文｜宋曉文

相國寺儲(chǔ)氣庫。資料圖

復(fù)雜地質(zhì)條件下氣藏型儲(chǔ)氣庫建設(shè)技術(shù)創(chuàng)造了世界儲(chǔ)氣庫建設(shè)的多項(xiàng)第一，創(chuàng)新成果整體達(dá)到國際先進(jìn)水平，成為防范與化解我國天然氣供應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)的“壓艙石”。

要將地面的一條“氣龍”降伏，注入地下2500米深處的天然氣“糧倉”，有多難？　中國西南最大的儲(chǔ)氣庫——相國寺儲(chǔ)氣庫已經(jīng)做了這樣一件事。

新冠肺炎疫情期間，為保障國內(nèi)天然氣產(chǎn)供儲(chǔ)銷平衡，這座藏身重慶華鎣山麓的儲(chǔ)氣庫開啟了應(yīng)急注氣調(diào)峰模式。這也是自2013年6月29日第一次試注成功以來，相國寺儲(chǔ)氣庫首次在采氣期開啟應(yīng)急注氣模式。

儲(chǔ)氣庫相當(dāng)于天然氣地下“糧倉”，具有存量大、調(diào)峰范圍廣、使用年限長、安全系數(shù)高等特點(diǎn)，在極端天氣、突發(fā)事件以及戰(zhàn)略儲(chǔ)備中發(fā)揮著不可替代的作用。

目前，國內(nèi)類似的天然氣“糧倉”共有27座：中國石油23座(22座氣藏型、1座鹽穴型)，中國石化3座，港華燃?xì)?座，設(shè)計(jì)總工作氣量231億立方米。自2000年中國第一座商業(yè)儲(chǔ)氣庫——天津大張坨儲(chǔ)氣庫建成投產(chǎn)以來，中國石油不斷攻關(guān)復(fù)雜地質(zhì)條件下氣藏型儲(chǔ)氣庫建設(shè)技術(shù)難題，用20年走過了國外50年的發(fā)展歷程，結(jié)束了我國“有氣無庫”歷史，建成了22座氣藏型儲(chǔ)氣庫，年采氣能力超過110億立方米，最高日采氣量超1億立方米。

2019年底，復(fù)雜地質(zhì)條件氣藏型儲(chǔ)氣庫關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化成果鑒定會(huì)上，12名中國科學(xué)院和中國工程院院士領(lǐng)銜的專家組認(rèn)為，中國石油復(fù)雜地質(zhì)條件下氣藏型儲(chǔ)氣庫建設(shè)技術(shù)創(chuàng)造了“斷裂系統(tǒng)最復(fù)雜、儲(chǔ)層埋藏最深、地層溫度最高、注氣壓力最高、地層壓力系數(shù)最低”等氣藏型儲(chǔ)氣庫建設(shè)的世界第一，創(chuàng)新成果整體達(dá)到國際先進(jìn)水平。

“我們國家這套復(fù)雜地質(zhì)條件下氣藏型儲(chǔ)氣庫技術(shù)和理論走到了世界前列，另外這種低孔低滲儲(chǔ)層強(qiáng)采強(qiáng)注的儲(chǔ)庫技術(shù)，我們也走到了世界前列?！敝袊茖W(xué)院院士鄒才能說。

“只要有天然氣規(guī)模利用就要有儲(chǔ)氣庫”

中國儲(chǔ)氣庫建設(shè)與國內(nèi)天然氣消費(fèi)快速增長有直接關(guān)系。

從數(shù)據(jù)上看，2000年我國天然氣消費(fèi)245億立方米，2010年達(dá)到1000億立方米，2019年達(dá)到3067億立方米。《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》更提出天然氣發(fā)展目標(biāo)：力爭2020年、2030年天然氣占一次能源消費(fèi)比重分別達(dá)到10%左右和15%左右。

值得注意的是，我國天然氣市場季節(jié)用氣波動(dòng)比較大，比如北京冬季用氣量是夏季的4到10倍，國際通行方法是通過建設(shè)儲(chǔ)氣庫進(jìn)行季節(jié)調(diào)峰，最近幾年大張坨、相國寺等儲(chǔ)氣庫冬天向北京提供了30%-40%的高峰用氣。

為滿足國內(nèi)天然氣需求，我國天然氣進(jìn)口量一直在增加，對(duì)外依存度不斷攀升。2018年，我國成為世界最大的天然氣進(jìn)口國，進(jìn)口天然氣1254億立方米，對(duì)外依存度升至45.3%。2019年對(duì)外依存度雖有下降，但也達(dá)到了43.4%。

