標(biāo)準(zhǔn)化在天然氣地下儲氣庫建設(shè)中的應(yīng)用

關(guān) 鍵

（中國石油化工集團有限公司物資裝備部，北京 100020）

天然氣地下儲氣庫（簡稱儲氣庫）是將開采出的天然氣輸送至地下可以保存氣體的空間而形成的人工氣田或氣藏，是集季節(jié)調(diào)峰、事故應(yīng)急供氣、國家能源戰(zhàn)略儲備等功能于一體的能源基礎(chǔ)性設(shè)施，被稱作地下“天然氣銀行”。儲氣庫因容量大、儲氣壓力高、占地面積小、受氣候影響小、投資成本相對較低等優(yōu)點，被認(rèn)為是最具經(jīng)濟性的儲氣調(diào)峰設(shè)施，是天然氣產(chǎn)供儲銷產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵一環(huán)。推進儲氣庫的標(biāo)準(zhǔn)化工作既是為滿足天然氣產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的需要，也是推廣儲氣庫建設(shè)工程經(jīng)驗和科技成果的有效措施，對于天然氣產(chǎn)業(yè)構(gòu)建以國內(nèi)大循環(huán)為主體、國內(nèi)國際雙循環(huán)相互促進的新發(fā)展格局具有重要的作用。

1 儲氣庫的建設(shè)情況

1915年加拿大建設(shè)了世界首座儲氣庫，1916年美國建設(shè)了世界第二座儲氣庫。截至2020年，全球36個國家共建成儲氣庫716座，總工作氣量4.164×1011m3，其中，66%分布在北美，其次在歐盟地區(qū)。

我國的儲氣庫研究設(shè)計工作始于20世紀(jì)90年代，由于我國的地質(zhì)條件整體構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，很難找到優(yōu)質(zhì)的淺層枯竭氣田作為建庫載體，直到2000年才建成了國內(nèi)第一座儲氣庫——天津大港油區(qū)大張坨儲氣庫。經(jīng)過21年發(fā)展建設(shè)，已建成氣藏型和鹽穴型儲氣庫31座，其中，中國石油建設(shè)23座，中國石化建設(shè)7座，港華燃?xì)饨ㄔO(shè)1座。按地域可分為11座庫群，分布在東北、華北、環(huán)渤海、長三角、中南等七大區(qū)。2020年，我國建成儲氣庫（群）總工作氣量比2015年增加8.9×109m3，增幅160%[1]。2021年，工作氣量又增加了約1.0×109m3。隨著我國清潔能源轉(zhuǎn)型與碳中和目標(biāo)的設(shè)立，天然氣作為化石能源中最清潔的能源，消費量必將持續(xù)快速發(fā)展。據(jù)中國工程院專家預(yù)測，將來天然氣消費峰值可能突破6×1011m3，調(diào)峰保供能力需要1×1011m3，缺口巨大。但是，儲氣庫建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化缺失是當(dāng)前儲氣庫建設(shè)進程緩慢、建筑物零散、占地面積過大的重要影響因素，是后續(xù)建設(shè)亟待解決的問題。

2 標(biāo)準(zhǔn)化在儲氣庫建設(shè)中的作用

儲氣庫建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化是一個多專業(yè)緊密銜接的系統(tǒng)工程，主要由項目選址、工程設(shè)計、物資采購、現(xiàn)場施工和信息化管理5個體系組成，各體系發(fā)揮各自作用。

