储为国计行稳致远 十年初心再上征程

2022-07-23 15:05丁国生武志德
科学中国人·上半月 2022年5期
关键词:储气库油气实验室

丁国生 武志德

世界储气库工业已有百年的历史,而我国天然气地下储气库建设从2000年才开始真正起步。

2011年,针对我国储气库建库地质条件复杂,建库难度大,面对储气库建库工程设计、气库扩容达产、气库安全运行等诸多基础性实验研究亟待解决的紧迫需求,中国石油天然气集团有限公司决定建设“油气地下储库工程重点实验室”研发平台,建成“设备一流、技术先进、特色鲜明”的重点实验室。十年砥砺求索,十年风雨兼程。这个被寄予厚望的实验室,用国外同行难以置信的速度实现了蜕变成长,如今已经成为我国唯一专门从事油气地下存储技术研究的实验室,也是国际上以实验门类多、分析项目齐全而著称的地下储库实验室。

与世界储气库百年的历史相比,十年只不过是短暂的一段时光,但中国石油天然气集团有限公司油气地下储库工程重点实验室人却用敢为天下先的无畏与创新精神,开创了一条具有中国鲜明特色的地下储库研究之路,留下了许多值得传承后世的记忆。

“我为国家多找库,我为国家建好库,我为国家多储气,夯实国家底气。”一句流传在实验室的话,彰显了储气库人最朴实的初心。储为国计,备为民生;行稳致远,十年初心。“确保地下粮仓的建设及运行,支撑国家能源安全命脉”的真挚情怀,中国石油天然气集团有限公司油气地下储库工程重点实验室人从未偏离。

信念力量光照万里,

汗水浇灌创新之花

什么是储气库?其建设何以能上升到国家能源安全的战略高度?或许,很多人并不清楚其中的要义。

储气库,即为储存油气能源的地下“容器”,是将长输管道输送来的商品天然气等能源重新注入地下构造中(含天然或人工构造)而形成的一种储气场所。打比喻来说:地下储库就像一个个罐头,罐头吃空后罐子还在,储气库就接着利用这个空罐子,能源富余时注入,短缺时采出;储气库就像一座座银行,手头宽裕时存入,短缺时取出。地下储气库主要有4种类型:油气藏型、含水层型、盐穴型及其他类型(岩洞、废弃矿井/矿坑型)。它具有存量大、调峰范围广、使用年限长、安全系数高等特点,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,是平衡冬夏用气峰谷差、应对突发供气短缺的战略性基础设施和重大民生工程,因此有“调峰保供的撒手锏”和“国家能源安全保障的重要保护神”等美誉。

进入新世纪,我国国民经济快速发展,石油和天然气亟须不断增加,油气对外依存度持续攀升,急需建设油气地下储库,提高储备能力,保障能源供应安全。

以天然气为例,2017年冬季至2018年春季,全国较大范围内出现的天然气供应紧张局面再度敲响了国内储气能力不足的警钟。根据国际经验,一旦天然气对外依存度达到和超过30%,地下储气库工作气量就需要超过消费量的12%,而且国家整体储气能力要达到一定规模。自2010年以来,我国天然气对外依存度保持攀升,目前已超过40%,但储气设施建设远远滞后。中国扩大储气库的建设量已经是箭在弦上,不得不发。

2019年1月9日,中国石油2019—2030年地下储气库建设规划部署安排会议在京召开。会上,中国石油天然气集团有限公司与各相关油气田企业签订储气库项目建设责任书,落实责任主体,明确至2030年,中国石油将扩容10座储气库(群),新建23座储气库。

潮起海天阔,扬帆正当时。当国家扩容储气库的冲锋号吹响,作为支撑我国地下储气库建设发展的一个“奠基式”的重要部门,中国石油天然气集团有限公司油气地下储库工程重点实验室(简称“中石油油气地下储库重点实验室”)自然是责无旁贷地冲在了这条战线的阵地前沿。事实上,立足国家能源安全需求,急国家之所急,一直是潜埋在中石油油气地下储库实验室人血脉里的优良基因。

历峥嵘岁月,筚路蓝缕,创业维艰。我国地下储库建设起步较晚、建库地质条件复杂、理论基础薄弱。20世纪70年代末,中国第一次尝试用废弃气藏建设储气库,直到20世纪90年代以前,相关工作却还长期处于停滞阶段。为何中国储气库建设如此之艰难?这与中国的社会、经济发展,特殊的地质构造等相关。

