中國地下儲氣庫的需求與挑戰(zhàn)

摘 要

摘要：建設(shè)地下儲氣庫是保障安全平穩(wěn)供氣的主要手段之一。為此，介紹了國外地下儲氣庫建設(shè)的主要特點和成功經(jīng)驗，并總結(jié)出了對中國建設(shè)地下儲氣庫的3點啟示：①地下儲氣庫因其儲氣
摘要：建設(shè)地下儲氣庫是保障安全平穩(wěn)供氣的主要手段之一。為此，介紹了國外地下儲氣庫建設(shè)的主要特點和成功經(jīng)驗，并總結(jié)出了對中國建設(shè)地下儲氣庫的3點啟示：①地下儲氣庫因其儲氣規(guī)模大、占地少、安全性能高、不污染環(huán)境等特點，成為當(dāng)今世界上最主要的天然氣儲存方式和調(diào)峰手段；②地下儲氣庫工作氣量應(yīng)達(dá)到天然氣年消費量的15%左右，才能有效保障調(diào)峰和安全平穩(wěn)供氣的需要；③有別于常規(guī)的氣田開發(fā)，應(yīng)根據(jù)地下儲氣庫自身的特點進(jìn)行建設(shè)和運行，并注重吸收國外的成熟技術(shù)和經(jīng)驗。同時對中國地下儲氣庫的發(fā)展需求進(jìn)行了分析，認(rèn)為：雖然中國地下儲氣庫建設(shè)起步較晚，但由于中國天然氣消費需求量的不斷增長、天然氣消費結(jié)構(gòu)的改變、調(diào)峰及天然氣戰(zhàn)略儲備的要求、非常規(guī)天然氣利用等諸多因素的共同作用，中國地下儲氣庫的需求將快速增長，預(yù)計到2020年地下儲氣庫工作氣量需求將達(dá)到650×108m3，2030年將達(dá)到1100×108m3。還指出了中國儲氣調(diào)峰領(lǐng)域存在的瓶頸問題：①地下儲氣庫建設(shè)滯后于天然氣管道建設(shè)；②天然氣管道和氣田調(diào)峰手段弱，根本滿足不了天然氣下游市場的需要；③已經(jīng)掌握的建庫地質(zhì)資源少，與未來建庫需求存在較大的差距；④地下儲氣庫的設(shè)計、建造技術(shù)與復(fù)雜的建庫地質(zhì)條件不相適應(yīng)。最后探討了中國地下儲氣庫建設(shè)將面臨的資源、技術(shù)以及管理方面的挑戰(zhàn)。
關(guān)鍵詞：中國；地下儲氣庫；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢；需求；技術(shù)瓶頸；挑戰(zhàn)
1 國外地下儲氣庫建設(shè)的主要特點及啟示
    全球地下儲氣庫建設(shè)已經(jīng)經(jīng)歷了近百年的歷史，其主要特點為：
    1) 全球天然氣消費量的10%通過地下儲氣庫進(jìn)行調(diào)節(jié)，這充分體現(xiàn)了地下儲氣庫的重要性。
    2) 各國的地下儲氣庫工作氣量與其天然氣資源、天然氣管網(wǎng)完善程度、天然氣用戶消費結(jié)構(gòu)、天然氣進(jìn)口依存度密切相關(guān)，一般占其年天然氣消費量的13%～27%。如果天然氣對外依存度超過30%，則其地下儲氣庫工作氣量一般超過天然氣消費量的12%。世界主要國家地下儲氣庫工作氣量與進(jìn)口氣量之間的關(guān)系見圖1。

    3) 建設(shè)地下儲氣庫已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)、政治乃至外交領(lǐng)域的一種手段。烏克蘭因為有了天然氣地下儲備，在與俄羅斯“斗氣”過程中才有了底氣；西歐一些國家共同推進(jìn)地下儲氣庫建設(shè)來應(yīng)對可能的天然氣供應(yīng)緊缺和中斷，同時促進(jìn)天然氣短期貿(mào)易。
