相國寺儲氣庫。
復(fù)雜地質(zhì)條件下氣藏型儲氣庫建設(shè)技術(shù)創(chuàng)造了世界儲氣庫建設(shè)的多項第一，創(chuàng)新成果整體達(dá)到國際先進(jìn)水平，成為防范與化解我國天然氣供應(yīng)安全風(fēng)險的“壓艙石”。
要將地面的一條“氣龍”降伏，注入地下2500米深處的天然氣“糧倉”，有多難？中國西南最大的儲氣庫——相國寺儲氣庫已經(jīng)做了這樣一件事。
新冠肺炎疫情期間，為保障國內(nèi)天然氣產(chǎn)供儲銷平衡，這座藏身重慶華鎣山麓的儲氣庫開啟了應(yīng)急注氣調(diào)峰模式。這也是自2013年6月29日第一次試注成功以來，相國寺儲氣庫首次在采氣期開啟應(yīng)急注氣模式。
儲氣庫相當(dāng)于天然氣地下“糧倉”，具有存量大、調(diào)峰范圍廣、使用年限長、安全系數(shù)高等特點，在極端天氣、突發(fā)事件以及戰(zhàn)略儲備中發(fā)揮著不可替代的作用。
目前，國內(nèi)類似的天然氣“糧倉”共有27座：中國石油23座(22座氣藏型、1座鹽穴型)，中國石化3座，港華燃?xì)?座，設(shè)計總工作氣量231億立方米。自2000年中國第一座商業(yè)儲氣庫——天津大張坨儲氣庫建成投產(chǎn)以來，中國石油不斷攻關(guān)復(fù)雜地質(zhì)條件下氣藏型儲氣庫建設(shè)技術(shù)難題，用20年走過了國外50年的發(fā)展歷程，結(jié)束了我國“有氣無庫”歷史，建成了22座氣藏型儲氣庫，年采氣能力超過110億立方米，最高日采氣量超1億立方米。
2019年底，復(fù)雜地質(zhì)條件氣藏型儲氣庫關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化成果鑒定會上，12名中國科學(xué)院和中國工程院院士領(lǐng)銜的專家組認(rèn)為，中國石油復(fù)雜地質(zhì)條件下氣藏型儲氣庫建設(shè)技術(shù)創(chuàng)造了“斷裂系統(tǒng)最復(fù)雜、儲層埋藏最深、地層溫度最高、注氣壓力最高、地層壓力系數(shù)最低”等氣藏型儲氣庫建設(shè)的世界第一，創(chuàng)新成果整體達(dá)到國際先進(jìn)水平。
“我們國家這套復(fù)雜地質(zhì)條件下氣藏型儲氣庫技術(shù)和理論走到了世界前列，另外這種低孔低滲儲層強(qiáng)采強(qiáng)注的儲庫技術(shù)，我們也走到了世界前列。”中國科學(xué)院院士鄒才能說。
“只要有天然氣規(guī)模利用就要有儲氣庫”
中國儲氣庫建設(shè)與國內(nèi)天然氣消費快速增長有直接關(guān)系。
從數(shù)據(jù)上看，2000年我國天然氣消費245億立方米，2010年達(dá)到1000億立方米，2019年達(dá)到3067億立方米?！短烊粴獍l(fā)展“十三五”規(guī)劃》更提出天然氣發(fā)展目標(biāo)：力爭2020年、2030年天然氣占一次能源消費比重分別達(dá)到10%左右和15%左右。
值得注意的是，我國天然氣市場季節(jié)用氣波動比較大，比如北京冬季用氣量是夏季的4到10倍，國際通行方法是通過建設(shè)儲氣庫進(jìn)行季節(jié)調(diào)峰，最近幾年大張坨、相國寺等儲氣庫冬天向北京提供了30%-40%的高峰用氣。
為滿足國內(nèi)天然氣需求，我國天然氣進(jìn)口量一直在增加，對外依存度不斷攀升。2018年，我國成為世界最大的天然氣進(jìn)口國，進(jìn)口天然氣1254億立方米，對外依存度升至45.3%。2019年對外依存度雖有下降，但也達(dá)到了43.4%。
