国内外地下储气库研究现状与应用展望

2021-11-02张福强周立坚张士华

中国煤炭地质 2021年10期

张福强，曾平，周立坚，3*，李波，3，张士华

(1.中国煤炭地质总局广西煤炭地质局，南宁 530299；2.中能化华南建设工程有限公司，贵阳 550009；3.广西煤炭地质局一五○勘探队，南宁 530299)

天然气、石油、煤炭同为世界三大能源消费产品，在世界能源供应中占有极为重要的地位。随着我国经济的快速发展和实现碳达峰、碳中和目标任务的要求，对低碳清结、绿色多元的天然气消费需求必将持续旺盛。“十三五”期间，我国的天然气开发和输气管网得到大规模发展，但受极端天气灾害、管网事故、用气峰谷差等因素影响，天然气的供应安全依旧脆弱，供需矛盾正在凸显。调节这一矛盾的重要方法就是构建地下储气库。

地下储气库是天然气生产调峰和天然气资源储备的最佳选择，是保证天然气安全供应的基本手段，能够很好的解决城市用气不均匀问题，起到季节调峰作用，大大提高了供气的可靠性[1-2]。相较于地面金属储气罐，在靠近主要用气城市的经济发达地区建设地下储气库，储气量大、安全性高、占地面积小，可实现天然气生产和运输的平衡，具有良好的经济效益和社会效益，更因地下储气库的隐蔽性，也可达到能源储备的战略意义。

1 国外地下储气库发展现状

地下储气库是将天然气压缩以后通过不同方式注入地下自然或人工构造空间而形成的储气场所。目前，多数文献将地下储气库分为四个典型类型即枯竭油气藏型、岩穴型、含水层型和废弃矿坑型。部分学者也依据储层或地质构造特征将其划分为两类，即多孔介质类和洞穴类，前者包括枯竭油气藏型、含水层型地下储气库等，后者包括废弃矿坑型、岩穴型地下储气库[3]。因地下储气库具有调峰力强、可靠性高等优势，在世界上广泛发展。据最新一届(2018年)世界天然气大会统计资料显示，全球共建设了689座地下储气库，年总工作气量约占天然气年总消费量的11.8%，在美欧俄等天然气消费发达的国家，其工作气量占消费量比平均为14%。

20世纪初，欧美等发达国家率先研究地下储气库，历经百余年技术沉淀国外的建库技术已比较成熟完备、运行规范。其中，在全球天然气消费量最大的北美地区，仅美国一地所拥有的地下储气库数量就超过全球的一半，且工作气容量也居首位。美国大部分储气库为枯竭油气藏型，其次也建设了一定数量的含水层型和盐穴型，同时存在4座废弃矿坑型天然气储气库，目前齐备了所有储气库类型[4]；俄欧的地下储气库建设起步较晚，均源自冷战时期，但发展非常迅速，两者发展方向有所区别的是，全俄储气库类型相对单一，26座气库中仅1座盐穴型气库，且分部集中，单库气容量规模冠绝全球；而欧盟的工作气量居全球二位，但分布不均，盐穴型气库占比高于美国。就全球范围而言，80%的地下储气库总工作气量储存于油气藏型地下储气库中，其总量的11%和9%分别储存于含水层型和盐穴型地下储气库,其它类型地下储气库的工作气量忽略不计[5]。

当前，以美欧为代表的国外地下储气库的技术研究引领全球，针对该领域的研究主要集中在两个方面。首先，多利用四维地震勘探技术进行建库的地质条件优选、气容量的确定等研究。其次，广泛采用数值模拟技术建立数学模型，并开始逐步结合地质力学模型、经济模型等以优化储气库运行。最后，研究热点集中于与超大型盐穴、线性岩层洞穴等储气库的建造和运行管理等相关的技术研究[6]。

