譚茂波，游 鋒，林國(guó)慶，董 翱，徐 羽

（1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司太原分公司，山西太原030000；2.中國(guó)人民解放軍78188部隊(duì)，四川華陽(yáng)610213；3.宜賓華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰?，四川宜賓644000；4.中國(guó)石油青海油田馬仙采油廠，甘肅敦煌 736200；5.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司川東鉆探公司，重慶400021）

天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)類(lèi)型及建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)論述

譚茂波*1，游 鋒2，林國(guó)慶3，董 翱4，徐 羽5

（1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司太原分公司，山西太原030000；2.中國(guó)人民解放軍78188部隊(duì)，四川華陽(yáng)610213；3.宜賓華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰?，四川宜賓644000；4.中國(guó)石油青海油田馬仙采油廠，甘肅敦煌 736200；5.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司川東鉆探公司，重慶400021）

隨著社會(huì)的發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)于天然氣的需求量越來(lái)越大，這就要求采用各種技術(shù)措施來(lái)提高氣藏采收率；而對(duì)于各個(gè)時(shí)期的供氣需求差異，又必須采取相應(yīng)的儲(chǔ)氣措施滿足不同時(shí)期對(duì)天然氣需求量。目前，世界上非常流行的一種方法是建立地下儲(chǔ)氣庫(kù)，以此來(lái)滿足地區(qū)間的季節(jié)調(diào)峰供氣、事故應(yīng)急供氣和戰(zhàn)略儲(chǔ)備供氣等需求。因此，對(duì)孔隙型、洞穴型地下儲(chǔ)氣庫(kù)以及儲(chǔ)氣庫(kù)鉆井技術(shù)、注氣/采氣技術(shù)進(jìn)行了深入研究分析，能夠?yàn)榈叵聝?chǔ)氣庫(kù)建設(shè)提供一套理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)意義，對(duì)地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)意義重大。

地下儲(chǔ)氣庫(kù)；孔隙型儲(chǔ)氣庫(kù)；洞穴型儲(chǔ)氣庫(kù)；儲(chǔ)氣庫(kù)鉆井技術(shù)；儲(chǔ)氣庫(kù)注氣/采氣技術(shù)

1 地下儲(chǔ)氣庫(kù)類(lèi)型

通常按地下儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)氣介質(zhì)劃分，可將目前的地下儲(chǔ)氣庫(kù)分為孔隙型地下儲(chǔ)氣庫(kù)和洞穴型地下儲(chǔ)氣庫(kù)[1-5]。

1.1 孔隙型地下儲(chǔ)氣庫(kù)

孔隙型地下儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氣空間主要為巖層孔隙，但對(duì)地質(zhì)構(gòu)造有一定的要求。地質(zhì)構(gòu)造上需具有積聚氣體的能力；儲(chǔ)氣空間為多孔巖層，且氣體可通過(guò)氣井進(jìn)/出該空間；儲(chǔ)氣空間滲透率不低于0.2μm2，孔隙率不低于10%，厚度不小于4m；有充水的蓋巖層，防止氣體向上泄漏；具有較大深度，因而可達(dá)到較高儲(chǔ)氣壓力；儲(chǔ)氣區(qū)四周被水包圍以防氣體泄漏?？紫缎偷叵聝?chǔ)氣庫(kù)主要包括枯竭油氣田型儲(chǔ)氣庫(kù)，枯竭凝析氣田型儲(chǔ)氣庫(kù)和含水層型儲(chǔ)氣庫(kù)，圖1給出了孔隙型地下儲(chǔ)氣庫(kù)的構(gòu)造

