中国地下储气库20年建设史
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100亿m3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100亿m3调峰能力，最高日调峰能力已经超过1亿m3，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500亿m3，惠及10余省市2亿人口，替代标煤5000万t，综合减排10000万t。
中国储气库建设起步晚，但在迈向储气库大国的路上快步向前，取得了令世界瞩目的成就，开拓了中国复杂地质条件下储气库技术创新之路，奠定了中国天然气战略储备格局的基础，推动了中国由采输气调峰向地下储气调峰的历史性转型升级。1999—2019年，中国储气库建设取得了辉煌的成就，总结20年来中国储气库建设的非凡历程和科技创新成果，为中国正在开展的大规模储气库建设提供技术保障，有效缓解了中国天然气夏秋产能过剩、冬春供不应求的矛盾。
1、发展历程
1.1模仿借鉴期
20世纪90年代，随着陕甘宁靖边气田的发现，快速、高效地开发利用陕甘宁气田的难题摆在了石油建设者面前，将陕甘宁天然气输往首都北京，改善首都能源结构成为当务之急。同时，保障首都安全稳定供气亦成为关键。自此，建设地下储气库保障首都北京的安全用气提上议事日程。自1992年开始，在完全没有实践经验的情况下，储气库的类型、建设规模一直困扰着储气库的建设者。其中，储气库选址成为了首要解决的问题。对北京周边含水层构造、煤矿及采石矿坑、华北油田的油气藏等多个区域进行了大量考察，经过多次国外调研、咨询、多方技术经济对比，借鉴国外储气库建设经验，最终确定了大港油田大张坨未枯竭凝析气藏作为保障首都北京安全供气的第一座储气库。由此，开始了中国地下储气库不断探索前进的步伐。
1.2探索实践期
随着21世纪初中国天然气储量、产量迅速增长，重大天然气管道工程不断开工建设并投入运行，尤其是陕京二线、三线，西气东输一线、二线、三线，中缅管道等建设的运行，对地下储气库的需求也随之快速增长，从多个方面开展了研究。
在选址研究方面，针对油气藏，在中国北方的主要油气区优选了呼图壁、双6、相国寺等一批油气藏构造建库；针对盐穴，在中国南方的江苏、安徽、河南、江西、湖南、湖北、云南等省市，开展了盐穴储气库的选址研究，先后优选了河南平顶山、江苏金坛及淮安等盐穴型储气库库址；针对水层，先后对北京的风和营、江苏的真武及黄钰开展了评价，其中江西的麻丘、湖北的潜江、江苏的白驹、河北的孙虎及大五等的含水构造、水层选址研究取得重要的技术进展。
在工程建设方面，在调研国外储气库工程建设技术的基础上，结合中国油气钻完井与地面工程建设技术特点及其设备能力，摸索形成了一整套因地制宜的储气库建设工艺与设备选型技术。其中，储气库钻井完井工艺技术、储气库注采气工程技术、地面注采装置与工艺流程等配套技术基本成熟，有力支持了中国地下储气规模建设。
在注采运行方面，天然气开采低速度模式与储气库高速注采模式有天壤之别。通常情况下，储气库注采速度是常规天然气采气速度的20～30倍，常规的天然气开采思路必然不能适应储气库高强度注采的要求。基于此，以储气库满足市场用气高峰需求为原则，建立了注采能力优化与井网优化设计方法，形成了地质-井筒-地面-市场-管道协同的调峰运行模式，最大限度地发挥了储气库的调峰作用。
