摘　要：介紹我國(guó)天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析在建庫(kù)資源考察、建庫(kù)核心技術(shù)、儲(chǔ)氣庫(kù)安全運(yùn)行管理以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方面的技術(shù)瓶頸問題，提出了建議。

關(guān)鍵詞：地下儲(chǔ)氣庫(kù)　天然氣儲(chǔ)存　技術(shù)瓶頸

Discussion on Current Development and Technical Bottleneck of Underground Gas Storage in China

Abstract：The development status of underground gas storage in China is introduced．The technical bottleneck problems such as the resouree investigation of gas storage in process，core technology of construction of gas storage，safe operation and management of gas storage and risk assessment are analyzed，and some suggestions are put froward．

Keywords：underground gas storage：natural gas storage；technical bottleneck

1　概述

天然氣上游與下游之間存在供氣量與消費(fèi)需求量的嚴(yán)重不均衡性。近年來(lái)，我國(guó)天然氣事業(yè)的迅猛發(fā)展進(jìn)一步加劇了這種供需矛盾，夏季低峰用氣量和冬季高峰用氣量相差數(shù)倍的情況在某些天然氣消費(fèi)區(qū)域時(shí)常發(fā)生^[1]。天然氣儲(chǔ)存設(shè)施是平衡供氣的均勻性和用氣的不均勻性之間的固有矛盾的關(guān)鍵。

天然氣的儲(chǔ)存方式有地面儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存、輸氣管道末段(輸氣管道末段指輸氣管道中最后一個(gè)壓氣站到城市門站之間的管段)儲(chǔ)存、天然氣液化儲(chǔ)存、天然氣固態(tài)儲(chǔ)存、地下儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)存等。地面儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存常用于調(diào)節(jié)城市小時(shí)用氣不均衡。儲(chǔ)罐建造技術(shù)簡(jiǎn)單，但其容量小，儲(chǔ)配站占地面積較大，經(jīng)濟(jì)效益差。輸氣管道末段儲(chǔ)存能靈活調(diào)節(jié)氣量，可操作性強(qiáng)，用于調(diào)節(jié)小時(shí)用氣不均衡。但是管道末段儲(chǔ)氣量小，調(diào)節(jié)氣量范圍較窄。天然氣液化儲(chǔ)存的儲(chǔ)氣量大，但其局限性在于LNG多采用海上運(yùn)輸方式，并且大型的LNG接收站都建在沿海地區(qū)，因此這種天然氣儲(chǔ)存技術(shù)更加適用于利用船舶運(yùn)輸天然氣的沿海地區(qū)而非內(nèi)陸地區(qū)。天然氣固態(tài)儲(chǔ)存是指甲烷和水在一定的溫度、壓力條件下，轉(zhuǎn)變成一種結(jié)晶狀籠形化合物^[2]，即天然氣水合物(Natural Gas Hydrate)，以實(shí)現(xiàn)天然氣的高密度儲(chǔ)存。據(jù)現(xiàn)有資料，0℃時(shí)，甲烷水合物的形成壓力一般為2.78MPa左右。隨著溫度升高，其形成壓力也相應(yīng)提高。制備出相對(duì)穩(wěn)定的水合物后，一般在-20℃左右、常壓條件下儲(chǔ)存在鋼制儲(chǔ)罐中。1m³的水合物可含有150～170m³的天然氣(折合成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))。天然氣中各種烷烴的組成不同，影響天然氣水合物形成的溫度及壓力條件。如Gudmunsson通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)^[2]，天然氣中加入5％的乙烷和2％的丙烷(均為氣體體積分?jǐn)?shù))可以降低平衡壓力。因此，他認(rèn)為天然氣在0～20℃、2～6MPa的條件下，能制備天然氣水合物。分解天然氣水合物時(shí)，將儲(chǔ)罐中的水合物與20℃的水混合，釋放出天然氣，氣體再經(jīng)壓縮脫水等處理達(dá)到管輸要求后，即可用于輸配管網(wǎng)。但目前這一技術(shù)還處于研究階段，在國(guó)內(nèi)尚未應(yīng)用。由此可見，要能夠經(jīng)濟(jì)有效地解決城市用氣季節(jié)不均勻性，并且還要考慮到調(diào)節(jié)范圍廣和供氣安全可靠等問題，以上幾種儲(chǔ)氣方式均不夠理想。