進(jìn)口氣量加大，增加了突發(fā)事件導(dǎo)致的供應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)。2017年中亞進(jìn)口氣因突發(fā)事件每天減供4000萬立方米令人記憶猶新，沿線儲(chǔ)氣庫日增供氣3000萬立方米?！澳菚r(shí)要是沒有儲(chǔ)氣庫發(fā)揮作用，很多家庭冬天取暖都會(huì)遇到困難。”中國石油勘探開發(fā)研究院院長馬新華說。

“只要有天然氣規(guī)模利用就要有儲(chǔ)氣庫?！瘪R新華目睹了中國儲(chǔ)氣庫從無到有并形成規(guī)模儲(chǔ)氣能力、建設(shè)技術(shù)走向成熟的歷史，他明確指出天然氣產(chǎn)業(yè)鏈具有生產(chǎn)、輸送、儲(chǔ)存、銷售四個(gè)環(huán)節(jié)，缺一個(gè)都不能稱之為天然氣產(chǎn)業(yè)鏈。

相比世界上大部分儲(chǔ)氣庫，我國儲(chǔ)氣庫起步比較晚，國外儲(chǔ)氣庫建設(shè)大概有100年的歷史，我國儲(chǔ)氣調(diào)峰是目前天然氣產(chǎn)業(yè)鏈的短板，補(bǔ)齊短板尤為迫切。

2017年以來，我國要求建立天然氣儲(chǔ)備制度，提升儲(chǔ)氣調(diào)峰能力。2018年，國家提出要建設(shè)年消費(fèi)量16%的儲(chǔ)氣調(diào)峰能力目標(biāo)，特別是2018年2月，習(xí)近平總書記做出“要把天然氣產(chǎn)供儲(chǔ)銷體系建設(shè)作為一個(gè)重點(diǎn)工作抓好，以防再現(xiàn)‘氣荒”的指示。2019年10月11日，李克強(qiáng)總理在主持召開的國家能源委員會(huì)會(huì)議上提出，增強(qiáng)油氣安全儲(chǔ)備和應(yīng)急保障能力是長期戰(zhàn)略任務(wù)。

儲(chǔ)氣庫調(diào)峰保供應(yīng)急作用日益凸顯。中國石油儲(chǔ)氣庫調(diào)峰數(shù)據(jù)顯示，截至2020年3月，國內(nèi)27座儲(chǔ)氣庫累計(jì)調(diào)峰供氣量突破500億立方米，相當(dāng)于2019年全年天然氣消費(fèi)量的六分之一，創(chuàng)歷史新高。

儲(chǔ)氣庫：“從0到1”

不過，“從0到1”絕非一帆風(fēng)順。在中國石油勘探開發(fā)研究院地下儲(chǔ)氣庫研究所黨支部書記丁國生的記憶中，上世紀(jì)九十年代，隨著陜甘寧靖邊氣田發(fā)現(xiàn)，陜京一線供北京用氣安全成為一個(gè)課題。當(dāng)時(shí)極少數(shù)去國外考察的人說，國外通過儲(chǔ)氣庫保障天然氣管線供應(yīng)安全，大概有氣藏型、含水層、鹽穴、礦坑4類儲(chǔ)氣庫，了解上述信息后，選址團(tuán)隊(duì)即開始選址。

選址團(tuán)隊(duì)先后考察門頭溝煤礦、牛頭鎮(zhèn)構(gòu)造、風(fēng)和營含水層、華北油田油氣藏等地，遺憾的是，不是因密封性不好，就因油氣藏還有一定開采價(jià)值作罷。最終選擇的是一處未開發(fā)的凝析氣藏——天津大張坨作為我國的第一座商業(yè)儲(chǔ)氣庫。

如果往前追溯，1980年5月，中國第一座地下天然氣貯氣庫（儲(chǔ)氣庫）就在大慶正式投入使用。這座名為喇嘛甸的貯氣庫1975年建成，試用了五年，效果較好。

大張坨儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)方案邀請(qǐng)美國一家公司和中方團(tuán)隊(duì)背靠背設(shè)計(jì)，主要是為“找差距”。據(jù)丁國生回憶，美國人是按市場需求來設(shè)計(jì)方案，中方是按照氣田開發(fā)來設(shè)計(jì)方案，“兩者是完全不一樣的思路”。

正如馬新華所說，早期技術(shù)不是很成熟，那個(gè)階段建設(shè)的儲(chǔ)氣庫大多沒有達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，達(dá)容率大概70%左右。最明顯的是，大港板中北投運(yùn)16年實(shí)際工作氣量僅為方案設(shè)計(jì)指標(biāo)的56%。

