鹽穴儲(chǔ)氣庫技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

完顏祺琪 安國印 李康 李東旭 垢艷俠 冉莉娜 白松

1. 中國石油勘探開發(fā)研究院；2. 中國石油天然氣集團(tuán)公司油氣地下儲(chǔ)庫工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 中國石油華北石油管理局有限公司江蘇儲(chǔ)氣庫分公司

鹽穴儲(chǔ)氣庫的建設(shè)可追溯至20 世紀(jì)60 年代。第1 座鹽穴儲(chǔ)氣庫于1961 年由廢棄老腔改造而成。截至2020 年6 月，全球在役鹽穴儲(chǔ)氣庫107 座，總工作氣量358 億m3，擬建或在研儲(chǔ)氣庫49 座。

地下儲(chǔ)氣庫是天然氣生產(chǎn)調(diào)峰和天然氣資源儲(chǔ)備的最佳選擇，是保證天然氣安全供應(yīng)的基本手段［1］。鹽穴儲(chǔ)氣庫具有調(diào)峰效率高、短期吞吐量大、墊底氣含量低且可完全回收等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以應(yīng)對(duì)和滿足日、月、季度的調(diào)峰需求，也有助于生產(chǎn)系統(tǒng)和輸氣管網(wǎng)的優(yōu)化與運(yùn)行。分析論述了國內(nèi)外鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合國內(nèi)鹽穴儲(chǔ)氣庫面臨的主要困難與原因，提出我國鹽穴儲(chǔ)氣庫亟須攻關(guān)與未來技術(shù)發(fā)展的主要方向。

1 國外鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)進(jìn)展與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 鉆井技術(shù)

國外鹽穴儲(chǔ)氣庫鉆井技術(shù)以叢式井規(guī)?；瘧?yīng)用為特征。鹽穴儲(chǔ)氣庫早期采用直井布井技術(shù)，自20 世紀(jì)90 年代開始，國外鹽穴儲(chǔ)氣庫逐漸開始采用叢式井布井方式。以德國Etzel 儲(chǔ)氣庫［2-3］為例，整個(gè)儲(chǔ)氣庫分為南區(qū)和北區(qū)。新建北區(qū)全部采用叢式井技術(shù)建站，共布置11 個(gè)叢式井組，單個(gè)站場(chǎng)布置3～7 口井(圖1)。叢式井中的斜井采用S 型井身結(jié)構(gòu)，在最終套管鞋之上50～100 m 之內(nèi)需為直井段，直井段井斜控制在1.5°以內(nèi)，同時(shí)斜井段造斜率不宜過大，以保證后期造腔管柱、造腔檢測(cè)工具正常下入腔體。通過叢式井建站，可節(jié)約鉆井工程鉆機(jī)動(dòng)遷費(fèi)用、造腔工程修井搬遷費(fèi)用、地面工程征地與道路管線等費(fèi)用，減少地面條件對(duì)井場(chǎng)布置的限制，靈活布井，同時(shí)生產(chǎn)運(yùn)行階段便于生產(chǎn)運(yùn)行管理。

圖1 鹽穴儲(chǔ)氣庫叢式井建設(shè)技術(shù)Fig. 1 Construction for cluster well in salt-cavern UGS

1.2 造腔技術(shù)

自20 世紀(jì)60 年代開始，國外鹽穴儲(chǔ)氣庫造腔工藝有了長足進(jìn)展，主要表現(xiàn)為以下方面。

(1)大井眼井身結(jié)構(gòu)，大排量造腔。國外鹽穴儲(chǔ)氣庫普遍采用大尺寸井身結(jié)構(gòu)、大尺寸造腔管柱，有助于大幅度提高排鹵流量，縮短造腔周期，降低管柱摩阻和能耗。美國典型的鹽丘型儲(chǔ)氣庫造腔管徑為?406 mm+?273 mm，排量最高可達(dá)800 m3/h；美國層狀鹽巖型儲(chǔ)氣庫和歐洲鹽穴儲(chǔ)氣庫的典型造腔管徑為?273 mm+?177.8 mm，造腔排量可達(dá)300～350 m3/h。與之對(duì)比，國內(nèi)常采用管徑?177.8 mm+?114.3 mm 管柱組合，最大排量僅100～120 m3/h。以50 萬m3腔體為例，國外大排量造腔周期不到2 年，國內(nèi)小排量則長達(dá)4 年以上。

