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行业观察

在环境和大气保护要求越来越严格的当今，天然气作为一种清洁、高效的优质能源和燃料已为全球所青睐，世界天然气消费量逐年迅速增长。天然气储运是实现天然气利用的不可或缺的重要环节， 天然气储存已成为天然气工业中一个重要的技术领域。本文介绍了地下储气库方面的基本知识，以供有关技术人员参考了解。

前言

天然气供需之间始终存在着不均衡性。随着近年来天然气上、下游工业的迅猛发展，更进一步加剧了供需之间的矛盾，甚至出现了管道夏季低峰用气和冬季高峰用气相差数倍的情况。为了解决天然气供需之间出现的月不均匀性、日不均匀性及小时不均匀性，必须在天然气供应及天然气应用之间建立桥梁——天然气储存，以解决天然气供应的均匀性和天然气用气的不均匀性。目前天然气储存方式有输气管道末段储气、储气罐储气、地下储气库储气、天然气液化储存、天然气在低温液化石油气溶液中储存及固态储存六种方式。
其中，天然气的地下储气库是六种储气方式中最经济的一种，可用于调节月不均匀性和日不均匀性。目前国内、外在建设地下储气库方面都积极了的探索。

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天然气储存的目的

在天然气供应与消费之间，始终存在着可靠、安全、平稳、连续供气与消费需求量在时间上严重不均衡的固有矛盾，而且随着天然气国际贸易的发展和边远气田的开发，输气的平均运距和运时大大增加，这一矛盾不断加剧。引起天然气消费需求量不均衡的主要原因是气温的季节性变化、某些生产企业的工艺特性和人们的生活方式。天然气消费需求量的不均衡性， 主要分为以下三种:小时不均衡性、昼夜不均衡性、月(季节)不均衡性。客观存在的天然气需求量在时间上的波动性和不均衡性， 是影响平稳安全供气的主要因素。长期以来， 人们为解决这一矛盾， 使稳定的供气与不稳定的需求趋于平衡， 采取的主要措施是实行天然气储备， 即用储气设施将用气低峰时期输气系统富余的气量储存起来， 在用气高峰时抽出来， 用以补充供气量——调峰；或在气源中断、输气系统停输时抽出来， 用以保证连续供气。

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天然气储存方式

（1）地面储罐储存
天然气地面储气罐，根据工作压力的大小， 储气罐可分为低压储气罐和高压储气罐。低压储气罐的工作压力一般为0.004-0.005MPa(表压)， 主要在化工厂和石化厂，作工艺气的中间储存。高压储气罐的工作压力一般为0.07-3.0MPa 。可分为圆筒形罐(分卧式或立式)和球形罐，罐体在工厂预制，现场装配、试压。高压储气罐储存天然气，主要用于城市配气系统作昼夜或小时调峰用。这种储气罐容量小，经济效益低，因此没有得到广泛应用。（2）管道储存利用输气干道末端储存天然气或选用一定直径的若干条管子组成管束埋于地下形成储气设施。这种储气设施的运行压力高于球罐，埋地较安全，建造费用低，但占地面积较大。管道储气设施的容量较小，主要作城市昼夜或小时调峰用。世界上建造的储气管道不多。（3）地下储气库储存建造地下储气库储存天然气，是当今世界上主要的天然气储存方式和手段。现在，在世界天然气储存设施总容量中，地下储气库的容量占90%以上。地下储气库的容量大，储气压力高，一个地下储气库可储存几亿、几十亿乃至上百亿立方米的天然气。要在地面建造这么大容量的储气设施，经济上是不可取的，技术上也有相当大的难处。以上几种储气设施，按单位体积储气费用作经济对比，地面储罐储存费用最高， 地下储气库储存费用最低。

