國內(nèi)外地下儲庫現(xiàn)狀及工程技術(shù)發(fā)展趨勢

袁光杰， 夏 焱， 金根泰， 班凡生

(中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206)

?鉆井完井?

國內(nèi)外地下儲庫現(xiàn)狀及工程技術(shù)發(fā)展趨勢

袁光杰， 夏 焱， 金根泰， 班凡生

(中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206)

近年來國內(nèi)地下儲庫尤其是儲氣庫建設(shè)取得了長足的進(jìn)步，在天然氣調(diào)峰安全保供中發(fā)揮了重要作用，如何利用地下儲存空間提高能源利用效率和節(jié)能減排成為國內(nèi)近年來一個(gè)持續(xù)攻關(guān)的熱點(diǎn)。在介紹國內(nèi)外地下儲氣庫、鹽穴儲油庫、壓縮空氣/氫氣儲能庫、地下CO2儲庫和廢料儲庫等建設(shè)及工程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了地下儲庫工程技術(shù)的現(xiàn)狀和存在的問題，分析了推動地下儲庫工程技術(shù)發(fā)展的因素，并對地下儲庫工程技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望和分析，最后給出了國內(nèi)地下儲庫工程技術(shù)發(fā)展的認(rèn)識與建議，以期對國內(nèi)地下儲庫工程技術(shù)的發(fā)展提供借鑒和參考。

地下儲庫；儲氣庫；儲油庫；儲能庫；工程技術(shù)；發(fā)展趨勢

目前，我國成為全球石油凈進(jìn)口量最大的國家和第二大石油消費(fèi)國，對外依存度超過了65%[1]；2016年國內(nèi)天然氣消費(fèi)量2 058×108m3，天然氣進(jìn)口量721×108m3，對外依存度超過了35%[2]，而且我國的油氣儲備僅能維持1個(gè)月左右，遠(yuǎn)低于3個(gè)月的國際安全標(biāo)準(zhǔn)，因此，我國需進(jìn)一步加強(qiáng)油氣的地下儲存，以保證油氣供應(yīng)安全。目前，我國地下儲庫建設(shè)總體處于起步發(fā)展階段，雖然建成了多座儲氣庫并在國內(nèi)天然氣調(diào)峰安全保供中發(fā)揮了重要作用，但與歐美等國家相比，我國地下儲庫建設(shè)數(shù)量與技術(shù)水平仍有較大的差距，且面臨著地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜、優(yōu)質(zhì)建庫資源距離能源消費(fèi)區(qū)較遠(yuǎn)、優(yōu)快建庫工程技術(shù)與裝備不配套、地下儲庫運(yùn)營模式尚不完善和相關(guān)配套政策缺乏等一系列挑戰(zhàn)。因此，研發(fā)地下儲庫優(yōu)快建庫配套技術(shù)與裝備以保障國家能源供給安全，充分利用地下儲存空間并提高能源利用效率和節(jié)能減排，成為國內(nèi)近年來一個(gè)持續(xù)攻關(guān)的熱點(diǎn)。筆者在介紹國內(nèi)外各類地下儲庫發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了地下儲庫工程技術(shù)的現(xiàn)狀和存在的問題，并對地下儲庫工程技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望和分析，以期對國內(nèi)地下儲庫工程技術(shù)的發(fā)展提供一定的借鑒和參考。

