不同类型复杂地下储气库建库难点与攻关方向.pdf
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1、第 43 卷第 10 期2023 年 10 月 14 天然气工业Natural Gas Industry引文:丁国生,王云,完颜祺琪,等.不同类型复杂地下储气库建库难点与攻关方向J.天然气工业,2023,43(10):14-23.DING Guosheng,WANG Yun,WANYAN Qiqi,et al.Construction difficulties and research directions of various complex UGSsJ.Natural Gas Industry,2023,43(10):14-23.不同类型复杂地下储气库建库难点与攻关方向丁国生1,2王 云1
2、,2完颜祺琪1,2王皆明1,2胥洪成1,2李 康1,2夏 焱3李丽锋4曾德军5刘主宸61.中国石油勘探开发研究院2.中国石油集团油气地下储库工程重点实验室3.中国石油集团工程技术研究院4.中国石油集团工程材料研究院有限公司5.中国石油储气库公司6.中国石油规划总院摘要:地下储气库(以下简称储气库)在保障天然气安全供应方面发挥了不可替代的重要作用。为推进中国储气库业务高质量发展,有效应对天然气安全保供压力,总结了国外储气库建设与运行关键技术现状,梳理了国内储气库建设历程和形成的特色理论技术,分析了我国储气库领域面临的突出挑战,提出了未来储气库发展与攻关方向。研究结果表明:国外储气库建库与运行技术
3、成熟、装备配套、标准完善,建成了气藏型、油藏型、盐穴型、水层型等多类型储气库;中国在库容设计、井筒质量控制、大排量注采设计、地面处理工艺与装备、风险识别监测以及盐穴造腔等方面形成了特色技术;中国储气库在“扩容、达产”及提高库容利用效率、高含水油藏与低渗透气藏和复杂连通老腔等新类型储气库建库技术等系列领域面临挑战;亟需破解 5 大科学问题,即超压背景下储气地质体密封性弱化动力学机制、高含水油藏建库储气空间扩展与注排控制理论、盐穴储气库强制对流溶蚀扩散流固耦合机理、大尺寸井井壁失稳力学化学耦合机理、长周期注采储气库完整性失效机理与灾害演化机理;亟需解决 6 大技术问题,即提高库容动用率、新类型储气
4、库建库、提高单井产能和老井处置、地面处理关键装备、风险管控以及数字化智能化等技术。结论认为,中国在常规气藏选址评价、建库技术方面已达到国际领先水平;“十四五”期间中国储气库库址资源向劣质化、复杂化、多样化转变,亟需建立不同类型储气库建库与运行体系,实现关键设备国产化,推动中国储气库数字化转型,打造储气库原创技术策源地。关键词:地下储气库;建库;挑战;提压运行;特色技术;运行体系;数字化;国产化;发展方向DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2023.10.002Construction difficulties and research directions of vari
5、ous complex UGSsDING Guosheng1,2,WANG Yun1,2,WANYAN Qiqi1,2,WANG Jieming1,2,XU Hongcheng1,2,LI Kang1,2,XIA Yan3,LI Lifeng4,ZENG Dejun5,LIU Zhuchen6(1.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration&Development,Beijing 100083,China;2.CNPC Key Laboratory of Oil&Gas Underground Storage Engineeri
6、ng,Langfang,Hebei 065007,China;3.CNPC Engineering Technology R&D Co.,Ltd.,Beijing 102206,China;4.CNPC Tubular Goods Research Institute Co.,Ltd.,Xian,Shaanxi 710077,China;5.PetroChina Gas Storage Company,Beijing 100029,China;6.PetroChina Planning and Engineering Institute,Beijing 100083,China)Natural
7、 Gas Industry,vol.43,No.10,p.14-23,10/25/2023.(ISSN 1000-0976;In Chinese)Abstract:Underground gas storage(hereinafter referred to as UGS)plays an irreplaceable role in ensuring safe natural gas supply.In order to promote the high-quality development of domestic UGS business and effectively cope with
8、 the pressure of safe natural gas supply,this paper summarizes the current operation situations and key technologies of foreign UGSs,and analyzes the construction history and special theories and technologies of domestic UGSs.In addition,the obvious challenges in the field of UGS in China are analyz