    4) 地下儲氣庫的運營以國家監(jiān)管、公司為運營主體的商業(yè)化運作模式為主。天然氣儲備是保證能源安全的重要手段之一，無論是在歐洲還是北美地區(qū)，在國家層面的監(jiān)管之下，以市場化手段運作，通過調(diào)峰氣價的杠桿作用，刺激了地下儲氣庫的建設(shè)和良性競爭，推動了地下儲氣庫的建設(shè)和發(fā)展。
5) 地下儲氣庫的
建設(shè)以靠近天然氣下游消費市場和用戶為主，以便發(fā)揮最大的調(diào)峰和應(yīng)急功能。從國外地下儲氣庫建設(shè)的經(jīng)驗來看，地下儲氣庫一般建設(shè)在主要消費市場范圍內(nèi)，距離大中型城市的距離一般在200km以內(nèi)。
   6) 中小型地下儲氣庫由于建庫周期短，見效快，普遍受到各國的青睞，且枯竭氣藏改建地下儲氣庫最經(jīng)濟(jì)，也最為常見。世界上地下儲氣庫平均工作氣量為5×108m3，其中儲氣規(guī)模小于5×108m3的占77%。而枯竭氣藏型地下儲氣庫工作氣量占全部地下儲氣庫工作氣量的78%。
   7) 市場對地下儲氣庫工作氣量需求會隨天然氣消費增長而持續(xù)增長，由于地下儲氣庫建設(shè)周期長，工作氣量的建設(shè)高峰期往往滯后于天然氣消費量高峰期。以美國為例，天然氣消費高峰期為1973年，天然氣年消費量達(dá)6000×108m3，但同期地下儲氣庫工作氣量僅200×108m3，不到天然氣年消費量的6%。但到了1990年前后，地下儲氣庫工作氣量就達(dá)到了1200×108m3左右，占天然氣年總消費量的15%。美國不同時期天然氣年消費量與地下儲氣庫工作氣量占天然氣年消費量的比例變化情況如圖2所示。

    8) 地下儲氣庫建設(shè)周期長，從開工建設(shè)到運營達(dá)到設(shè)計產(chǎn)能需要幾年甚至幾十年的時間。從國外經(jīng)驗來看地下儲氣庫建設(shè)一般要經(jīng)過立項、前期評價、設(shè)計、施工、周期性運營和達(dá)到產(chǎn)能等6個階段，歷時多年，且地下儲氣庫規(guī)模越大，建設(shè)周期越長。俄羅斯卡西莫夫水層儲氣庫建庫擴(kuò)容經(jīng)歷了30多年，目前還在擴(kuò)容過程中。
    9) 各國在地下儲氣庫的建設(shè)和運營過程中均十分重視地下儲氣庫本身的安全，及時采用新技術(shù)努力提高地下儲氣庫運行效率。高度的自動化管理、水平井和多分支井的應(yīng)用、氣庫群的運行優(yōu)化、氣井焊接管柱和井筒完整性管理等對延長地下儲氣庫的壽命、提高地下儲氣庫安全性均發(fā)揮了十分重要的作用。
    總結(jié)國外地下儲氣庫的建設(shè)經(jīng)驗，得出以下3點啟示：
    1) 世界發(fā)達(dá)國家天然氣利用的經(jīng)驗表明，在長輸管道、地面儲罐、液化天然氣和地下儲氣庫等多種儲氣調(diào)峰方式中，地下儲氣庫因其儲氣規(guī)模大、占地少、安全性能高、不污染環(huán)境等特點，成為當(dāng)今世界上最主要的天然氣儲存方式和調(diào)峰手段。
    2) 中國的天然氣對外依存度將不斷提高，參照國外經(jīng)驗，地下儲氣庫工作氣量也應(yīng)達(dá)到天然氣年消費量的15%左右，才能有效保障調(diào)峰和安全平穩(wěn)供氣的需要。
    3) 地下儲氣庫的建設(shè)和運行與常規(guī)的氣田開發(fā)有著顯著的差別，應(yīng)根據(jù)地下儲氣庫自身的特點進(jìn)行建設(shè)和運行，并注重吸收國外地下儲氣庫建設(shè)的成熟技術(shù)和經(jīng)驗。
2 中國地下儲氣庫建設(shè)現(xiàn)狀與需求
2.1 中國地下儲氣庫建設(shè)現(xiàn)狀