在运行管理方面，先后形成了不同的储气库建设管理模式。中国石油地下储气库建设初期，在参考国外经验的基础上，将储气库与管道建设捆绑，适应了最初储气库建设运行的要求，有效支撑了储气库的建设；随着储气库建设数量的增加和建库地质条件的日益复杂，形成了由管道公司提出需求，掌握库址选择和强大建设能力的上游油气田公司进行建设，投产后二者共同运营管理的模式，极大的推动了储气库的建设；随着天然气管网体制的改革，形成了由油气田公司全面负责储气库建设运行的管理模式，进一步提高了储气库建设动力和活力。与时俱进的管理模式，有力支持了天然气产供储销体系的完善。
1.3创新突破期
中国主要以陆相含油气盆地为主，油气地质条件复杂，给气藏型储气库选址带来极大难度。一直以来，在储气库选址条件上，主要参考国外储气库选址标准，如埋藏浅、不含酸性气田、储层单一且孔渗条件好、构造简单、无断层等。国外700多座储气库埋深几乎都在2500m以内，80%的储气库埋深在2000m以内，其构造较完整，无断层或极少断层，储层高孔、高渗（很多储层渗透率均是达西级）。而中国符合上述条件的油气藏构造屈指可数，几乎没有选择的余地。然而，中国天然气安全保供需要突破国外的模式，敢闯禁区、勇闯禁区。进入2010年以来，中国储气库建设者大胆创新、科学论证，高效建设、精心管理，建设了一批世界上难度最大的储气库。
在建库深度上，挑战极限，建成了华北苏桥储气库群，主体储气库埋深超过4500m，是世界上埋深最大的储气库。在苏桥储气库建设过程中，无前人经验可供借鉴，相继攻克了地层压力高、固井难度大、地面注采管道压力高、地面注采设备风险等级高等重大工程技术难题，顺利建成投产，并取得了良好的效果，为首都北京安全供气做出重大贡献。
在复杂地层流体建库上，尽管国外储气库建库选址要求气藏不能含有酸性气体介质，但为了保障京津冀供气需要，在华北永22高含硫气藏和陕224含硫气藏，经过精心设计，采用大流量干式高效脱硫等工艺措施，有效建成了建成了高含硫气藏储气库。
在复杂盐层盐穴储气库建设上，以中国陆相盐湖沉积盐层为对象，针对100～200m薄盐层，经过技术攻关，形成了多夹层盐穴与高杂质盐层精细造腔技术、光纤油水界面监测工艺；在江苏淮安，首次开展12m厚泥岩隔层溶蚀垮塌工艺试验，并取得良好效果；在江苏金坛，世界上首次将复杂形态采卤老腔改建成储气库，并取得成功；在江苏楚州，世界上首次开展了盐矿双井采卤溶腔改建储气库的现场试验，并取得成功，形成了“两注一排”注采工艺。这些突破性的创新与尝试，勇闯盐穴储气库建设的禁区，开拓了中国复杂条件盐穴储气库建设的新领域。
在特殊储层条件建库上，大胆创新，在大庆深层火山储层选址建库，并取得了突破。目前，正在开展的先导工程试验取得良好效果；正在攻克火山岩储层高速注采机理、强底水火山岩储层高速注采储层空间动用、火山岩储层高速注采气井产能设计与优化等一系列世界性难题。以大庆升平火山岩气藏建库为代表，开创了世界储气库建设史上新的历史，为中国也是世界上第一座火山岩气藏型储气库的建设奠定了基础。
在复杂地质构造建库上，中国是以复杂断块为主的陆相含油气盆地，不得不突破常规选址限制，在大港、华北、辽河等油田，选择断块条件复杂的气藏改建储气库。在精心管理、科学运行、有效监测的前提下，上述储气库建设取得了良好的效果，弥补了中国库址资源稀缺的短板。
经过20年不懈努力，在借鉴国外建库经验的基础上，中国储气库建设者挑战极限，勇闯禁区，走出了一条中国特色储气库选址、建设之路。
2、主要科技成果
面对中国复杂的建库条件，经过20年的研究建设，勇于创新、攻坚克难，创造了适合中国地质条件储气库地质选址的理论及关键技术，为中国地下储气库的高效、快速建设打下坚实基础。