標(biāo)準(zhǔn)化選址作用：規(guī)范在構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜的地質(zhì)條件下確定建庫載體的技術(shù)性指標(biāo)和經(jīng)濟性指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計作用：①提高勞動生產(chǎn)率，減少重復(fù)勞動，加快設(shè)計速度；②為設(shè)備的撬塊化制造、施工材料的工廠化預(yù)制、現(xiàn)場的機械化施工創(chuàng)造條件；③節(jié)約建設(shè)材料，降低工程造價，提高經(jīng)濟效益。標(biāo)準(zhǔn)化采購作用：①促進設(shè)計、需求、制造、監(jiān)造、儲運、生產(chǎn)、運維、銷售等環(huán)節(jié)有序、高效開展工作，實現(xiàn)企業(yè)利益最大化；②規(guī)范物資選型，優(yōu)化資源配置，降低管理和維護的難度，降低采購成本、庫存資金占用和運維成本，提高采購效能；③穩(wěn)定和提升物資制造質(zhì)量，與合作伙伴建立持續(xù)良好的合作關(guān)系，獲得最大安全性和可靠性支持。標(biāo)準(zhǔn)化施工作用：①實現(xiàn)模塊化設(shè)計和施工的深度融合，縮短建設(shè)周期；②實現(xiàn)對施工組織方案的事前推演，提高施工資源安排的科學(xué)性；③提升非標(biāo)容器、工藝管道焊接的一次合格率，減少返工帶來的資源浪費。標(biāo)準(zhǔn)化信息管理作用：①提高企業(yè)收集外部數(shù)據(jù)的效率和準(zhǔn)確性；②幫助現(xiàn)場實時掌握設(shè)備運行情況和周邊的生產(chǎn)環(huán)境；③實現(xiàn)“人、機、料、法、環(huán)”五要素的數(shù)字化管理，促進勞動定員的優(yōu)化。

3 標(biāo)準(zhǔn)化的實施方案

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化選址

儲氣庫主要包括油氣田、鹽穴、含水層和礦坑4種類型，儲氣庫的選址需要滿足的標(biāo)準(zhǔn)包括：①地理位置優(yōu)越，離主要用戶城市或長輸管線較近；②構(gòu)造簡單，圈閉落實，內(nèi)部斷層少，變化幅度??；③蓋層厚度大，巖性致密，圈閉密封性好；④儲層厚度大，分布穩(wěn)定，物性、連通性好，有效孔隙度≥15%，有效滲透率≥50×10-3μm2；⑤天然氣屬干氣，組分含量中以CH4為主，H2S含量不超標(biāo)；⑥氣藏屬常壓常溫系統(tǒng)；⑦具有一定儲量規(guī)模，原始地質(zhì)儲量＞1.6×108m3；⑧單井注采氣能力大；⑨采出程度較高，建庫后不影響目前油氣生產(chǎn)[2]。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

3.2.1 平面布置的標(biāo)準(zhǔn)化

按站場用房集約化、站場裝置模塊化和平面布局緊湊化的原則，采取模塊立體拼插組合的方式，優(yōu)化儲氣庫地面工程的布局，解決建筑物零散、建筑風(fēng)格和視覺形象不統(tǒng)一的問題，地面工程標(biāo)準(zhǔn)化的布局見圖1。

圖1 儲氣庫地面工程的標(biāo)準(zhǔn)化布局

3.2.2 注采氣工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)化

采用氣液混輸、注采合一的注采工藝（見圖2）。其中，注氣流程為：來氣→收球裝置→旋風(fēng)分離→過濾分離→計量→增壓→注采井；采氣流程為：注采單井來氣→氣液分離器→脫水裝置→計量→聯(lián)絡(luò)線外輸。

圖2 注采單元的工藝流程

3.2.3 注氣單元布置的標(biāo)準(zhǔn)化

注氣單元為立體布置，見圖3。在結(jié)構(gòu)框架中集成了旋風(fēng)分離器、燃料氣分離器和過濾分離器，并撬裝模塊化制造站內(nèi)閥組、注氣計量閥組、進站計量閥組。

圖3 注氣單元優(yōu)化后的布置

3.2.4 采氣單元布置的標(biāo)準(zhǔn)化

采氣單元布置見圖4。在井場模塊中設(shè)置1個獨立的采氣閥組撬裝模塊，在采氣分離模塊中集成分離器、干天然氣分離器和閉式排放罐，在脫水模塊中集成聚結(jié)過濾器和三甘醇吸收塔，在加熱再生模塊中集成三甘醇回收罐，并撬裝模塊化制造三甘醇再生和加熱爐閥組。