与国外储气库普遍构造简单、储层高渗、气藏埋深浅、密封性强相比,中国建库主体为复杂断块油气藏,构造破碎、储层低渗、非均质性强、流体复杂、埋藏深。建设盐穴储库的盐岩地层多为陆相沉积,盐层薄、夹层多、品位差。

复杂地质条件给选址、设计、建设、运行带来一系列巨大的理论技术挑战,如没有基础理论指导;国外的成熟技术无法满足我国复杂地质条件建库要求,需要在选址评价、建库工程设计、扩容达产、安全运行上开展基础实验研究攻关,突破建库技术瓶颈等。中石油油气地下储库重点实验室的诞生,正是建立在这一系列需求之上。

中石油油气地下储库重点实验室成立以后,始终牢记使命,在没有可供借鉴经验、一穷二白的情况下开始披荆斩棘,爬坡越岭,冲破重重关卡逐渐走出了一条特色鲜明的开拓之路。顾盼回眸,如影历历。回首实验室初创,是来自中石油集团公司上级领导的高瞻远瞩和敏锐判断力,为实验室的成立和发展、方向定位的确立注入了强大的推动力。

据多位实验室的成员回忆,我国的储气库研究起步较晚,大家最初是在与美国、德国、法国等发达国家同行的交流中才对储气库有所认识和了解。21世纪前后,伴随着我国储气库建设的逐渐兴起,中国石油天然气集团有限公司多次组织人员前往相关领域技术先进的国家考察和取经,最终达成共识:储气库虽不是主流行业,但必不可少,至此加快推进储气库各项工作的布局和建设。

但随着相关工作的不断开展,他们发现,国外已经成熟的技术和理论因为受地质情况限制没办法直接照搬到中国储气库的建设上来。“要推进中国储气库的建设,唯有走出一条适合中国储气库实情的自主创新之路来。”笃定想法的中国储气库人开启了自主创新的征程。不积跬步无以至千里,虽然面临诸多困难,但在公司各級领导对基础实验研究的重视和推动之下,在中石油油气地下储库重点实验室初创时期几位骨干成员的艰苦努力之下,实验室得以一步一个脚印,走得坚实而厚重。

实验室成立之初,设备、技术、人才及资金短缺,甚至连一个简简单单的办公实验场所都成了难题。“院里已没有多余的空房,新建大楼手续又十分烦琐,很长一段时间都没有进展。后来没办法,我们只能想了一个应急的方案:对院里原来的冷冻站、维修工房进行改造,腾出空间来改造成为实验室。”团队成员回忆。万丈高楼平地起,看如今软硬件设施雄厚的中石油油气地下储库重点实验室,其实大到实验室大楼的建立,小到每一个设备、每一张座椅、每一根电线、每一个插座的添置等都倾注了团队成员的心血、智慧和汗水。

实验的技术和设备必须根据中国自己的地质特点和目标研发,是起步时期摆在中石油油气地下储库重点实验室人面前的最重要的难题。这是一条没有经验借鉴的探索之路,经过认真思索和总结经验,团队最终形成了一方面在国际上追踪科技含量高、先进适用的技术装备,另一方面根据研究发展需要,与相关厂家和研究院所合作自主开展仪器研发的思路。引进、吸收、创新相结合,浇灌出了一朵又一朵具有中国鲜明特色的创新之花。

以团队建设盐穴储气库的过程为例:江苏金坛盐穴储气库是中国建立的第一座盐穴储气库,但最初在建库时,储气库的建设者们也曾面临过不少质疑和否定,“国外用百年沉淀的经验尚不足以支撑这么高难度储气库的建设,中国凭什么来实现创举?”

但中国储气库的建设者们并没有因此而放弃,“技术问题也好,管理问题也好,市场问题也好,一切存在质疑的问题都一一反复论证,还请来了国外的专家一起分析判断”。最终,是国家对能源安全储备的迫切需求助推了相关项目的实施推进。

一般盐穴储气库的设计周期超过50年,长期注采运行安全是需要考量的重中之重,而通过物理模拟手段进行安全运行评估是重要的研究手段。艰难困苦玉汝于成,只有实验室成员心里最清楚,为实现这一研究突破,他们付出了多少心血和努力。研究过程十分枯燥而繁杂,为搞清楚地下盐穴的注采机理,他们专门采集了相似的材料并模拟出地下盐穴的状态,通过布置地下传感器来采集一注一采对周围的应力影响等。早期他们也曾经历失败,花了两三个月的时间来重新填埋材料。实验设施搭建完成后,他们每天都需要面对重复性的实验,分析枯燥的实验数据,绘制曲线,倾力其中,不放过每一个细节……如此循环往复,进行了近300次重复性实验,终有所获。实验室团队成员专门针对中国盐穴储气库特点,研制了国内的物理模拟实验装置之一,配置了层状盐岩地层的相似材料,研发了复杂盐腔的相似模型,最终通过近两年的持续攻关,形成了盐穴储气库注采运行物理模拟研究成套实验技术,有效支撑了我国盐穴储气库注采运行。是持之以恒的基础研究,踏踏实实的实验攻关为他们铺设了通往成功的天阶。