圖1 孔隙型地下儲(chǔ)氣庫(kù)的構(gòu)造

（1）枯竭油氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)?？萁哂蜌獠匦蛢?chǔ)氣庫(kù)是采用枯竭型氣藏或油藏改建而成，這種類(lèi)型的儲(chǔ)氣庫(kù)是目前世界上最普遍、最經(jīng)濟(jì)的一種地下儲(chǔ)氣庫(kù)，具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：儲(chǔ)氣空間大、儲(chǔ)氣壓力大，并具有良好的滲濾條件；具有良好的圈閉條件，儲(chǔ)氣安全性、可靠性高；可利用原有部分氣井和地面設(shè)施，建庫(kù)費(fèi)用較低；可利用老氣田的地質(zhì)資料和開(kāi)采過(guò)程中的動(dòng)態(tài)生產(chǎn)資料，從而為儲(chǔ)氣庫(kù)優(yōu)化運(yùn)行提供依據(jù)。目前世界上利用枯竭油氣藏作為地下儲(chǔ)氣庫(kù)的超過(guò)400座，占地下儲(chǔ)氣庫(kù)總數(shù)的75%以上。例如，阿根廷的第一個(gè)儲(chǔ)氣庫(kù)建于2000年，位于Diadema油田。該油田經(jīng)過(guò)幾十年的開(kāi)采，原油采出程度達(dá)到了85%以上，繼而轉(zhuǎn)換成地下儲(chǔ)氣庫(kù)。該儲(chǔ)氣庫(kù)的功能定位是調(diào)節(jié)瓦達(dá)維壓Comodoro城市的天然氣供給，目前該儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行正常。

（2）含水層型地下儲(chǔ)氣庫(kù)。含水層型儲(chǔ)氣庫(kù)的基本原理是向含水層的孔隙中注入高壓氣體將水排走，并在非滲透性的蓋層下形成一個(gè)儲(chǔ)氣層。含水層型儲(chǔ)氣庫(kù)的數(shù)量?jī)H次于枯竭型油氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)，目前全球有數(shù)量超過(guò)80座的含水層型儲(chǔ)氣庫(kù)，占全球地下儲(chǔ)氣庫(kù)總數(shù)的15%左右，是滿足季節(jié)性調(diào)峰和戰(zhàn)略儲(chǔ)備供氣的一種很好選擇。

但含水層型儲(chǔ)氣庫(kù)具有非常多的缺點(diǎn)：勘探和選址難度較大，建庫(kù)周期長(zhǎng)，一般需要15年及以上；鉆井工程量大，觀測(cè)井所占比例比枯竭型儲(chǔ)氣庫(kù)要多；墊層氣比例非常高，一般占總儲(chǔ)氣容量的50%～60%，這是該類(lèi)型儲(chǔ)氣庫(kù)的顯著特點(diǎn)；儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)工程量大、費(fèi)用投資高、運(yùn)行費(fèi)用高。含水層型儲(chǔ)氣庫(kù)的墊層氣比例和含水巖層的滲透性密切相關(guān)。例如，在一年的注/采天然氣周期中，高滲透率（＞493.45×10-3μm2）儲(chǔ)氣層的墊層氣比例僅為45%，而低滲透率（＜49.35×10-3μm2）儲(chǔ)氣層的墊層氣比例可高達(dá)75%。表1給出了滲透率與墊層氣比例關(guān)系。由表1可以看出，滲透性越好，墊層氣比例就越小，儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行效率更高。

表1 滲透率與墊層氣比例關(guān)系

1.2 洞穴型地下儲(chǔ)氣庫(kù)

洞穴型地下儲(chǔ)氣庫(kù)主要包括鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)、巖洞型儲(chǔ)氣庫(kù)和廢棄礦井型儲(chǔ)氣庫(kù)。

（1）鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)。鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)是利用水將地下鹽層的鹽溶解，以此形成洞穴儲(chǔ)存天然氣。該類(lèi)型的地下儲(chǔ)氣庫(kù)具有利用率高、注氣時(shí)間短、墊層氣用量少和可將墊層氣完全采出的優(yōu)點(diǎn)。但從儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)容量來(lái)看，鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于枯竭型油氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)和含水層型儲(chǔ)氣庫(kù)的庫(kù)容量。而且單位有效容積的成本高，水溶鹽造穴所需時(shí)間長(zhǎng)，建庫(kù)周期久。目前世界上有鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)約44座，占地下儲(chǔ)氣庫(kù)總數(shù)的8%。建造鹽穴具有如下基本原則：只有當(dāng)鹽層中的不溶解物質(zhì)含量低于25%時(shí)才能采用浸溶（leach）法建造鹽穴。庫(kù)址附近必須有充足的淡水或者輕度含鹽的水；有適于排放鹽水的場(chǎng)所；浸溶過(guò)程可分為5～8個(gè)階段，可能延續(xù)幾年；各鹽穴的間距必須大于規(guī)定的距離。