地下儲(chǔ)氣庫(kù)是將天然氣經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮以后，注入枯竭的氣(油)藏、地下鹽穴溶腔或其他地質(zhì)構(gòu)造中加以儲(chǔ)存，到消費(fèi)高峰期采出以滿足天然氣用氣市場(chǎng)需求的一種儲(chǔ)氣設(shè)施。地下儲(chǔ)氣庫(kù)的突出優(yōu)點(diǎn)有儲(chǔ)氣量大、調(diào)峰范圍廣、運(yùn)行成本低、安全可靠、經(jīng)久耐用等，不僅能夠較好地解決城市用氣季節(jié)性不均勻的問題，而且具有其他天然氣儲(chǔ)存方式遠(yuǎn)不能及的戰(zhàn)略意義^[3]。政治動(dòng)蕩、氣源或上游輸氣故障、上游輸氣設(shè)施停產(chǎn)檢修、戰(zhàn)爭(zhēng)、重大自然災(zāi)害等都可能致使供氣中斷。例如輸氣干線管道因地震出現(xiàn)泄漏，甚至被嚴(yán)重破壞出現(xiàn)斷裂等運(yùn)行事故造成短時(shí)間供氣中斷，這時(shí)地下儲(chǔ)氣庫(kù)可以兼作應(yīng)急后備氣源保障用戶正常用氣。還有不可忽視的一點(diǎn)是，我國(guó)天然氣對(duì)外依存度(即從國(guó)外進(jìn)口的天然氣量占國(guó)內(nèi)所需天然氣總量的百分比)越來(lái)越高，需要從國(guó)外進(jìn)口大量的天然氣來(lái)滿足國(guó)內(nèi)各類用戶的需求。文獻(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，到2020年，我國(guó)天然氣對(duì)外依存度將超過50％^[4]。由此可見，如果沒有充足的天然氣戰(zhàn)略儲(chǔ)備，后果不堪設(shè)想。

綜上可知，地下儲(chǔ)氣庫(kù)是天然氣季節(jié)性調(diào)峰和資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備的最佳選擇，它已經(jīng)成為當(dāng)今天然氣消費(fèi)大國(guó)儲(chǔ)存和調(diào)配天然氣的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是天然氣上、中、下游一體化利用的重要組成部分。同時(shí)，地下儲(chǔ)氣庫(kù)的建造技術(shù)和相關(guān)工藝水平與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)，儲(chǔ)氣庫(kù)受到世界各國(guó)的重視^[5]。

2　國(guó)內(nèi)地下儲(chǔ)氣庫(kù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)地下儲(chǔ)氣庫(kù)發(fā)展起步較晚。初次嘗試?yán)脧U棄氣藏建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)是在20世紀(jì)60年代末。但直到20世紀(jì)90年代初，隨著陜京輸氣管道的建設(shè)，國(guó)內(nèi)才真正投入地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)技術(shù)的研究^[6]。

我國(guó)在大慶油田曾建造過兩座枯竭氣藏類型的儲(chǔ)氣庫(kù)，分別是1969年建成的薩爾圖1號(hào)地下儲(chǔ)氣庫(kù)和l975年建成的喇嘛甸地下儲(chǔ)氣庫(kù)。薩爾圖l號(hào)儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)氣量為3 800×104 m3。儲(chǔ)氣量指在20℃、l01325Pa的狀態(tài)下，儲(chǔ)氣腔體中能夠儲(chǔ)存的氣體總體積(以下所有提到描述儲(chǔ)氣庫(kù)氣體體積的物理量，均為在上述狀態(tài)下的值)。儲(chǔ)氣量包括注采季節(jié)不斷交替注入或采出的工作氣量和墊層氣量?jī)蓚€(gè)部分。工作氣量是指儲(chǔ)氣庫(kù)正常運(yùn)營(yíng)工況下，隨著注采季節(jié)的交替而不斷從地下儲(chǔ)氣層或溶腔中采出或者向儲(chǔ)氣空間中注入的氣體體積最大值。在儲(chǔ)氣庫(kù)注采運(yùn)行時(shí)，有一部分氣體滯留在庫(kù)中，維持儲(chǔ)氣庫(kù)采氣地層壓力、抑制地層水流動(dòng)侵入儲(chǔ)氣庫(kù)的這部分氣體稱為墊層氣。在運(yùn)行l0多年后，薩爾圖1號(hào)儲(chǔ)氣庫(kù)因與市區(qū)擴(kuò)大后的安全距離問題而被拆除。喇嘛甸儲(chǔ)氣庫(kù)經(jīng)兩次擴(kuò)建，儲(chǔ)氣量已達(dá)到25×10⁸m³。在其安全運(yùn)行的30年間，累計(jì)總采氣量(指在儲(chǔ)氣庫(kù)采氣系統(tǒng)正常工作條件下，從地下儲(chǔ)氣空腔中能夠采出的氣體換算到20℃、101325Pa的狀態(tài)下的體積，以下同)為10×10⁸m^3[7-9]。