“设备研发和实验技术开发的过程是漫长的,更是苦涩的,但辛苦也是值得的。我们坚信只要我们持续创新、踏实攻关,一定能在未来储气库发展中乘风破浪,更创辉煌。”栉风沐雨十年整,中石油油气地下储库重点实验室人早已在风浪的考验之中练就了将艰险视为淬炼,将磨难当作锻造,坚定信念、笑对科研的自信和从容。

从2011年到2021年,中石油油气地下储库重点实验室建设运行这十年,正是中国储气库取得跨越发展最快的十年。十年追梦,十年拼搏。如果把这十年当成是一次追梦的“急行军”,这场“行军”的脚步清晰凝重,信念的力量却光照万里。来时路上,既有无经验借鉴时的彷徨和无助,也有摸着石头过河时的冒险和挑战;既有面临一次又一次失败时的挫败和沮丧,也有迎来柳暗花明时的快乐和欣喜,中石油油气地下储库重点实验室人用短短十载时间,实现了从无到有、从弱到强的“蝶变”。

砥砺前行整十载,

丰碑矗立天地间

十年栉风沐雨,十年春华秋实。运行10年来,实验室围繞国家油气地下战略储备工程及中国石油地下储库工程面临的重大科技问题,针对复杂地质建库条件,创新油气地下储库建库地质理论和工程技术,形成具有中国地质特点的地下储库设计、建设、运行与评估的实验研究体系,为我国地下储库建设工程提供技术支撑,成为我国能源科学油气地下储库领域技术攻关的中坚支撑力量。

工欲善其事,必先利其器。针对我国构造破碎、储层非均质强的复杂气藏及高杂质、层状盐岩等不利地质条件,结合国外的成熟技术和设备无法满足中国储气库大规模建设的情况,实验室因地制宜,开拓创新,自主研发引进了多套国内外先进的重大设备(软件)和实验装置,实验装备和技术方法不断创新,主要技术性能指标达到世界先进水平;开发了储气库圈闭密封性评价、孔隙型储气库注采运行模拟等6项特色技术,形成了涵盖孔隙型和盐穴型两类储气库地质选区、建库、运行及安全评价等八大实验技术系列,先后获得中石油集团公司科技进步特等奖等多个科技奖项。

实验室自主创新研发了储气库盖层、断层动态密封性评价实验技术及配套理论。这套实验及理论体系让库容预测精度比国外提升了20%,库容利用率由70%提高至90%以上,实现了从静态到动态,从定性到定量的转变,突破了复杂地质条件选库及设计的技术瓶颈,在国内20余座储气库设计中得到广泛应用,整体达到国际先进水平。

盐穴型储气库是实验室重要的研究方向之一。与国外盐丘型盐岩建库不同,我国主要为层状盐岩建库,盐岩含量低、夹层多。为突破建库瓶颈,实验室人员潜心钻研,随着层状盐岩造腔物理模拟技术、盐穴储气库稳定性评价技术的攻关,不仅实现了层状盐岩建库,而且在水平溶腔建库、超深层(2000米)建库实现了突破,大大拓展了盐穴建库选址范围。

为实现气藏型储气库注采的精准化设计,经过长期攻关和研发,实验室建立了孔隙型储气库注采多相渗流理论和实验技术系列,通过对储气库微观储渗特征、注采渗流特征等综合研究,实现了储气库库容空间的精准化设计。

突破储气库储层注采机理是实验室建立以来一项重要成果。与气田开发属于单向、低速衰竭采气不同,储气库运行属于多周期循环、强注强采,储层渗流机理及空间动用特征更为复杂。如何准确获得气藏储气库储层注采渗流机理及空间动用效率,是决定储气库库容参数设计精确与否的关键。在这方面,国内研究基本为零,无现成的经验可循。