1 國內(nèi)外地下儲庫現(xiàn)狀

1.1 國外地下儲庫現(xiàn)狀

根據(jù)儲存介質(zhì)和功能的不同，地下儲庫主要分為地下儲氣庫、鹽穴儲油庫、壓縮空氣/氫氣儲能庫、地下CO2儲庫和廢渣/廢料儲庫等。

地下儲氣庫是天然氣“產(chǎn)、運(yùn)、儲、銷、用”業(yè)務(wù)鏈五大環(huán)節(jié)之一，是天然氣產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，主要有枯竭油氣藏型、含水層型、鹽穴型和廢棄礦坑型4種類型[3-6]，在天然氣調(diào)峰、戰(zhàn)略儲備等方面發(fā)揮著重要作用。截至2014年底，世界上運(yùn)行和在建的儲氣庫約715座，總工作氣量3 930×108m3，占全球天然氣消費(fèi)量的11%，預(yù)測2030年工作氣量將達(dá)4 500×108m3。美國、俄羅斯、烏克蘭、德國、意大利、加拿大和法國是傳統(tǒng)的儲氣庫大國，占全球地下儲氣庫工作氣量的85%[3-4]。據(jù)美國能源信息署(EIA)公布的數(shù)據(jù)，2014年美國擁有地下儲氣庫418座，總庫容量為2 613×108m3,工作氣量為1 354×108m3，相當(dāng)于美國當(dāng)年天然氣消費(fèi)總量(7 555×108m3)的17.9%。其中，枯竭油氣藏型儲氣庫總庫容量約為2 005×108m3，工作氣量為1 088×108m3；含水層型儲氣庫總庫容量約為409×108m3，工作氣量為128×108m3；鹽穴型儲氣庫總庫容量約為199×108m3，工作氣量為138×108m3[7]。

鹽穴儲油庫已經(jīng)成為很多國家實(shí)施戰(zhàn)略石油儲備的重要方式，主要是為了彌補(bǔ)地面儲油庫在建造成本、安全性及庫容量等方面的不足。目前，采用鹽穴儲油的國家主要集中在北美和歐洲，美國利用得克薩斯州和路易斯安那州墨西哥灣沿岸的地下鹽穴，建設(shè)了5個(gè)戰(zhàn)略石油儲備基地，總儲存能力為1.03×108t；德國、法國、俄羅斯、加拿大、墨西哥和摩洛哥等國家都建有鹽穴儲油庫[8]。近年來，美國在得克薩斯州建了250個(gè)鹽穴儲庫，用來儲存NGL/LPG。

地下CO2儲庫可以將相關(guān)燃燒源(如大型發(fā)電廠)產(chǎn)生的CO2長期封存在深部鹽水層、枯竭油氣藏或不可采煤層等地點(diǎn)，從而阻止或顯著減少溫室氣體排放量，以減輕對地球氣候的影響[9]。CO2地質(zhì)封存主要是將處于超臨界狀態(tài)(溫度大于臨界溫度304.1 K，壓力大于臨界壓力7.38 MPa[10-11])的CO2采用壓縮機(jī)壓縮后以近似流體的狀態(tài)注入地下構(gòu)造中，可用于封存CO2的地質(zhì)構(gòu)造包括枯竭油氣藏、鹽水層、不可開采的煤層和水合物地層等[9,12]，通常距離地面至少1 km。目前，國外至少有74個(gè)大型地下CO2儲庫正在運(yùn)營或在建中，每年大約能減少3 300×104t CO2的排放。

地下壓縮空氣/氫氣儲庫的儲存點(diǎn)一般選擇密封性好的地下洞穴、鹽丘和枯竭油氣藏，主要用于解決可再生能源發(fā)電平衡和能源儲存的問題。該項(xiàng)技術(shù)的基本原理(如圖1所示)是利用壓縮機(jī)，將大自然中的空氣或電解水產(chǎn)生的氫氣壓縮成高密度和高壓的有效氣壓資源，并儲存穩(wěn)壓，需要使用時(shí)再通過放氣閥門和輸氣管道向氣輪機(jī)排放，從而帶動氣輪機(jī)葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)并拖動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)而發(fā)電，其能源轉(zhuǎn)換效率理論最高可達(dá)到75%，但實(shí)際一般只能達(dá)到40%～50%[13-14]。該項(xiàng)技術(shù)通常用于調(diào)節(jié)電網(wǎng)的峰谷差，即晚上用電低谷時(shí)，可以把壓縮空氣或氫氣注入地下，白天再利用地下高壓氣體來推動發(fā)電機(jī)發(fā)電，也可充分利用風(fēng)力和太陽能發(fā)電的間歇性，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。德國于1978年在Huntorf建立了首個(gè)鹽穴空氣壓縮蓄能電站，至今已穩(wěn)定運(yùn)行近40年，其由2個(gè)單腔有效體積15×104m3的鹽穴組成，運(yùn)行壓力5～7 MPa，發(fā)電能力29×104kW，能源轉(zhuǎn)換效率在42%左右[13]。20世紀(jì)80年代以來，康菲石油公司在得克薩斯州的一個(gè)溶采的鹽穴中儲存氫氣，這個(gè)鹽穴頂部距離地面約850 m，是一個(gè)圓柱體，直徑為49 m，高度為300 m，可儲存氫氣0.3×108m3[8,14]。