2000年冬季，我國(guó)第一座大型地下儲(chǔ)氣庫(kù)——大張坨地下儲(chǔ)氣庫(kù)在天津大港建成投產(chǎn)，工作氣量達(dá)6×10⁸m³，最大日調(diào)峰量達(dá)l000×10⁴m³／d。大張坨儲(chǔ)氣庫(kù)在運(yùn)營(yíng)期采氣作業(yè)時(shí)，應(yīng)用目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的循環(huán)注氣開采系統(tǒng)(指反復(fù)循環(huán)向儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)氣地層中注入二氧化碳或者氮?dú)獾葰怏w，以維持地層壓力，更有利于儲(chǔ)氣庫(kù)采氣作業(yè)進(jìn)行)。自2001年以來(lái)，在大港油田附近，板876儲(chǔ)氣庫(kù)、板中北儲(chǔ)氣庫(kù)、板中南儲(chǔ)氣庫(kù)、板808儲(chǔ)氣庫(kù)、板828儲(chǔ)氣庫(kù)陸續(xù)建成投產(chǎn)，加上大張坨儲(chǔ)氣庫(kù)共6座儲(chǔ)氣庫(kù)一起構(gòu)成了天津大港地下儲(chǔ)氣庫(kù)群，是陜京管線儲(chǔ)配氣系統(tǒng)的重要組成部分。截至2010年，大港油田儲(chǔ)氣庫(kù)群總儲(chǔ)氣量達(dá)69.57×10⁸m³。工作氣量達(dá)30.58×10⁸m³，最大日調(diào)峰量達(dá)3400×10⁴m³／d，成功實(shí)現(xiàn)了京津地區(qū)安全平穩(wěn)調(diào)峰供氣，完成了亞運(yùn)會(huì)、奧運(yùn)會(huì)等國(guó)際型盛會(huì)的供氣，確保了陜京線、陜京二線的安全運(yùn)行。

2007年，江蘇省金壇儲(chǔ)氣庫(kù)部分投產(chǎn)運(yùn)行，開創(chuàng)了我國(guó)鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)的先河。截至2011年底，金壇儲(chǔ)氣庫(kù)已建成地下儲(chǔ)氣鹽穴溶腔50多個(gè)，總儲(chǔ)氣量達(dá)6.7×l0⁸m³。目前，金壇儲(chǔ)氣庫(kù)處于建設(shè)與運(yùn)行并行階段，整個(gè)建造工程將會(huì)持續(xù)到2020年左右，屆時(shí)總儲(chǔ)氣量將達(dá)到19.8×10⁸m³。2011年11月，江蘇淮陰市劉莊儲(chǔ)氣庫(kù)竣工投產(chǎn)，這是為西氣東輸冀寧聯(lián)絡(luò)線配套建設(shè)的首座利用廢棄油氣藏改建的儲(chǔ)氣庫(kù)，其設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣量(指儲(chǔ)氣庫(kù)注入的天然氣壓力達(dá)到地下空腔的設(shè)計(jì)壓力值時(shí)，庫(kù)內(nèi)地下儲(chǔ)氣層能夠儲(chǔ)存的天然氣換算到20℃、l01325Pa下的氣體總體積。由于通常情況下，儲(chǔ)氣庫(kù)注氣壓力小于等于儲(chǔ)氣空腔的設(shè)計(jì)壓力，因此儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)氣量小于等于其設(shè)計(jì)總儲(chǔ)氣量，以下同)為4.55×10⁸m³。2012年7月底，湖北云應(yīng)儲(chǔ)氣庫(kù)項(xiàng)目開工，其設(shè)計(jì)工作氣量(指儲(chǔ)氣庫(kù)注入的天然氣壓力達(dá)到地下空腔的設(shè)計(jì)壓力值時(shí)，儲(chǔ)氣庫(kù)中可以采出使用的氣體換算到20℃、101325Pa下的氣體體積。通常儲(chǔ)氣庫(kù)工作氣量小于等于其設(shè)計(jì)工作氣量，以下同)為6×10⁸m³。江蘇金壇儲(chǔ)氣庫(kù)、江蘇劉莊儲(chǔ)氣庫(kù)、湖北云應(yīng)儲(chǔ)氣庫(kù)、江西南昌麻丘儲(chǔ)氣庫(kù)是為西氣東輸管道配套的四大儲(chǔ)氣庫(kù)，目前前三個(gè)儲(chǔ)氣庫(kù)已部分運(yùn)營(yíng)投產(chǎn)。