(2)鹵水回注地下等處理方式。鹽穴儲(chǔ)氣庫造腔排量主要受制于鹵水處理能力，目前鹵水處理方式包括鹵水輸送鹽廠、鹵水回注地下、鹵水排河排海等方式。通過對(duì)國外鹽穴儲(chǔ)氣庫鹵水處理方式的不完全統(tǒng)計(jì)，國外鹽穴儲(chǔ)氣庫以鹵水回注地下、鹵水排海方式為主。美國24 座鹽穴儲(chǔ)氣庫中18 座采用鹵水回注地下的方式，6 座采用鹵水輸送至鹽廠處理的方式。歐洲25 座鹽穴儲(chǔ)氣庫中10 座儲(chǔ)氣庫鹵水輸送至鹽廠，10 座采用排河排海的方式，5 座采用鹵水回注地下的方式。

1.3 監(jiān)測(cè)技術(shù)

鹽穴儲(chǔ)氣庫的監(jiān)測(cè)包括腔體形態(tài)監(jiān)測(cè)、腔體溫度與壓力監(jiān)測(cè)、地表變形監(jiān)測(cè)等。目前國外鹽穴儲(chǔ)氣庫發(fā)展較快的監(jiān)測(cè)技術(shù)為微地震技術(shù)、InSAR 衛(wèi)星影像監(jiān)測(cè)分析技術(shù)。微地震可用來監(jiān)測(cè)腔體溶腔垮塌事件［4］、天然斷裂活動(dòng)、分析腔體變形機(jī)制［5］(拉伸/剪切/擠壓破壞)，提前預(yù)警腔體可能發(fā)生的垮塌或變形。InSAR 技術(shù)相比于傳統(tǒng)地面沉降監(jiān)測(cè)手段精度更高，以美國Bryan Mound 鹽穴儲(chǔ)庫為例［6］，InSAR 監(jiān)測(cè)觀察到鹽丘西側(cè)存在較強(qiáng)的水平方向運(yùn)動(dòng)，而這一特征未被之前傳統(tǒng)的地面沉降基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)法觀測(cè)到。

2 中國鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)成就及面臨困難

2.1 建設(shè)成就

我國鹽穴儲(chǔ)氣庫前期評(píng)價(jià)始于1998 年，經(jīng)過20 余年的探索和實(shí)踐，在金壇建成3 座鹽穴儲(chǔ)氣庫，并相繼投產(chǎn)運(yùn)行；基本形成了復(fù)雜鹽層條件建庫技術(shù)及安全控制技術(shù)系列，有效支撐了鹽穴儲(chǔ)氣庫的建設(shè)。

中國石油2004 年啟動(dòng)金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)，已在金壇完成老腔改造5 口、新井造腔25 口，已投入注采鹽腔28 口(老腔5 口，新腔23 口)，形成工作氣量6.03×108m3。中國石化2012 年啟動(dòng)金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)，2016 年5 月茅資1 井、J103 井正式投產(chǎn)，標(biāo)志中國石化金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫進(jìn)入生產(chǎn)運(yùn)行階段。正在建設(shè)的中國石化金壇儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)工作氣量7.23×108m3，預(yù)計(jì)2025 年全面建成。港華金壇儲(chǔ)氣庫于2014 年開始建設(shè)，設(shè)計(jì)工作氣量2.6×108m3，目前已投產(chǎn)并形成工作氣量0.88×108m3［7-8］。另外淮安、楚州、平頂山、黃場(chǎng)、安寧、三水等儲(chǔ)氣庫也開展了大量的工作。

金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫已完成多周期注采循環(huán)，在滿足季節(jié)調(diào)峰、周調(diào)峰、日調(diào)峰、小時(shí)調(diào)峰和應(yīng)急采氣中發(fā)揮了重要作用。自2007 年中石油金壇儲(chǔ)氣庫投產(chǎn)以來，已累計(jì)采氣超35×108m3，最高日采氣量達(dá)到1 235×104m3。金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫每年均進(jìn)行多輪次注氣和采氣，在調(diào)峰保供中發(fā)揮了極其重要的作用。2019 年，港華金壇儲(chǔ)氣庫調(diào)峰氣上線儀式在上海石油天然氣交易中心啟動(dòng)，成為全國首例商業(yè)運(yùn)行模式鹽穴儲(chǔ)氣庫。