为实现储气库库容参数的精确设计,实验室团队成员展开了设备的研发和引进。他们创新性地联合英国、法国两家相关领域里的顶级厂家,根据中国储气库的实际需要,整合研制出了国内独一无二的集储气库注采模拟和核磁分析为一体的气藏储气库注采运行物理模拟装置,形成了储层空间动用评价实验技术,结合三维数值模拟,实现了储层空间的精确计算,实验技术总体处于国际先进水平,成为中石油集团的标志性成果。

伴随着中国储气库建设的大规模兴起,时间越是久远,中石油油气地下储库重点实验室人的探索印迹越是清晰可见,特点也越是鲜明。经过多年结合中国储气库实际地质条件的摸索和积累,实验室先后形成了储气库选址与地质评价技术、孔隙型储气库注采多相渗流实验技术、孔隙型储气库全三维一体化仿真数值模拟技术、盐穴储库稳定性评价技术、层状盐岩造腔物理模拟技术等系列亮点技术,为地下储气库的选址、运行方案设计、运行参数优化、稳定性评价等提供了支撑。

特别是储气库圈闭动态密封性评价理论及实验技术,它突破了我国地下储气库选址的禁区,成功指导优选气藏库址60余座,潜在调峰能力达1000亿立方米,为中国地下储气库大规模建设奠定了库源基础。实验室提出的复杂储层高速多轮注采渗流及库容分区设计方法,在国内20余座储气库得到广泛应用,设计符合率达到90%以上。成果的应用证明,我国地下储气库建设达到国际先进水平,推动了我国地下储气库的发展。

十年磨一剑,砺得梅花香。在十年的发展过程中,中石油油气地下儲库重点实验室取得了一系列令人瞩目的成就。依托实验室孕育出的先进特色技术及设备,一座座地下储气库亦如雨后春笋般在中国拔地而起:

——2014年,以华北苏4超深(4500米)、底水碳酸盐储层为目标,实验室攻克了全直径岩心造缝、定流量注采等瓶颈技术,首次发现了气水相渗滞后作用及其作用规律,并以此为基础建立了物性分区、流体分带评价方法,为苏4超深储气库建库提供支撑;

——2015年至2017年,实验室攻克的盐岩长周期蠕变实验技术助力平顶山超深(地下2000米)储气库建库;

——2016年至2018年,实验室关于盐穴储气库稳定性评价实验技术在江苏金坛成功应用,论证了金坛储气库近10年运行以来安全状态,评价了金坛储气库具备提压潜力;

——2020年,实验室在国内首次针对大庆升平火山岩、低孔低渗气藏储层,系统评价多周期循环注采过程储层储渗能力的变化,开辟了特殊岩性储层建库新领域;

…………

十年间,实验室攻克的实验技术及其研究成果已在西南相国寺、新疆呼图壁、吐哈温吉桑等10座在建和拟建的储气库应用,为储气库的优化设计和安全运行与提压潜力研究提供了保障。

砥砺前行整十载,丰碑矗立天地间。当一项又一项创新技术获得突破,一个又一个曾经制约我国储气库发展的难题被攻克,一座又一座刷新我国储气库建设实力和水平纪录的储气库得以被建设……以中石油油气地下储库重点实验室人为代表的中国储气库建设人用他们的辛勤汗水、勇气和实力奏响了一曲来自地底的自立自强之音。

同舟共济支撑蜕变,

春潮涌动再写篇章

“头戴铝盔走天涯,莽莽草原立井架;云雾深处把井打,地下原油见青天;祖国盛开石油花,天不怕地不怕,放眼世界雄心大,我为祖国献石油……”或许在很多人印象中,日日夜夜为国家能源事业奉献青春热血的人只出现在歌中所唱的场景里,殊不知,在深深的地底下,盐穴中、岩洞里、矿井下……地下储气库人正以他们特有的方式为保国家能源安全做着不可或缺的贡献。

这是一个支撑国家能源命脉的群体,也是一个容易被人忽略的群体。

实验室成员武志德记得很清楚,在他刚刚进入研究室的头几年,也是实验室刚刚创办、起步爬坡的阶段,因为当时行业本身并不大,也不为人所熟知,很多刚入行的人赶紧就转行了,也有不少人干了一段时间就走了。坚持下来的人,完全是凭着他们对地下储气库事业于国于民重要性的认同。

“我为国家多找库,我为国家建好库,我为国家多储气,夯实国家底气。”实验室创始人之一、主任丁国生常挂在嘴边的话如今已经成为实验室人共同的精神内核,成为支撑他们并肩前行的动力。在最早一批参与拓荒的实验室中坚力量的引领之下,团队快速地成长起来,虽然人员不算多,但效率很高,大家拧成一股绳,向着共同的目标前行。

