂辛己玫慕?jīng)濟效益和社會效益，更因地下儲氣庫的隱蔽性，也可達到能源儲備的戰(zhàn)略意義。

1 國外地下儲氣庫發(fā)展現(xiàn)狀

地下儲氣庫是將天然氣壓縮以后通過不同方式注入地下自然或人工構造空間而形成的儲氣場所。目前，多數(shù)文獻將地下儲氣庫分為四個典型類型即枯竭油氣藏型、巖穴型、含水層型和廢棄礦坑型。部分學者也依據(jù)儲層或地質(zhì)構造特征將其劃分為兩類，即多孔介質(zhì)類和洞穴類，前者包括枯竭油氣藏型、含水層型地下儲氣庫等，后者包括廢棄礦坑型、巖穴型地下儲氣庫[3]。因地下儲氣庫具有調(diào)峰力強、可靠性高等優(yōu)勢，在世界上廣泛發(fā)展。據(jù)最新一屆(2018年)世界天然氣大會統(tǒng)計資料顯示，全球共建設了689座地下儲氣庫，年總工作氣量約占天然氣年總消費量的11.8%，在美歐俄等天然氣消費發(fā)達的國家，其工作氣量占消費量比平均為14%。

20世紀初，歐美等發(fā)達國家率先研究地下儲氣庫，歷經(jīng)百余年技術沉淀國外的建庫技術已比較成熟完備、運行規(guī)范。其中，在全球天然氣消費量最大的北美地區(qū)，僅美國一地所擁有的地下儲氣庫數(shù)量就超過全球的一半，且工作氣容量也居首位。美國大部分儲氣庫為枯竭油氣藏型，其次也建設了一定數(shù)量的含水層型和鹽穴型，同時存在4座廢棄礦坑型天然氣儲氣庫，目前齊備了所有儲氣庫類型[4]；俄歐的地下儲氣庫建設起步較晚，均源自冷戰(zhàn)時期，但發(fā)展非常迅速，兩者發(fā)展方向有所區(qū)別的是，全俄儲氣庫類型相對單一，26座氣庫中僅1座鹽穴型氣庫，且分部集中，單庫氣容量規(guī)模冠絕全球；而歐盟的工作氣量居全球二位，但分布不均，鹽穴型氣庫占比高于美國。就全球范圍而言，80%的地下儲氣庫總工作氣量儲存于油氣藏型地下儲氣庫中，其總量的11%和9%分別儲存于含水層型和鹽穴型地下儲氣庫,其它類型地下儲氣庫的工作氣量忽略不計[5]。

當前，以美歐為代表的國外地下儲氣庫的技術研究引領全球，針對該領域的研究主要集中在兩個方面。首先，多利用四維地震勘探技術進行建庫的地質(zhì)條件優(yōu)選、氣容量的確定等研究。其次，廣泛采用數(shù)值模擬技術建立數(shù)學模型，并開始逐步結合地質(zhì)力學模型、經(jīng)濟模型等以優(yōu)化儲氣庫運行。最后，研究熱點集中于與超大型鹽穴、線性巖層洞穴等儲氣庫的建造和運行管理等相關的技術研究[6]。

2 我國地下儲氣庫技術發(fā)展現(xiàn)狀

我國地下儲氣庫起步相對滯后，20世紀70年代首次在大慶油田進行了氣藏型儲氣庫技術嘗試，20世紀90年代才開始正式建庫和技術研究[7]。截止到2018年，我國建成和投入運行的地下儲氣庫只有25座，由兩家國有頭部石油公司建設，調(diào)峰工作氣量僅占年天然氣消費總量的1.7%，與世界平均水平11.8%相差懸殊，儲氣能力存在巨大缺口，無法滿足我國對天然氣的調(diào)峰需求總量[8]。在數(shù)十年的國內(nèi)地下儲氣建設和研究中，我國積累了豐富的工作經(jīng)驗、培育了專業(yè)化的科研隊伍。當前而言，我國4大儲氣庫建庫理論和技術進展各有不同。

2.1 油氣藏建庫技術基本成熟

在我國，枯竭油氣藏型氣庫占據(jù)絕對支配地位，25座氣庫中就有24座為油氣藏型。相對而言，氣藏型建庫理論和技術基本成熟，形成了一批適合我國國情的氣藏型建庫核心技術，主要包括地質(zhì)方案設計技術，鉆完井技術，廢棄井封井工藝，鉆井液技術，儲層保護技術以及地面工程配套技術等，有力促進了我國地下儲氣庫工藝技術的標準化[9]。針對油藏建庫技術的研究仍在逐步深入，2001年以來相關學者[9-11]在油藏改建地下儲氣庫的建庫方式、注排機理、滲流機理等理論研究方面獲得了一定的認識，但應用效果需要持續(xù)觀察。

