北美天然氣儲氣庫建設(shè)的經(jīng)驗與啟示

摘 要

摘要：北美地區(qū)是天然氣儲氣庫建設(shè)起步最早、規(guī)模最大的地區(qū)，通過對其天然氣儲氣庫建設(shè)歷史的回顧和現(xiàn)狀分析，得出如下結(jié)論：①北美地區(qū)目前是天然氣儲氣庫建設(shè)最成熟的區(qū)域；②天然
摘要：北美地區(qū)是天然氣儲氣庫建設(shè)起步最早、規(guī)模最大的地區(qū)，通過對其天然氣儲氣庫建設(shè)歷史的回顧和現(xiàn)狀分析，得出如下結(jié)論：①北美地區(qū)目前是天然氣儲氣庫建設(shè)最成熟的區(qū)域；②天然氣工業(yè)快速發(fā)展和管道建設(shè)促進了儲氣庫的建設(shè)；③儲氣庫注呆周期與地質(zhì)條件相關(guān)；④注采井一般遵循“大進大出”原則，從鉆井和固井等方面綜合考慮設(shè)計方案；⑤采用設(shè)置觀察井、老井封堵和注采井安全措施等方法來保障儲氣庫安全運行；⑥完備的法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范促進了儲氣庫建設(shè)。我國天然氣儲氣庫建設(shè)相對滯后，借鑒北美地區(qū)成熟的儲氣庫建設(shè)經(jīng)驗，針對國內(nèi)儲氣庫建設(shè)提出如下建議：①加強天然氣儲氣庫建設(shè)要與管道建設(shè)緊密聯(lián)系在一起，這是安全平穩(wěn)供氣、天然氣行業(yè)快速健康發(fā)展的有力保障；②重視儲氣庫建設(shè)前期評價和研究工作；③要注重氣井安全，保障儲氣庫安全運行；④應(yīng)制定和完善相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、法律法規(guī)，以指導(dǎo)儲氣庫建設(shè)。
關(guān)鍵詞：天然氣；地下儲氣庫；注采周期；廢氣油氣藏；鹽穴；北美；中國；建議
1 北美天然氣儲氣庫概況
1.1 北美天然氣地下儲氣庫現(xiàn)狀
   北美是儲氣庫開發(fā)建設(shè)最早的地區(qū)，1915年加拿大在安大略省Welland氣田建成全球第一座儲氣庫，1916年美國在紐約州Buffalo附近的Zoar枯竭氣田建成第二座儲氣庫，也是美國境內(nèi)的第一座儲氣庫[1]。截止到2009年，北美地區(qū)共有天然氣儲氣庫441座(表1)，最大工作氣量1282×108m3，日最高供氣能力25.36×108m3。占全世界630座儲氣庫的70%，全世界工作氣量3294×108m3的38.92%，日供氣能力占全世界76.86×108m3的32.98%。其中枯竭油氣藏天然氣地下儲氣庫有350座，為儲氣庫建設(shè)的主體類型；鹽穴類型儲氣庫有40座，主要分布在美國和加拿大境內(nèi)；含水層構(gòu)造天然氣儲氣庫有51座，全部位于美國境內(nèi)。

1.2 北美地區(qū)天然氣儲氣庫建設(shè)發(fā)展?fàn)顩r
   根據(jù)北美地區(qū)目前運行的天然氣儲氣庫建設(shè)時間(圖1、2)，可以將天然氣儲氣庫發(fā)展劃分為初步建設(shè)、快速發(fā)展和補充完善3個階段。
 

1.2.1初步建設(shè)階段(1916—1950年)
這一階段北美地區(qū)儲氣庫建設(shè)主要集中在美國境內(nèi)，這也是美國天然氣工業(yè)發(fā)展初期。20世紀(jì)20年代末隨著管輸技術(shù)的發(fā)展，天然氣管道長輸成為事實，1927—1931年美國境內(nèi)共建成12條主要輸氣干線，掀起天然氣管道建設(shè)的第一次高潮，同時天然氣消費量快速增長，1930年達到了345×108m3。由于長距離輸送，消費量擴大，季節(jié)性消費量波動大，安全平穩(wěn)供氣成為當(dāng)時最為急迫的問題。利用儲氣庫進行調(diào)解是確保安全平穩(wěn)供氣的最有效途徑，因此儲氣庫建設(shè)得到了較快的發(fā)展。儲氣庫建設(shè)與輸氣管網(wǎng)建設(shè)幾乎同步，從1931—1950年這20a時間里建成儲氣庫78座。