9、ed,and the future UGS development and research directions are pointed out.And the following research results are obtained.First,foreign countries have mature technologies,complete equipment and perfect standards for UGS construction and operation,and have built up a varieties of UGGs in gas reservoi
10、rs,oil reservoirs,salt caverns and aquifers.Second,China has developed special technologies for storage capacity design,wellbore quality control,high-rate injection and production design,surface processing,risk identification and monitoring,and solution mining.Third,the challenges to UGSs in China l
11、ie in the storage capacity expansion and production,the storage capacity utilization efficiency improvement,and the construction technology,and so on.Fourth,the following five major scientific problems need solving urgently:dynamic mechanism of sealing weakening of gas-bearing geologic body under ov
12、erpressure,gas storage space expansion and injectiondrainage control theory of UGS rebuilt from oil reservoir with high water cut,fluidsolid coupling mechanism of forced convection solution and diffusion,mechanicschemistry coupling mechanism of wellbore instability in large-size well,and integrity f
13、ailure mechanism and disaster evolution mechanism of UGSs during long-term injection and production.Fifth,the following six major technical problems need to solve promptly,including improving storage capacity utilization rate,building new types of UGSs,increasing single well production capacity,and
14、other issues like old well disposal,key equipment for surface treatment,risk control,and digital intelligence.In conclusion,China has reached the international leading level in the site selection&evaluation and construction of conventional gas-reservoir UGSs.Whats more,during the 14th Five-Year Plan
15、,the UGS site resources in China become inferior,complicated and diverse.Therefore,it is in an urgent need to establish construction and operation systems for different types of UGSs,localize key equipment,promote the digital transformation of UGSs,and set up a cradle of original UGS technologies.Ke
16、ywords:Underground gas storage(UGS);UGS construction;Challenge;Boosting operation;Special technology;Operation system;Digitalization;Localization;Development direction基金项目:中国石油天然气集团有限公司科学研究与技术开发项目“地下储气库基础理论与扩容新方法研究”(编号:2022DJ83)。作者简介:丁国生,1966 年生,正高级工程师,博士,本刊编委;主要从事气田开发与地下储气库选址、研究及设计工作。地址:(100083)北京市
17、海淀区学院路 20 号信箱。ORCID:0009-0003-0500-6989。E-mail:第 10 期 15 丁国生等:不同类型复杂地下储气库建库难点与攻关方向0引言地下储气库是保障国家天然气安全供应的重大基础设施。经过 20 余年发展,中国储气库业务取得长足进步,为保障天然气安全供应发挥了重要作用。但随着国民经济快速发展,我国天然气消费量快速增长,安全保供仍面临巨大压力。自 2018 年起中国相继出台多项政策法规,大力推进储气库建设;从中国石油天然气集团有限公司(以下简称中石油)、中国石油化工集团有限公司(以下简称中石化)到国家石油天然气管网集团有限公司(以下简称国家管网)再到各级地方政
