墊層氣

天然氣地下儲氣庫需要墊層氣來維持儲庫一定的壓力和容積，以抑制地層水流動，防止水體侵入和保證儲庫工作的穩定性，墊層氣是地下儲氣庫中儲氣量的一部分，在儲氣庫調峰運行注采操作過程中不被采出。

墊層氣定義為：儲庫正常運行期間，達到預期規定回採量時，儲氣庫內剩餘氣體。

天然氣地下儲氣庫已成為平抑供氣峰值波動，保證城市安全合理供氣的最有效的手段之一。儲氣庫建設最大的初投資，是為防止水體侵入、保證儲庫的工作壓力和容積而永久儲存於地下的墊層氣。一般墊層氣量隨儲庫的周期性注采及擴容過程而增加，最終占總儲氣量的30%～70%，占總投資的1/3～2/3。

基本介紹

• 中文名：墊層氣
• 外文名：cushion gas
• 墊層氣量分類：基礎墊層氣量、附加墊層氣量
• 作用：防止水侵入儲氣庫、提高氣產量等
• 氣體類型：天然氣、惰性氣體如二氧化碳等
• 套用：地下儲氣庫

墊層氣的構成

地下儲氣庫總墊層氣量可分為兩部分：

（1）基礎墊層氣量：儲氣庫壓力降低到無法開採時，儲氣庫內殘存天然氣量，稱為“死氣”，由氣體吸附，相彌散和毛細管堵塞等原因引起。確定不可回收墊層氣量的兩個基本因素：水侵率和枯竭時的儲庫平均壓力。不可回收的墊層氣量無法開採，在儲庫建設中被稱為基礎墊層氣量。

（2）附加墊層氣量：基礎墊層氣量基礎上，為保證採氣井能達到最低設計產氣量所需增加的墊層氣量。若儲庫運行最低壓力值升高或降低，附加墊層氣量將增多或減少。

墊層氣的作用

墊層氣的主要作用有：

（1）給儲庫提供能量，使儲氣庫在採氣末期也能維持一定地層壓力，從而保證調峰季節從儲氣庫采出所儲存的氣量，以滿足向用戶地區輸氣的條件。

（2）抑制地層水流動，防止水體侵入儲氣庫，保證儲庫工作穩定性。

（3）提高氣井產量，減少天然氣在壓縮機站的壓縮級數。

惰性氣體替代天然氣作墊層氣

惰性氣體作墊層氣的優點有

（1）替換出天然氣供用戶使用。

（2）節省有價值的天然氣，否則這部分天然氣將被浪費掉。

（3）如將采出的天然氣以市場價格售出，那么公用事業的消費者和股東能共享目前天然氣市場價格與最出入庫時的價格之差。

惰性氣體的來源

空氣中燃燒天然氣，低溫分離的氮氣，燃機廢氣，鍋爐煙道氣，溫室氣體等。

不能選用惰性氣體作為墊層氣的儲氣庫

（1）總容積小於8500×10m。

（2）注采井和觀察井少於10口。

（3）儲層有天然氣裂縫。

假設用惰性氣體代替20%的墊層氣，且惰性氣體價格是天然氣的一半，那么容積8500×10m的儲氣庫用惰性氣體作為墊層氣的最大經濟效益是30萬元，數額不足以支付數據採集，工程分析和儲層模擬的費用，無法會受到預期的經濟效果。

惰性氣體與工作氣的混合問題

20世紀90年代，丹麥、德國、法國和美國試用惰性氣體來代替天然氣作為儲氣庫的墊層氣，由於存在工作氣和墊層氣的混合問題，在工程實施之前，為保證采出天然氣的質量，需要通過數值模擬的方法用三維氣體混合模型來分析混氣現象。這些是早期的關於墊層氣與工作氣混合機理的研究。之後，法國科學家對地下儲氣庫進行了預充氣試驗，用示蹤劑和色譜儀監測了氣體的成分變化，獲得的資料及結論可用來通過三維網路模型對儲氣庫特性進行模擬，從而預測儲氣庫地層中工作氣和墊層氣的混合情況。相關研究成果表明，由油氣藏改建的枯竭型地下儲氣庫經常會遇到分子運動以及混合的現象，理解在多孔介質中混合和分散影響下流體流動和運移特徵對儲氣庫設計和運行是極其重要的。

好多國家在用比較便宜的惰性氣體來作為墊層氣替換出天然氣，確實節省了很大一部分投資。套用惰性氣體來代替部分或者是所有的墊層氣將節省出很大一部分可能被廢棄的天然氣，然後可以把節省出來的天然氣提供給消費者，帶來更大的經濟效益。其中最關鍵的技術難題便是替代氣體和天然氣的混合問題，但實踐表明這種混合是可以預防和控制的，如改變注入方式和生產方式等，可以很大程度上保證天然氣的純度。減少天然氣作為墊層氣的分量，增大工作氣量，用惰性氣體作墊層氣，已經成為國內外研究儲氣庫中主要的發展方向。