（1）创建了储气地质体动态密封理论[。地下储气地质体是指因地下储气注采过程而导致的地应力改变、岩石形变位移、流体流动扩散、压力（水动力）变化所波及的全部物质与空间的集合体。针对复杂断块油气藏储气库注采过程中，高低压频繁快速变化可能带来的储气地质体密封性破坏，创建了储气地质体动态密封理论，研制了断层盖层高速注采动态密封性试验模拟装置，建立了以盖层“动态突破、交变疲劳”、断层“柔性连接、剪切滑移”为核心的动态密封理论体系，提出了盖层突破压力、累积塑性变形、剪切安全指数、断层正应力、断层滑移指数等5项关键指标，实现了选址评价由静态定性到动态定量的根本转变。这为复杂断块断层密封性选址的定量评价建立了可靠的判断评价指标体系，同时也为储气注采过程的安全控制提供了理论指导，大大降低了储气库断层与盖层的泄漏风险。
（2）建立了储气库高速注采不稳定渗流理论与模型。针对复杂非均质储层和复杂流体条件，创建了气水互驱、非均质储层高速注采空间差异动用模拟实验平台。通过大量实验模拟研究，结合储气库生产动态，揭示了储气库“分区差异动用、高速有限供流”的注采机理。建立了储气库高速注采有限时率渗流力学模型，创新形成了库容分区动用方法，并以此为基础，形成了库容与井网预测模型，构建了建库地质方案优化设计方法与标准体系，大幅度提高了储气库库容、工作气量等关键指标的科学性，关键指标符合率达92%。储气库高速注采不稳定渗流理论与模型有效提高了储气库的注采运行效率，大幅度增强了储气库注采能力。
（3）配套形成了超低压储层钻井防漏堵漏技术。枯竭气藏改建的储气库，其大部分气藏地层压力系数低，以相国寺储气库为例，地层压力系数已低至0.1，储层钻井过程中极易造成储层污染、泥浆漏失，严重影响储层建库效率和单井注采能力的发挥。针对这一难题，储气库钻完井科技人员针对不同气藏的特点，研发了不同类型的堵漏材料，以吸水树脂复合凝胶承压堵漏材料及无固相储层保护钻井液体系为代表的各类产品，实现了低压地层、30MPa压差下的安全钻井和储层保护。相国寺、辽河、大港、华北、新疆等一批低压枯竭气藏顺利改建储气库，离不开超低压储层钻井防漏堵漏技术。
（4）形成了满足井筒承受高低压频繁交变载荷的储气库固井工艺。在储气库井注采过程中，井筒中承受高低压剧烈变化，极易造成固井水泥环破裂，从而导致固井失效。科研人员研制了适应超低压、交变载荷工况的储气库钻完井技术，其中抗200℃晶须纳米材料高强低弹韧性水泥浆体系攻克了世界最深、温度最高的储气库固井难题，固井质量合格率100%，为高速交替注采条件下井筒密封提供了保障，大大提高了井筒的注采安全。
（5）创新形成了储气库井注采工艺技术。储气库井日常注采量高、流量变化大，需要可靠安全且适应这一要求的完井工艺与井下工具组合。多年来，科研人员始终将提高储气库单井日产能力作为终极目标，经过不断研究、实践，明确了强注强采对储层物性的影响机理、注采管柱失效机理，建立了渗透率、孔隙度随应力变化、注采工况下的井壁稳定性、注采管柱耦合振动等理论模型。以此为基础，创新形成了满足强注强采条件的注采完井方式、工艺参数设计、注采管柱组合、失效机理与防控、井筒动态监测等关键技术。经过长期的现场跟踪和室内研究，创建了注采管柱冲蚀流量与管柱选材C值取值图版，大幅提高了管柱冲蚀流量值，降低了选材要求、管柱尺寸，节省了投资成本。
（6）形成了成熟、高效的地面大流量注采工艺技术。储气库高速大排量注采，给地面处理装置带来了极大的挑战。储气库注采变化频繁、流量变化大，需要地面装置、设施的调节具有非常强的适应性。为此，创新开发了地下地上一体化的工艺模拟软件，创新形成了变流量精准注采、超高压密相输送等储气库地面工艺技术、标准体系，单台地面处理装置能力达到1000万m3/d，且能够适应从几十至几百万立方米的流量变化，大幅提高了储气库地面处理的能力和效率。