2 我国地下储气库技术发展现状

我国地下储气库起步相对滞后，20世纪70年代首次在大庆油田进行了气藏型储气库技术尝试，20世纪90年代才开始正式建库和技术研究[7]。截止到2018年，我国建成和投入运行的地下储气库只有25座，由两家国有头部石油公司建设，调峰工作气量仅占年天然气消费总量的1.7%，与世界平均水平11.8%相差悬殊，储气能力存在巨大缺口，无法满足我国对天然气的调峰需求总量[8]。在数十年的国内地下储气建设和研究中，我国积累了丰富的工作经验、培育了专业化的科研队伍。当前而言，我国4大储气库建库理论和技术进展各有不同。

2.1 油气藏建库技术基本成熟

在我国，枯竭油气藏型气库占据绝对支配地位，25座气库中就有24座为油气藏型。相对而言，气藏型建库理论和技术基本成熟，形成了一批适合我国国情的气藏型建库核心技术，主要包括地质方案设计技术，钻完井技术，废弃井封井工艺，钻井液技术，储层保护技术以及地面工程配套技术等，有力促进了我国地下储气库工艺技术的标准化[9]。针对油藏建库技术的研究仍在逐步深入，2001年以来相关学者[9-11]在油藏改建地下储气库的建库方式、注排机理、渗流机理等理论研究方面获得了一定的认识，但应用效果需要持续观察。

2.2 含水层型建库技术有待深入

含水层型储库是世界上第二大地下储气建库类型，但在我国尚无此类储库的建成实例，国内针对该领域的研究多集中于盐穴型气库的建库理论和技术。综合国内外相关文献可知该技术发展主要表现为两大特征，其一含水层型储气库规模大型化，具体表现为以丛式定向井、水平井为代表的钻完井工程技术大规模选用于地下储气库的建设；其二数值模拟技术广泛应用于地下储气库的建设和整个注采气工艺过程。

2.3 盐穴建库技术持续提高

近年来，因盐穴气库的密封性、经济性显著突出，国内外针对利用盐穴的建库技术逐渐成为研究热点。随着2018年国内第一座盐穴型气库——金坛气库建成运行，我国在盐穴储气库的地质选址评价、溶腔及造腔、密封性能分析与检测评价，深层大井眼和浅层双井建库等方面均取得了突破，并开发了适用的盐穴地下储气库风险评估软件[12]，形成了一整套建库核心理论技术[13-14]。

3 我国地下储气库发展方向

综上可知，地下储气库作为天然气战略储备和调峰保供的重要设施，已成为我国最主要的、不可替代的天然气储存方式[15]，地下储气库市场前景广阔。

3.1 我国储气库建设面临的制约因素

我国地下储气库建造中复杂地质条件带来的挑战远超国外。国内的天然气供需分离，主要消费市场位于东部地区，气源点集中在西部地带。同时，有建库需求的东部地区经过多期构造运动改造，地质单元破碎不完整，陆相沉积地层复杂多变，导致建库工程难度极大，优质建库标的缺乏，在役气库规模、调峰能力难以媲美国外，且随着国内储气库市场的扩大，这一矛盾愈发突出。

以国内外盐穴气库建造的地质条件对比为例，欧美地区的盐穴气库建库条件有利，溶腔依托盐丘型建造，厚度大，夹层少或无。而我国的盐岩全部为陆相层状盐岩，盐层与夹层交互产出，含盐地层盐岩品位低、夹层多、水不溶物含量高，导致出现盐腔造腔速度慢、腔体形态难以控制、成腔效率低，夹层气密性稳定性难以评价等复杂的技术问题[16]，已建的金坛盐穴气库便呈现此特征。值得说明的是，金坛气库可称国内建库地质条件最好的盐穴气库，放眼国内适合建造盐穴气库的地质条件难觅，在枯竭油气藏建库中面临的状况同样如此。尽管我国的油气藏建库技术研究时间较长，但我国油气藏的陆相地质条件不够理想，普遍面临着埋深较深、油气井单井产能低、储层非均质性强、改造难度大等问题，改建气库风险较大[6，17]。