    中國地下儲氣庫發(fā)展始于20世紀(jì)90代初，經(jīng)過近20年的發(fā)展，地下儲氣庫在平衡天然氣管網(wǎng)的壓力和輸氣量、調(diào)節(jié)區(qū)域平衡供氣方面發(fā)揮了重要作用。
    2000年，中國第1座商業(yè)地下儲氣庫投入運行，在保障北京一天津地區(qū)的安全穩(wěn)定供氣中發(fā)揮了巨大的作用，高峰日采氣量已達(dá)到地區(qū)高峰日用氣量的1/3。目前已經(jīng)在大張坨建成6座地下儲氣庫，形成一個小規(guī)模地下儲氣庫群。板橋地下儲氣庫群的陸續(xù)建成投產(chǎn)，也為北京地區(qū)冬季調(diào)峰和安全供氣提供了有效的保障，2004年末到2005年初該地下儲氣庫群調(diào)峰供氣11×108m3，占陜京線當(dāng)年輸氣量的34%；2010年該地下儲氣庫群調(diào)峰能力為19×108m3，為區(qū)域平衡調(diào)峰發(fā)揮了重要作用。
    2005年，中國第1個鹽穴地下儲氣庫——金壇儲氣庫投入建設(shè)，其設(shè)計工作氣量為17×108m3，目前正在造腔，地下儲氣庫建設(shè)將會持續(xù)到2020年左右。金壇儲氣庫于2005年投產(chǎn)，開創(chuàng)了中國已有鹽穴改建地下儲氣庫的先河，在區(qū)域調(diào)峰方面也發(fā)揮了重要的作用。
    2009年，華北地區(qū)京58地下儲氣庫群投入建設(shè)，其設(shè)計工作氣量為7×108m3，是華北地區(qū)第2個小規(guī)模地下儲氣庫群。
    目前中國石油天然氣集團(tuán)公司正在積極推進(jìn)地下儲氣庫建設(shè)，新投入建設(shè)和評價的地下儲氣庫達(dá)到14座。建設(shè)的地下儲氣庫工作氣量接近120×108m3，開啟了中國大規(guī)模地下儲氣庫建設(shè)的局面。中國石油化工集團(tuán)公司也正在抓緊有關(guān)地下儲氣庫的建設(shè)。
2.2 中國地下儲氣庫的未來需求
    1) 天然氣市場需求量呈快速增長趨勢，國內(nèi)天然氣供給缺口不斷加大。隨著國內(nèi)天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善以及經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，預(yù)計2015年全國天然氣需求量將達(dá)到2350×108m3，2020年將達(dá)3000～3500×108m3[2]，2030年將達(dá)5000×108m3。由于國內(nèi)天然氣產(chǎn)量滿足不了消費需求，為保障國內(nèi)天然氣供應(yīng)，需要大量進(jìn)口國外天然氣。根據(jù)預(yù)測，國內(nèi)天然氣進(jìn)口量將從2010年的約200×108m3增加到2020年的1360×108m3和2030年的2100×108m3，天然氣對外依存度將逐年提高，2020年的天然氣對外依存度將超過50%。
    2) 調(diào)峰與戰(zhàn)略儲備的雙重要求決定了天然氣儲備的需求巨大。預(yù)計到2020年，中國天然氣對外依存度將超過50%，借鑒國外經(jīng)驗，天然氣進(jìn)口量超過50%的國家其地下儲氣庫工作氣量將達(dá)到天然氣消費量的15%左右。以此為依據(jù)，按2020年國內(nèi)天然氣消費量3500×108m3測算，調(diào)峰氣量將達(dá)到525×108m3的規(guī)模。而且隨著中國天然氣對外依存度的不斷提高，天然氣進(jìn)口量將不斷增長，供氣中斷的風(fēng)險將越來越大，因此應(yīng)適當(dāng)考慮戰(zhàn)略儲備需求。