2011年開工建設(shè)的蘇橋儲(chǔ)氣庫(kù)群建成投產(chǎn)后，工作氣量達(dá)23.32×10⁸m³，是河北省任丘市華北油田繼京58儲(chǔ)氣庫(kù)群之后，投入建設(shè)的第二個(gè)儲(chǔ)氣庫(kù)群。京58、蘇橋這兩個(gè)儲(chǔ)氣庫(kù)群是為陜京輸氣管線系統(tǒng)配套建設(shè)的，其功能主要為陜京二、三線輸氣管道的正常運(yùn)行提供保障，同時(shí)能較好地解決京、津、冀地區(qū)工業(yè)及民用天然氣的季節(jié)調(diào)峰和事故應(yīng)急供氣等問題。京58地下儲(chǔ)氣庫(kù)群工程是陜京二線的配套系統(tǒng)工程，包括京58、永22和京51三座地下儲(chǔ)氣庫(kù)，分別建在華北油田京58、永22和京51這三個(gè)地質(zhì)斷塊(斷塊是指巖石圈內(nèi)被斷裂構(gòu)造所圍限的構(gòu)造塊體，以下同)。其中最大的京58儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氣量達(dá)ll.5×10⁸m³，工作氣量為3.9×10⁸m³；永22儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)氣量為6×10⁸m³，工作氣量為3×10⁸m³；京51儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)氣量為l.2×10⁸m³，工作氣量為0.6×10⁸m³。

蘇橋儲(chǔ)氣庫(kù)群儲(chǔ)氣層埋深最深達(dá)5500m，是目前世界上儲(chǔ)層埋深最大的儲(chǔ)氣庫(kù)。其注氣壓力高達(dá)42MPa，建成后將突破世界上現(xiàn)有儲(chǔ)氣庫(kù)的最高設(shè)計(jì)壓力值，成為當(dāng)前設(shè)計(jì)壓力最高的儲(chǔ)氣庫(kù)。蘇橋地下儲(chǔ)氣庫(kù)群包括蘇1、蘇20、蘇4、蘇49、顧辛莊五個(gè)儲(chǔ)氣庫(kù)，總設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣量為67.38×10⁸m³，設(shè)計(jì)工作氣量為23.32×10⁸m³。預(yù)計(jì)到“十二五”末，華北油田儲(chǔ)氣庫(kù)群總儲(chǔ)氣量將達(dá)240×10⁸m³，工作氣量達(dá)73×10⁸m³，最大日調(diào)峰量達(dá)4000×10⁴m³／d。

2012年9月，位于河南省濮陽(yáng)市中原油田的文96儲(chǔ)氣庫(kù)正式投產(chǎn)運(yùn)行，是榆(榆林)—濟(jì)(濟(jì)南)輸氣干線的配套工程，其儲(chǔ)氣量為5.588×10⁸m³，工作氣量為2.95×10⁸m³。在冬季用氣高峰期，文96儲(chǔ)氣庫(kù)最大日調(diào)峰量可達(dá)500×10⁴m³／d。