圖4 采氣單元優(yōu)化后的布置

3.2.5 供配電單元布置的標(biāo)準(zhǔn)化

將35 kV變電站設(shè)計為艙式變電站，一層艙體內(nèi)集成高壓開關(guān)設(shè)備、無功補償和低壓開關(guān)設(shè)備，二層艙體內(nèi)集成二次保護和通信設(shè)備，并在工廠完成組裝和測試。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化采購

3.3.1 完井工具

1）功能和結(jié)構(gòu)

完井工具是完井管柱中除油管和套管外，按照一定功用組合而成的井下工具，具有注氣、采氣和氣藏監(jiān)測等生產(chǎn)運行功能，能夠?qū)崿F(xiàn)油管通道井下緊急自動關(guān)斷，阻斷封隔器以下部分的流體通道，保證封隔器以上的部分不壓井作業(yè)，可以滿足氣密封、防腐蝕、耐壓、耐溫等要求，是天然氣注采環(huán)節(jié)的重要設(shè)備。主要部件由液控管線、流動短節(jié)、井下安全閥、永久式封隔器總成（含插入錨定密封）、坐落短節(jié)和剪切球座等組成。

2）選型和材料

全部完井工具的材質(zhì)采用13Cr進行加工，兩端連接螺紋應(yīng)與油管的氣密封螺紋扣配套，密封件（含封隔器膠筒）除金屬密封和密封圈擋環(huán)外，均采用AFLAS材料生產(chǎn)；液控管線的長度通常為110 m，材質(zhì)為316不銹鋼；控制管線保護器的材質(zhì)為低碳鋼；井下安全閥按3C適用等級設(shè)計生產(chǎn)，具有自平衡機構(gòu)，上部扣型為氣密封母扣，下部扣型為氣密封公扣；流動短節(jié)的最小內(nèi)徑應(yīng)與安全閥配套，上部扣型為氣密封母扣，下部扣型為氣密封公扣；封隔器為可鉆式封隔器，按V0等級進行設(shè)計生產(chǎn)檢驗；坐落短節(jié)具有管柱試壓、封隔器坐封備用、不壓井作業(yè)、坐落監(jiān)測儀器等功能，并配套鋼絲作業(yè)堵塞器、投、撈工具；插入錨定密封的上部扣型為氣密封母扣，下部扣型為無扣，脫開形式為正轉(zhuǎn)脫扣，按V0等級進行設(shè)計生產(chǎn)檢驗；剪切球座的上部扣型為氣密封母扣，下部扣型為EUE母扣；坐封球座配套喇叭口1件。

3.3.2 井口安全控制系統(tǒng)

1）功能和結(jié)構(gòu)

儲氣庫注采井運行過程中須承受強注、強采的工況，井口安全控制系統(tǒng)具有在火災(zāi)或壓力異常等情況下，對井下安全閥、地面安全閥的遠(yuǎn)程關(guān)斷控制的功能，是氣井安全生產(chǎn)的重要保障[3]，它由液壓系統(tǒng)（液壓動力系統(tǒng)、主控制回路、輸出回路、先導(dǎo)控制系統(tǒng)、易熔塞及自動關(guān)斷回路）和控制系統(tǒng)組成。

2）選型和配置

液壓動力系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)設(shè)置1個容積30 L的循環(huán)液壓油儲油箱、輸出壓力不低于6.894 MPa（1 000 psi）的電動液壓泵2臺和手動液壓泵1臺，每個泵的進出口應(yīng)配隔離閥，進口配過濾器，出口配單向閥和溢流閥；井下和地面主控制回路配備蓄能器、隔離球閥、泄壓針閥、壓力表、單向閥和溢流閥；地面主控制回路配備2組高壓減壓閥；先導(dǎo)控制回路應(yīng)配備2組高壓減壓閥、蓄能器、壓力表、緊急關(guān)斷閥；還包括集成在防爆箱內(nèi)的遠(yuǎn)程終端單元以及當(dāng)區(qū)域溫度≥121℃時可自動熔化的易熔塞。