進(jìn)口氣量加大，增加了突發(fā)事件導(dǎo)致的供應(yīng)安全風(fēng)險。2017年中亞進(jìn)口氣因突發(fā)事件每天減供4000萬立方米令人記憶猶新，沿線儲氣庫日增供氣3000萬立方米。“那時要是沒有儲氣庫發(fā)揮作用，很多家庭冬天取暖都會遇到困難。”中國石油勘探開發(fā)研究院院長馬新華說。
“只要有天然氣規(guī)模利用就要有儲氣庫。”馬新華目睹了中國儲氣庫從無到有并形成規(guī)模儲氣能力、建設(shè)技術(shù)走向成熟的歷史，他明確指出天然氣產(chǎn)業(yè)鏈具有生產(chǎn)、輸送、儲存、銷售四個環(huán)節(jié)，缺一個都不能稱之為天然氣產(chǎn)業(yè)鏈。
相比世界上大部分儲氣庫，我國儲氣庫起步比較晚，國外儲氣庫建設(shè)大概有100年的歷史，我國儲氣調(diào)峰是目前天然氣產(chǎn)業(yè)鏈的短板，補(bǔ)齊短板尤為迫切。
2017年以來，我國要求建立天然氣儲備制度，提升儲氣調(diào)峰能力。2018年，國家提出要建設(shè)年消費量16%的儲氣調(diào)峰能力目標(biāo)，特別是2018年2月，習(xí)近平總書記做出“要把天然氣產(chǎn)供儲銷體系建設(shè)作為一個重點工作抓好，以防再現(xiàn)‘氣荒’”的指示。2019年10月11日，李克強(qiáng)總理在主持召開的國家能源委員會會議上提出，增強(qiáng)油氣安全儲備和應(yīng)急保障能力是長期戰(zhàn)略任務(wù)。
儲氣庫調(diào)峰保供應(yīng)急作用日益凸顯。中國石油儲氣庫調(diào)峰數(shù)據(jù)顯示，截至2020年3月，國內(nèi)27座儲氣庫累計調(diào)峰供氣量突破500億立方米，相當(dāng)于2019年全年天然氣消費量的六分之一，創(chuàng)歷史新高。
儲氣庫：“從0到1”
不過“，從0到1”絕非一帆風(fēng)順。
在中國石油勘探開發(fā)研究院地下儲氣庫研究所黨支部書記丁國生的記憶中，上世紀(jì)九十年代，隨著陜甘寧靖邊氣田發(fā)現(xiàn)，陜京一線供北京用氣安全成為一個課題。當(dāng)時極少數(shù)去國外考察的人說，國外通過儲氣庫保障天然氣管線供應(yīng)安全，大概有氣藏型、含水層、鹽穴、礦坑4類儲氣庫，了解上述信息后，選址團(tuán)隊即開始選址。
選址團(tuán)隊先后考察門頭溝煤礦、牛頭鎮(zhèn)構(gòu)造、風(fēng)和營含水層、華北油田油氣藏等地，遺憾的是，不是因密封性不好，就因油氣藏還有一定開采價值作罷。最終選擇的是一處未開發(fā)的凝析氣藏——天津大張坨作為我國的第一座商業(yè)儲氣庫。
如果往前追溯，1980年5月，中國第一座地下天然氣貯氣庫（儲氣庫）就在大慶正式投入使用。這座名為喇嘛甸的貯氣庫1975年建成，試用了五年，效果較好。
大張坨儲氣庫設(shè)計方案邀請美國一家公司和中方團(tuán)隊背靠背設(shè)計，主要是為“找差距”。據(jù)丁國生回憶，美國人是按市場需求來設(shè)計方案，中方是按照氣田開發(fā)來設(shè)計方案，“兩者是完全不一樣的思路”。
正如馬新華所說，早期技術(shù)不是很成熟，那個階段建設(shè)的儲氣庫大多沒有達(dá)到設(shè)計預(yù)期，達(dá)容率大概70%左右。最明顯的是，大港板中北投運(yùn)16年實際工作氣量僅為方案設(shè)計指標(biāo)的56%。
早期面臨的問題是，讓業(yè)界接受不同類型的儲氣庫。以配套西氣東輸一線的金壇鹽穴儲氣庫為例，2001年4月7日，河北廊坊中國石油國際飯店舉行西氣東輸可行性研究論證會，丁國生作金壇鹽穴儲氣庫匯報。