建庫技術(shù)方面，經(jīng)過20 余年的攻關(guān)，形成復(fù)雜鹽層條件下的儲(chǔ)氣庫建設(shè)與安全控制技術(shù)。我國復(fù)雜鹽層具有泥質(zhì)含量高、夾層多、隔層厚度大等不利因素，增加了造腔和腔體形態(tài)控制的難度。目前已初步厘清復(fù)雜多夾層條件下鹽巖溶蝕規(guī)律、成腔控制機(jī)理，掌握了復(fù)雜流態(tài)大型不規(guī)則腔體鹵水濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布規(guī)律，建立了低品質(zhì)鹽層造腔預(yù)測(cè)模型，形成厚夾層造腔過程垮塌預(yù)測(cè)模型與控制工藝，掌握了高低壓快速轉(zhuǎn)換條件下鹽腔圍巖應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律和溶腔穩(wěn)定性控制方法，首次采用全井筒套銑老腔改造工藝等［9-10］。形成的鹽穴儲(chǔ)氣庫關(guān)鍵技術(shù)支撐了中國復(fù)雜地質(zhì)條件下的鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)，也為保障西氣東輸管道的安全運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。

2.2 面臨困難

2.2.1 建庫地質(zhì)條件復(fù)雜，優(yōu)質(zhì)庫址資源稀缺

中國鹽巖礦床一般呈層狀、似層狀或透鏡狀，埋深從幾十米到幾千米不等，普遍具有礦層多、單層薄、夾層多、夾層厚等特點(diǎn)，決定了建庫目標(biāo)為多夾層復(fù)雜層狀鹽層。除金壇鹽礦建庫地質(zhì)條件較為優(yōu)越外，平頂山鹽礦建庫層段埋深較大(＞2 000 m)，楚州鹽礦建庫層段水不溶物含量高(＞45%)，淮安鹽礦有利建庫層段厚度小(＜100 m)。受地質(zhì)條件和地理分布的雙重因素限制，基本滿足建庫條件的鹽礦資源相對(duì)不足，優(yōu)質(zhì)建庫目標(biāo)庫址資源稀缺［11-12］。

2.2.2 建庫周期長、建庫達(dá)產(chǎn)速度慢

金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫是我國建造的第1 座鹽穴儲(chǔ)氣庫，該儲(chǔ)氣庫的研究始于1998 年，2004 年開始建造，設(shè)計(jì)庫容26.38×168m3，工作氣量17.14×168m3。受造腔方式、建庫地質(zhì)條件、鹵水接收能力等多重因素影響，建庫周期長，達(dá)產(chǎn)速度慢。截至2019 年底，金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫僅形成6.03×108m3的工作氣量。

2.2.3 鹽腔形態(tài)控制難，腔體有效利用率低

已建金壇儲(chǔ)氣庫部分鹽腔形態(tài)不規(guī)則，存在偏溶、頂板平緩、腔體各向異性大、直徑偏小、鹽巖利用率低等現(xiàn)象。待建的楚州等儲(chǔ)氣庫呈現(xiàn)多夾層、低品位、不溶物含量高等特點(diǎn)，利用傳統(tǒng)單井單腔造腔方式不僅建庫周期長，而且能耗大、投資高、鹽巖有效利用程度低。研究表明，金壇、平頂山等5 座已建和待建鹽穴儲(chǔ)氣庫，水不溶物殘?jiān)紦?jù)鹽腔總體積的33%～66.2%(平均46.8%)［13］，現(xiàn)有注氣排鹵工藝，排鹵管柱通常只能下至殘?jiān)逊e物頂部，排鹵管柱的排鹵口以下的鹵水無法排出，也使可利用的鹽腔空間進(jìn)一步減少。

2.2.4 現(xiàn)有建庫工程技術(shù)尚難完全適應(yīng)建庫的需要

目前國內(nèi)鹽穴儲(chǔ)氣庫鉆完井工程技術(shù)主要采用直井單腔的造腔鉆完井工藝，其技術(shù)相對(duì)成熟，但適合于建庫層段較薄的水平井及適合于厚夾層的單井雙腔等鉆完井工藝尚無成功經(jīng)驗(yàn)，需要在實(shí)踐中不斷完善鉆完井工藝，滿足復(fù)雜鹽層建庫的需求。