（2）巖洞型儲(chǔ)氣庫(kù)。巖洞型儲(chǔ)氣庫(kù)是利用在地下巖層中挖掘出一個(gè)封閉的空間來(lái)儲(chǔ)存天然氣。具有選址方便（可以建在大多數(shù)的巖層中）、經(jīng)濟(jì)有效的一種地下儲(chǔ)氣庫(kù)，特別對(duì)孔隙性差的地層和巖層的地區(qū)，巖洞型儲(chǔ)氣庫(kù)是一種比較實(shí)用的地下儲(chǔ)氣庫(kù)。但該類(lèi)型的儲(chǔ)氣庫(kù)具有建庫(kù)成本高、密封難度大的缺點(diǎn)。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，一些國(guó)家開(kāi)展了巖洞型儲(chǔ)氣庫(kù)的前期研究工作。

（3）廢棄礦井型儲(chǔ)氣庫(kù)。廢棄礦井型儲(chǔ)氣庫(kù)是利用符合儲(chǔ)氣條件的廢棄礦井進(jìn)行天然氣的存儲(chǔ)。由于該類(lèi)型的地下儲(chǔ)氣庫(kù)具有密封性差、安全和環(huán)保性能差等缺點(diǎn)，該類(lèi)型的地下儲(chǔ)氣庫(kù)在世界上分布非常少。

2 地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鉆井技術(shù)

（1）鉆井方式的選擇。在枯竭油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)井的鉆井方式上，為了便于儲(chǔ)氣庫(kù)集中管理、減少搬井次數(shù)和節(jié)約儲(chǔ)氣庫(kù)成本，主要采用叢式井組設(shè)計(jì)。在地面布置井組，每個(gè)井組鉆2～10口注采井不等。新鉆注采井井間距應(yīng)考慮井場(chǎng)面積、布井?dāng)?shù)量、安全生產(chǎn)以及后期作業(yè)等因素，原則上不小于10m。例如，荷蘭Norg儲(chǔ)氣庫(kù)采用的是叢式井的井場(chǎng)設(shè)計(jì)，其中一個(gè)井組完鉆10口注采井，井間距為10m。為了提高儲(chǔ)氣庫(kù)井的單井注采能力，儲(chǔ)氣庫(kù)注采井應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)氣層的地質(zhì)特征，優(yōu)先采用水平井或定向井與水平井的組合，其中原則上水平段長(zhǎng)度應(yīng)大于500m。例如，德國(guó)B-E儲(chǔ)氣庫(kù)所鉆的注采井中，最大水平位移為1514m。

（2）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。注采井井身結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期周期性高強(qiáng)度注采及安全生產(chǎn)的需要，各層套管下深應(yīng)結(jié)合當(dāng)前實(shí)際地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力資料進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了提高儲(chǔ)氣庫(kù)單井注采能力，使儲(chǔ)氣庫(kù)能滿足季節(jié)調(diào)峰供氣和應(yīng)急供氣的功能，宜采用較大尺寸的井身結(jié)構(gòu)，原則上生產(chǎn)套管的尺寸不小于?177.8mm。

（3）固井技術(shù)。在儲(chǔ)氣庫(kù)井的建設(shè)中，固井技術(shù)是重中之重，一方面儲(chǔ)氣庫(kù)具有運(yùn)行周期長(zhǎng)、強(qiáng)注強(qiáng)采和周期循環(huán)的特殊要求，這些給固井帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；另外，枯竭型油氣藏由于經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采，地層壓力勢(shì)必會(huì)大大減少，在固井注水泥時(shí)會(huì)帶來(lái)壓破地層的風(fēng)險(xiǎn)，這些復(fù)雜地質(zhì)特征給固井施工帶來(lái)了困難。