    該階段儲氣庫類型主要以廢棄油氣藏為主，儲氣庫工程技術(shù)不斷進步。在此期間建成在肯塔基州建成Doe Run Upper第一座含水層儲氣庫。
1.2.2快速建設(shè)階段(1951—1980年)
    這一階段處于北美地區(qū)美國天然氣行業(yè)快速發(fā)展階段，天然氣消費量、儲產(chǎn)量快速增長，天然氣管網(wǎng)建設(shè)加速，逐漸形成完善的管網(wǎng)體系，天然氣儲氣庫隨之快速建設(shè)，與管網(wǎng)配套完善。加拿大天然氣儲氣庫建設(shè)不斷增加。1951—1980年北美地區(qū)共建設(shè)儲氣庫256座，其中美國234座，加拿大22座。
    儲氣庫建設(shè)技術(shù)在此期間快速發(fā)展，相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)確立。儲氣庫類型從單一廢棄油氣藏類型建設(shè)，發(fā)展到含水構(gòu)造儲氣庫和鹽穴儲氣庫多種類型共同建設(shè)。
1.2.3成熟完善階段(1981年―現(xiàn)在)
    隨著北美地區(qū)天然氣市場經(jīng)過快速發(fā)展階段進入成熟期后，天然氣集輸管網(wǎng)日趨完善，管道建設(shè)開始處于平穩(wěn)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，儲氣庫建設(shè)也相應(yīng)進入平穩(wěn)發(fā)展階段。目前美國集氣干線約有50×104km，配套管道300×104km，建成儲氣庫389座，形成了一個完善的
天然氣儲運系統(tǒng)[2]。
2 北美儲氣庫建設(shè)經(jīng)驗
2.1 儲氣庫建設(shè)與天然氣工業(yè)和輸氣管道建設(shè)同時起步
    北美地區(qū)儲氣庫建設(shè)緊密跟隨天然氣工業(yè)發(fā)展和天然氣管網(wǎng)建設(shè)比，在市場發(fā)達、管網(wǎng)完備的地區(qū)優(yōu)先建設(shè)儲氣庫來保障平穩(wěn)供氣。針對目標(biāo)區(qū)域深入研究儲氣庫建設(shè)條件，對周邊廢棄油氣藏、含水層構(gòu)造和鹽穴等地質(zhì)資源充分利用，逐漸完善整個區(qū)域天然氣儲運系統(tǒng)。廢棄油氣藏建設(shè)儲氣庫集中分布在美國的東部、中部和西部，加拿大東南部發(fā)達地區(qū)。含水層儲氣庫主要分布在美國中部偏東伊利諾亞州的寒武紀(jì)和奧陶紀(jì)的含水層構(gòu)造中。鹽穴儲氣庫主要分布在美國南部得克薩斯、路易斯安那的墨西哥灣盆地和加拿大西南部薩斯喀徹溫省的鹽層中[3]。
2.2 注采周期
    儲氣庫注采周期和儲氣庫類型及注采井技術(shù)的進步關(guān)系密切。巖穴儲氣庫單穴庫容小，具有快速的循環(huán)能力或者說庫存周轉(zhuǎn)率，適合應(yīng)急調(diào)峰供氣。該類儲氣庫可以供氣能力甚至可以根據(jù)用戶要求供氣量按小時變化[4]。廢棄油氣藏和含水構(gòu)造儲氣庫規(guī)模一般相對較大，庫存周轉(zhuǎn)率相對較慢，注采周期相對較長。技術(shù)進步能夠提高儲氣庫的庫存周轉(zhuǎn)率，對于廢棄油氣藏和含水構(gòu)造儲氣庫效果尤其明顯(圖3)。主要表現(xiàn)在水平井的應(yīng)用、增加注采井?dāng)?shù)、提高壓力等其他技術(shù)的進步提高儲氣庫的注入和采出能力，從而縮短儲氣庫的注采周期[4]。
 