“因為鹽穴儲氣庫在中國是一個全新而十分陌生的概念，加上與國外優(yōu)良的建庫條件差距較大，與會專家普遍擔(dān)心中國建造鹽穴儲氣的安全性，地下一千多米深，你弄那么大的洞，還要存氣，漏了怎么辦？”他回憶道。
鹽穴儲氣庫成本比較高，每1億立方米工作氣量，需投資5億至6億元人民幣。而利用枯竭油氣藏建儲氣庫，地質(zhì)簡單的庫1億立方米工作氣量投資需2億多元，地質(zhì)復(fù)雜的庫投資超過3億元。不過，正是這種堅持探索，為復(fù)雜鹽層鹽穴儲氣庫突破創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。
事實上，2004年的北京氣荒、2008—2009年的冰雪災(zāi)害導(dǎo)致的氣荒、2016-2017年煤改氣政策快速推進(jìn)導(dǎo)致的氣荒，讓各界意識到儲氣庫的應(yīng)急作用，促進(jìn)了儲氣庫建設(shè)。特別是冰雪災(zāi)害之后，呼圖壁、相國寺、蘇橋庫群、雙6、板南庫群、陜224等儲氣庫陸續(xù)上馬。
突破世界禁區(qū)
對于中國儲氣庫建設(shè)者而言，找到一塊好庫址，無異于撿到寶。
用馬新華的話來說，我國東部地層主要處于拉張環(huán)境下，形成斷陷盆地，“就像一個摔碎的盤子，還被踢了一腳”。西部則主要處于擠壓環(huán)境下，形成疊合盆地。上面是陸相，下面是海相，且很多地層被破壞掉了。
這種構(gòu)造破碎、儲層非均質(zhì)強(qiáng)的建庫地質(zhì)條件，造成在我國中東部選擇庫址更難，而國外儲氣庫選址余地較大，可選擇構(gòu)造較完整、無斷層或極少斷層，儲層高孔、高滲的氣藏或含水層建設(shè)儲氣庫，很多儲層滲透率均是達(dá)西級。這種情況下，國內(nèi)儲氣庫選址必須解決動態(tài)密封性和庫容高效利用難題。
“儲氣庫最重要的是要把氣高壓注進(jìn)去，要把它保存好，然后每年要注，每年要采，對地下密封條件要求很高。跟國外一對比，我們國家地質(zhì)條件是目前在世界上建設(shè)儲氣庫最具挑戰(zhàn)性的。”馬新華說。
不僅地質(zhì)條件差，而且儲層埋藏深、溫度高。華北蘇4深層潛山儲氣庫，是世界上埋藏最深、壓力最高、溫度最高的儲氣庫，平均埋深達(dá)到3200米，最深埋深達(dá)到了5399米，溫度139℃，壓力48MPa。與之對應(yīng)的是，根據(jù)丁國生團(tuán)隊的研究，國外七百多座儲氣庫平均埋深在1000米左右，80％的儲氣庫埋深1500米以內(nèi)。
形象而言，如果儲氣庫埋藏深了，相當(dāng)于高血壓，地面注氣壓力就要高，注氣的心臟——壓縮機(jī)的負(fù)荷就更重；此外，大量快速注氣，要求注氣井的口徑大，口徑大、井深、地層溫度高，就要求鉆機(jī)的負(fù)荷大，鉆進(jìn)、固井以及處理井漏、井壁垮塌等施工作業(yè)的難度增大，整體帶來的就是建造成本高、運(yùn)行成本高、風(fēng)險管控難。
此外，國內(nèi)儲氣庫儲層壓力系數(shù)超低，最具代表性的就是相國寺儲氣庫壓力系數(shù)只有0.1，鉆井過程中極易造成儲層污染、泥漿漏失，嚴(yán)重影響儲層建庫效率和單井注采能力。
“一般我們搞油氣開發(fā)沒有這么低的壓力。”西南油氣田公司氣田開發(fā)管理部高級工程師毛川勤說。
同時，我國儲氣庫注氣壓力和骨干管網(wǎng)壓力均為世界最高，在這種復(fù)雜地質(zhì)條件下，需要滿足“大吞大吐，反復(fù)注采”，地下-井筒-地面風(fēng)險點多，一旦“封不住”出現(xiàn)泄漏，不僅儲氣庫報廢且威脅公共安全。