2.2 含水層型建庫技術有待深入

含水層型儲庫是世界上第二大地下儲氣建庫類型，但在我國尚無此類儲庫的建成實例，國內(nèi)針對該領域的研究多集中于鹽穴型氣庫的建庫理論和技術。綜合國內(nèi)外相關文獻可知該技術發(fā)展主要表現(xiàn)為兩大特征，其一含水層型儲氣庫規(guī)模大型化，具體表現(xiàn)為以叢式定向井、水平井為代表的鉆完井工程技術大規(guī)模選用于地下儲氣庫的建設；其二數(shù)值模擬技術廣泛應用于地下儲氣庫的建設和整個注采氣工藝過程。

2.3 鹽穴建庫技術持續(xù)提高

近年來，因鹽穴氣庫的密封性、經(jīng)濟性顯著突出，國內(nèi)外針對利用鹽穴的建庫技術逐漸成為研究熱點。隨著2018年國內(nèi)第一座鹽穴型氣庫——金壇氣庫建成運行，我國在鹽穴儲氣庫的地質(zhì)選址評價、溶腔及造腔、密封性能分析與檢測評價，深層大井眼和淺層雙井建庫等方面均取得了突破，并開發(fā)了適用的鹽穴地下儲氣庫風險評估軟件[12]，形成了一整套建庫核心理論技術[13-14]。

3 我國地下儲氣庫發(fā)展方向

綜上可知，地下儲氣庫作為天然氣戰(zhàn)略儲備和調(diào)峰保供的重要設施，已成為我國最主要的、不可替代的天然氣儲存方式[15]，地下儲氣庫市場前景廣闊。

3.1 我國儲氣庫建設面臨的制約因素

我國地下儲氣庫建造中復雜地質(zhì)條件帶來的挑戰(zhàn)遠超國外。國內(nèi)的天然氣供需分離，主要消費市場位于東部地區(qū)，氣源點集中在西部地帶。同時，有建庫需求的東部地區(qū)經(jīng)過多期構造運動改造，地質(zhì)單元破碎不完整，陸相沉積地層復雜多變，導致建庫工程難度極大，優(yōu)質(zhì)建庫標的缺乏，在役氣庫規(guī)模、調(diào)峰能力難以媲美國外，且隨著國內(nèi)儲氣庫市場的擴大，這一矛盾愈發(fā)突出。

以國內(nèi)外鹽穴氣庫建造的地質(zhì)條件對比為例，歐美地區(qū)的鹽穴氣庫建庫條件有利，溶腔依托鹽丘型建造，厚度大，夾層少或無。而我國的鹽巖全部為陸相層狀鹽巖，鹽層與夾層交互產(chǎn)出，含鹽地層鹽巖品位低、夾層多、水不溶物含量高，導致出現(xiàn)鹽腔造腔速度慢、腔體形態(tài)難以控制、成腔效率低，夾層氣密性穩(wěn)定性難以評價等復雜的技術問題[16]，已建的金壇鹽穴氣庫便呈現(xiàn)此特征。值得說明的是，金壇氣庫可稱國內(nèi)建庫地質(zhì)條件最好的鹽穴氣庫，放眼國內(nèi)適合建造鹽穴氣庫的地質(zhì)條件難覓，在枯竭油氣藏建庫中面臨的狀況同樣如此。盡管我國的油氣藏建庫技術研究時間較長，但我國油氣藏的陸相地質(zhì)條件不夠理想，普遍面臨著埋深較深、油氣井單井產(chǎn)能低、儲層非均質(zhì)性強、改造難度大等問題，改建氣庫風險較大[6，17]。

3.2 我國廢棄煤田改建氣庫大有可為

目前，國內(nèi)外都在積極探索利用改造廢棄礦洞建設地下儲氣庫的可行性[18]。我國在油氣藏、鹽穴等領域面對的建庫制約越來越多，勢必需要開辟新的建庫領域。我國煤炭資源豐富，如今已有大量的煤田幾乎報廢，不具開采價值，形成了龐大的地下空間，而煤田在全國普遍分布，地區(qū)限制比較小，經(jīng)過改造后具有作為地下儲氣庫的潛力[19]，此舉不僅可以降低氣庫建造的成本提高經(jīng)濟性，還能解決我國氣庫庫址分布不均問題，擴充氣庫的篩選范圍，提高天然氣調(diào)峰保供能力。綜上，利用采煤形成的空間和煤層自然吸附能力來改建氣庫的技術方法在我國具有明顯優(yōu)勢。