这是一个信念坚定的团队。从团队成立之初,就已经确定了紧密围绕国家能源安全需求,保障一方人用气安全的目标。他们一方面不断攻克面临的选址难度不断加大、地质条件日益复杂等带来的基础性试验难题;一方面不断积累理论和试验经验,进一步推进我国地下储气库的建设。想现场之所想,急现场之所急,基础与应用相结合,相辅相成,共同推进地下储气库建设进入良性发展的轨道。多年有的放矢、艰辛积累,终有所成:他们建成了世界上门类,能够囊括我国地下储气库所有基础实验、覆盖所有科研课题的特色实验室,以设备新、实力强等闻名海内外。

这是一个朝气蓬勃、充满干劲的团队。团队主要由年轻人组成,不仅有国际化的综合性人才,也有来自不同交叉学科的精专人才。这样的一群人聚在一起取长补短、各司其职,不仅能做到专和精,还能做到广和宽,为团队的发展和技术攻关奠定了坚实的基础。在共同信念的驱使之下,他们团结协作、同舟共济,这才有了一次又一次科研难题的顺利攻关,一个又一个凝聚大众智慧的设备研发,一座又一座以前所未有难度创建的特色地下储气库的顺利建设……

这是一个注重细节、善于攻关的团队。尽管近20年来中国地下储气库的建设突飞猛进,实验室从诞生到发展成熟也仅仅用了10年时间,但以实验室成员为代表的中国储气库建设者们时刻绷紧“安全第一”这根弦,从地下储气库的设计开始就进行各种细致的安全评估,设计指标严格按照高标准要求,在储气库建设的各个阶段,通过各种技术手段反复论证,请来国际相关领域的权威专家来共同参与讨论和评估,确保了后期一系列高难度储气库的安全运行。

…………

十年坚定信念勇攀高峰,十年团结奋进洒播智慧。一个人走很快,一群人走很远,是信念的力量、团队的力量带动实验室创下了十年涅槃蜕变的佳话,也将引领着实验室走向新的征程。

2020年6月22日,国家能源局印发《2020年能源工作指导意见》显示,要加快天然气产供储销体系建设……压实上游供气企业和国家管网公司储气责任,加快储气库基地及储气设施重点项目建设。

中国石油天然气集团有限公司作为我国最大的天然气生产供应企业之一,为了满足人民对美好生活的追求,打赢蓝天保卫战,有责任加快地下储气库建设。在“十四五”开启之际,公司积极参与国家百亿方级储气库群建设工程,开展枯竭气藏改建储气库地质及气藏工程、老井利用及封堵、储气库群注采工程等多项关键技术的攻关。同时,企业明确提出了支撑“十四五”规划、推动油田发展的10项重点工程。曾经风起云涌之时,实验室人顶住压力实现了积累创新。当下一轮春潮扑面而来,如何抓住机遇再创辉煌?对此,实验室人早已做好了迎接挑戰的准备。

“近年来,随着国家对天然气需求的持续加大,地下储气库建设需求越发迫切,但选址也越来越难,库址条件越来越差,建库模式也在发生着转变,从以往枯竭气藏和层状盐岩建库,现在发展到低渗气藏建库、油藏建库、气驱采油与储气库协同建库、盐岩水平溶腔建库等,同时也面临已建库挖掘潜力、提高运行效率的问题……”虽然困难重重,但因为有了前面十年的积累,实验室人并不因此而惧怕,立足需求帷幄布局,蓝图已绘下,扬帆待起航。

未来,实验室将以“科技成果产业化、运行机制企业化、发展方向市场化”为核心,坚持机制创新与技术创新并重的指导方针,按照优势互补、资源优化整合的原则,联合国内相关单位建设国家级的油气地下储库工程研发中心,瞄准国家能源供应安全战略,推动油气储存系统快速建设,形成复杂地质条件建库技术体系,成为我国能源地下储库建设的战略决策参谋部、建库理论和技术研发中心。同时,建设建库理论和技术研发中心、储库高效建设与安全运行服务中心、高层次科技人才培养中心,为保障我国能源安全贡献力量。

走过昨天,走在今天,走向明天。过去十年,中石油油气地下储库重点实验室人伴随着梦想起航,责任的力量,鞭策着他们一路披荆斩棘、过关斩将,收获了蜕变成长。再一次远征,面对国家崛起与民族复兴的时代召唤,新一代中石油油气地下储库重点实验室人一样会用支撑国家能源安全命脉的不变初心,续写新的篇章。

(责编:黄雪霜)

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