廢渣/廢料儲庫是利用地下的溶洞來儲存無害油田廢物(NOW)或處置天然放射性物質(zhì)(NORM)[15-16]。相對于填埋、蒸發(fā)及熱處理等油田無害廢物處理方法，鹽穴封存具有成本最低、不污染地表地下水和有利于環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[17]。目前，美國、加拿大、德國和荷蘭等國家已授權(quán)在鹽穴中儲存無害油田廢物。1998年，美國能源部委托Argonne National Laboratory研究油田廢料鹽穴存儲技術(shù)，認(rèn)為該處理方式在法律、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面均是一種有效的廢物處理方式，具有較好的應(yīng)用前景。目前，美國已在6個(gè)廢棄溶洞進(jìn)行了廢渣/廢料儲庫建設(shè)，其中4個(gè)已經(jīng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)[18]。這4個(gè)廢渣/廢料儲庫采用3種方式將廢渣/廢料輸送到鹽穴中：2個(gè)儲庫是通過油管注入廢渣/廢料，通過環(huán)空排出鹵水；1個(gè)儲庫則是通過環(huán)空注入廢渣/廢料，通過油管排出鹵水；1個(gè)儲庫是采用一口井注入廢渣/廢料，另一口井排出鹵水。

圖1 地下氫氣儲能工藝基本原理Fig.1 Basic principle of underground hydrogen energy storage

1.2 國內(nèi)地下儲庫現(xiàn)狀

國內(nèi)地下儲庫設(shè)施建設(shè)總體處于起步發(fā)展階段，目前主要有枯竭氣藏型儲氣庫、鹽穴儲氣庫和地下CO2儲庫，其他類型地下儲庫尚在研究和論證階段，尚未進(jìn)行建設(shè)。

我國地下儲氣庫建設(shè)經(jīng)過多年研究與實(shí)踐，目前已進(jìn)入快速發(fā)展階段，已投產(chǎn)的地下儲氣庫群設(shè)計(jì)工作氣量達(dá)到186.4×108m3(如表1所示)，形成調(diào)峰能力45.25×108m3，在國內(nèi)天然氣調(diào)峰安全保供中發(fā)揮了重要作用[19]。據(jù)中國石油規(guī)劃總院預(yù)測，到2020年中國天然氣調(diào)峰需求約占年消費(fèi)量的11%左右[20]，而儲氣庫作為最主要的調(diào)峰方式，儲氣調(diào)峰規(guī)模至少應(yīng)達(dá)到10%以上，才能基本滿足調(diào)峰及保供需求，為此目前國內(nèi)正在待建和開展前期評價(jià)的儲氣庫達(dá)到了26座。

表1 中國已建地下儲氣庫的庫容及工作氣量

Table 1 Capacities and volumes of working gas of existing underground gas storage in China

儲氣庫庫容量/108m3工作氣量/108m3文96590296板橋庫群69603030京58庫群1540750劉莊460250金壇氣庫(中石油)26401710金壇氣庫(中石化)1180720金壇氣庫(金壇鹽化)426234雙641301600蘇橋67402330板南1010430呼圖壁117004510相國寺42602280陜2241040500合計(jì)4267618640

我國地下CO2儲庫研究目前處于起步階段，一些研究機(jī)構(gòu)和大型企業(yè)正在開展二氧化碳捕集與儲存(CCS)研究和示范項(xiàng)目(見表2)[9-10]。

表2 中國CCS示范項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of China CCS demonstration project