早期面臨的問題是，讓業(yè)界接受不同類型的儲(chǔ)氣庫。以配套西氣東輸一線的金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫為例，2001年4月7日，河北廊坊中國石油國際飯店舉行西氣東輸可行性研究論證會(huì)，丁國生作金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫匯報(bào)。“因?yàn)辂}穴儲(chǔ)氣庫在中國是一個(gè)全新而十分陌生的概念，加上與國外優(yōu)良的建庫條件差距較大，與會(huì)專家普遍擔(dān)心中國建造鹽穴儲(chǔ)氣的安全性，地下一千多米深，你弄那么大的洞，還要存氣，漏了怎么辦？”他回憶道。

鹽穴儲(chǔ)氣庫成本比較高，每1億立方米工作氣量，需投資5億至6億元人民幣。而利用枯竭油氣藏建儲(chǔ)氣庫，地質(zhì)簡單的庫1億立方米工作氣量投資需2億多元，地質(zhì)復(fù)雜的庫投資超過3億元。不過，正是這種堅(jiān)持探索，為復(fù)雜鹽層鹽穴儲(chǔ)氣庫突破創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。

事實(shí)上，2004年的北京氣荒、2008—2009年的冰雪災(zāi)害導(dǎo)致的氣荒、2016-2017年煤改氣政策快速推進(jìn)導(dǎo)致的氣荒，讓各界意識(shí)到儲(chǔ)氣庫的應(yīng)急作用，促進(jìn)了儲(chǔ)氣庫建設(shè)。特別是冰雪災(zāi)害之后，呼圖壁、相國寺、蘇橋庫群、雙6、板南庫群、陜224等儲(chǔ)氣庫陸續(xù)上馬。

突破世界禁區(qū)

對(duì)于中國儲(chǔ)氣庫建設(shè)者而言，找到一塊好庫址，無異于撿到寶。

用馬新華的話來說，我國東部地層主要處于拉張環(huán)境下，形成斷陷盆地，“就像一個(gè)摔碎的盤子，還被踢了一腳”。西部則主要處于擠壓環(huán)境下，形成疊合盆地。上面是陸相，下面是海相，且很多地層被破壞掉了。

這種構(gòu)造破碎、儲(chǔ)層非均質(zhì)強(qiáng)的建庫地質(zhì)條件，造成在我國中東部選擇庫址更難，而國外儲(chǔ)氣庫選址余地較大，可選擇構(gòu)造較完整、無斷層或極少斷層，儲(chǔ)層高孔、高滲的氣藏或含水層建設(shè)儲(chǔ)氣庫，很多儲(chǔ)層滲透率均是達(dá)西級(jí)。這種情況下，國內(nèi)儲(chǔ)氣庫選址必須解決動(dòng)態(tài)密封性和庫容高效利用難題。

“儲(chǔ)氣庫最重要的是要把氣高壓注進(jìn)去，要把它保存好，然后每年要注，每年要采，對(duì)地下密封條件要求很高。跟國外一對(duì)比，我們國家地質(zhì)條件是目前在世界上建設(shè)儲(chǔ)氣庫最具挑戰(zhàn)性的?！瘪R新華說。

不僅地質(zhì)條件差，而且儲(chǔ)層埋藏深、溫度高。華北蘇4深層潛山儲(chǔ)氣庫，是世界上埋藏最深、壓力最高、溫度最高的儲(chǔ)氣庫，平均埋深達(dá)到3200米，最深埋深達(dá)到了5399米，溫度139℃，壓力48MPa。與之對(duì)應(yīng)的是，根據(jù)丁國生團(tuán)隊(duì)的研究，國外七百多座儲(chǔ)氣庫平均埋深在1000米左右，80％的儲(chǔ)氣庫埋深1500米以內(nèi)。

形象而言，如果儲(chǔ)氣庫埋藏深了，相當(dāng)于高血壓，地面注氣壓力就要高，注氣的心臟——壓縮機(jī)的負(fù)荷就更重；此外，大量快速注氣，要求注氣井的口徑大，口徑大、井深、地層溫度高，就要求鉆機(jī)的負(fù)荷大，鉆進(jìn)、固井以及處理井漏、井壁垮塌等施工作業(yè)的難度增大，整體帶來的就是建造成本高、運(yùn)行成本高、風(fēng)險(xiǎn)管控難。

