标准化在天然气地下储气库建设中的应用

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（中国石油化工集团有限公司物资装备部，北京 100020）

天然气地下储气库（简称储气库）是将开采出的天然气输送至地下可以保存气体的空间而形成的人工气田或气藏，是集季节调峰、事故应急供气、国家能源战略储备等功能于一体的能源基础性设施，被称作地下“天然气银行”。储气库因容量大、储气压力高、占地面积小、受气候影响小、投资成本相对较低等优点，被认为是最具经济性的储气调峰设施，是天然气产供储销产业链中的关键一环。推进储气库的标准化工作既是为满足天然气产业高质量发展的需要，也是推广储气库建设工程经验和科技成果的有效措施，对于天然气产业构建以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局具有重要的作用。

1 储气库的建设情况

1915年加拿大建设了世界首座储气库，1916年美国建设了世界第二座储气库。截至2020年，全球36个国家共建成储气库716座，总工作气量4.164×1011m3，其中，66%分布在北美，其次在欧盟地区。

我国的储气库研究设计工作始于20世纪90年代，由于我国的地质条件整体构造环境复杂，很难找到优质的浅层枯竭气田作为建库载体，直到2000年才建成了国内第一座储气库——天津大港油区大张坨储气库。经过21年发展建设，已建成气藏型和盐穴型储气库31座，其中，中国石油建设23座，中国石化建设7座，港华燃气建设1座。按地域可分为11座库群，分布在东北、华北、环渤海、长三角、中南等七大区。2020年，我国建成储气库（群）总工作气量比2015年增加8.9×109m3，增幅160%[1]。2021年，工作气量又增加了约1.0×109m3。随着我国清洁能源转型与碳中和目标的设立，天然气作为化石能源中最清洁的能源，消费量必将持续快速发展。据中国工程院专家预测，将来天然气消费峰值可能突破6×1011m3，调峰保供能力需要1×1011m3，缺口巨大。但是，储气库建设的标准化缺失是当前储气库建设进程缓慢、建筑物零散、占地面积过大的重要影响因素，是后续建设亟待解决的问题。

2 标准化在储气库建设中的作用

储气库建设的标准化是一个多专业紧密衔接的系统工程，主要由项目选址、工程设计、物资采购、现场施工和信息化管理5个体系组成，各体系发挥各自作用。

标准化选址作用：规范在构造环境复杂的地质条件下确定建库载体的技术性指标和经济性指标。标准化设计作用：①提高劳动生产率，减少重复劳动，加快设计速度；②为设备的撬块化制造、施工材料的工厂化预制、现场的机械化施工创造条件；③节约建设材料，降低工程造价，提高经济效益。标准化采购作用：①促进设计、需求、制造、监造、储运、生产、运维、销售等环节有序、高效开展工作，实现企业利益最大化；②规范物资选型，优化资源配置，降低管理和维护的难度，降低采购成本、库存资金占用和运维成本，提高采购效能；③稳定和提升物资制造质量，与合作伙伴建立持续良好的合作关系，获得最大安全性和可靠性支持。标准化施工作用：①实现模块化设计和施工的深度融合，缩短建设周期；②实现对施工组织方案的事前推演，提高施工资源安排的科学性；③提升非标容器、工艺管道焊接的一次合格率，减少返工带来的资源浪费。标准化信息管理作用：①提高企业收集外部数据的效率和准确性；②帮助现场实时掌握设备运行情况和周边的生产环境；③实现“人、机、料、法、环”五要素的数字化管理，促进劳动定员的优化。

3 标准化的实施方案

3.1 标准化选址

储气库主要包括油气田、盐穴、含水层和矿坑4种类型，储气库的选址需要满足的标准包括：①地理位置优越，离主要用户城市或长输管线较近；②构造简单，圈闭落实，内部断层少，变化幅度小；③盖层厚度大，岩性致密，圈闭密封性好；④储层厚度大，分布稳定，物性、连通性好，有效孔隙度≥15%，有效渗透率≥50×10-3µm2；⑤天然气属干气，组分含量中以CH4为主，H2S含量不超标；⑥气藏属常压常温系统；⑦具有一定储量规模，原始地质储量＞1.6×108m3；⑧单井注采气能力大；⑨采出程度较高，建库后不影响目前油气生产[2]。

3.2 标准化设计

3.2.1 平面布置的标准化

按站场用房集约化、站场装置模块化和平面布局紧凑化的原则，采取模块立体拼插组合的方式，优化储气库地面工程的布局，解决建筑物零散、建筑风格和视觉形象不统一的问题，地面工程标准化的布局见图1。