中國進(jìn)口天然氣主要來源于中亞、俄羅斯和海運LNG，因此應(yīng)考慮在天然氣進(jìn)口通道附近或國內(nèi)天然氣長輸管網(wǎng)的樞紐地區(qū)建設(shè)國家天然氣戰(zhàn)略儲備，按2020年天然氣戰(zhàn)略儲備量達(dá)到30d天然氣進(jìn)口量、2030年天然氣戰(zhàn)略儲備量達(dá)到60d天然氣進(jìn)口量的目標(biāo)，則可估算出2020年的天然氣戰(zhàn)略儲備量為110×108m3，2030年的天然氣戰(zhàn)略儲備量為350×108m3。綜合調(diào)峰和戰(zhàn)略儲備的需求，2020年地下儲氣庫工作氣量應(yīng)為650×108m3，2030年工作氣量應(yīng)為1100×108m3。
    3) 天然氣消費結(jié)構(gòu)逐漸多元化，城市燃?xì)獗壤黾?，儲氣調(diào)峰需求不斷增加。2000年以前，化工和工業(yè)燃料是天然氣消費的主體，1996年，這一消費主體占到了天然氣總消費量的82%左右，這種消費結(jié)構(gòu)對調(diào)峰需求并不是十分迫切。近年來隨著城市燃?xì)夂吞烊粴獍l(fā)電比例的上升，中國天然氣消費市場逐漸形成了城市燃?xì)?、工業(yè)燃料、天然氣化工、天然氣發(fā)電相對均衡的消費結(jié)構(gòu)，而城市燃?xì)夂吞烊粴獍l(fā)電對調(diào)峰的要求高、需求大，需要建設(shè)足夠的調(diào)峰配套實施，尤其是地下儲氣庫以滿足需求。
    4) 煤層氣和頁巖氣的大規(guī)模開發(fā)利用，對地下儲氣庫的建設(shè)提出了更高的要求。目前國內(nèi)正在大規(guī)模開發(fā)利用非常規(guī)天然氣，尤其是頁巖氣、煤層氣及致密氣，預(yù)計到2020年，中國煤層氣產(chǎn)量將達(dá)500×108m3、頁巖氣的產(chǎn)量也將達(dá)到800×108m3[3]，煤制氣產(chǎn)量將超過100×108m3。由于非常規(guī)天然氣單井產(chǎn)量低，本身所具備的調(diào)節(jié)功能弱，因此開發(fā)利用這些天然氣資源必須有配套的儲氣調(diào)峰設(shè)施加以保障。
    5) 平衡長輸骨干管網(wǎng)壓力和輸氣量、加快地下儲氣庫調(diào)峰需求不斷增長。根據(jù)國外的經(jīng)驗，長輸骨干管網(wǎng)形成后的5～10年，是地下儲氣庫需求快速增長階段，待天然氣消費量達(dá)到高峰之后，地下儲氣庫需求將呈現(xiàn)平穩(wěn)增長趨勢。目前中國的天然氣消費還處于快速增長階段，調(diào)峰的需求還可以通過新建管道未達(dá)到滿負(fù)荷運行前的富余輸送能力加以調(diào)劑，到2020年前后，中國的長輸管網(wǎng)基本建成并基本滿負(fù)荷運行時，對地下儲氣庫的需求將會更加迫切。
    綜上所述，由于中國天然氣消費需求的不斷增長、天然氣消費結(jié)構(gòu)的改變、調(diào)峰及天然氣戰(zhàn)略儲備的要求、非常規(guī)天然氣利用等諸多因素的共同作用，中國地下儲氣庫的需求將快速增長，預(yù)計到2020年地下儲氣庫工作氣量需求將達(dá)到650×108m3，2030年將達(dá)到1100×108m3。
3 中國地下儲氣庫發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
3.1 中國儲氣調(diào)峰領(lǐng)域存在的瓶頸問題