截至2015年中期，我國共建成8個(gè)國家石油儲備基地，其中地面庫7個(gè)，分別為舟山、鎮(zhèn)海、大連、黃島、獨(dú)山子、蘭州和天津國家石油儲備基地，庫容量分別為500×104，520×104，300×104，320×104，300×104，300×104和320×104m3；地下庫1個(gè)，為黃島國家石油儲備洞庫，庫容量為300×104m3。8個(gè)國家石油儲備庫及部分社會庫可儲備原油2 610×104t[21]。2009年，國內(nèi)開始論證建設(shè)鹽穴儲油庫，但是目前尚無開建的鹽穴儲油庫，國家能源儲備中心正在推進(jìn)金壇和淮安鹽穴儲油庫的建設(shè)，前期工作已經(jīng)啟動，預(yù)計(jì)金壇鹽礦可將已有的33個(gè)鹽穴改造成庫容量500×104m3的原油儲備庫，淮安鹽礦可將已有的40個(gè)鹽穴改造成庫容量1 500×104m3的原油儲備庫。

在廢渣/廢料地下儲庫方面，國內(nèi)一些學(xué)者在積極探討和研究利用鹽穴儲存核廢料的相關(guān)技術(shù)，少數(shù)企業(yè)已經(jīng)在一些領(lǐng)域應(yīng)用地下灌注技術(shù)儲存污水和廢渣，但至今還沒有相應(yīng)的法律法規(guī)來規(guī)范廢渣/廢料等有害物質(zhì)的地下儲存。出于安全和環(huán)保的考慮，利用鹽穴進(jìn)行有害物質(zhì)封存時(shí)，需要對鹽穴的密封性、穩(wěn)定性和整體完整性等進(jìn)行充分詳細(xì)的論證，以避免有害物質(zhì)的泄露。

2 地下儲庫工程技術(shù)現(xiàn)狀

1915年，國外就開始進(jìn)行地下儲庫工程技術(shù)的研究和實(shí)踐，經(jīng)過百年的發(fā)展，在地下儲氣庫、鹽穴儲油庫和鹽穴儲能庫等方面形成了系列特色工程技術(shù)和裝備。國內(nèi)在地下儲庫工程技術(shù)方面的研究起步較晚，經(jīng)過近20年的研究與實(shí)踐，初步形成了枯竭氣藏型和鹽穴儲氣庫建庫工程技術(shù)，并在鹽穴儲油庫、CO2地下儲庫和儲能庫等方面進(jìn)行了初步的探索?？萁邭獠匦蛢鈳旖◣斓闹饕ぷ鲗ο笫抢暇目萁邭鈱?，為滿足大排量注采、長期運(yùn)行、高井筒氣密性等需求，枯竭氣藏型儲氣庫建庫工程技術(shù)主要包括井型及井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、儲層保護(hù)、井筒密封性保障、監(jiān)測評價(jià)、地面注采設(shè)備研制與優(yōu)選和鉆完井設(shè)計(jì)與施工等。鹽穴儲庫的工作對象為地下巖鹽地層，主要工程技術(shù)包括巖鹽層鉆井與固井技術(shù)、巖鹽造腔及腔體形態(tài)控制、注氣排鹵及注采氣完井、地面造腔和注采設(shè)備研制與優(yōu)選等。

2.1 枯竭氣藏型儲氣庫建庫工程技術(shù)

國外枯竭氣藏型儲氣庫埋深一般小于2 000.00 m，儲氣庫物性條件普遍較好，孔隙度大于15%，滲透率大于100 mD。儲氣庫井多為直井和定向井，近年來，美國、土耳其、法國等在儲氣庫建庫時(shí)開始推廣應(yīng)用叢式井、水平井和多分支井；儲氣庫井多選用φ177.8和φ244.5 mm油管，實(shí)現(xiàn)了儲氣庫大吞大吐的功能，部分井注采能力達(dá)(800～1 000)×104m3/d，油管及生產(chǎn)套管均采用氣密封螺紋連接，生產(chǎn)套管采用彈性水泥漿固井；儲氣庫井在鉆井施工時(shí)采用儲層專打、欠平衡鉆井、不壓井作業(yè)、先注氣后鉆井等儲層保護(hù)技術(shù)，靈活應(yīng)用預(yù)充填防砂篩管、懸掛尾管等砂巖儲氣庫先期防砂完井技術(shù)，并采用大直徑管柱，環(huán)空通常加注氮?dú)夂铜h(huán)空保護(hù)液；在儲氣庫監(jiān)測方面，形成了針對儲層、蓋層、地層水、邊界、斷層等不同對象的監(jiān)測井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)及運(yùn)行期間井筒壓力和氣體泄漏監(jiān)測和評價(jià)技術(shù)等。國外充分考慮了儲氣庫的大吞大吐、注采循環(huán)、氣量波動大、運(yùn)行壓力高、使用壽命長等特點(diǎn)，地面注采流程采用了井場-集注站-雙向輸送管道的模式。該模式具有注采合一、雙向計(jì)量、自控水平高、管理人員少的特點(diǎn)，且井場無放空立管，集注站分區(qū)延時(shí)泄放，可有效減少放空量。儲氣庫可通過多個(gè)注采循環(huán)，實(shí)現(xiàn)逐步達(dá)容、地面分期建設(shè)的目的，且注采裝置設(shè)計(jì)彈性大，可對采出氣進(jìn)行控油脫水。