一、地下储气库作用

（1）协调供求关系与调峰。缓解因各类用户对天然气需求量的不同和负荷变化而带来的供气不均衡性。（2）实施战略储备，保证供气的可靠性和连续性。当供气中断时地下储气库可作为补充气源，抽取天然气，保证供气的连续性和提高供气的可靠性。（3）提高输气效率，降低输气成本。地下储气库可使天然气生产系统的操作和输气管网的运行不受天然气消费不均衡性的影响，有助于实现均衡性生产和作业；有助于充分利用输气设施的能力，提高管网的利用系数和输气效率，降低输气成本。（4）影响气价，实现价格套利。供气与用气双方都可从天然气季节性或月差价中实现价格套利 从价格波动中获取可观的利润。供气方:天然气低价时储气不售或增加储气量，待用气高峰、价格上涨时售出；用气方:天然气低价购进储存，待冬季或用气高峰、气价上涨时抽出使用(避免高价购气)或出租储气库。（5）提供应急服务。可对临时用户或长期用户临时增加的需气量提供应急供气服务 。

二、地下储气库类型

地下储气库不仅可以储存天然气，而且还可用来储存液化石油气及人工燃气。
地下储气库通常有四种类型，即利用含水多孔地层储气，利用盐矿层建造储气库储气，利用枯竭油气田储气和利用岩穴储气。我国四种类型地下储气库的应用情况见表1。（1） 利用含水多孔地层储气。利用含水多孔地层储气的储气库如图1 所示，储气库由可渗透性的岩层和不可渗透性的背斜覆盖层组成。
图1 多孔地层中的地下储气库
（2） 利用盐矿层建造储气库储气。利用地下盐层中的盐用水溶解后所形成的空穴储存天然气。此类储气方式的储气容量较小，花费时间较长，经济性较差。（3） 利用枯竭油气田储气。这是利用过去开采过的储气层枯竭后重新来储气的一种方式。由于这类储气是经过长期开采过的，相关参数为已知，因此运行较为可靠，造价低。（4） 利用岩穴储气。此类储气库是利用废弃的符合储气条件的矿坑进行储气，目前很少应用。

三、储气库气体构成及发展趋势

地下储气库内的气体主要由气垫气、工作气及未动用气组成，气体的组成及作用见下表。

在这三类气中，气垫气占总工作气量的45%~130%，具有相当大的比例。而目前通常采用天然气作为垫层气，其投资费用高。为此，很多国家都在寻找能够代替天然气作为垫层气的其他气体。有资料显示，美国已在研究采用氮气代替天然气作为垫层气。氮气的制造技术已相当成熟，如果能实现氮气作为垫层气，将会节约大量的投资。

四、运营管理与维护

运营管理是储气库达到设计要求、安全运行以及实现多种功能的前提条件。地下储气库建设较发达的国家提出了“工艺审查”管理模式：①前期调查，充分的前期评价工作可以有效降低建库带来的投资和市场风险，节约不必要的开发成本，对建库方案多次进行合理性论证及调研，尤其关注经济评价、环境保护等问题。②投产前调查，评价地下储气库的各项技术指标，各项技术指标均符合标准要求且已明确地下、地面、用户以及市场因素后，才能够保证储气库的安全运行。③定期调查，在储气库正常运行期间，进行定期检查，保养维修，在每年储气库停产的5 d 时间内，应进行彻底检修。④应急调查，应备有应急预案，当储气库运行效率出现急剧下降时，可以及时进行调查，分析原因。从局部性调查到整体分析逐步进行。⑤局部调查，仅限于调整个别参数( 如气井密封性、库容量、大气排放等)，单个机组和设备( 如压缩机站、吸附器、分离器等) 以及技术指标等( 如成本、气井产量、利润等)。⑥快速调查，按照地下储气库管理企业计划，运用快捷迅速的调查手段进行地下储气库的安全隐患排查，该方法具有实效性，但在工作量和时间上均存在一定局限性。根据用户市场的气量需求规律，地下储气库必须能够满足短期调峰（旬、月），长期调峰（季、年），瞬时调峰（时、日）等要求以及实现多重功能转化。大多储气库具有库容量灵活可变，注采能力较大等特点，尽管储气库的注采井大多以“少井高产”为原则，但长期调峰则侧重于气库压力的均衡利用和气库整体平稳的调峰能力，而瞬时调峰更强调气库调峰的极限能力和单井的强采能力。这样提高注采循环次数和循环气量的方法，可以随时调整注采周期，满足市场气量需求和气价的波动，从而提高运营的经济效益。