    1) 地下儲氣庫建設(shè)滯后于天然氣管道建設(shè)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國的長輸天然氣管道建設(shè)力度空前，供氣增長速度很快，而地下儲氣庫建設(shè)往往在天然氣管道投入運行后才開始正式啟動，并且建設(shè)周期需要5～8a的時間，導(dǎo)致國內(nèi)地下儲氣庫建設(shè)速度跟不上天然氣管道建設(shè)速度，滿足不了調(diào)峰增長的需要，調(diào)峰需求大與調(diào)峰設(shè)施不足之間的矛盾開始凸現(xiàn)。
    2) 天然氣管道和氣田調(diào)峰手段弱，根本滿足不了天然氣下游市場的需要。由于中國幅員遼闊，天然氣資源分布不均，天然氣資源主要集中在西部地區(qū)，而天然氣消費市場主要集中在東部和南方地區(qū)，長輸天然氣管道的距離都超過1000km，“西二線”等長輸天然氣管道距離超過3000km，利用上游氣田和天然氣管道來滿足下游天然氣市場調(diào)峰的可能性小，操作難度大，經(jīng)濟(jì)效益差。
3) 已經(jīng)掌握的建庫地質(zhì)資源少，與未來建庫需求存在較大的差距。中國目前已經(jīng)掌握的建庫地質(zhì)資源少，在主要天然氣消費區(qū)利用枯竭氣藏遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足建庫的需要。從目前天然氣主要消費區(qū)東北、環(huán)渤海、長江三角洲地區(qū)來看，具備建設(shè)地下儲氣庫的氣藏資源基本都已經(jīng)納入地下儲氣庫建設(shè)規(guī)劃，但仍不能滿足該地區(qū)未來的調(diào)峰需要，仍需要尋找新水層建庫目標(biāo)。東南、中南地區(qū)沒有油氣藏建庫的資源，只能選擇含水層和鹽礦建庫，且?guī)熘愤x址難度大。
   4) 地下儲氣庫的設(shè)計、建造技術(shù)與復(fù)雜的建庫地質(zhì)條件不相適應(yīng)。對已經(jīng)納入建庫目標(biāo)的氣藏來說，埋藏深、滲透率低、水淹嚴(yán)重等問題一直困擾著地下儲氣庫的建設(shè)。中國東部和南方地區(qū)的鹽層特點是層狀分布、多夾層、厚度小，造腔技術(shù)難度大，在國際上也屬于鹽穴儲氣庫建造的難題。而含水層、油藏建庫在中國尚無先例，這類地下儲氣庫選址標(biāo)準(zhǔn)及建庫技術(shù)還在摸索中。
3.2 中國地下儲氣庫發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
3.2.1資源挑戰(zhàn)
   中國東部地區(qū)油氣藏目標(biāo)已經(jīng)基本上納入了地下儲氣庫建庫的范圍。由于東部地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，尋找合適建庫目標(biāo)需要投入大量的工作量。南方地區(qū)的油氣勘探?jīng)]有突破，無法利用油氣藏建庫，水層建庫勘探任務(wù)艱巨。世界上地下儲氣庫單個平均工作氣量為5×108m3，按世界平均水平計算，新建500×108m3的工作氣量，需要新建100座地下儲氣庫，就需要發(fā)現(xiàn)、尋找、評價300個左右的圈閉構(gòu)造。
3.2.2技術(shù)挑戰(zhàn)
   1) 國外已基本形成一套成熟的地下儲氣庫評價、篩選、建設(shè)和管理的技術(shù)體系和流程，國內(nèi)在這一領(lǐng)域剛剛起步，技術(shù)體系還不成熟。