2012年竣工的靖邊儲(chǔ)氣庫(kù)位于陜西省榆林市靖邊縣北部，設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣量為l20×10⁸m³，是國(guó)內(nèi)目前最大的天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)。靖邊氣田是長(zhǎng)慶油田的8個(gè)氣田的主力產(chǎn)氣區(qū)，也是西氣東輸?shù)臉屑~和陜京線、陜寧線、靖西輸氣管線的起點(diǎn)。

我國(guó)西南地區(qū)首座天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)——相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)在2011年11月投產(chǎn)使用，計(jì)劃于2013年底全部建成投運(yùn)。位于重慶市北碚區(qū)的相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)是我國(guó)西南地區(qū)油氣戰(zhàn)略通道的重點(diǎn)配套工程，屬于寧夏中衛(wèi)至貴陽(yáng)聯(lián)絡(luò)線。該儲(chǔ)氣庫(kù)的設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣量為40.6×10⁸m³，年調(diào)峰量超過22.8×10⁸m³。

新疆呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)于2011年5月開工建設(shè)，該儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣量達(dá)107×10⁸m³，設(shè)計(jì)工作氣量為45.1×10⁸m³。呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)于2013年7月投入使用，到2014年全部工程完工。

2013年4月，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)河南省濮陽(yáng)市中原油田的文23氣田進(jìn)行儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)前期技術(shù)調(diào)研。同年6月，技術(shù)人員對(duì)文23氣田文23～28井實(shí)施注氣先導(dǎo)試驗(yàn)。文23儲(chǔ)氣庫(kù)建成后將是我國(guó)中部地區(qū)最大的儲(chǔ)氣庫(kù)。

依據(jù)國(guó)家的總體戰(zhàn)略部署，我國(guó)將形成四大區(qū)域性聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)的儲(chǔ)氣庫(kù)群：東北儲(chǔ)氣庫(kù)群、華北儲(chǔ)氣庫(kù)群、長(zhǎng)江中下游儲(chǔ)氣庫(kù)群和珠江三角洲儲(chǔ)氣庫(kù)群。國(guó)家“十二五”規(guī)劃(2011—2015年)儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)后，儲(chǔ)氣庫(kù)工作氣量預(yù)計(jì)將占其年總銷售氣量的8％～l0％。

3　國(guó)內(nèi)地下儲(chǔ)氣庫(kù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

①我國(guó)天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)嚴(yán)重滯后于輸氣管道的建設(shè)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀往往是在大型輸氣管道正式投產(chǎn)運(yùn)行以后才啟動(dòng)儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)工程，而地下儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)期平均為5～8a，日益凸顯的調(diào)峰需求與調(diào)峰基礎(chǔ)設(shè)施不足之間的矛盾日益激化。中國(guó)天然氣資源主要集中分布在西部地區(qū)，比如川渝地區(qū)和新疆地區(qū)，而天然氣主要消費(fèi)市場(chǎng)集中在東部和南方經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)^[10]。如果僅僅利用天然氣管道末段或者地面天然氣儲(chǔ)罐這些儲(chǔ)氣調(diào)峰設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)下游天然氣市場(chǎng)的調(diào)峰供氣，不僅操作難度較大，經(jīng)濟(jì)效益也不突出。

②相比國(guó)外發(fā)達(dá)的地下儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)，國(guó)內(nèi)復(fù)雜的地質(zhì)條件給建庫(kù)工作帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。以鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)為例，國(guó)外的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)溶腔洞室多建立在厚或巨厚型鹽丘上，而我國(guó)的鹽巖礦藏以非均質(zhì)薄層狀鹽巖為主，且鹽巖體中含有眾多夾層，因此國(guó)外的一些先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)以及鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的設(shè)計(jì)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)不能直接應(yīng)用到國(guó)內(nèi)建庫(kù)工程中。又如在氣(油)藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)領(lǐng)域，我國(guó)氣(油)藏的埋藏深度普遍較深并且存在氣井單井產(chǎn)能低、儲(chǔ)層(儲(chǔ)層指地下具有一定孔隙性和滲透性的可以儲(chǔ)集和滲濾流體的巖層，以下同)非均質(zhì)性強(qiáng)、儲(chǔ)層改造難度和保護(hù)難度大等難題。