中国地下储气库分布图

五、国内地下储气库现状

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建设现状

1999年，中国第一座商业储气库——大港大张坨储气库开始投入全面建设，拉开了中国地下储气库建设的序幕，标志着中国地下储气库进入了一个新的发展阶段。
经过20年努力，中国地下储气库实现了从无到有、从小到大、从简单到复杂、从小规模应用到大规模产业形成，中国储气库建设数量和规模，已经走到了世界前列。尽管与美俄等发达国家还有一定的差距，但是中国储气库建设者用20年的时间，走过了国外50年的发展历程。
尤其自2010年开始，在经历了2008—2009年南方冻雨等自然灾害下冬季天然气供气紧张的情况，中国石油集团响应党中央的号召和要求，加快了储气库的建设步伐，先后在辽河、华北、大港、西南、长庆、新疆等油田开始了大规模储气库建设，在中石油集团公司强有力的组织推动下，仅用2～3年全面建成了6个气藏型地下储气库。
其中中国目前最大的储气库——呼图壁储气库仅用两年时间全面建成投产，堪称是世界储气库建设史上的奇迹。
20年来，中国形成了复杂地质条件储气库从选址设计、工程建设到风险管控成套技术、装备以及标准体系，建成了100×10^8立方米储气库调峰能力，使我国储气库建设实现了工业化。
20年来，27座储气库建成并投入调峰运行，形成100×10^8立方米调峰能力，最高日调峰能力已经超过，为城镇燃气调峰发挥了主体作用，如北京首都冬季安全供气主要依赖地下储气库，冬季40%～50%的用气量来自地下储气库，为京津冀地区雾霾治理、安全供气做出重大贡献。
20年来，中国地下储气库累计调峰采气约500×10^8立方米，惠及10余省市2×108人口，替代标煤5000×104t，综合减排10000×104t。

中国已建地下储气库基本情况

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管理现状

现阶段中国天然气产业特点决定地下储气库业务发展只能沿袭欧美国家的早期模式，主要由天然气供应商承建和管理，作为长输管道配套工程。
如中石油目前建设地下储气库，其中辽河双6 等六座地下储气库（群）主要是作为西气东输二线、陕京线等管网季节性调峰、管线事故应急供气和国家战略储备气源，发挥相关区域调峰供气、稳定供应作用，由国家财政资金支持建设；
大港板桥、江苏金坛等4座地下储气库（群）主要作为西气东输、陕京线等管网季节性调峰、应急供气气源，由公司出资建设。中石化建成的2 座地下储气库，主要由石油公司出资建设，相应管道公司管理。

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技术现状

国内地下储气库经过多年的建设与发展，在地下储气库建库技术方面取得长足的进步，已经在地下储气库地质评价、钻完井、注采工艺、地面工艺、运行保障等方面形成了较为完备的技术。这些技术为国内地下储气库建设、安全运行提供有力的技术支撑。

六、面临的主要困难

虽然国内储气库建设取得了很大的进步，但由于存在建库地质条件复杂、地面条件日趋苛刻等客观因素素，以及发展起步较晚、经验不足、技术不配套、基础理论薄弱、技术标准体系不完善等其他因素，导致在储气库建设和运行中面临很多难题。主要表现在以下5个方面。1）建库达产速度慢，储气库工作气量低，调峰保供面临巨大压力。由于近几年天然气消费量的快速增长，对调峰的需求也愈加强烈。但国内储气库缺乏建设和运行管理经验，建库达产速度远赶不上调峰需求。
以最早建成投运的大港板桥库群为例，该库群经历14个周期运行，达到的工作气量仅为18.5×10°m3，与设计30.3×10*m3指标相差甚远，达产速度非常缓慢。伴随着天然气销量的进一步增长，压减用户和气田调峰方式难以维持。2）工程建设难度大，导致储气库建设投资成本大幅上升。由于国内气藏型储气库建库地质条件复杂，埋藏深度大，部分枯竭气藏压力系数低至0.1，钻井难度大。为了保证储气库井的大排量高速注采，往往采用大尺寸直井和水平井钻井，导致建设工程难度大。3）安全运行压力大，风险识别控制难度大。储气库作为天然气安全保供的主要措施，其本身安全也必须高度重视。国外资料表明，美国和欧洲曾报告了65例储气库泄漏安全事故，造成了重大人员伤亡和财产损失。尽管国内储气库投产年限不长，但高速强注强采下注采管柱失效、圈闭密封性破坏等风险也严重威胁储气库安全运行。4）库址资源少，建库条件复杂。国内已建成的储气库中，气藏型储气库占总数的90%以上，主要分布于中国北方油气聚集区，而南方地区作为天然气主要市场区域，建设的储气库以盐穴储气库为主，工作气量小、规模小，含水层没有建成实例，储气库类型单一。
目前条件较好的气藏已基本纳入储气库建设范围，多夹层盐层，深层、低渗、复杂圈闭条件的油气藏以及含水层是今后建库的主要对象，建库难度大，风险高，尤其是下游天然气市场发育区如环渤海、东南沿海广大地区的储气库建设目标十分稀缺。
此外，我国不同类型储气库建库地质条件复杂，主要体现在天然气市场发育区地质构造破碎、陆相沉积环境复杂等方面。5）当前国内天然气价格体制下，储气库建库效益无法体现。国内目前没有实现冬夏气价峰谷差，使得储气库建设投资只能通过管道加以回收。
如果将储气库作为独立的设施考虑投资回收和经营效益，将使储气库建设对天然气业务整体效益的贡献难以得到体现。
同时中国未来有可能进行管道资产优化重组，储气库的投资运营和管理可能与管道脱离，如何实现储气库可持续发展面临的较大挑战。

