天然氣地下儲氣庫類型及建設關鍵技術論述

譚茂波，游 鋒，林國慶，董 翱，徐 羽

（1.中聯煤層氣有限責任公司太原分公司，山西太原030000；2.中國人民解放軍78188部隊，四川華陽610213；3.宜賓華潤燃氣有限公司，四川宜賓644000；4.中國石油青海油田馬仙采油廠，甘肅敦煌 736200；5.中國石油川慶鉆探工程公司川東鉆探公司，重慶400021）

天然氣地下儲氣庫類型及建設關鍵技術論述

譚茂波*1，游 鋒2，林國慶3，董 翱4，徐 羽5

（1.中聯煤層氣有限責任公司太原分公司，山西太原030000；2.中國人民解放軍78188部隊，四川華陽610213；3.宜賓華潤燃氣有限公司，四川宜賓644000；4.中國石油青海油田馬仙采油廠，甘肅敦煌 736200；5.中國石油川慶鉆探工程公司川東鉆探公司，重慶400021）

隨著社會的發(fā)展，世界各國對于天然氣的需求量越來越大，這就要求采用各種技術措施來提高氣藏采收率；而對于各個時期的供氣需求差異，又必須采取相應的儲氣措施滿足不同時期對天然氣需求量。目前，世界上非常流行的一種方法是建立地下儲氣庫，以此來滿足地區(qū)間的季節(jié)調峰供氣、事故應急供氣和戰(zhàn)略儲備供氣等需求。因此，對孔隙型、洞穴型地下儲氣庫以及儲氣庫鉆井技術、注氣/采氣技術進行了深入研究分析，能夠為地下儲氣庫建設提供一套理論基礎和指導意義，對地下儲氣庫建設意義重大。

地下儲氣庫；孔隙型儲氣庫；洞穴型儲氣庫；儲氣庫鉆井技術；儲氣庫注氣/采氣技術

1 地下儲氣庫類型

通常按地下儲氣庫的儲氣介質劃分，可將目前的地下儲氣庫分為孔隙型地下儲氣庫和洞穴型地下儲氣庫[1-5]。

1.1 孔隙型地下儲氣庫

孔隙型地下儲氣庫儲氣空間主要為巖層孔隙，但對地質構造有一定的要求。地質構造上需具有積聚氣體的能力；儲氣空間為多孔巖層，且氣體可通過氣井進/出該空間；儲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，因而可達到較高儲氣壓力；儲氣區(qū)四周被水包圍以防氣體泄漏?？紫缎偷叵聝鈳熘饕萁哂蜌馓镄蛢鈳?，枯竭凝析氣田型儲氣庫和含水層型儲氣庫，圖1給出了孔隙型地下儲氣庫的構造

圖1 孔隙型地下儲氣庫的構造

（1）枯竭油氣藏儲氣庫。枯竭油氣藏型儲氣庫是采用枯竭型氣藏或油藏改建而成，這種類型的儲氣庫是目前世界上最普遍、最經濟的一種地下儲氣庫，具有以下一些優(yōu)點：儲氣空間大、儲氣壓力大，并具有良好的滲濾條件；具有良好的圈閉條件，儲氣安全性、可靠性高；可利用原有部分氣井和地面設施，建庫費用較低；可利用老氣田的地質資料和開采過程中的動態(tài)生產資料，從而為儲氣庫優(yōu)化運行提供依據。目前世界上利用枯竭油氣藏作為地下儲氣庫的超過400座，占地下儲氣庫總數的75%以上。例如，阿根廷的第一個儲氣庫建于2000年，位于Diadema油田。該油田經過幾十年的開采，原油采出程度達到了85%以上，繼而轉換成地下儲氣庫。該儲氣庫的功能定位是調節(jié)瓦達維壓Comodoro城市的天然氣供給，目前該儲氣庫運行正常。

（2）含水層型地下儲氣庫。含水層型儲氣庫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儲氣層。含水層型儲氣庫的數量僅次于枯竭型油氣藏儲氣庫，目前全球有數量超過80座的含水層型儲氣庫，占全球地下儲氣庫總數的15%左右，是滿足季節(jié)性調峰和戰(zhàn)略儲備供氣的一種很好選擇。