（7）储气库注采核心装备国产化取得重大进展。在中国储气库建设初期，储气库注采核心装备主要以进口为主。近年来，中国在储气库核心装备制造上持续发力，自力更生，研制了压力等级为40MPa的大功率高压、高转速往复式注气压缩机组，日注气能力达到150万m3，成为世界上除美国以外，第二个具备制造同等级压缩机的国家。同时，首创了水下爆燃制管和振动模态无损检测技术，制造了中国最大口径、最高钢级的双金属复合管，研制了井下泄漏定位检测装备、油套管氦气检测装备等，实现了核心装备国产化。
（8）创立了全生命周期的安全风险管控体系。储气库安全不仅关系到储气库本身，更关系到对下游市场调峰能力的保障。为此，创建了储气库注采实时风险监测评价技术，首创了拉伸/压缩交替变化下管柱密封评价准则与设计方法；创建了井网与微地震协同配置的圈闭密封、流体变化监测系统；形成了多因素耦合的注采设施泄漏定量评价技术；构建了储气库地层-井筒-地面“三位一体”风险管控体系，实现了三维实时监测预警，极大地降低了储气库运行的安全风险。
（9）创新形成了复杂盐层条件下的储气库建设与安全控制技术。中国复杂多夹层盐层具有泥质含量高、夹层多、隔层厚度大等特点，造腔难度非常大。盐穴储气库建设者们不断探索与实践，弄清了复杂多夹层条件下盐岩溶蚀规律、成腔控制机理，掌握了复杂流态大型不规则腔体卤水浓度场和速度场分布规律，建立了低品质盐层造腔预测模型，创新形成了厚夹层造腔过程垮塌预测模型与控制工艺，掌握了溶腔高低压快速转换条件下溶腔围岩应力应变规律和溶腔稳定性控制方法，在全世界首次创新采用全井筒套铣老腔改造工艺等。上述盐穴储气库关键造腔工艺支撑了中国复杂地质条件的盐穴储气库建设，保障了西气东输等重大管道工程的安全运行。
（10）建立了储气库群调峰优化运行模式。储气库调峰涉及到管道市场及库群的协同优化，摸索出了一套不同类型储气库调峰优化运行的方法。针对不同地质条件的储气库，建立了储气库动态库存与瞬时调峰能力预测模型，建立以最大工作气采出量为原则的储气库运行调峰模式。在库群协同过程中，创新形
成了库群协同调峰优化预测模型，最大限度地保证了每座储气库优化运行，同时保障了储气库整体最大调峰能力的发挥。
上述10个方面仅是中国地下储库建设过程中众多技术创新的典型代表，在其建设运行过程中还有优秀的技术成果，均是20年来中国地下储气库建设者不断创新的智慧结晶，是储气库建设过程中形成的宝贵财富。
3、结论及展望
经过20年的努力，中国建设了27座储气库，具备了100亿m3的调峰能力，同时也形成了一批优秀的成果，其中授权发明专利100余项、软件著作权20余项、制定标准15项、专著20余部，为中国正在开展的大规模储气库建设提供了技术保障。
中国储气库进入了黄金大发展时期，以中国石油为代表的天然气供销企业，正在积极响应国家要求，加大储气调峰设施的建设。但中国的储气库建设仍面临诸多的困难，如埋藏越来越深、储层条件越来越差、构造更加破碎、流体组分更加复杂、油藏与水层建库难度更大等，需要更加科学、严谨的精神迎接未来的挑战。
中国能源供给正发生着发生深刻的变革，天然气在中国一次能源消费的比例将持续上升，未来10年，中国天然气的消费能力将突破5000亿m3，天然气对外依存度将超过50%，给中国能源安全保障体系带来较大的挑战，对地下储气库的需求更加迫切，必须加强天然气产供储销体系建设。
文/丁国生 魏欢，中国石油勘探开发研究院 中石油油气地下储库工程重点实验室，油气储运