為了滿足儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期交變應(yīng)力條件下對(duì)生產(chǎn)套管強(qiáng)度的要求，應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行壓力按不同工況采用等安全系數(shù)法進(jìn)行設(shè)計(jì)和三軸應(yīng)力校核。生產(chǎn)套管材質(zhì)應(yīng)結(jié)合油氣藏流體性質(zhì)和外來(lái)氣質(zhì)進(jìn)行選擇。生產(chǎn)套管及上一層技術(shù)套管應(yīng)選用氣密封螺紋，套管附件機(jī)械參數(shù)、螺紋密封等性能應(yīng)與套管相匹配。為保證氣密螺紋的氣密性能，下套管作業(yè)應(yīng)由專業(yè)隊(duì)伍采用專用工具完成，生產(chǎn)套管應(yīng)逐根進(jìn)行螺紋氣密性檢測(cè)，螺紋密封檢測(cè)壓力為儲(chǔ)氣庫(kù)井口運(yùn)行上限壓力的1.1倍。生產(chǎn)套管固井不使用分級(jí)箍，若封固段長(zhǎng)應(yīng)采用尾管懸掛再回接方式固井。生產(chǎn)套管固井推薦使用套管管外封隔器，配合固井措施提高防氣竄能力。

生產(chǎn)尾管及蓋層段固井應(yīng)使用具有柔韌性的微膨脹水泥體系。水泥漿游離液控制為0，濾失量控制在50mL以內(nèi)，沉降穩(wěn)定性試驗(yàn)的水泥石柱上下密度差應(yīng)小于0.02g/cm3，水泥石氣體滲透率應(yīng)小于0.05× 10-3μm2，膨脹率0.03%～1.5%。①常規(guī)密度水泥石24～48h抗壓強(qiáng)度應(yīng)不小于14MPa，7d抗壓強(qiáng)度應(yīng)不小于儲(chǔ)氣庫(kù)井口運(yùn)行上限壓力的1.1倍，但原則上不小于30MPa。②低密度水泥石24～48h抗壓強(qiáng)度應(yīng)不小于12MPa，7d抗壓強(qiáng)度應(yīng)不小于儲(chǔ)氣庫(kù)井口運(yùn)行上限壓力的1.1倍，但原則上不小于25MPa。各層套管固井水泥漿均應(yīng)返至地面，應(yīng)在施工前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)樣品進(jìn)行復(fù)核實(shí)驗(yàn)。固井過(guò)程中應(yīng)取水泥和水樣品評(píng)價(jià)其性能。生產(chǎn)套管固井應(yīng)采用批混批注方式施工，水泥漿密度差小于0.02g/cm3。水泥膠結(jié)質(zhì)量檢測(cè)應(yīng)選擇聲幅/變密度測(cè)井，生產(chǎn)套管及蓋層段應(yīng)增加超聲波成像測(cè)井，測(cè)井資料按照相應(yīng)技術(shù)要求進(jìn)行處理，處理結(jié)果包括第一、二界面膠結(jié)程度和水泥充填率等內(nèi)容，并對(duì)水泥環(huán)封固質(zhì)量及層間封隔情況等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。生產(chǎn)套管固井質(zhì)量膠結(jié)合格段長(zhǎng)度不小于70%；對(duì)于封固蓋層的技術(shù)套管，蓋層段固井質(zhì)量連續(xù)優(yōu)質(zhì)水泥段不小于25m，且膠結(jié)合格段長(zhǎng)度不小于70%。生產(chǎn)套管應(yīng)采用清水介質(zhì)進(jìn)行試壓，試壓至井口運(yùn)行上限壓力的1.1倍，但不能超出生產(chǎn)套管任一點(diǎn)的最小屈服壓力值，30min壓降不大于0.5MPa為合格。

2.2 注氣/采氣技術(shù)

（1）墊層氣替換技術(shù)。地下儲(chǔ)氣庫(kù)總?cè)萘恐邪üぷ鳉猓ɑ顒?dòng)氣）和墊層氣（殘余氣）兩部分。墊層氣的主要作用是使儲(chǔ)氣庫(kù)在一次抽氣末期保持一定的壓力、提高氣井產(chǎn)量、抑制地層水流動(dòng)等。墊層氣在儲(chǔ)氣庫(kù)中是不能抽出的氣體，地下儲(chǔ)氣庫(kù)的墊層氣量少則占儲(chǔ)氣量的15%，多則占75%。迄今為止在建庫(kù)時(shí)都采用注入天然氣作墊層氣，這不僅大大增加了地下儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)氣投資，還沉積了大量的“死資金”。以美國(guó)為例，1987年美國(guó)地下儲(chǔ)氣庫(kù)中總墊層氣氣量達(dá)1080× 108m3。按天然氣礦場(chǎng)平均每$60/1000m3，當(dāng)年墊層氣長(zhǎng)期沉積的資金達(dá)64億美元。