图1 储气库地面工程的标准化布局

3.2.2 注采气工艺流程的标准化

采用气液混输、注采合一的注采工艺（见图2）。其中，注气流程为：来气→收球装置→旋风分离→过滤分离→计量→增压→注采井；采气流程为：注采单井来气→气液分离器→脱水装置→计量→联络线外输。

图2 注采单元的工艺流程

3.2.3 注气单元布置的标准化

注气单元为立体布置，见图3。在结构框架中集成了旋风分离器、燃料气分离器和过滤分离器，并撬装模块化制造站内阀组、注气计量阀组、进站计量阀组。

图3 注气单元优化后的布置

3.2.4 采气单元布置的标准化

采气单元布置见图4。在井场模块中设置1个独立的采气阀组撬装模块，在采气分离模块中集成分离器、干天然气分离器和闭式排放罐，在脱水模块中集成聚结过滤器和三甘醇吸收塔，在加热再生模块中集成三甘醇回收罐，并撬装模块化制造三甘醇再生和加热炉阀组。

图4 采气单元优化后的布置

3.2.5 供配电单元布置的标准化

将35 kV变电站设计为舱式变电站，一层舱体内集成高压开关设备、无功补偿和低压开关设备，二层舱体内集成二次保护和通信设备，并在工厂完成组装和测试。

3.3 标准化采购

3.3.1 完井工具

1）功能和结构

完井工具是完井管柱中除油管和套管外，按照一定功用组合而成的井下工具，具有注气、采气和气藏监测等生产运行功能，能够实现油管通道井下紧急自动关断，阻断封隔器以下部分的流体通道，保证封隔器以上的部分不压井作业，可以满足气密封、防腐蚀、耐压、耐温等要求，是天然气注采环节的重要设备。主要部件由液控管线、流动短节、井下安全阀、永久式封隔器总成（含插入锚定密封）、坐落短节和剪切球座等组成。

2）选型和材料

全部完井工具的材质采用13Cr进行加工，两端连接螺纹应与油管的气密封螺纹扣配套，密封件（含封隔器胶筒）除金属密封和密封圈挡环外，均采用AFLAS材料生产；液控管线的长度通常为110 m，材质为316不锈钢；控制管线保护器的材质为低碳钢；井下安全阀按3C适用等级设计生产，具有自平衡机构，上部扣型为气密封母扣，下部扣型为气密封公扣；流动短节的最小内径应与安全阀配套，上部扣型为气密封母扣，下部扣型为气密封公扣；封隔器为可钻式封隔器，按V0等级进行设计生产检验；坐落短节具有管柱试压、封隔器坐封备用、不压井作业、坐落监测仪器等功能，并配套钢丝作业堵塞器、投、捞工具；插入锚定密封的上部扣型为气密封母扣，下部扣型为无扣，脱开形式为正转脱扣，按V0等级进行设计生产检验；剪切球座的上部扣型为气密封母扣，下部扣型为EUE母扣；坐封球座配套喇叭口1件。

3.3.2 井口安全控制系统

1）功能和结构

储气库注采井运行过程中须承受强注、强采的工况，井口安全控制系统具有在火灾或压力异常等情况下，对井下安全阀、地面安全阀的远程关断控制的功能，是气井安全生产的重要保障[3]，它由液压系统（液压动力系统、主控制回路、输出回路、先导控制系统、易熔塞及自动关断回路）和控制系统组成。

2）选型和配置

液压动力系统内应设置1个容积30 L的循环液压油储油箱、输出压力不低于6.894 MPa（1 000 psi）的电动液压泵2台和手动液压泵1台，每个泵的进出口应配隔离阀，进口配过滤器，出口配单向阀和溢流阀；井下和地面主控制回路配备蓄能器、隔离球阀、泄压针阀、压力表、单向阀和溢流阀；地面主控制回路配备2组高压减压阀；先导控制回路应配备2组高压减压阀、蓄能器、压力表、紧急关断阀；还包括集成在防爆箱内的远程终端单元以及当区域温度≥121℃时可自动熔化的易熔塞。

3.3.3 注气压缩机组

1）功能和结构

注气压缩机组是储气库工程的核心设备，曾经以进口为主，价格昂贵，调试和售后维修周期长。目前，国产往复式和离心式压缩机组都已研制并应用，既大幅降低了机组采购投资和后期运行成本，并大幅提升了运行的保障能力。机型的选择与储气库的最小日注气量有关，当最小日注气量≥500×104m3建议采用离心式压缩机[4]，其他情况宜采用往复式压缩机组。机组部件由主机总成、驱动系统、工艺气系统、机体润滑系统、气缸润滑系统、冷却水系统、底座系统、电气控制系统组成。通过建立标准化选型、模块化制造、工厂化性能测试、数字化交付的采购模式，机组的质量不仅可满足储气库注气压力高、工况范围广的特点，而且设计、安装和调试的周期还可大幅缩短，符合储气库建设周期的要求。