3.3.3 注氣壓縮機組

1）功能和結(jié)構(gòu)

注氣壓縮機組是儲氣庫工程的核心設(shè)備，曾經(jīng)以進口為主，價格昂貴，調(diào)試和售后維修周期長。目前，國產(chǎn)往復(fù)式和離心式壓縮機組都已研制并應(yīng)用，既大幅降低了機組采購?fù)顿Y和后期運行成本，并大幅提升了運行的保障能力。機型的選擇與儲氣庫的最小日注氣量有關(guān)，當(dāng)最小日注氣量≥500×104m3建議采用離心式壓縮機[4]，其他情況宜采用往復(fù)式壓縮機組。機組部件由主機總成、驅(qū)動系統(tǒng)、工藝氣系統(tǒng)、機體潤滑系統(tǒng)、氣缸潤滑系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、底座系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)組成。通過建立標(biāo)準(zhǔn)化選型、模塊化制造、工廠化性能測試、數(shù)字化交付的采購模式，機組的質(zhì)量不僅可滿足儲氣庫注氣壓力高、工況范圍廣的特點，而且設(shè)計、安裝和調(diào)試的周期還可大幅縮短，符合儲氣庫建設(shè)周期的要求。

2）選型和配置

機組配置方面，驅(qū)動機可選用天然氣發(fā)動機或防爆電動機（以下簡稱電動機）兩種類型。與天然氣發(fā)動機相比，電動機占地小、啟動時間短、控制精度高、噪聲低、排放少，維護成本低，雖然初始投資較高，但更符合綠色生產(chǎn)的要求，因此，已逐漸成為首選配置。電動機額定功率≥壓縮機最大功率×105%。電機軸承形式與額定功率密切相關(guān)，見表1；空冷器的選型與機組的設(shè)計壓力密切相關(guān)，見表2；狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、場站級監(jiān)測服務(wù)器、場站級狀態(tài)監(jiān)測軟件、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化狀態(tài)監(jiān)測及故障分析軟件等組成，重點監(jiān)測機體和十字頭的振動、氣缸的壓力和軸系的鍵相。

表1 電機的軸承形式

表2 空冷器的管箱形式

3.3.4 三甘醇再生撬和尾氣處理撬

1）功能和結(jié)構(gòu)

三甘醇再生撬和尾氣處理撬是儲氣庫工程的重要設(shè)備，用于脫除儲氣庫采出的天然氣中的水汽，防止水汽進入管道造成積液，引起輸氣能力及熱值降低，以及天然氣中的H2S和CO2加速對鋼材的腐蝕。撬塊由三甘醇再生系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)、甘醇循環(huán)系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)及電氣儀表控制系統(tǒng)組成，優(yōu)化后的系列配置見表3。

表3 三甘醇再生及尾氣處理撬系列

2）選型和配置

撬塊配置方面，三甘醇再生設(shè)備主要包括預(yù)過濾器、活性炭過濾器、后過濾器、精餾柱、重沸器、緩沖罐、貧液泵；三甘醇循環(huán)設(shè)備主要包括三甘醇閃蒸罐、預(yù)過濾器、活性炭過濾器、后過濾器（含差壓計）、貧-富液換熱器、三甘醇循環(huán)泵；尾氣處理設(shè)備主要由包括鼓風(fēng)機、尾氣空冷器、尾氣分離器、廢水提升泵；輔助配套設(shè)備主要包括安全閥、氣動球閥、手動球閥、截止閥、節(jié)流截止閥、針閥和電磁閥。