18、府,都在全力推进储气库建设。储气库迎来一个快速发展黄金期,为中石油等供气企业提供了千载难逢的机遇。国外气藏型储气库主要建在构造稳定背景下的海相沉积盆地,具有构造简单(以简单背斜为主)、储气地质体密封性好,埋藏较浅(小于 1 500 m)、建库成本低,储层中高渗透、非均质性较弱等特点。中国气藏型储气库构造破碎、断裂系统发育,储气层埋藏深,温度和压力高,储层非均质强,气水分布规律复杂1-3。为了推进中国储气库业务高质量发展,有效应对天然气安全保供压力,笔者以美国为代表总结了国外储气库运行与关键技术现状,梳理了国内储气库建设历程,凝练了我国在常规气藏库容设计、井筒质量控制、大排量注采设计、地面处理工
19、艺与装备、风险识别监测以及盐穴造腔等方面形成的特色理论技术4-9。针对未来中国库址资源逐渐向劣质化、复杂化、多样化转变这一难题,根据库址地质特征总结提炼了中国储气库面临的理论技术难点;结合储气库发展规划,明确未来储气库亟需解决的重大科学问题和关键技术,提出未来的发展方向5。1国内外储气库建设现状1.1国外储气库建设现状全球地下储气库建设始于 1915 年,目前已建成地下储气库超过 700 座,总储气能力超过 4 100108 m3,主要包括气藏型、油藏型、盐穴型和水层型 4 大类型,其中气藏型储气库占比最高,占 75%,盐穴型储气库和水层储气库次之,油藏型储气库占比最低,占 5%。经过百余年的
20、发展,国外储气库建库与运行技术得到不断发展、丰富和完善。美国是世界上建设运行储气库最多的国家,拥有近 400 座储气库,占全球储气库数量的 60%左右。美国从 19161960 年,逐步建成第一座气藏型储气库(Zoar)、油藏型储气库(Fink-Kennedy)、水层型储气库(Doe Run Upper)和盐穴型储气库(Marysvill),其储气库建库技术发展经历了以下 4 个阶段:20世纪 30 年代之前为启动期,重点自主探索气藏型储气库建库技术。20 世纪 40 年代进入技术起步期,气藏型储气库建库技术不断发展,逐步形成油藏型和水层型储气库建库技术。20 世纪 60 90年代为成熟期,各
21、类浅层储气库建库技术基本成熟并向深层扩展;储气库建设全面加速,形成储气能力近 800108 m3。20 世纪 90 年代开始进入拓展期,在引入三维模拟等技术的基础上,实现多学科交叉创新,大幅提升建库效益,2010 年储气能力突破 1 000108 m3;同时,储气库的信息化、数字化水平不断提升,运营效益不断提高,新功能也不断拓展。总体来讲,经过上百年发展,国外储气库建库主体技术成熟、装备配套、标准完善,并逐步扩展了储气库的功能。具体来讲,国外中浅层、中高渗透率气藏建库技术成熟,建设投运了大量气藏型储气库;油藏建库技术基本成熟,主要集中在利用天然能量和气驱开发的油藏;以大口径(133/8 in
22、生产套管,1 in=25.4 mm,下同)为主的大井眼盐穴建库技术成熟,直井单腔声呐探测技术及设备成熟先进;浅层(埋深小于 1 500 m)、高渗透率(大于 500 mD)、构造完整的圈闭水层建库技术成熟。在完整性评价方面,建立完备的全生命周期储气库完整性监检测及评价体系,尤其在地质体与井筒完整性监检测装备领域处于领先地位。在地面处理工艺方面,大型离心式压缩机和往复式压缩机灵活应用;双向计量、大口径阀门、大规模分离器、高效吸附大规模脱水处理工艺应用成熟,单套装置规模大于 2 500104 m3/d。同时,国外储气库建立了成熟的“市场管道储气库协同”运行模式,数字化、信息化与智能调峰基础上的储气
23、“期货现货”产品丰富,并逐步拓展 CO2埋存、储氢、储能等新功能,极大满足了各类储气调峰用户的需要。1.2中国储气库建设现状1.2.1建设进展中国储气库建设发展经历了模仿借鉴、探索实践、创新突破 3 个阶段:20 世纪 90 年代开始在环渤海地区开展选址探索,在借鉴美国等国外经验的基础上,设计建成第一座真正意义上的储气库大张坨储气库,此阶段为模仿借鉴阶段;进入 21 世纪,2023 年第 43 卷 16 天 然 气 工 业中国天然气产量迅速增长,多条重大管道工程不断开工建设并投入运行,储气能力建设需求随之快速增长;经过储气库建设者不断攻关,中国储气库选址、设计与建设等配套技术基本成熟,设计、建
24、成板中北、京 58 气藏型储气库和金坛盐穴型储气库,进入探索实践阶段;从 2010 年开始,中国储气库突破国外建库模式,通过大胆创新、科学论证,在选址、设计与建设技术方面取得重大突破,设计建成苏桥、陕 224、相国寺等世界范围内难度极大的储气库,正式进入创新发展阶段。截至 2022 年底,中国已建成储气库(群)24 座,设计总库容量 603.0108 m3,总工作气量 274.6108 m3,总注气能力 1.7108 m3/d,总采气能力 2.9108 m3/d,2022 年 底 形 成 储 气 能 力 192.0108 m3,占 全 国天然气消费量的 5.2%,其中中石油实现储气能力159.
25、0108 m3,占全国储气能力的 82.8%,占天然气消费量的 4.3%,最大日调峰气量达 2.2108 m3,大幅提升了天然气供需平衡、调配和保障能力,在调峰保供和安全供应方面发挥了不可替代的应急保障作用,成为防范与化解天然气供应风险的“压舱石”。1.2.2建设需求国内天然气消费量快速增长,2022 年中国天然气消费量 3 646108 m3、国内产气量 2 178108 m3,对外依存度达到 40.3%,国内储气库储气能力严重不足,与国外差距巨大。国家明确要求供气企业要拥有不低于其合同年销售量 10%的储气能力,城镇燃气企业要形成不低于其年用气量 5%的储气能力,县级以上地方政府至少形成不
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