2）选型和配置

机组配置方面，驱动机可选用天然气发动机或防爆电动机（以下简称电动机）两种类型。与天然气发动机相比，电动机占地小、启动时间短、控制精度高、噪声低、排放少，维护成本低，虽然初始投资较高，但更符合绿色生产的要求，因此，已逐渐成为首选配置。电动机额定功率≥压缩机最大功率×105%。电机轴承形式与额定功率密切相关，见表1；空冷器的选型与机组的设计压力密切相关，见表2；状态监测系统由传感器、数据采集器、场站级监测服务器、场站级状态监测软件、远程网络化状态监测及故障分析软件等组成，重点监测机体和十字头的振动、气缸的压力和轴系的键相。

表1 电机的轴承形式

表2 空冷器的管箱形式

3.3.4 三甘醇再生撬和尾气处理撬

1）功能和结构

三甘醇再生撬和尾气处理撬是储气库工程的重要设备，用于脱除储气库采出的天然气中的水汽，防止水汽进入管道造成积液，引起输气能力及热值降低，以及天然气中的H2S和CO2加速对钢材的腐蚀。撬块由三甘醇再生系统、燃料气系统、甘醇循环系统、尾气处理系统及电气仪表控制系统组成，优化后的系列配置见表3。

表3 三甘醇再生及尾气处理撬系列

2）选型和配置

撬块配置方面，三甘醇再生设备主要包括预过滤器、活性炭过滤器、后过滤器、精馏柱、重沸器、缓冲罐、贫液泵；三甘醇循环设备主要包括三甘醇闪蒸罐、预过滤器、活性炭过滤器、后过滤器（含差压计）、贫-富液换热器、三甘醇循环泵；尾气处理设备主要由包括鼓风机、尾气空冷器、尾气分离器、废水提升泵；辅助配套设备主要包括安全阀、气动球阀、手动球阀、截止阀、节流截止阀、针阀和电磁阀。

设备选型方面，三甘醇循环泵宜选柱塞式往复泵，鼓风机宜选三叶式罗茨鼓风机，空冷器的管箱型式为丝堵式，废水提升泵为离心泵，三甘醇循环泵的电机选用防爆变频电机，其他电机选用防爆工频电机。

3.4 标准化施工

工厂预制是标准化施工的基础。通过采用固定厂房结合现场简易平台的预制模式，在油田气或潜在项目集中的区域建立预制厂，厂内配备带锯坡口机、五轴数控等离子切割机、移动式铣边机等自动化施工设备和EP3D、PDSOFT等二次设计软件，实现成撬块设备、阀组和工艺管道下料、组对、焊接作业线的自动化，从而提高工程质量和施工效率。

3.5 标准化信息管理

3.5.1 建立数字化交付平台

数字化交付是标准化信息管理的基础，通过建立统一的数字化交付平台，将储气库设计、采购、设备制造、施工、监理、项目管理、中交、调试、竣工等过程资料按照标准化的编码规定批量上传，一起移交给业主单位，满足业主在工程交工后进行日常查询、管理、改造、开发等需要。

3.5.2 设备的数字化交付

对于重要机械设备，在集成数字化工程图纸和文件的基础上，通过三维数据全面展示设备的整体外观和内部构造，通过动画推演设备建造焊接工序以及流体工作原理，可实现设备内部的线上巡检，为施工管理和生产操作提供指导。

4 标准化的有效性验证

通过量化和细化标准化评价指标，将储气库建设的标准化转化为可操作、可衡量的具体标准，从而帮助建设单位明确标准化方向，大幅提高储气能力建设的质量和效率。

中原油田卫11储气库按照标准化模式开展建设，并于2021年10月建成注气，设计库容达到10.09×108m3。它与2012年建成的文96储气库和2019年建成的文23储气库，共同组成了我国华北最大天然气地下储气库群——中原储气库群。与前两个储气库相比，卫11储气库取得了更好的经济效益。标准化评价指标和评价情况见表4。

表4 卫11储气库的标准化工作评价

5 结语

随着国内天然气消费量强劲增长和天然气对外依存度逐步攀升，储气库已成为实现管网和接收站的供气平稳和安全必不可少的设施。国内储气库的建设单位应加强合作，将国外储气库建设和运营的先进经验和国内储气库的研究与实践成果转化为技术标准，持续提升标准质量，提高标准的国际化水平，健全人才队伍，为推动我国储气库产业的科学发展提供有力支撑，早日建成适合我国国情的储气库全产业链标准体系。