2015年10月，美國AlisoCanyon儲氣庫發(fā)生的泄漏事故就是例證。該事故直接原因是天然氣注入井套管破裂導(dǎo)致天然氣泄漏,泄漏持續(xù)了111天，事故導(dǎo)致1.1萬名居民疏散，經(jīng)濟(jì)損失10億美元，這也是美國歷史上最大的天然氣泄漏事故。
理論、設(shè)備、材料國產(chǎn)化
正是在這種復(fù)雜油氣地質(zhì)條件下，中國石油創(chuàng)立了一套適合中國地質(zhì)條件的儲氣庫選址理論及關(guān)鍵技術(shù)，改變了儲氣庫“選址無理論、設(shè)計無方法、建設(shè)無技術(shù)、管控?zé)o手段”的困局。
從選址角度，這套被稱為復(fù)雜斷塊儲氣庫斷層和蓋層動態(tài)密封理論，突破了儲氣庫選址的“禁區(qū)”。通俗來說，儲氣庫好比一個埋在地下兩千多米深的“糧倉”，天然氣就儲存在“糧倉”里，評價即要把“糧倉”能否安全儲氣說清楚，儲氣庫需要周圍包裹得很好，不會泄漏。以儲氣庫動態(tài)密封理論為指導(dǎo)，可以解決密封評價難題，是實現(xiàn)“存得住”的一個先決條件。動態(tài)密封理論實現(xiàn)了從靜態(tài)到動態(tài)，從定性到定量的轉(zhuǎn)變，突破了復(fù)雜地質(zhì)條件選庫的技術(shù)瓶頸。
從設(shè)計角度，創(chuàng)新了復(fù)雜地質(zhì)條件氣藏型儲氣庫高速注采滲流理論和優(yōu)化設(shè)計方法，建立了復(fù)雜儲氣庫庫容參數(shù)設(shè)計指標(biāo)體系，使得復(fù)雜儲氣庫能夠充分發(fā)揮效率。中國石油勘探開發(fā)研究院首席專家魏國齊表示，這套指標(biāo)體系讓庫容預(yù)測精度較國外提升了20%，庫容利用率由70%提高至90%以上，實現(xiàn)復(fù)雜儲層儲氣庫能夠高效“采得出”。
在工程建設(shè)技術(shù)方面，創(chuàng)新了交變載荷防裂隙固井技術(shù)、超低壓地層堵漏技術(shù)和高壓大流量注采核心裝備，攻克了復(fù)雜深層儲氣庫工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。根據(jù)研究，晶須納米韌性水泥漿體系抗壓強(qiáng)度、耐溫差、穩(wěn)定性等指標(biāo)均優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，在相國寺儲氣庫固井質(zhì)量100%合格。復(fù)合凝膠堵漏材料用于儲氣庫超低壓地層隨鉆和承壓堵漏，一次成功率由30%提升至80%以上。
要想“注得進(jìn)”，往復(fù)式壓縮機(jī)是儲氣庫注采的關(guān)鍵設(shè)備,之前國內(nèi)主要進(jìn)口Ariel等歐美公司產(chǎn)品。2017年9月，成都壓縮機(jī)廠自主研發(fā)的最大功率高速往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)用于蘇橋儲氣庫，我國成為世界上第二個具備制造同等級壓縮機(jī)的國家，該壓縮機(jī)獲“改革開放40周年——機(jī)械工業(yè)杰出產(chǎn)品”。
“國外那些庫都是幾十年前建的，我們的對象比它復(fù)雜，就得用最新的工程技術(shù)。”丁國生說。
從管控手段而言，創(chuàng)新復(fù)雜地質(zhì)體和井筒泄漏風(fēng)險識別定位與評價技術(shù)，解決了儲氣庫長期運(yùn)行風(fēng)險預(yù)警的難題，構(gòu)建了儲氣庫“地下-井筒-地面”三位一體的全生命周期風(fēng)險管控體系。