③地下儲(chǔ)氣庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和優(yōu)化運(yùn)行管理是十分復(fù)雜的課題。天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)系統(tǒng)分為地下儲(chǔ)氣設(shè)施和地面廠站兩大部分，分別包含諸多工藝單元，涉及到復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。如鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)，地下儲(chǔ)氣設(shè)備可能受腐蝕、設(shè)備失效、機(jī)械損傷、鹽巖蠕變導(dǎo)致儲(chǔ)氣溶腔變形等不良影響。眾多風(fēng)險(xiǎn)因素給儲(chǔ)氣庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)帶來(lái)了前所未有的難度。

儲(chǔ)氣庫(kù)優(yōu)化運(yùn)行管理的任務(wù)主要是，在符合環(huán)境保護(hù)要求的同時(shí)，用最低的生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用，保證必須的晝夜注(采)氣量，同時(shí)還要保證儲(chǔ)氣庫(kù)在今后規(guī)定時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行潛能。儲(chǔ)氣庫(kù)優(yōu)化管理任務(wù)多，且各項(xiàng)優(yōu)化任務(wù)還可能相互抵觸。因此，如何利用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬與多目標(biāo)優(yōu)化方法結(jié)合，在各個(gè)單目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算，建立儲(chǔ)氣庫(kù)最佳運(yùn)行模式。以上問題能否較為滿意地得到解決直接影響到地下儲(chǔ)氣庫(kù)的調(diào)峰作用以及實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期可持續(xù)運(yùn)營(yíng)。

④當(dāng)今全球天然氣工業(yè)急速發(fā)展，我國(guó)近年來(lái)積極為已建長(zhǎng)輸管道建設(shè)配套儲(chǔ)氣庫(kù)工程，對(duì)具有建庫(kù)潛力的地區(qū)投入大量人力物力考察其建庫(kù)可行性，掀起了儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)高潮。地下儲(chǔ)氣庫(kù)總數(shù)不斷增多，類型不一，且分布在不同的天然氣管道沿線，針對(duì)不同的管徑、不同的運(yùn)行壓力、不同的儲(chǔ)氣庫(kù)注采調(diào)峰方式，如何將輸氣管道與其配套的儲(chǔ)氣庫(kù)作為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化管理是亟待研究的重要課題。

4　對(duì)我國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)發(fā)展的建議

①歐美國(guó)家地下儲(chǔ)氣庫(kù)的發(fā)展和成功運(yùn)營(yíng)的范例揭示了儲(chǔ)氣庫(kù)在天然氣產(chǎn)業(yè)鏈中不可替代的地位，天然氣行業(yè)中的各個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)必須協(xié)調(diào)發(fā)展，才能構(gòu)成一條成熟、完備的產(chǎn)業(yè)鏈，即上游資源的勘探開發(fā)、中游能源的儲(chǔ)存與輸送以及下游市場(chǎng)的能源利用。

國(guó)外尤其是北美地區(qū)天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行已有80多年的歷史^[11]，在儲(chǔ)氣庫(kù)建造、運(yùn)行、管理、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方面有較為完善成熟的法律法規(guī)以及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)在這方面起步較晚，很多涉及儲(chǔ)氣庫(kù)的法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范甚至是空白。雖然我們要積極借鑒學(xué)習(xí)國(guó)外儲(chǔ)氣庫(kù)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，但國(guó)外儲(chǔ)氣庫(kù)的地質(zhì)條件等情況和我國(guó)同類型儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的實(shí)際情況有很大不同，因此不能直接照搬國(guó)外經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)應(yīng)根據(jù)自身的具體情況，相應(yīng)地制定出行之有效的法律法規(guī)及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

②在選擇儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)庫(kù)址之前，應(yīng)對(duì)其地區(qū)及其周圍地域的天然氣用戶市場(chǎng)進(jìn)行全方位的充分調(diào)查，根據(jù)市場(chǎng)的具體需求來(lái)確定儲(chǔ)氣庫(kù)的規(guī)模，同時(shí)更要做好儲(chǔ)氣庫(kù)發(fā)展的中長(zhǎng)期規(guī)劃。儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)通常分為若干期工程，工程規(guī)模的大小很大程度上取決于已建成或規(guī)劃的長(zhǎng)輸管道的走向以及下游天然氣消費(fèi)市場(chǎng)的具體情況，以此確定儲(chǔ)氣庫(kù)中長(zhǎng)期調(diào)峰量以及出于戰(zhàn)略儲(chǔ)備考慮的儲(chǔ)氣庫(kù)規(guī)模。