設(shè)備選型方面，三甘醇循環(huán)泵宜選柱塞式往復(fù)泵，鼓風(fēng)機宜選三葉式羅茨鼓風(fēng)機，空冷器的管箱型式為絲堵式，廢水提升泵為離心泵，三甘醇循環(huán)泵的電機選用防爆變頻電機，其他電機選用防爆工頻電機。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)化施工

工廠預(yù)制是標(biāo)準(zhǔn)化施工的基礎(chǔ)。通過采用固定廠房結(jié)合現(xiàn)場簡易平臺的預(yù)制模式，在油田氣或潛在項目集中的區(qū)域建立預(yù)制廠，廠內(nèi)配備帶鋸坡口機、五軸數(shù)控等離子切割機、移動式銑邊機等自動化施工設(shè)備和EP3D、PDSOFT等二次設(shè)計軟件，實現(xiàn)成撬塊設(shè)備、閥組和工藝管道下料、組對、焊接作業(yè)線的自動化，從而提高工程質(zhì)量和施工效率。

3.5 標(biāo)準(zhǔn)化信息管理

3.5.1 建立數(shù)字化交付平臺

數(shù)字化交付是標(biāo)準(zhǔn)化信息管理的基礎(chǔ)，通過建立統(tǒng)一的數(shù)字化交付平臺，將儲氣庫設(shè)計、采購、設(shè)備制造、施工、監(jiān)理、項目管理、中交、調(diào)試、竣工等過程資料按照標(biāo)準(zhǔn)化的編碼規(guī)定批量上傳，一起移交給業(yè)主單位，滿足業(yè)主在工程交工后進行日常查詢、管理、改造、開發(fā)等需要。

3.5.2 設(shè)備的數(shù)字化交付

對于重要機械設(shè)備，在集成數(shù)字化工程圖紙和文件的基礎(chǔ)上，通過三維數(shù)據(jù)全面展示設(shè)備的整體外觀和內(nèi)部構(gòu)造，通過動畫推演設(shè)備建造焊接工序以及流體工作原理，可實現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的線上巡檢，為施工管理和生產(chǎn)操作提供指導(dǎo)。

4 標(biāo)準(zhǔn)化的有效性驗證

通過量化和細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)化評價指標(biāo)，將儲氣庫建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)化為可操作、可衡量的具體標(biāo)準(zhǔn)，從而幫助建設(shè)單位明確標(biāo)準(zhǔn)化方向，大幅提高儲氣能力建設(shè)的質(zhì)量和效率。

中原油田衛(wèi)11儲氣庫按照標(biāo)準(zhǔn)化模式開展建設(shè)，并于2021年10月建成注氣，設(shè)計庫容達(dá)到10.09×108m3。它與2012年建成的文96儲氣庫和2019年建成的文23儲氣庫，共同組成了我國華北最大天然氣地下儲氣庫群——中原儲氣庫群。與前兩個儲氣庫相比，衛(wèi)11儲氣庫取得了更好的經(jīng)濟效益。標(biāo)準(zhǔn)化評價指標(biāo)和評價情況見表4。

表4 衛(wèi)11儲氣庫的標(biāo)準(zhǔn)化工作評價

5 結(jié)語

隨著國內(nèi)天然氣消費量強勁增長和天然氣對外依存度逐步攀升，儲氣庫已成為實現(xiàn)管網(wǎng)和接收站的供氣平穩(wěn)和安全必不可少的設(shè)施。國內(nèi)儲氣庫的建設(shè)單位應(yīng)加強合作，將國外儲氣庫建設(shè)和運營的先進經(jīng)驗和國內(nèi)儲氣庫的研究與實踐成果轉(zhuǎn)化為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，持續(xù)提升標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量，提高標(biāo)準(zhǔn)的國際化水平，健全人才隊伍，為推動我國儲氣庫產(chǎn)業(yè)的科學(xué)發(fā)展提供有力支撐，早日建成適合我國國情的儲氣庫全產(chǎn)業(yè)鏈標(biāo)準(zhǔn)體系。