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

表1 滲透率與墊層氣比例關系

1.2 洞穴型地下儲氣庫

洞穴型地下儲氣庫主要包括鹽穴型儲氣庫、巖洞型儲氣庫和廢棄礦井型儲氣庫。

（1）鹽穴型儲氣庫。鹽穴型儲氣庫是利用水將地下鹽層的鹽溶解，以此形成洞穴儲存天然氣。該類型的地下儲氣庫具有利用率高、注氣時間短、墊層氣用量少和可將墊層氣完全采出的優(yōu)點。但從儲氣庫庫容量來看，鹽穴型儲氣庫遠遠小于枯竭型油氣藏儲氣庫和含水層型儲氣庫的庫容量。而且單位有效容積的成本高，水溶鹽造穴所需時間長，建庫周期久。目前世界上有鹽穴型儲氣庫約44座，占地下儲氣庫總數的8%。建造鹽穴具有如下基本原則：只有當鹽層中的不溶解物質含量低于25%時才能采用浸溶（leach）法建造鹽穴。庫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所；浸溶過程可分為5～8個階段，可能延續(xù)幾年；各鹽穴的間距必須大于規(guī)定的距離。

（2）巖洞型儲氣庫。巖洞型儲氣庫是利用在地下巖層中挖掘出一個封閉的空間來儲存天然氣。具有選址方便（可以建在大多數的巖層中）、經濟有效的一種地下儲氣庫，特別對孔隙性差的地層和巖層的地區(qū)，巖洞型儲氣庫是一種比較實用的地下儲氣庫。但該類型的儲氣庫具有建庫成本高、密封難度大的缺點。自20世紀70年代以來，一些國家開展了巖洞型儲氣庫的前期研究工作。

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

2 地下儲氣庫建設關鍵技術

2.1 鉆井技術

（1）鉆井方式的選擇。在枯竭油氣藏型儲氣庫井的鉆井方式上，為了便于儲氣庫集中管理、減少搬井次數和節(jié)約儲氣庫成本，主要采用叢式井組設計。在地面布置井組，每個井組鉆2～10口注采井不等。新鉆注采井井間距應考慮井場面積、布井數量、安全生產以及后期作業(yè)等因素，原則上不小于10m。例如，荷蘭Norg儲氣庫采用的是叢式井的井場設計，其中一個井組完鉆10口注采井，井間距為10m。為了提高儲氣庫井的單井注采能力，儲氣庫注采井應根據儲氣層的地質特征，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度應大于500m。例如，德國B-E儲氣庫所鉆的注采井中，最大水平位移為1514m。

（2）井身結構設計。注采井井身結構應滿足儲氣庫長期周期性高強度注采及安全生產的需要，各層套管下深應結合當前實際地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力資料進行設計。為了提高儲氣庫單井注采能力，使儲氣庫能滿足季節(jié)調峰供氣和應急供氣的功能，宜采用較大尺寸的井身結構，原則上生產套管的尺寸不小于?177.8mm。

（3）固井技術。在儲氣庫井的建設中，固井技術是重中之重，一方面儲氣庫具有運行周期長、強注強采和周期循環(huán)的特殊要求，這些給固井帶來了嚴峻挑戰(zhàn)；另外，枯竭型油氣藏由于經過多年的開采，地層壓力勢必會大大減少，在固井注水泥時會帶來壓破地層的風險，這些復雜地質特征給固井施工帶來了困難。

為了滿足儲氣庫長期交變應力條件下對生產套管強度的要求，應根據儲氣庫運行壓力按不同工況采用等安全系數法進行設計和三軸應力校核。生產套管材質應結合油氣藏流體性質和外來氣質進行選擇。生產套管及上一層技術套管應選用氣密封螺紋，套管附件機械參數、螺紋密封等性能應與套管相匹配。為保證氣密螺紋的氣密性能，下套管作業(yè)應由專業(yè)隊伍采用專用工具完成，生產套管應逐根進行螺紋氣密性檢測，螺紋密封檢測壓力為儲氣庫井口運行上限壓力的1.1倍。生產套管固井不使用分級箍，若封固段長應采用尾管懸掛再回接方式固井。生產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。