3.2 我国废弃煤田改建气库大有可为

目前，国内外都在积极探索利用改造废弃矿洞建设地下储气库的可行性[18]。我国在油气藏、盐穴等领域面对的建库制约越来越多，势必需要开辟新的建库领域。我国煤炭资源丰富，如今已有大量的煤田几乎报废，不具开采价值，形成了庞大的地下空间，而煤田在全国普遍分布，地区限制比较小，经过改造后具有作为地下储气库的潜力[19]，此举不仅可以降低气库建造的成本提高经济性，还能解决我国气库库址分布不均问题，扩充气库的筛选范围，提高天然气调峰保供能力。综上，利用采煤形成的空间和煤层自然吸附能力来改建气库的技术方法在我国具有明显优势。

煤矿开采的顶板控制方法通常包括自然垮脱法、充填法和煤柱支撑法[20-21]，其中又以煤柱支撑法形成的房式空间大，全国预计约15×108m3[22]，改建潜力巨大。改建思路相对简单，具体思路为在加固稳定采空区顶板后，密封采煤井筒，同时处理好采空区的积水，完成后进行气密封测试以确保气库的密封性并判断最大承压能力，最后在采空区上方钻注采井、施工地面配套设施，此外还要钻监测井来监测气库运行压力，最终完成煤田的改建气库[23]。美国Leyden废弃煤田储气库的安全运行已为此提供了成功案例[24]。

地下储气库的建设是一项复杂的系统工程，其开发受到地质条件、工程技术、政策法律、经济市场等多因素的影响。结合国内废弃煤田的空间特点并对比美国Leyden废弃煤田改建气库的技术条件，在充分考虑安全稳定性、技术可行性、经济合理性等条件下，笔者初步形成了废弃煤田改建储气库的几项筛选原则：一是以水平煤层、缓倾斜煤层为宜，空间延伸连续规则，无断层或少断层。二是以煤柱支撑法形成的开采空间为宜，空间断面大，采空区顶板稳定、盖层未塌陷、地表无下沉。三是岩性以致密页岩、泥岩、黏土岩等低渗透性岩石为宜，盖层无裂隙发育，覆盖厚度大。四是以水文地质条件简单为宜，矿井内与区外无水力联系或小。五是以与天然气消费区就近为宜，避开地面大型建筑物和人口稠密区。

3.3 南方煤田储气构造研究

如上所述，国内外地下储气库主要为枯竭油气藏型，但我国南方缺乏此类资源，张福强等人[25-26]基于历史煤炭地质勘探资料二次开发，研究了两广含煤盆地中发育各种类型砂体和诸多小型天然气藏，认为该区域具备地下储气构造条件，与枯竭油气藏型地下储气库相类似。因此,提出利用已有煤田勘探资料，但不具煤炭开发价值的区域进行选址和评估,建立地下储气库，具有明显探索性。如能成功,将为我国南方地下储气库建设选址和评估开辟一个新的途径。

沙塘煤田系一个典型解剖点[27-30]，该煤田位于广西柳州-鹿寨一带，属滇黔桂盆地桂中坳陷的一部分。主要地层组成为泥盆系、石炭系、二叠系和新近系。主要含煤地层为下石炭统寺门组，岩性以碎屑岩为主，由砂砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩夹煤层组成，总厚度约834m。从岩性组合上看，具有2套储盖组合，储层砂岩总厚度大于200m。岩相类型以三角洲沉积为主，物源来自云开古陆[31]。沙塘煤田为复式向斜，其北部的大埔背斜为箱状褶皱，转折端平缓宽阔，使得储层三维空间规模相应较大。两翼的走向逆断层没有破坏背斜主体，砂岩储层原始容气率与渗透率低，燕山期强烈的南北向挤压作用，产生剪性节理，平行层理裂缝发育为主要容气构造、垂直层理裂缝较小为次要容气构造，喜马拉雅期差异性升降产生张性节理，连通剪性节理，为导气构造；导致孔隙率小于10%的储层，渗透率达到47.7×10-3μm2，提升了储层品质；背斜高点虚脱形成气顶甜点区。盖层为泥页岩，矿物成分主要为水云母，极易压实，封闭条件良好。柳城大埔已有3处钻孔揭露天然气苗，具有一定天然气资源蕴藏量(图1)。