國內(nèi)枯竭氣藏型儲氣庫具有埋藏深、注采壓力高、采出物組分復(fù)雜、儲層物性差、壓力系數(shù)低、老井多且井況復(fù)雜等特點(diǎn)。在借鑒國外先進(jìn)建庫經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)初步形成了適合砂巖和碳酸巖的儲氣庫建庫井型優(yōu)選與井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防塌與儲層保護(hù)鉆井液、低壓易漏長封固段固井、彈性水泥漿、篩管和射孔完井設(shè)計(jì)、復(fù)雜老井封堵處理、地面注采設(shè)備選型與配套等工程技術(shù)，并在深巖層建庫方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)[22-25]。目前，國內(nèi)枯竭氣藏型儲氣庫建庫面臨的主要技術(shù)難題包括：儲氣庫井以直井、叢式定向井為主，大井眼水平井尚面臨鉆井風(fēng)險(xiǎn)高、成本高的挑戰(zhàn)；要求注采井壽命長，井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鉆井過程中頻繁發(fā)生井壁坍塌、卡鉆及嚴(yán)重漏失等井下故障；監(jiān)測井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)針對性不強(qiáng)，且成本較高；高性能韌性水泥漿體系、低壓易漏長封固段固井技術(shù)仍需完善和優(yōu)化；部分已封堵老井出現(xiàn)井口帶壓現(xiàn)象，在已有老井評價(jià)、改造利用和封堵方面仍缺乏技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；儲氣庫井筒完整性檢測、評價(jià)和處理技術(shù)與裝備不成熟，仍主要依賴進(jìn)口；地面工程面臨著注氣壓縮機(jī)配件國產(chǎn)化和穩(wěn)定運(yùn)行、靶式流量計(jì)計(jì)量不準(zhǔn)、離心壓縮機(jī)選型配置和數(shù)字化儲氣庫建設(shè)等一系列技術(shù)難題。

2.2 鹽穴儲氣庫建庫工程技術(shù)