    根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)廢棄油氣藏儲氣庫注采周期一般1次/a，平均不足1次/a；含水層構(gòu)造儲氣庫注采周期一般1次/a，個別的會達到2次/a，如北美地區(qū)51座含水層構(gòu)造儲氣庫只有4座注采周期為2次/a，但平均不足1次/a。鹽穴儲氣庫至少1次/a，平均會達到2次/a。圖3給出的1998、1992和2005年美國在運不同類型儲氣庫注采周期統(tǒng)計。從中也可以看出鹽穴儲氣庫循環(huán)能力最好；廢棄油氣藏儲氣庫循環(huán)能力不斷提高。2005年鹽穴儲氣庫的平均注采周期為2.28次/a，枯竭型儲氣庫0.73次/a，水層型儲氣庫0.66次/a。
2.3 注采井設(shè)計
    儲氣庫鉆井設(shè)計一般遵循“大進大出”的原則，盡可能提高氣井供氣能力，發(fā)揮最大的產(chǎn)能。一般采用常規(guī)鉆井工藝即可，相比油氣田開發(fā)鉆井設(shè)計有以下幾個方面特點[5～6]。
    1) 鉆井過程非常重視儲層保護工作。鉆井一般采用低相對密度、低固相鉆井液，欠平衡鉆井也被應(yīng)用在儲氣庫建設(shè)中，最大限度地保護儲層。
    2) 由于循環(huán)注、采氣壓力反復(fù)變化、防止氣體泄漏和使用壽命等因素，儲氣庫完井要求較高的固井質(zhì)量。注采井完井各層套管的固井水泥全部上返至地面，防止氣體泄漏，同時延長注采井的壽命。
    3) 已建成儲氣庫多采用常規(guī)直井，部分采用水平井。井型設(shè)計一般根據(jù)儲氣庫建庫地質(zhì)條件、地層滲流條件和鉆井投資等因素確定。2009年北美在運441座儲氣庫注采井合計14287口，其中直井14059口，水平井188口，其他井40口。
2.4 儲氣庫安全運行
2.4.1觀察井設(shè)置
    儲氣庫在氣庫的周圍布置一定數(shù)量的觀察井，主要用于檢查氣庫蓋層密封性、監(jiān)測地層水活動等，保證儲氣庫安全運行(表2)。其中含水層構(gòu)造儲氣庫運行觀察井最多，占氣庫總井?dāng)?shù)的三分之一；廢棄油氣藏儲氣庫觀察井占總井?dāng)?shù)的五分之一以上。鹽穴儲氣庫觀察井較少。
2.4.2老井處理
    老井處理主要是針對廢棄油氣藏改建儲氣庫的情形。美國儲氣庫建設(shè)對老井的處理要執(zhí)行聯(lián)邦政府的有關(guān)條例和標(biāo)準(zhǔn)。對不再利用的老井采取封堵措施，其步驟是把水泥返高以上的套管全部套洗回收后對整個井眼進行水泥固封，但對進行過放射性測井的老井直接水泥封固[6]。
 

2.4.3注采井安全措施
    一般的注采井要安裝井下安全閥，以保障儲氣庫的安全。鹽穴儲氣庫的注采井因為保留了沖洗鹽穴用的大口徑油管，一般需要安裝井口安全[6]。
2.5 制定比較完善的儲氣庫建設(shè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和法律
    儲氣庫作為保障天然氣管道安全運行和平穩(wěn)供氣最有效途徑。美國和加拿大及其他很多國家都把儲氣庫建設(shè)作為天然氣上下游一體化工程的重要組成部分。美國就長輸管網(wǎng)地下儲氣庫建設(shè)制定了相關(guān)法律，美國主要依據(jù)《天然氣法》、《能源政策法》等監(jiān)督儲氣庫建設(shè)，同時美國石油協(xié)會也制定了一些儲氣庫建設(shè)規(guī)范，如《鹽穴儲氣庫設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[7]。加拿大標(biāo)準(zhǔn)委員會于2002年出臺了包含廢棄油氣藏儲氣庫、鹽穴儲氣庫和礦坑儲氣庫的建設(shè)規(guī)范，從使用范圍、鉆完井技術(shù)、庫容、地面設(shè)備和安全等方面指導(dǎo)本國儲氣庫建設(shè)[8]。
3 國內(nèi)儲氣庫建設(shè)現(xiàn)狀