③應(yīng)持續(xù)關(guān)注鹽穴型地下儲(chǔ)氣庫(kù)的相關(guān)技術(shù)。鹽巖具有孔隙度低、滲透率小、蠕變性能良好、損傷自我恢復(fù)和塑性變形能力強(qiáng)等特性，因而被公認(rèn)為儲(chǔ)存天然氣較為理想的場(chǎng)所。鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)與其他類型的地下儲(chǔ)氣庫(kù)相比還具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：注采氣作業(yè)效率高，儲(chǔ)氣庫(kù)利用率較高，墊層氣氣量低且有需要時(shí)墊層氣可完全采出，鹽巖礦床具有良好的蠕變特性和低滲透率。因此，鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)相對(duì)不易發(fā)生漏氣事故，安全性高^[12]。利用鹽巖溶腔進(jìn)行能源儲(chǔ)存在歐美等西方發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用，世界上許多國(guó)家的能源地下儲(chǔ)存庫(kù)建在巖鹽介質(zhì)或報(bào)廢的鹽礦井中。

我國(guó)鹽巖礦層的基本特點(diǎn)是：鹽巖層數(shù)多，單層厚度薄，含鹽巖地層中不可溶夾層眾多。由此可見，和國(guó)外一些鹽丘型鹽巖相比，我國(guó)利用地下鹽穴溶腔進(jìn)行能源儲(chǔ)存將面臨更復(fù)雜的技術(shù)難題。因此，針對(duì)我國(guó)鹽巖礦層的實(shí)際儲(chǔ)存條件，進(jìn)行能源地下儲(chǔ)存中關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)研究并解決能源儲(chǔ)存中面臨的困難，是我國(guó)戰(zhàn)略能源領(lǐng)域急需開展的重大課題，具有極其重要的意義。

由于我國(guó)鹽層的特殊性，國(guó)外鹽穴型地下儲(chǔ)氣庫(kù)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和建造技術(shù)并不能照搬使用，因此應(yīng)對(duì)鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)的建造技術(shù)、投產(chǎn)運(yùn)行以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面存在的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行針對(duì)性研究。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氣溶腔的建造、投產(chǎn)運(yùn)行后儲(chǔ)氣溶腔的變化規(guī)律、鹽巖夾層垮塌的預(yù)測(cè)和控制技術(shù)是這類儲(chǔ)氣庫(kù)安全平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵點(diǎn)。國(guó)內(nèi)力學(xué)專家學(xué)者對(duì)我國(guó)普遍存在的多層非均質(zhì)薄層狀鹽巖地質(zhì)特點(diǎn)有了一些研究成果，但仍存在諸多技術(shù)盲區(qū)，需要在這方面加大研究力度，有針對(duì)性地根據(jù)我國(guó)鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)的建造以及運(yùn)行管理方面的特點(diǎn)，總結(jié)出關(guān)鍵技術(shù)解決方案并建立相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于枯竭氣(油)藏儲(chǔ)氣庫(kù)，我國(guó)的地質(zhì)儲(chǔ)層條件不夠理想，建庫(kù)技術(shù)相對(duì)國(guó)外落后。建議應(yīng)深入研究地下注排氣機(jī)理、滲流機(jī)理、注采井和觀察井的布置方式等方面。同時(shí)也應(yīng)該積極借鑒國(guó)外成熟的此類儲(chǔ)氣庫(kù)建造技術(shù)，注重優(yōu)化運(yùn)行和安全管理方面的研究。