此外，國內(nèi)儲(chǔ)氣庫儲(chǔ)層壓力系數(shù)超低，最具代表性的就是相國寺儲(chǔ)氣庫壓力系數(shù)只有0.1，鉆井過程中極易造成儲(chǔ)層污染、泥漿漏失，嚴(yán)重影響儲(chǔ)層建庫效率和單井注采能力?！耙话阄覀兏阌蜌忾_發(fā)沒有這么低的壓力。”西南油氣田公司氣田開發(fā)管理部高級(jí)工程師毛川勤說。

同時(shí)，我國儲(chǔ)氣庫注氣壓力和骨干管網(wǎng)壓力均為世界最高，在這種復(fù)雜地質(zhì)條件下，需要滿足“大吞大吐，反復(fù)注采”，地下-井筒-地面風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多，一旦“封不住”出現(xiàn)泄漏，不僅儲(chǔ)氣庫報(bào)廢且威脅公共安全。

2015年10月，美國　Aliso Canyon儲(chǔ)氣庫發(fā)生的泄漏事故就是例證。該事故直接原因是天然氣注入井套管破裂導(dǎo)致天然氣泄漏,泄漏持續(xù)了111天，事故導(dǎo)致1.1萬名居民疏散，經(jīng)濟(jì)損失10億美元，這也是美國歷史上最大的天然氣泄漏事故。

理論、設(shè)備、材料國產(chǎn)化

正是在這種復(fù)雜油氣地質(zhì)條件下，中國石油創(chuàng)立了一套適合中國地質(zhì)條件的儲(chǔ)氣庫選址理論及關(guān)鍵技術(shù)，改變了儲(chǔ)氣庫“選址無理論、設(shè)計(jì)無方法、建設(shè)無技術(shù)、管控?zé)o手段”的困局。

從選址角度，這套被稱為復(fù)雜斷塊儲(chǔ)氣庫斷層和蓋層動(dòng)態(tài)密封理論，突破了儲(chǔ)氣庫選址的“禁區(qū)”。通俗來說，儲(chǔ)氣庫好比一個(gè)埋在地下兩千多米深的“糧倉”，天然氣就儲(chǔ)存在“糧倉”里，評(píng)價(jià)即要把“糧倉”能否安全儲(chǔ)氣說清楚，儲(chǔ)氣庫需要周圍包裹得很好，不會(huì)泄漏。以儲(chǔ)氣庫動(dòng)態(tài)密封理論為指導(dǎo)，可以解決密封評(píng)價(jià)難題，是實(shí)現(xiàn)“存得住”的一個(gè)先決條件。動(dòng)態(tài)密封理論實(shí)現(xiàn)了從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，從定性到定量的轉(zhuǎn)變，突破了復(fù)雜地質(zhì)條件選庫的技術(shù)瓶頸。

從設(shè)計(jì)角度，創(chuàng)新了復(fù)雜地質(zhì)條件氣藏型儲(chǔ)氣庫高速注采滲流理論和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，建立了復(fù)雜儲(chǔ)氣庫庫容參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)體系，使得復(fù)雜儲(chǔ)氣庫能夠充分發(fā)揮效率。中國石油勘探開發(fā)研究院首席專家魏國齊表示，這套指標(biāo)體系讓庫容預(yù)測精度較國外提升了20%，庫容利用率由70%提高至90%以上，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜儲(chǔ)層儲(chǔ)氣庫能夠高效“采得出”。

在工程建設(shè)技術(shù)方面，創(chuàng)新了交變載荷防裂隙固井技術(shù)、超低壓地層堵漏技術(shù)和高壓大流量注采核心裝備，攻克了復(fù)雜深層儲(chǔ)氣庫工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。根據(jù)研究，晶須納米韌性水泥漿體系抗壓強(qiáng)度、耐溫差、穩(wěn)定性等指標(biāo)均優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，在相國寺儲(chǔ)氣庫固井質(zhì)量100%合格。復(fù)合凝膠堵漏材料用于儲(chǔ)氣庫超低壓地層隨鉆和承壓堵漏，一次成功率由30%提升至80%以上。

要想“注得進(jìn)”，往復(fù)式壓縮機(jī)是儲(chǔ)氣庫注采的關(guān)鍵設(shè)備,之前國內(nèi)主要進(jìn)口Ariel等歐美公司產(chǎn)品。2017年9月，成都?jí)嚎s機(jī)廠自主研發(fā)的最大功率高速往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)用于蘇橋儲(chǔ)氣庫，我國成為世界上第二個(gè)具備制造同等級(jí)壓縮機(jī)的國家，該壓縮機(jī)獲“改革開放40周年——機(jī)械工業(yè)杰出產(chǎn)品”。