通俗而言，選址階段已對儲氣庫的斷層、蓋層、溢出點等進(jìn)行了精細(xì)刻畫，在此基礎(chǔ)上部署的一些隨時間變化，隨注采活動變化的監(jiān)控，如巖石形變微地震信號與定位、井筒泄漏超聲波檢測定位等。如果出現(xiàn)不同事件，可以提前檢測預(yù)警，分析數(shù)據(jù)，調(diào)整儲氣庫工作方案，從而提高儲氣庫運(yùn)行效率。
“用最先進(jìn)的技術(shù)手段去分析監(jiān)控這個儲氣體，保證儲氣體在目前運(yùn)行20年沒有出現(xiàn)事故，這就是我們的水平。”毛川勤說。
底氣很足
新冠肺炎疫情以來，全球經(jīng)濟(jì)受到巨大沖擊，國際油價大幅下跌，國際形勢錯綜復(fù)雜，我國能源嚴(yán)重依賴進(jìn)口，天然氣供應(yīng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，只有加快儲氣能力建設(shè)，才能確保天然氣平穩(wěn)供應(yīng)，才能確保國家能源安全。國家已經(jīng)啟動新一輪儲氣能力建設(shè)，儲氣庫迎來了發(fā)展的黃金機(jī)遇期。
中國石油提出要因地制宜，分層次分區(qū)域建立六大儲氣中心，具備建成700億立方米工作氣量建庫資源，其中華北、東北、西南、中西部等主要消費區(qū)儲氣中心分別具備70、135、180、200億立方米工作氣量建庫資源。規(guī)劃到2020、2030年分別建成130億、405億立方米工作氣量，滿足國家要求的儲氣任務(wù)。
魏國齊認(rèn)為，該目標(biāo)面臨三大挑戰(zhàn)：一是建庫目標(biāo)更加復(fù)雜、優(yōu)質(zhì)建庫資源日益匱乏的挑戰(zhàn)；二是特殊巖性氣藏、復(fù)雜斷塊油藏、含水層等不同類型儲氣庫建庫技術(shù)的挑戰(zhàn)；三是深度挖掘現(xiàn)役儲氣庫調(diào)峰潛力、提高運(yùn)行效率的挑戰(zhàn)。
馬新華透露，包括土耳其、烏茲別克斯坦等國家，紛紛主動找到中國石油，邀請去設(shè)計儲氣庫，這和上世紀(jì)九十年代有了天壤之別。“我們準(zhǔn)備將這套東西進(jìn)行技術(shù)輸出，去為一帶一路沿線國家建儲氣庫。”
2018年3月，重慶召開中國儲氣庫科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展國際高峰論壇期間，法國Storengy公司高級業(yè)務(wù)經(jīng)理馬克·福萬認(rèn)為，歐洲雖然有早于中國的建設(shè)經(jīng)驗，但如果能夠向中國同行學(xué)習(xí)，對于世界的儲氣庫發(fā)展都是有益的。
我國儲氣庫具有后發(fā)優(yōu)勢，在學(xué)習(xí)國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，利用最先進(jìn)的技術(shù)，走跟隨創(chuàng)新、集成創(chuàng)新的路子。歷經(jīng)二十年持續(xù)攻關(guān)，取得了一批創(chuàng)新成果，積累了儲氣庫建設(shè)和管理的經(jīng)驗，將為2030年我國建成405億立方米工作氣量的藍(lán)圖提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。2020年4月10日，國家發(fā)展改革委等五部門聯(lián)合下發(fā)文件，要求加快推進(jìn)天然氣儲備能力建設(shè)，作為儲氣庫建設(shè)和管理的主力軍，中國石油底氣很足。