國外鹽穴型儲氣庫的目的層一般為鹽丘，鹽丘厚度達(dá)500.00～1 000.00 m，巖鹽埋深一般不超過1 500.00 m，巖鹽品位好，不溶物含量低、夾層少。鹽穴型儲氣庫井井眼直徑普遍較大，多選用φ339.7 mm生產(chǎn)套管，并采用φ244.5 mm油管生產(chǎn)，單井吞吐能力強(qiáng)。鹽穴儲氣庫建庫時(shí)間較短，一般為2～3年，腔體體積大，多為(40～80)×104m3。為了加快鹽穴儲氣庫建庫速度，國外應(yīng)用了雙井鹽穴建庫技術(shù)和薄鹽層巷道式建庫技術(shù)。受資源限制，歐洲一些國家在深層巖鹽(埋深2 000.00 m以深)建庫、定向井和叢式井鹽穴建庫方面取得了明顯進(jìn)展。另外，德國在淺層鹽穴建庫中推廣應(yīng)用了套管焊接技術(shù)，有效提高了注采井筒的完整性。同時(shí)，國外也在加強(qiáng)相關(guān)儲氣庫標(biāo)準(zhǔn)的修訂和完善，加拿大更新完善了CSA Z341儲氣庫標(biāo)準(zhǔn)，API協(xié)會修訂完善了API RP 1114和API RP 1115兩個(gè)鹽穴儲氣庫標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)鹽穴儲氣庫地質(zhì)條件苛刻，全部為層狀鹽層，且夾層多、品位低，平頂山和淮安的鹽層埋深超過2 000.00 m。經(jīng)過10余年的發(fā)展，目前，國內(nèi)鹽穴儲氣庫直井普遍采用φ339.7 mm技術(shù)套管×φ244.5 mm生產(chǎn)套管×φ177.8 mm注采氣油管的井身結(jié)構(gòu)，并形成了JSS低溫抗鹽水泥漿、已有溶腔改造利用技術(shù)、鹽穴井筒及腔體密封性檢測技術(shù)、鹽穴造腔及腔體形態(tài)控制技術(shù)和注氣排鹵及注采氣完井等建庫工程配套技術(shù)[26-27]。但是，國內(nèi)鹽穴儲氣庫建庫工程技術(shù)仍存在一些難題：井型單一，以直井為主，定向井和雙井尚未實(shí)施，巖鹽資源利用率低；鹽礦老腔在改建中存在井眼直徑大、井況復(fù)雜和井筒密封性要求高等技術(shù)挑戰(zhàn)；鹽穴造腔中井下復(fù)雜情況多，腔體形態(tài)難以控制，且造腔周期長；生產(chǎn)管柱每年調(diào)整2～3次，修井工作量大，且采用油墊，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高；溶腔實(shí)際的形態(tài)和體積與設(shè)計(jì)形態(tài)和體積的符合率低，單井溶腔時(shí)間達(dá)5～7年，單腔耗電約1 000×104kW·h；注氣排鹵過程中排鹵管易堵塞，排鹵時(shí)間長，腔底不溶物殘留多；儲氣庫井井筒完整性檢測、評價(jià)和處理缺少相應(yīng)的工具和標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 其他地下儲庫建庫工程技術(shù)

國外在地下CO2儲庫、鹽穴儲油庫、地下壓縮空氣/氫氣儲庫和地下廢渣/廢料儲庫方面均進(jìn)行了不同程度的研究和實(shí)踐，并初步形成了相應(yīng)的建庫工程技術(shù)。在CO2儲庫建庫方面，國外相關(guān)建庫工程技術(shù)均具有一定的試驗(yàn)性，僅有CO2提高原油采收率和在鹽水層中儲存的技術(shù)相對成熟，在注氣管柱選材和防腐以及井筒長期密封完整性方面尚需進(jìn)行進(jìn)一步研究。在鹽穴儲油庫方面，國外建庫工程技術(shù)相對比較成熟，形成了鹽穴儲油庫腔體設(shè)計(jì)技術(shù)、單井或雙井建腔技術(shù)和注采運(yùn)行技術(shù)等技術(shù)。在地下壓縮空氣/氫氣儲庫和廢渣/廢料儲庫方面，目前國外主要處于試驗(yàn)應(yīng)用階段，初步具備了工程試驗(yàn)條件，但相關(guān)建庫工程技術(shù)的報(bào)道較少。

國內(nèi)在地下CO2儲庫、鹽穴儲油庫和地下儲能庫方面正在開展可行性研究和部分試驗(yàn)，而在廢渣/廢料儲庫方面，相關(guān)的研究報(bào)道很少。目前國內(nèi)需要解決已有溶腔改建儲油庫的溶腔篩選方法和標(biāo)準(zhǔn)、鹽穴儲油庫注采運(yùn)行與腔體穩(wěn)定性、鹽穴儲油庫雙井建腔和注采技術(shù)、儲能庫高頻次交變應(yīng)力和腐蝕環(huán)境下井筒管柱選材及強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)、大井眼低溫井固井工藝及韌性水泥漿開發(fā)、儲能庫腔體穩(wěn)定性分析等一系列技術(shù)難題。

3 地下儲庫工程技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 影響地下儲庫工程技術(shù)發(fā)展的因素