“國外那些庫都是幾十年前建的，我們的對(duì)象比它復(fù)雜，就得用最新的工程技術(shù)。”丁國生說。

從管控手段而言，創(chuàng)新復(fù)雜地質(zhì)體和井筒泄漏風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別定位與評(píng)價(jià)技術(shù)，解決了儲(chǔ)氣庫長期運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的難題，構(gòu)建了儲(chǔ)氣庫“地下-井筒-地面”三位一體的全生命周期風(fēng)險(xiǎn)管控體系。

通俗而言，選址階段已對(duì)儲(chǔ)氣庫的斷層、蓋層、溢出點(diǎn)等進(jìn)行了精細(xì)刻畫，在此基礎(chǔ)上部署的一些隨時(shí)間變化，隨注采活動(dòng)變化的監(jiān)控，如巖石形變微地震信號(hào)與定位、井筒泄漏超聲波檢測定位等。如果出現(xiàn)不同事件，可以提前檢測預(yù)警，分析數(shù)據(jù)，調(diào)整儲(chǔ)氣庫工作方案，從而提高儲(chǔ)氣庫運(yùn)行效率。

“用最先進(jìn)的技術(shù)手段去分析監(jiān)控這個(gè)儲(chǔ)氣體，保證儲(chǔ)氣體在目前運(yùn)行20年沒有出現(xiàn)事故，這就是我們的水平。”毛川勤說。

底氣很足

新冠肺炎疫情以來，全球經(jīng)濟(jì)受到巨大沖擊，國際油價(jià)大幅下跌，國際形勢錯(cuò)綜復(fù)雜，我國能源嚴(yán)重依賴進(jìn)口，天然氣供應(yīng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，只有加快儲(chǔ)氣能力建設(shè)，才能確保天然氣平穩(wěn)供應(yīng)，才能確保國家能源安全。國家已經(jīng)啟動(dòng)新一輪儲(chǔ)氣能力建設(shè)，儲(chǔ)氣庫迎來了發(fā)展的黃金機(jī)遇期。

中國石油提出要因地制宜，分層次分區(qū)域建立六大儲(chǔ)氣中心，具備建成700億立方米工作氣量建庫資源，其中華北、東北、西南、中西部等主要消費(fèi)區(qū)儲(chǔ)氣中心分別具備70、135、180、200億立方米工作氣量建庫資源。規(guī)劃到2020、2030年分別建成130億、405億立方米工作氣量，滿足國家要求的儲(chǔ)氣任務(wù)。

魏國齊認(rèn)為，該目標(biāo)面臨三大挑戰(zhàn)：一是建庫目標(biāo)更加復(fù)雜、優(yōu)質(zhì)建庫資源日益匱乏的挑戰(zhàn)；二是特殊巖性氣藏、復(fù)雜斷塊油藏、含水層等不同類型儲(chǔ)氣庫建庫技術(shù)的挑戰(zhàn)；三是深度挖掘現(xiàn)役儲(chǔ)氣庫調(diào)峰潛力、提高運(yùn)行效率的挑戰(zhàn)。

馬新華透露，包括土耳其、烏茲別克斯坦等國家，紛紛主動(dòng)找到中國石油，邀請(qǐng)去設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣庫，這和上世紀(jì)九十年代有了天壤之別?！拔覀儨?zhǔn)備將這套東西進(jìn)行技術(shù)輸出，去為一帶一路沿線國家建儲(chǔ)氣庫。”

2018年3月，重慶召開中國儲(chǔ)氣庫科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展國際高峰論壇期間，法國Storengy公司高級(jí)業(yè)務(wù)經(jīng)理馬克·福萬認(rèn)為，歐洲雖然有早于中國的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，但如果能夠向中國同行學(xué)習(xí)，對(duì)于世界的儲(chǔ)氣庫發(fā)展都是有益的。

我國儲(chǔ)氣庫具有后發(fā)優(yōu)勢，在學(xué)習(xí)國外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用最先進(jìn)的技術(shù)，走跟隨創(chuàng)新、集成創(chuàng)新的路子。歷經(jīng)二十年持續(xù)攻關(guān)，取得了一批創(chuàng)新成果，積累了儲(chǔ)氣庫建設(shè)和管理的經(jīng)驗(yàn)，將為2030年我國建成405億立方米工作氣量的藍(lán)圖提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。2020年4月10日，國家發(fā)展改革委等五部門聯(lián)合下發(fā)文件，要求加快推進(jìn)天然氣儲(chǔ)備能力建設(shè)，作為儲(chǔ)氣庫建設(shè)和管理的主力軍，中國石油底氣很足。