現(xiàn)有造腔工藝與復(fù)雜鹽層優(yōu)快造腔及擴(kuò)大空間動(dòng)用等要求不適應(yīng)，主要體現(xiàn)在：大井眼、雙井、水平井、單井雙腔等造腔方式模擬預(yù)測(cè)手段及控制方法尚未形成；鹽腔水不溶物殘?jiān)梢?、殘?jiān)蛎浵禂?shù)確定、殘?jiān)障犊臻g利用技術(shù)仍處在摸索階段；反循環(huán)造腔鹽腔形態(tài)控制技術(shù)不完善。

2.2.5 多類型老腔評(píng)價(jià)及改造利用技術(shù)尚難滿足老腔改造的需要

我國鹽化企業(yè)采鹽形成的老腔數(shù)量眾多，雖然金壇老腔改建儲(chǔ)氣庫獲得了成功，但僅限于單井單腔、形狀規(guī)則老腔。大部分鹽礦老腔存在腔體形態(tài)復(fù)雜、檢測(cè)困難、利用難度大等難題，尚缺乏對(duì)流井老腔、連通老腔形態(tài)檢測(cè)、模擬、評(píng)價(jià)及利用手段，未形成多類型老腔利用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［14］。

2.2.6 當(dāng)前建庫模式難以體現(xiàn)儲(chǔ)氣庫效益，制約建庫資源有效利用

鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)受礦權(quán)登記制約，“鹵水換礦權(quán)”模式導(dǎo)致不擁有鹽礦礦權(quán)的油氣企業(yè)缺乏建庫主動(dòng)權(quán)；國家能源局對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)馄髽I(yè)與地方政府均有儲(chǔ)氣能力建設(shè)要求，因燃?xì)馄髽I(yè)和地方政府不擁有油氣藏的勘探開發(fā)權(quán)，鹽穴儲(chǔ)氣庫成為鹽礦資源豐富地區(qū)城鎮(zhèn)燃?xì)馄髽I(yè)建庫目標(biāo)的首選。目前的建庫模式易導(dǎo)致地方及燃?xì)馄髽I(yè)與油氣企業(yè)無序爭奪鹽穴儲(chǔ)氣庫建庫資源。且在我國當(dāng)前天然氣價(jià)格體制下儲(chǔ)氣庫投資尚無明確回收渠道，國有企業(yè)難以背負(fù)儲(chǔ)氣庫建設(shè)的巨額投資，儲(chǔ)氣庫有償服務(wù)基礎(chǔ)的天然氣峰谷差價(jià)尚未形成，如何實(shí)現(xiàn)鹽穴儲(chǔ)氣庫快速建設(shè)及可持續(xù)發(fā)展面臨較大的挑戰(zhàn)。

3 亟須攻關(guān)的建庫關(guān)鍵技術(shù)

3.1 建庫地質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)

金壇儲(chǔ)氣庫經(jīng)過近20 年的建設(shè)和運(yùn)行，已經(jīng)獲得了一系列的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。但是面對(duì)國內(nèi)日益復(fù)雜的建庫地質(zhì)條件，選址向多夾層低品位和中深層、薄鹽層邁進(jìn)，目前的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)尚不能滿足未來儲(chǔ)氣庫建設(shè)和運(yùn)行的需要，急需對(duì)復(fù)雜層狀鹽巖水溶造腔機(jī)理開展攻關(guān)。在深層鹽巖建庫和夾層垮塌預(yù)測(cè)控制方面，盡管國內(nèi)已有不少相關(guān)的探索，但深層鹽巖穩(wěn)定性與運(yùn)行過程的蠕變預(yù)測(cè)、鹽層內(nèi)厚夾層垮塌預(yù)測(cè)與控制、單腔形態(tài)優(yōu)化、合理運(yùn)行壓力區(qū)間確定、庫容參數(shù)優(yōu)化等方面需要加大攻關(guān)力度，以滿足復(fù)雜鹽層建庫要求［15］。

3.2 多井型造腔設(shè)計(jì)及控制技術(shù)