煤礦開采的頂板控制方法通常包括自然垮脫法、充填法和煤柱支撐法[20-21]，其中又以煤柱支撐法形成的房式空間大，全國預計約15×108m3[22]，改建潛力巨大。改建思路相對簡單，具體思路為在加固穩(wěn)定采空區(qū)頂板后，密封采煤井筒，同時處理好采空區(qū)的積水，完成后進行氣密封測試以確保氣庫的密封性并判斷最大承壓能力，最后在采空區(qū)上方鉆注采井、施工地面配套設施，此外還要鉆監(jiān)測井來監(jiān)測氣庫運行壓力，最終完成煤田的改建氣庫[23]。美國Leyden廢棄煤田儲氣庫的安全運行已為此提供了成功案例[24]。

地下儲氣庫的建設是一項復雜的系統(tǒng)工程，其開發(fā)受到地質(zhì)條件、工程技術、政策法律、經(jīng)濟市場等多因素的影響。結合國內(nèi)廢棄煤田的空間特點并對比美國Leyden廢棄煤田改建氣庫的技術條件，在充分考慮安全穩(wěn)定性、技術可行性、經(jīng)濟合理性等條件下，筆者初步形成了廢棄煤田改建儲氣庫的幾項篩選原則：一是以水平煤層、緩傾斜煤層為宜，空間延伸連續(xù)規(guī)則，無斷層或少斷層。二是以煤柱支撐法形成的開采空間為宜，空間斷面大，采空區(qū)頂板穩(wěn)定、蓋層未塌陷、地表無下沉。三是巖性以致密頁巖、泥巖、黏土巖等低滲透性巖石為宜，蓋層無裂隙發(fā)育，覆蓋厚度大。四是以水文地質(zhì)條件簡單為宜，礦井內(nèi)與區(qū)外無水力聯(lián)系或小。五是以與天然氣消費區(qū)就近為宜，避開地面大型建筑物和人口稠密區(qū)。

3.3 南方煤田儲氣構造研究

如上所述，國內(nèi)外地下儲氣庫主要為枯竭油氣藏型，但我國南方缺乏此類資源，張福強等人[25-26]基于歷史煤炭地質(zhì)勘探資料二次開發(fā)，研究了兩廣含煤盆地中發(fā)育各種類型砂體和諸多小型天然氣藏，認為該區(qū)域具備地下儲氣構造條件，與枯竭油氣藏型地下儲氣庫相類似。因此,提出利用已有煤田勘探資料，但不具煤炭開發(fā)價值的區(qū)域進行選址和評估,建立地下儲氣庫，具有明顯探索性。如能成功,將為我國南方地下儲氣庫建設選址和評估開辟一個新的途徑。

沙塘煤田系一個典型解剖點[27-30]，該煤田位于廣西柳州-鹿寨一帶，屬滇黔桂盆地桂中坳陷的一部分。主要地層組成為泥盆系、石炭系、二疊系和新近系。主要含煤地層為下石炭統(tǒng)寺門組，巖性以碎屑巖為主，由砂礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖夾煤層組成，總厚度約834m。從巖性組合上看，具有2套儲蓋組合，儲層砂巖總厚度大于200m。巖相類型以三角洲沉積為主，物源來自云開古陸[31]。沙塘煤田為復式向斜，其北部的大埔背斜為箱狀褶皺，轉折端平緩寬闊，使得儲層三維空間規(guī)模相應較大。兩翼的走向逆斷層沒有破壞背斜主體，砂巖儲層原始容氣率與滲透率低，燕山期強烈的南北向擠壓作用，產(chǎn)生剪性節(jié)理，平行層理裂縫發(fā)育為主要容氣構造、垂直層理裂縫較小為次要容氣構造，喜馬拉雅期差異性升降產(chǎn)生張性節(jié)理，連通剪性節(jié)理，為導氣構造；導致孔隙率小于10%的儲層，滲透率達到47.7×10-3μm2，提升了儲層品質(zhì)；背斜高點虛脫形成氣頂甜點區(qū)。蓋層為泥頁巖，礦物成分主要為水云母，極易壓實，封閉條件良好。柳城大埔已有3處鉆孔揭露天然氣苗，具有一定天然氣資源蘊藏量(圖1)。

圖1 大浦背斜構造簡圖Figure 1 Structural outline map of Dapu anticline

4 結語

隨著我國天然氣消費市場蓬勃發(fā)展，建設地下儲氣庫用作調(diào)峰保供和戰(zhàn)略儲備日益受到重視。不同于國外的是，我國地質(zhì)背景復雜、構造單元破碎，采用油氣藏、鹽穴等建庫面臨庫址資源不足問題，規(guī)模化應用受到地質(zhì)條件限制，需要開辟新的建庫領域，推動改建廢棄煤田為氣庫的研究思路適合我國國情，具有良好的應用前景。

致謝：感謝中國地質(zhì)大學(武漢)博士生導師莊新國教授、廣西煤炭地質(zhì)局總工程師李慶年高級工程師、原總工程師農(nóng)衡才教授級高級工程師審閱全文，并提出寶貴意見。