而采用CO2等惰性氣體作為新建地下儲(chǔ)氣庫(kù)的墊層氣可節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本；對(duì)現(xiàn)有的儲(chǔ)氣庫(kù)采用惰性氣體置換出天然氣，則可以減少儲(chǔ)氣操作費(fèi)用。因此，美國(guó)、前蘇聯(lián)等一些地下儲(chǔ)氣庫(kù)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，就如何減少儲(chǔ)氣庫(kù)中的墊層氣量、采用惰性氣體、氮?dú)?、二氧化碳或壓氣機(jī)組廢棄等代替天然氣作儲(chǔ)氣庫(kù)墊層氣，開(kāi)展了廣泛而大量的研究工作，并取得了可喜的成績(jī)。采用惰性氣體作墊層氣，避免與天然氣發(fā)生混合是關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。法國(guó)和美國(guó)的解決辦法是在儲(chǔ)氣層外側(cè)注入惰性氣，而不是在整個(gè)儲(chǔ)氣庫(kù)均勻注入，這樣惰性氣體滯留在外側(cè)，可實(shí)現(xiàn)惰性氣體作為墊層氣維持庫(kù)容容積和壓力的功能。

（2）注氣/采氣工藝流程。一般情況下，地下儲(chǔ)氣庫(kù)注氣、采氣工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 地下儲(chǔ)氣庫(kù)注氣/采氣工藝

注氣工藝流程為：當(dāng)上游長(zhǎng)輸管道供應(yīng)的天然氣流量大于天然氣輸配管網(wǎng)的用戶使用量時(shí)，多出的天然氣進(jìn)入儲(chǔ)氣庫(kù)工藝站場(chǎng)的加壓機(jī)(一般為燃?xì)饧訅簷C(jī))加壓后，分別送各儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)存，加壓機(jī)出口設(shè)計(jì)壓力一般等于地下儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)壓力。采氣工藝流程為，下游天然氣輸配管網(wǎng)用氣高峰期，上游供應(yīng)量不足或出現(xiàn)事故時(shí)，將地下儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)存的天然氣經(jīng)過(guò)凈化、調(diào)壓處理后，送天然氣輸配管網(wǎng)，供用戶使用，以彌補(bǔ)上游供應(yīng)量的不足。儲(chǔ)氣庫(kù)工藝站場(chǎng)設(shè)置凈化裝置的作用，是凈化、分離一些隨天然氣帶出的雜質(zhì)、水分、輕烴等物質(zhì)，避免對(duì)管道輸送產(chǎn)生不良影響。

3 國(guó)內(nèi)地下儲(chǔ)氣庫(kù)展望

地下儲(chǔ)氣庫(kù)在天然氣工業(yè)發(fā)展過(guò)程中的作用重大[6-8]，因此，政府和企業(yè)都對(duì)此高度重視。依據(jù)國(guó)家總體戰(zhàn)略部署，中國(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。展望2020年，國(guó)家將規(guī)劃建設(shè)地下儲(chǔ)氣庫(kù)30座以上，可調(diào)峰總量達(dá)320×108m3。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和對(duì)能源需求的日益增長(zhǎng)，地下儲(chǔ)氣庫(kù)將在中國(guó)的油氣消費(fèi)、油氣安全領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，建庫(kù)目標(biāo)將從目前的調(diào)峰型向戰(zhàn)略儲(chǔ)備型方向延伸及發(fā)展，建庫(kù)技術(shù)水平也將在實(shí)踐中不斷得到提高。

4 結(jié)論與建議

（1）欲提高儲(chǔ)氣庫(kù)新注采井的固井質(zhì)量，主要從提高頂替效率、提高水泥環(huán)密封性和防止氣竄三方面制定技術(shù)措施。

（2）生產(chǎn)套管采用氣密扣加套管外封隔器的管柱設(shè)計(jì)。采用懸掛加回接的固井工藝。懸掛段采用彈性水泥漿體系，回接段采用防氣竄水泥漿體系是提高水泥環(huán)氣密性的有效措施。

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TE972

A

1004-5716(2015)09-0025-04

2014-09-18

譚茂波（1988-），男（漢族），重慶人，助理工程師，現(xiàn)從事煤層氣方面的技術(shù)工作。