地下儲庫的功能涉及戰(zhàn)略儲備、安全供氣、城市季節(jié)調(diào)峰、天然氣供應(yīng)優(yōu)化配置、環(huán)境治理、可再生能源儲存和廢物處理等方面，推動地下儲庫和工程技術(shù)發(fā)展的因素主要有：1)天然氣需求的快速增長和天然氣管網(wǎng)的致密化；2)大型發(fā)電廠、能源公司和LNG供應(yīng)鏈的發(fā)展，使天然氣的用途得到擴(kuò)展；3)國際天然氣貿(mào)易量迅速增加，天然氣市場自由化和分拆活動加劇(傳輸、存儲和配送)；4)石油地緣政治問題突出，國家石油戰(zhàn)略儲備越來越重要；5)可再生能源(風(fēng)能，太陽能)正在快速發(fā)展，并需求一些新的存儲形式；6)隨著氣候變暖和環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，減少工業(yè)CO2排放量和儲存大量工業(yè)廢料越來越受到重視。

3.2 地下儲庫工程技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著全球地下儲庫建設(shè)的需求越來越大，地下儲庫的功能不斷豐富，面臨的挑戰(zhàn)也不斷變化，地下儲庫工程在以下幾個(gè)方面發(fā)生重要變化[20]：1)地下儲庫設(shè)施的使用和操作由以技術(shù)功能驅(qū)動為主改變?yōu)橐越?jīng)濟(jì)驅(qū)動為主，將使儲庫經(jīng)營者的資產(chǎn)價(jià)值和銷售利潤最大化；2)需要準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地進(jìn)行地下儲庫設(shè)施性能的預(yù)測和優(yōu)化；3)地下儲庫設(shè)施和經(jīng)營需要有更高的靈活性和可靠性；4)在復(fù)雜的地質(zhì)條件下經(jīng)濟(jì)高效地完成儲庫建設(shè)；5)儲庫設(shè)施要嚴(yán)格符合環(huán)保要求和安全標(biāo)準(zhǔn)。

為了更好地滿足地下儲庫在性能、靈活性、安全性、環(huán)境影響、社會影響和經(jīng)濟(jì)效益方面的需求，地下儲庫工程技術(shù)的發(fā)展趨勢主要有：

1) 現(xiàn)有地下儲氣庫設(shè)施性能屬性的改進(jìn)，包括優(yōu)化儲氣庫運(yùn)營模式，突破瓶頸技術(shù)，加快儲氣庫達(dá)產(chǎn)速度，拓展儲氣庫供應(yīng)能力和容量，延長其使用壽命等。例如，發(fā)展精確的應(yīng)力測試評價(jià)技術(shù)，最大限度地提高儲氣庫的性能(工作壓力、容量、注入/退出)、靈活性、吞吐量、每年循環(huán)的次數(shù)及安全性，開發(fā)儲氣庫建庫注采運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)等，進(jìn)一步優(yōu)化成本(建庫成本和運(yùn)營成本)和開發(fā)時(shí)間表，使運(yùn)營效率最大化。

2) 破解庫址資源少、建庫條件難度大和資源利用率低等難題，尋找和開發(fā)適應(yīng)市場需求的存儲構(gòu)造。例如，在更深、更復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造中選址，考慮建造海上地下儲氣庫，在薄鹽層中采用水平井或叢式定向井建鹽穴儲氣庫,儲氣庫區(qū)已有復(fù)雜老井的改造利用和封堵等，以及降低3 000.00 m以深枯竭氣藏建庫工程成本等。

3) 制定地下儲氣庫建庫、運(yùn)行和監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)體系，研究不滿足要求的地下儲氣庫退役措施和方法，并研究新的技術(shù)、材料和工具來解決儲氣庫的特定需求。例如，焊接套管技術(shù)、提高鹽溶速度的化學(xué)添加劑、防止注采過程中腔內(nèi)鹵水蒸發(fā)的新材料、井筒泄漏檢測和定位工具等。

4) 針對國內(nèi)尚未開展鹽穴儲油庫建設(shè)的基本情況，需要積極發(fā)展鹽穴儲油庫建庫和運(yùn)行的工程和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)分析與評價(jià)技術(shù)、鹽穴儲油庫選址和評價(jià)技術(shù)、已有溶腔改建儲油庫井筒及溶腔篩選方法和標(biāo)準(zhǔn)、已有溶腔改建儲油庫和雙井建儲油庫工程技術(shù)、鹽穴儲油庫注采運(yùn)行技術(shù)等。