七、国内地下储气库发展对策与建议

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强化战略布局，稳步推进地下储气库建设

考虑长远天然气业务发展需要，结合国内建库资源分布特点，应强化地下储气库战略规划布局。
首先国家层面应协调企业、地方，按照“总体规划，分步实施，突出重点”的原则，分步实施地下储气库建设；
其次在重点消费地区和管网枢纽发达地区加大库址筛选评价，优选枯竭气藏改建地下储气库；
最后应转变建库理念，扩大库址筛选范围，在有条件地区开展含水层地下储气库专项研究和系统先导试验，探索水层地下储气库建库的相关技术和经验。

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建立专业技术和管理团队，加大科研攻关力度

考虑国内地下储气库业务今后发展，一方面应建立地下、井、地面三位一体的技术和管理团队，加强对地下储气库动态跟踪评价与管理，完善相关机制，培养造就一支素质高，技术实力强的专业团队，为地下储气库建设与发展提供保障；
另一方面持续开展地下储气库建库技术攻关，针对不同类型地下储气库开展地质评价与气藏工程、钻完井工程、注采工程、地面配套工艺及地下储气库完整性评价等方面的核心技术攻关，为地下储气库建设提供技术支持。

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地下储气库建设经营管理模式

国内地下储气库建设与经营应遵循其市场发展的客观规律，可以实施“两步走”的策略。

现阶段以满足调峰需求为目标，国家层面完善相关政策法规，由石油公司为主组织实施与运营管理，适当引进资本，逐步开放市场，按照“谁投资、谁受益”的原则进行管理。

当前地下储气库业务可以按照补偿成本、合理收益原则确定成本，参照中华人民共和国国家发展和改革委员会（以下简称国家发改委）关于基准门站价格管理可以上浮20% 的相关要求，考虑在门站价格环节增加储气成本的可行性。

中远期来看，逐步开展国家战略储备的建设，一是申请国家利用企业所得税返还资金政策或向国家发改委申请专项建设国家战略储备库资金，支持地下储气库建设；

二是随着天然气价格市场化，地下储气库业务采取公司化运作、专业化建设、效益化运行方式。

从建设主体来看，将趋向多元化，天然气供销商、燃气公司等都可以参与地下储气库建设，从经营模式来看，按照“谁建库，谁受益，谁用库，谁出钱”的原则进行收费，完全由市场决定，采取“仓储式”经营模式将成为主流。

结语

地下储气库的建设与研究对保障整个天然气下游用户的正常生产和生活具有重要意义。
地下储气库不仅能够实现用气旺季和淡季的供气平衡，而且还能够在运输管道出现紧急情况下，发挥出应急供气作用，安全系数较大，储存能量大，使用效果经济合理。
因此目前地下储气库建设已成为各国在天然气工业发展项目的重要内容，受到各国的广泛关注。

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