④重視對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)墊層氣的研究。天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)進(jìn)行注采運(yùn)行時(shí)，必須有一部分墊層氣滯留在庫(kù)中，目的是維持儲(chǔ)氣庫(kù)采氣作業(yè)時(shí)所需的地層壓力，同時(shí)抑制地層水流動(dòng)，防止水體侵入儲(chǔ)氣庫(kù)，保證儲(chǔ)氣庫(kù)工作的穩(wěn)定性。一般來(lái)說，地下儲(chǔ)氣庫(kù)中墊層氣量占整個(gè)儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氣量的15％～75％，其投資費(fèi)用在整個(gè)儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)營(yíng)過程中占到了相當(dāng)大的比例^[13]。墊層氣量又分為基礎(chǔ)墊層氣量和附加墊層氣量?jī)刹糠帧；A(chǔ)墊層氣量是儲(chǔ)氣庫(kù)壓力降低到無(wú)法采出時(shí)儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)殘存的天然氣量，而附加墊層氣量是在基礎(chǔ)墊層氣的基礎(chǔ)上，為保證采氣井能達(dá)到最低設(shè)計(jì)采氣量所需要的額外的墊層氣量。

用惰性氣體代替天然氣作墊層氣可以大幅度減少地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的投資，同時(shí)在儲(chǔ)氣庫(kù)投產(chǎn)后也能節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。目前國(guó)外運(yùn)用惰性氣體作墊層氣的成功范例有很多，比如法國(guó)Beynes儲(chǔ)氣庫(kù)、美國(guó)德克薩斯Hanson儲(chǔ)氣庫(kù)、丹麥Tonder市附近的含水層地質(zhì)構(gòu)造等。在這些儲(chǔ)氣庫(kù)或地質(zhì)儲(chǔ)層中使用二氧化碳或者氮?dú)饣蛘邇烧呋旌蠚庾鳛閴|層氣的研究和實(shí)踐分析表明，當(dāng)注入惰性氣體量占總墊層氣量的20％時(shí)，不會(huì)影響采出氣的質(zhì)量，同時(shí)也達(dá)到了墊層氣維持儲(chǔ)維持氣庫(kù)壓力、節(jié)約儲(chǔ)氣庫(kù)投資費(fèi)用的目的^[14]。

但是采用惰性氣體作墊層氣會(huì)帶來(lái)惰性氣體與天然氣的混合問題，惰性氣體與注入氣(工作氣)混合與擴(kuò)散，導(dǎo)致調(diào)峰時(shí)采出氣的熱值降低、雜質(zhì)增多等一些問題。為了有效預(yù)防及減少惰性氣體與天然氣混合，從混氣機(jī)理上可以采取以下措施：一是選取與工作氣有較大密度差的墊層氣。由于重力作用，兩種氣體之間將出現(xiàn)分層現(xiàn)象而減少混合；二是采取在儲(chǔ)氣庫(kù)外側(cè)注入惰性氣體，而不是向整個(gè)儲(chǔ)氣空間內(nèi)均勻注入，這樣會(huì)形成不同氣體濃度區(qū)域，減少混合。

對(duì)于墊層氣和工作氣的混合問題的定量計(jì)算，國(guó)內(nèi)有學(xué)者對(duì)于混合機(jī)制的模擬以及數(shù)值求解方法進(jìn)行了研究。譚羽非^[15]。建立三維兩相滲流模型和三維氣體擴(kuò)散模型，用跳躍式的求解方法，確定氣體混合時(shí)氣體濃度的變化，模擬計(jì)算出氣—水儲(chǔ)層中儲(chǔ)氣壓力和氣體組成與時(shí)間和空間的函數(shù)關(guān)系。焦文玲等^[16]。通過建立氣一水滲流模型及氣體擴(kuò)散模型，采用有限元求解方法，確定儲(chǔ)氣庫(kù)壓力、含水飽和度及氣體濃度分布情況。李佩銘等^[17]建立了氣—水兩相滲流模型及氣體擴(kuò)散模型，建立了二維平面有限元模型，采用部分離散方法對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行有限元方程的推導(dǎo)。對(duì)于墊層氣和工作氣的摻混現(xiàn)象，李娟娟等^[18]研究了示蹤劑測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于儲(chǔ)氣庫(kù)中墊層氣和工作氣相互摻混時(shí)，如何在混合氣體的邊緣區(qū)域中測(cè)試得到不同氣體的擴(kuò)散系數(shù)，介紹了這項(xiàng)技術(shù)在丹麥岑訥儲(chǔ)氣庫(kù)、法國(guó)杰爾米尼蘇斯庫(kù)隆儲(chǔ)氣庫(kù)、日本Nakajo儲(chǔ)氣庫(kù)等的成功運(yùn)用。

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本文作者：梁光川  田源  蒲宏斌

作者單位：西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院

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