5) 發(fā)展壓縮空氣/氫氣儲能庫建庫配套技術(shù)，研究高頻交變應(yīng)力和腐蝕對井筒完整性的影響，提高長期低壓工況下鹽腔的穩(wěn)定性和延長其使用壽命；優(yōu)化地面設(shè)施和運(yùn)營模式，提高壓縮空氣/氫氣儲能庫的能量轉(zhuǎn)換效率和運(yùn)營效益。

6) 積極發(fā)展CO2儲庫和廢渣/廢料儲庫庫址評價(jià)與儲層響應(yīng)監(jiān)測技術(shù)、儲庫泄露和安全性風(fēng)險(xiǎn)分析和控制技術(shù)、超大井眼鉆井技術(shù)和固井技術(shù)、井筒完整性監(jiān)測和評價(jià)技術(shù)等，同時(shí)需要環(huán)境和安全部門制定相應(yīng)的法律和法規(guī)。

4 結(jié)論與建議

1) 為滿足經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需求，地下空間資源的綜合利用成為一項(xiàng)熱門技術(shù)，以美國、法國和德國為代表的發(fā)達(dá)國家在地下儲庫建設(shè)與綜合利用方面起步較早，擁有較為成熟的建庫和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，值得學(xué)習(xí)和借鑒。

2) 國內(nèi)各類地下儲庫建設(shè)尚處于起步階段，但是面對天然氣和清潔能源需求急劇增大、國際油價(jià)持續(xù)低迷的現(xiàn)狀，地下儲氣庫、鹽穴儲油庫和地下儲能庫面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇，國內(nèi)相關(guān)部門應(yīng)聯(lián)合行動，盡早啟動相關(guān)工程建設(shè)。

3) 國際油價(jià)將在低位持續(xù)徘徊，國內(nèi)應(yīng)抓住低油價(jià)的機(jī)遇，盡早啟動鹽穴戰(zhàn)略石油儲備庫的建設(shè)，尤其是對江蘇金壇、淮安地區(qū)已有鹽穴進(jìn)行改造利用，以加快地下儲油庫建設(shè)，提高建庫綜合效益。

4) 國內(nèi)地下儲庫建設(shè)面臨復(fù)雜建庫技術(shù)、高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、安全和環(huán)保等多方面的挑戰(zhàn)，需要積極研發(fā)低成本高效建庫工程技術(shù)、儲庫完整性檢測評價(jià)等新技術(shù)，探索運(yùn)營模式，建立配套技術(shù)和運(yùn)行規(guī)范，使地下儲庫設(shè)施經(jīng)濟(jì)高效地運(yùn)行。

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[編輯 陳會年]

Present State of Underground Storage and Development Trends in Engineering Technologies at Home and Abroad

YUAN Guangjie,XIA Yan,JIN Gentai,BAN Fansheng

(CNPCDrillingResearchInstitute,Beijing, 102206,China)

In recent years, great progress has been made in the construction of underground storage, especially gas storage, which has played an important part in peak modulation and safe supply of natural gas. How to utilize the underground storage to enhance energy efficiency, preserve energy and minimize emissions has been a hot topic of continuous research in China. On the basis of introducing the construction and engineering technologies that related to underground gas storage, salt cave oil storage, compressed air/hydrogen storage, underground CO2storage, waste storage, and more around the world, the technical state and existing problems of underground storage projects have been elaborated, and analyzed the factors that promote technical development of underground storage, and the development trend of underground storage engineering technology, Finally, some cognition and suggestions for the development of underground storage technology in China are given, to provide the necessary references for the development of domestic underground storage engineering and technology.

underground storage; gas storage; oil storage; energy storage; engineering technology; development trend

2016-06-30；改回日期：2017-06-25。

袁光杰(1974—)，男，河北邢臺人，2004年獲上海交通大學(xué)機(jī)械制造及其自動化專業(yè)博士學(xué)位，教授級高級工程師，主要從事地下儲庫建庫工程、煤層氣鉆完井技術(shù)等方面的科研工作。E-mail:ygjdri@cnpc.com.cn。

中國石油天然氣集團(tuán)公司重大科技專項(xiàng)“儲氣庫優(yōu)快鉆完井技術(shù)與裝備研究”(編號：2015E-4003)資助。

10.11911/syztjs.201704002

TE972.+3

A

1001-0890(2017)04-0008-07