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中国石油自主研发国际领先储气库建造技术 “卡脖子”之处实现赶超

录入日期:2018-01-22  阅读: 181

相国寺储气库是西南地区首座地下储气库,在保障川渝及京津冀地区季节调峰、事故应急及天然气储备方面发挥着重要作用。西南油气田 供图

“今天中国建造储气库的技术达到国际先进水平,中国天然气工业的一大‘卡脖子’技术终于突破了!”金之钧院士说。

1月4日,在“100亿立方米复杂地质条件天然气地下储气库成套技术及工业化科技成果鉴定会”上,评委会的10多位院士和专家一致认为,我国复杂地质条件下大型储气库选址和建库技术国际领先。

人们不禁要问,地下储气库是个啥?这个“卡脖子”技术难在哪儿,是如何突破的?

其实,地下储气库就是一个装天然气的“储存器”,是将天然气重新注入地下可以保存气体的空间而形成的人工气田或人工气藏。其集季节调峰、事故应急供气、国家能源战略储备等功能于一身。目前,我国有25座地下储气库,其中23座是气藏型储气库,2座为盐穴型储气库。

气藏型储气库常用枯竭的气田来建造。但是,这个地下圈闭的选择标准十分苛刻,必须做到“注得进、存得住、采得出”。“地下储气库技术是一个复杂的系统技术,涉及上游的物探、地质、开发、工程技术、工程建设、储运、净化、生产运行、市场营销等一系列技术。”西南油气田一位储气库技术人员说。

我国与西方国家相比,主要天然气消费区的地质构造复杂、破碎,埋深普遍大于2500米,储层非均质强,选址与建库均难度较大。同时,注采气井储层压力低,巨大的拉伸力和挤压力交替作用到地下储气库,对钻完井工程提出了更高的技术要求;且国内缺乏地下储气库高压大型注采核心技术,安全运行风险大。

2000年起,中国石油组织2000多名科技人员,深入开展攻关,形成了4项创新成果,支撑了我国复杂地质条件储气库建设。这些创新成果包括:创建了复杂地质条件储气库圈闭动态密封性评价方法、建库关键指标优化设计方法,形成了地下储气库选址技术、地质方案设计优化技术;创新形成了以超低压堵漏与储层保护、交变应力下井筒密封为核心的钻完井技术;自主研发了地面高压大流量注采核心技术与装备;创新形成了地下储气库地层—井筒—地面“三位一体”风险管控系统。“实际上就是地质评价、钻采工程、装备制造、安全管理这四个方面的创新。”相关技术专家对记者说。

“我们的储气库技术指标优于国外。我国储气库平均单库工作气量达到7.6亿立方米,而国外单库工作气量是5亿立方米;国外储气库平均深度只有970米,我们是3000米以上;平均单井气量也高于国外。”一位专家如数家珍。

这些创新成果已应用于北京、新疆、重庆等地22座地下储气库建设,刷新了地层压力低、地层温度高、注气井深、工作压力高4项世界纪录;储气规模达400亿立方米,相当于三峡水库的蓄水量;冬季调峰能力超过100亿立方米,相当于我国“十三五”规划的67.5%;最高日调峰量近9000万立方米,相当于全国最高日用气量的1/10,惠及京津冀等10余省(市)2亿人口;累计调峰采气350亿立方米,相当于4座千万吨级特大煤矿贡献的能量,可综合减排8000万吨。

“这一成果创建了我国复杂地质条件下利用气藏建设大型储气库配套技术及安全运行系列技术,其为我国复杂地质条件的大型储气库的建设和发展提供了必要的理论和技术支撑,对我国大型储气库建设和运行起到不可替代的作用,达到国际先进水平,并具有明显的特色和优势。”罗平亚院士认为。

典型地下储气库地下组件

4项重大关键技术创新点

中国石油形成了储气库成套技术和标准体系,建成了100亿立方米调峰保供能力,完善了我国天然气产业链,开创了复杂储气库工业化建设之路。

复杂地质条件储气库圈闭动态

密封性评价与建库指标设计

创建了以盖层“动态突破、疲劳损伤”、断层“柔性连接、剪切滑移”为核心的圈闭动态密封性综合定量评价方法。

创建了以分区带孔隙“差异化动用”为基础、有效含气孔隙体积为核心的库容参数设计方法。

适应超低压、交变载荷工况的

储气库钻完井技术

研发了复合凝胶承压堵漏材料及无固相储层保护钻井液,实现超低压、大压差安全钻井。

发明了抗200摄氏度晶须纳米高强低弹模韧性水泥浆,攻克了世界最深、温度最高气库固井难题。

地面高压大流量

注采核心技术与装备

发明了大功率高压高转速往复式注气压缩机组。

首创水下爆燃制管和振动模态无损检测技术,制造了国内最大口径最高钢级双金属复合管。

储气库地层—井筒—地面

“三位一体”风险管控系统

首创了拉伸/压缩交替变化下管柱密封评价准则,实现了基于强度的密封设计转变。

构建了储气库地层-井筒-地面“三位一体”风险管控体系,实现了全三维实时监测预警。

延伸阅读

        盐穴型储气库特色技术

我国盐穴型储气库建设通过10多年建设实践,形成了从选址、勘探、钻井到造腔、完井和运行的一整套盐穴储气库建库和运行技术,尤其是一些盐穴型储气库特色技术。

老腔改建储气库技术

考虑地面、地质、井筒及腔体四个条件,对老腔进行初选,再进行水试压、稳定性评价等,待老腔筛选结束,对其进行改造。改造方法:一种是通过套铣原有老井管柱并下入新套管固封;另一种是将原有老井眼封堵,并在老腔其他有利位置重新钻新井。