國內(nèi)鹽穴儲(chǔ)氣庫在造腔設(shè)計(jì)、造腔工程方面取得了較大的進(jìn)展，單腔優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)已基本形成。但部分鹽腔形態(tài)不規(guī)則，急需進(jìn)一步加強(qiáng)已建鹽腔造腔效果分析研究，梳理影響金壇儲(chǔ)氣庫造腔效果的關(guān)鍵因素，合理減少管柱提升次數(shù)、優(yōu)化造腔工藝，針對(duì)性開展鹽腔形態(tài)修復(fù)，以提高造腔效率、擴(kuò)大鹽腔體積。從造腔方式來看，對(duì)多井型造腔模擬預(yù)測(cè)及控制技術(shù)尚屬于空白，隨著平頂山、淮安、楚州等儲(chǔ)氣庫水平腔、單井雙腔、雙井先導(dǎo)試驗(yàn)工程的開展，急需攻關(guān)多井型造腔數(shù)值模擬預(yù)測(cè)技術(shù)及優(yōu)化控制技術(shù)，形成適應(yīng)我國地質(zhì)條件的造腔模擬軟件和方法。

3.3 配套鉆完井技術(shù)

國內(nèi)鹽穴儲(chǔ)氣庫鉆完井技術(shù)經(jīng)過10 多年的發(fā)展，取得了不錯(cuò)的成績。但隨著鹽穴儲(chǔ)氣庫不斷向深層發(fā)展，大井筒條件下的深部鹽層鉆完井與固井技術(shù)也亟待解決。在鉆完井裝備方面，國外為了保證井筒完整性而采用了焊接套管工藝，國內(nèi)目前已有嘗試，但經(jīng)驗(yàn)不足，尚未規(guī)?；褂煤附犹坠芗夹g(shù)。多周期交變注采工況及高溫高壓條件下管材優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)亟待完善。

3.4 復(fù)雜連通老腔評(píng)價(jià)利用改造技術(shù)

擬建庫區(qū)的300 余口老腔多為對(duì)流井老腔，形態(tài)較為復(fù)雜。針對(duì)復(fù)雜連通老腔利用，亟需開展新型聲吶檢測(cè)設(shè)備攻關(guān)、在老腔形態(tài)預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上攻關(guān)復(fù)雜老腔形態(tài)模擬預(yù)測(cè)及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，制定老腔可利用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，對(duì)楚州儲(chǔ)氣庫老腔“兩注一排”改造技術(shù)開展注氣先導(dǎo)試驗(yàn)，探索復(fù)雜連通老腔改造技術(shù)。

3.5 擴(kuò)大鹽腔空間動(dòng)用技術(shù)

擬建鹽穴儲(chǔ)氣庫水不溶物殘?jiān)蛎浾紦?jù)大量鹽腔體積，水不容物殘?jiān)障犊臻g存在的鹵水難以外排，降低了鹽腔有效儲(chǔ)氣空間及單腔工作氣量。亟需開展殘?jiān)障犊臻g形成機(jī)理研究，分析殘?jiān)障犊臻g影響因素和驅(qū)替效果，評(píng)估殘?jiān)臻g利用的可行性，驗(yàn)證鹵水驅(qū)替擴(kuò)大儲(chǔ)氣庫空間的可行性，形成新腔及定向?qū)泳锨粩U(kuò)大儲(chǔ)氣空間配套工藝方法。

4 結(jié)論

(1)國內(nèi)鹽穴儲(chǔ)氣庫在調(diào)峰和安全平穩(wěn)供氣中發(fā)揮了重要作用，但是與國內(nèi)調(diào)峰需求還存在較大的差距，鹽穴儲(chǔ)氣庫建庫工作任重道遠(yuǎn)。

(2)鹽穴儲(chǔ)氣庫建庫技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展取得了較大的進(jìn)步，但已經(jīng)形成的建庫技術(shù)尚不足以應(yīng)對(duì)國內(nèi)日益復(fù)雜的建庫條件所帶來的挑戰(zhàn)。通過對(duì)國內(nèi)外鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為國外鹽穴儲(chǔ)氣庫采用的叢式井布井方式、大井眼井身結(jié)構(gòu)與大排量造腔、鹵水回注地下等工藝，值得我國鹽穴儲(chǔ)氣庫借鑒。

(3)依靠科技進(jìn)步，加大技術(shù)攻關(guān)是解決當(dāng)前國內(nèi)鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)面臨問題的關(guān)鍵，必須加強(qiáng)研究地質(zhì)評(píng)價(jià)與造腔工藝、鉆完井工程、注采工程、老腔評(píng)價(jià)改造等多個(gè)方面的核心技術(shù)，大幅度提高鹽穴儲(chǔ)氣庫建庫效率。