生產尾管及蓋層段固井應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，沉降穩(wěn)定性試驗的水泥石柱上下密度差應小于0.02g/cm3，水泥石氣體滲透率應小于0.05× 10-3μm2，膨脹率0.03%～1.5%。①常規(guī)密度水泥石24～48h抗壓強度應不小于14MPa，7d抗壓強度應不小于儲氣庫井口運行上限壓力的1.1倍，但原則上不小于30MPa。②低密度水泥石24～48h抗壓強度應不小于12MPa，7d抗壓強度應不小于儲氣庫井口運行上限壓力的1.1倍，但原則上不小于25MPa。各層套管固井水泥漿均應返至地面，應在施工前對現場樣品進行復核實驗。固井過程中應取水泥和水樣品評價其性能。生產套管固井應采用批混批注方式施工，水泥漿密度差小于0.02g/cm3。水泥膠結質量檢測應選擇聲幅/變密度測井，生產套管及蓋層段應增加超聲波成像測井，測井資料按照相應技術要求進行處理，處理結果包括第一、二界面膠結程度和水泥充填率等內容，并對水泥環(huán)封固質量及層間封隔情況等進行綜合評價。生產套管固井質量膠結合格段長度不小于70%；對于封固蓋層的技術套管，蓋層段固井質量連續(xù)優(yōu)質水泥段不小于25m，且膠結合格段長度不小于70%。生產套管應采用清水介質進行試壓，試壓至井口運行上限壓力的1.1倍，但不能超出生產套管任一點的最小屈服壓力值，30min壓降不大于0.5MPa為合格。

2.2 注氣/采氣技術

（1）墊層氣替換技術。地下儲氣庫總容量中包括工作氣（活動氣）和墊層氣（殘余氣）兩部分。墊層氣的主要作用是使儲氣庫在一次抽氣末期保持一定的壓力、提高氣井產量、抑制地層水流動等。墊層氣在儲氣庫中是不能抽出的氣體，地下儲氣庫的墊層氣量少則占儲氣量的15%，多則占75%。迄今為止在建庫時都采用注入天然氣作墊層氣，這不僅大大增加了地下儲氣庫的儲氣投資，還沉積了大量的“死資金”。以美國為例，1987年美國地下儲氣庫中總墊層氣氣量達1080× 108m3。按天然氣礦場平均每$60/1000m3，當年墊層氣長期沉積的資金達64億美元。

而采用CO2等惰性氣體作為新建地下儲氣庫的墊層氣可節(jié)約經濟成本；對現有的儲氣庫采用惰性氣體置換出天然氣，則可以減少儲氣操作費用。因此，美國、前蘇聯等一些地下儲氣庫比較發(fā)達的國家，從20世紀70年代開始，就如何減少儲氣庫中的墊層氣量、采用惰性氣體、氮氣、二氧化碳或壓氣機組廢棄等代替天然氣作儲氣庫墊層氣，開展了廣泛而大量的研究工作，并取得了可喜的成績。采用惰性氣體作墊層氣，避免與天然氣發(fā)生混合是關鍵技術問題。法國和美國的解決辦法是在儲氣層外側注入惰性氣，而不是在整個儲氣庫均勻注入，這樣惰性氣體滯留在外側，可實現惰性氣體作為墊層氣維持庫容容積和壓力的功能。

（2）注氣/采氣工藝流程。一般情況下，地下儲氣庫注氣、采氣工藝流程見圖2。

圖2 地下儲氣庫注氣/采氣工藝

注氣工藝流程為：當上游長輸管道供應的天然氣流量大于天然氣輸配管網的用戶使用量時，多出的天然氣進入儲氣庫工藝站場的加壓機(一般為燃氣加壓機)加壓后，分別送各儲氣庫儲存，加壓機出口設計壓力一般等于地下儲氣庫設計壓力。采氣工藝流程為，下游天然氣輸配管網用氣高峰期，上游供應量不足或出現事故時，將地下儲氣庫儲存的天然氣經過凈化、調壓處理后，送天然氣輸配管網，供用戶使用，以彌補上游供應量的不足。儲氣庫工藝站場設置凈化裝置的作用，是凈化、分離一些隨天然氣帶出的雜質、水分、輕烴等物質，避免對管道輸送產生不良影響。

3 國內地下儲氣庫展望

地下儲氣庫在天然氣工業(yè)發(fā)展過程中的作用重大[6-8]，因此，政府和企業(yè)都對此高度重視。依據國家總體戰(zhàn)略部署，中國將形成四大區(qū)域性聯網協(xié)調的儲氣庫群：東北儲氣庫群、華北儲氣庫群、長江中下游儲氣庫群和珠江三角洲儲氣庫群。展望2020年，國家將規(guī)劃建設地下儲氣庫30座以上，可調峰總量達320×108m3。隨著國家經濟的高速發(fā)展和對能源需求的日益增長，地下儲氣庫將在中國的油氣消費、油氣安全領域發(fā)揮更加重要的作用，建庫目標將從目前的調峰型向戰(zhàn)略儲備型方向延伸及發(fā)展，建庫技術水平也將在實踐中不斷得到提高。

4 結論與建議

（1）欲提高儲氣庫新注采井的固井質量，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措施。

（2）生產套管采用氣密扣加套管外封隔器的管柱設計。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，現從事煤層氣方面的技術工作。