造腔特色技术

【造腔优化设计技术】建立一套完整的适合国内盐穴型储气库的造腔设计和评估方法,并开发出专业的造腔设计平台。利用造腔设计平台,完成从地质建模、造腔数值模拟、腔体稳定性评价、注气排卤及经济评价全模块设计。

【造腔过程监控技术】建立完整的造腔监控体系,并自主开发造腔动态跟踪分析平台GSD,对库区腔体发展情况及相互关系、夹层对腔体形状影响、在建盐穴的造腔进度、实时模拟排卤浓度、实时计算垫层压力等实现动态监控。

【夹层处理技术】国内的盐穴型储气库造腔段多发育夹层厚度从几十厘米至十几米不等,夹层如未被溶蚀,在夹层上部形成二次造腔,造成盐层段体积损失。通过控制油垫厚度大小、夹层与油水界面及造腔管柱的相对位置等因素,达到处理夹层的目的。

【天然气回溶腔体修复技术】在造腔过程中由于地质、工艺或者人为因素导致腔体局部未达到设计要求,特别是接近腔底位置,可以使用易回收、成本低且无污染的天然气作为阻溶剂在注气排卤阶段进行回溶。

【氮气阻溶造腔技术】利用西气东输研制出的永久式光纤界面监测仪实现对界面的连续监测,采用无污染、成本低的液氮作为阻溶剂,利用液氮泵车或者地面注氮橇装设备实现液氮气化和氮气注入,最终实现氮气阻溶造腔。

注采运行监测技术

【腔体变形监测】通过带压声呐测量识别腔体垮塌和蠕变来确保注采运行安全。

【腔体泄漏监测】利用示踪剂技术判别腔体有无发生泄漏,确保运行安全。

【腔体垮塌及裂缝监测】利用微地震技术实时监测腔体垮塌和壁面裂缝形成情况。

【井筒泄漏监测】利用新型光纤测井技术,判别井筒和固井水泥环泄漏情况。 (巴金红)

专家视点

储气库将迎来10年发展黄金期

(中国石油勘探开发研究院地下储库研究所所长 郑得文)

世界储气库工业已有百年历史,2000年以来我国天然气地下储气库建设才真正起步,早期建设的板桥储气库群借鉴国外经验,无法有效指导我国建库,实践表明只能走自主创新之路才能解决我国复杂地质条件建库根本问题。

多期构造运动与陆相沉积环境导致我国建库目标构造破碎、埋藏深、非均质性强,给储气库建设与运行带来世界级难题。

针对我国储气库建设选址难、建库难、安全运行难以及核心装备靠进口的技术瓶颈,攻关团队创建了复杂条件储气库圈闭动态密封理论,提出了5项关键指标,实现了选址评价由静态定性到动态定量评价的根本转变,保障了建库成功率由83%提高到100%。这一关键技术的突破,使得我国复杂地质条件建成“存的住”的气库有了撒手锏。

创新适应超低压(压力系数0.1)、交变载荷工况的储气库钻完井技术,有效保护了储层,攻克了世界最深、温度最高的储气库固井难题,保障了高速交替注采条件下井筒密封,有效制服了井筒完整性的又一只“拦路虎”。

研制的地面高压大流量注采核心装备与技术,实现了国产化,形成了储气库地面工艺技术及标准化体系,大大地降低了建库成本,扭转了核心装备全部靠进口的历史。

创新形成的储气库地层—井筒—地面“三位一体”风险管控系统,实现了全三维实时监测预警,支撑了储气库安全平稳运行,保障了中国石油已建成的22座气藏型储气库运行至今零事故。

中国石油用10多年时间深入开展复杂地质条件储气库选址评价、工程技术、重大装备、运行控制等攻关,形成了储气库成套技术和标准体系。上世纪90年代末启动储气库建设以来,储气库建设已初具规模,共建成储气库25座,建成了100亿立方米调峰保供能力,完善了我国天然气产业链,开创了复杂地质条件储气库工业化建设之路,在迎峰度冬中发挥了至关重要作用。

纵观国外储气库建设历史过程,一般经历初期、快速和平稳发展三个阶段。我国储气库建设经过10多年努力,刚刚进入快速发展初期,调峰保供作用已经凸显,但仅凭储气库还无法彻底解决问题。未来10年,将是储气库建设发展高峰期和战略机遇期,技术进步将推动我国储气库的建设,加速补齐天然气储存能力不足的短板,完善我国天然气产业链。

今后,储气库业务发展布局的主要原则是满足用户需求、保障能源安全、管网配置合理、多种方式并存。近期主要采取储气库、气田、LNG共同参与调峰,宜库则库、宜罐则罐、宜管则管、宜田则田。地下储气库应优先部署在进口通道、管网枢纽、重点消费市场中心附近,初步形成储气库设施的基础构架。重点开展与中俄东线配套的8座储气库建设,满足管网和市场的需求。

中长期逐步建成以储气库调峰为主的综合调峰保供体系,2025年储气库在调峰保供中的比例将超过60%,成为调峰保供主力军。2030年力争实现储气库调峰与应急储备500亿立方米能力,全面解决调峰保供和应急储备重大战略问题。

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