    我國地下儲氣庫發(fā)展起步較晚，20世紀(jì)70年代曾在大慶油田進行過利用氣藏建設(shè)儲氣庫的嘗試，但直到20世紀(jì)90年代初才真正開始研究地下儲氣庫技術(shù)，隨著陜京輸氣管道的建設(shè)才開始研究建設(shè)地下儲氣庫，以確保北京和天津的安全供氣。截至2009年底在大港油田利用枯竭凝析氣藏建成大張坨、板876、板中北、板中南、板808、板828等6座儲氣庫，設(shè)計庫容69.6×108m3，工作氣量約30.3×108m3，保證京津兩大城市的調(diào)峰供氣。其他在建儲氣庫包括金壇、劉莊、永22、京58和京51等儲氣庫5座，設(shè)計工作氣量為29.4×108m3，實際工作氣量為15.1×108m3[9～12]。我國天然氣產(chǎn)量不斷增長，2009年全國產(chǎn)量達到830×108m3。全國的天然氣儲氣庫儲氣量僅為消費量的3.6%，遠低于世界平均水平10%以上。天然氣儲氣庫規(guī)模與完善的天然氣儲運系統(tǒng)還相去甚遠。
4 幾點啟示
4.1 加強天然氣儲氣庫建設(shè)要與管道建設(shè)緊密聯(lián)系在一起。這是安全平穩(wěn)供氣、天然氣行業(yè)快速健康發(fā)展的有力保障
    為緩解天然氣季節(jié)性消費波動性大帶來的峰谷差，保障安全平穩(wěn)供氣，應(yīng)根據(jù)天然氣消費量和管網(wǎng)的建設(shè)情況進行儲氣庫配套建設(shè)。美國19世紀(jì)30年代掀起管道建設(shè)高潮，儲氣庫建設(shè)也快速跟進，逐漸形成完備的天然氣儲運系統(tǒng)。目前我國天然氣工業(yè)進入快速發(fā)展階段，天然氣消費量不斷增大，隨著“兩氣東輸”、“陜京”二線建設(shè)、“川氣東輸”等工程建設(shè)掀起了管道建設(shè)的一個高潮。而儲氣庫建設(shè)相對滯后。參照北美地區(qū)儲氣庫建設(shè)發(fā)展情況，我國在輸氣管線周邊、天然氣消費發(fā)達區(qū)域要加大加快儲氣庫建設(shè)力度，保障平穩(wěn)供氣，實現(xiàn)天然氣工業(yè)快速健康發(fā)展。
4.2 重視儲氣庫建設(shè)前期評價和研究工作
    儲氣庫建設(shè)因地制宜，充分利用自然資源優(yōu)勢，確定最佳建庫方案。北美地區(qū)儲氣庫建設(shè)廢棄油氣藏、含水層構(gòu)造和鹽穴儲氣庫并存，我國儲氣庫建設(shè)技術(shù)等各方面條件不完備的情況下，可以充分借鑒國外經(jīng)驗和成熟的建庫技術(shù)，爭取國家政策支持，加快儲氣庫建設(shè)。充分利用國內(nèi)各油氣區(qū)的枯竭油氣藏進行儲氣庫建設(shè)前期評價和研究工作，優(yōu)選建庫方案；利用我國鹽巖分布廣、層狀為主的特點，在天然氣消費量的區(qū)域周邊注重該類儲氣庫前期評價和地質(zhì)研究工作，建設(shè)相應(yīng)的儲氣庫。
4.3 注重氣井安全，保障儲氣庫安全運行
    吸收國外儲氣庫安全運行的經(jīng)驗，國內(nèi)儲氣庫建設(shè)工程中從設(shè)立儲氣庫運行安全監(jiān)測井、老井利用安全處理、注采井安裝井下安全閥等方面采取必要的措施，保障天然氣儲氣庫安全運行。
4.4 制定完善相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、法律法規(guī)指導(dǎo)天然氣儲氣庫建設(shè)
    我國石油天然氣法律建設(shè)還很不完善，天然氣儲備法規(guī)方面基本空白，為了天然氣工業(yè)健康快速發(fā)展，保障安全平穩(wěn)供氣，建設(shè)完善的天然氣集輸儲運體系，應(yīng)盡快在天然氣儲氣庫建設(shè)方面進行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范制定，并應(yīng)盡快建立石油天然氣法律法規(guī)指導(dǎo)天然氣儲氣庫建設(shè)。
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(本文作者：霍瑤 黃偉崗 溫曉紅 王亞莉 李俏靜 中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院)