2) 相比國外地下儲氣庫的建設(shè)，中國的建庫對象具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，如何在低滲透、超深、復(fù)雜油氣水系統(tǒng)地質(zhì)條件下建庫具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性。從目前的建庫目標(biāo)來看，油氣藏地下儲氣庫埋藏深度普遍較深，幾乎都超過2000m，最深的達(dá)到5000m；儲層物性較差，部分區(qū)塊滲透率只有幾個毫達(dá)西；而且有些目標(biāo)已經(jīng)水淹，建庫擴(kuò)容難度非常大。另外這些氣藏往往又是20世紀(jì)60—70年代的開發(fā)井，井況復(fù)雜，處理或修復(fù)難度大，對地下儲氣庫安全影響也較大；與此同時，不少氣藏衰竭程度較高，壓力系數(shù)低，鉆井、完井、同井的難度大。
3) 含水層儲氣庫、巖洞型儲氣庫建設(shè)對中國南方地區(qū)建庫來講具有重要意義，但這類地下儲氣庫建設(shè)難度較大，目前中國這方面還處于空白，相關(guān)的技術(shù)經(jīng)驗都還不具備。在鹽層建庫方面，盡管金壇鹽穴儲氣庫建設(shè)積累了一定的經(jīng)驗，但是針對多夾層鹽層建庫過程中溶腔控制、實時監(jiān)控等同樣面臨很多技術(shù)難題。
    4) 在工程技術(shù)方面，尤其是在鉆井、完井、保證井筒安全方面，還面臨相當(dāng)多的困難。目前地下儲氣庫均處于主要的建設(shè)階段，如何確保安全鉆進(jìn)、保證同井質(zhì)量面臨很多技術(shù)難題。今后隨著地下儲氣庫的投產(chǎn)，所有的地下儲氣庫注采井的井筒都將面臨注采過程中溫度和壓力的周期性變化，保證井筒的完整性，建立起一套科學(xué)有效的安全評價標(biāo)準(zhǔn)體系對地下儲氣庫的安全運行至關(guān)重要。
3.2.3管理挑戰(zhàn)
    1) 地下儲氣庫的優(yōu)化運行管理、提高地下儲氣庫的運行效率是一個十分復(fù)雜的課題，其包括提高運行壓力、減少水侵入影響、安全管理規(guī)范、應(yīng)急注采方案、地下儲氣庫的有效監(jiān)測、井筒完整和系統(tǒng)完整性管理與監(jiān)測等。
    2) 地下儲氣庫總數(shù)不斷增多，類型不一，且分布在不同的天然氣管道沿線，針對不同管徑、不同壓力系統(tǒng)、不同的儲氣庫注采調(diào)峰方式，將天然氣管道與地下儲氣庫作為一個整體進(jìn)行優(yōu)化管理非常重要：在正常調(diào)峰狀態(tài)下，兼顧天然氣管道輸送效率和地F儲氣庫建庫達(dá)容的需要，研究整個系統(tǒng)的最佳調(diào)配運行方案；在不同管道、不同供氣階段、不同管段檢修和事故狀態(tài)下，研究最優(yōu)的地下儲氣庫注采運行方案；在不同地區(qū)極端氣候條件下，研究合理的天然氣管道與地下儲氣庫的調(diào)配方案；形成系統(tǒng)應(yīng)急處置預(yù)案。
4 結(jié)束語
    中國地下儲氣庫建設(shè)雖處于發(fā)展初期，盡管在地下儲氣庫建設(shè)上面臨著許多挑戰(zhàn)，但只要重視地下儲氣庫在天然氣上下游中不可缺少的重要地位，重視消化吸收國外先進(jìn)經(jīng)驗和技術(shù)，通過技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新，不斷加大建設(shè)力度，地下儲氣庫事業(yè)必將隨著中國天然氣業(yè)務(wù)快速發(fā)展而發(fā)展，在中國天然氣穩(wěn)定和安全供給中發(fā)揮不可替代的重要作用。
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(本文作者：丁國生 中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院)