惰性氣體與天然氣的混合特徵及影響因素

1.混合特徵：惰性氣體與天然氣混合，將導致采出的調峰天然氣雜質增多，熱值降低；同時不同物性氣體分子在非均質地下孔隙空間互相碰撞，造成擴散阻力增大，產生局部阻塞，導致儲氣空間的減少。

儲庫運行時墊層氣與工作氣發生混合，具有較大可壓縮性，是一種特殊滲流擴散耦合問題，為保證調峰天然氣質量，必須在天然氣達到混合帶前停止採氣。

2.影響因素：惰性氣體與天然氣的混合程度主要取決於以下影響因素：

（1）密度。兩種氣體密度差較大時，由於重力作用將出現分層現象，減小混合。

（2）儲層滲透率。儲層在水平方向有較高的滲透性，將會增加氣體之間的混合，垂直方向有較高滲透性，將減少氣體之間的混合。

（3）儲層壓力。高的儲層壓力將增加氣體混合速度。

（4）氣體黏度。在高滲透性的儲層，如果氣體黏度差異較大，也會增加氣體之間的混合。

二氧化碳埋深作地下儲氣庫墊層氣的可行性

採用 CO₂作為天然氣地下儲氣庫的墊層氣，對於減少建庫成本，節約資金，實現碳的有效地質埋存具有重要的戰略意義與社會意義。目前，世界上大多數國家的儲氣庫採用天然氣作墊層氣，當儲氣庫廢棄時，相當數量的墊層氣不能被開採出來，因而導致大量“死資金”沉積。隨著儲氣庫相關技術的不斷發展，人們試圖採用廉價氣體（如惰性氣體）作為墊層氣。

1.CO₂導致溫室效應，必須減排。為了實現在《京都議定書》提出的在2020年前實現CO₂減排40%～45%的目標，目前全球對溫室氣體減排最可行的方法是CO₂的捕集和封存技術，譚羽非學者在2005年在中國首次提出並證明以CO₂深埋作天然氣地下儲氣庫墊層氣的可行性。

2.將CO₂存放在地下是最經濟可靠的技術措施，埋存有以下優勢：油氣田開發中已經積累了CO₂埋存的專業技術經驗；CO₂在強化採油和強化煤層氣開採方面，已經通過實驗，獲得了經濟效益；天然CO₂氣藏的賦存狀態證明，有利的地質構造能夠長時間埋存CO₂；CO₂在水中溶解度隨儲層壓力而變化的特性有利於儲氣庫擴容時氣水邊界的穩定。

3.CO₂作地下儲氣庫墊層氣的可行性研究：選擇作墊層氣的氣體時，熱力性質一方面應是可壓縮性大，以便能在注氣時為天然氣提供更大空間，採氣時提供更大的氣驅作用，另一方面應黏度大，且與天然氣有較大黏度差，不易於注采天然氣混合。

國內外地下儲氣庫墊層氣量的研究現狀

採用惰性氣體作墊層氣的經驗

1915年在加拿大安大略省Welland氣田建立了世界上第一個試驗性儲氣庫，迄今為止，天然氣地下儲氣庫技術已經相當完善和成熟，儲氣庫庫容量越來越大，儲氣量和工作氣量占消費比例越來越高。

2012年，歐洲部分國家工作氣量占總消費量比例高達21%。德國和法國是極具代表性的天然氣進口大國，2012年工作氣量占消費量的比例分別為25.5%和28.4%，顯見採用廉價氣體代替儲氣庫墊層氣的現實意義和經濟前景。早在20世紀70年代，美國就利用氮氣和煙道氣置換天然氣進行工業性試驗研究。20世紀80年代末，法國科學家經試驗後提出了採用惰性氣體作地下儲氣庫墊層氣的可能性。採用氮氣等低價惰性氣體作為墊層氣，雖然可以達到削減儲氣庫運行和管理費用的目的，但是注入的惰性氣體與天然氣混合，不僅會導致調峰采出氣的雜質增多，熱焓值降低，也會導致儲層內壓力動力學特性發生改變，形成局部阻塞。之後，前蘇聯天然氣科學研究所經研究認為CO₂作為儲氣庫墊層氣更為理想，並論證了其優勢。CO₂作為天然氣地下儲氣庫墊層氣的研究一經提出，許多研究者就表現出了極大的興趣，並開展了相關研究工作。然而，就用CO₂作墊層氣的相關技術而言，國內外都還處於初期階段，未形成成熟的理論體系。

法國儲氣庫

第一個開展採用低價惰性氣體替換天然氣。

法國貝訥儲氣庫原儲存合成氣（氫和二氧化碳），1972年開始轉為天然氣儲氣庫。採用向儲氣庫一側注入標準天然氣，另一側采出合成氣的方法替換。轉庫結束時，用天然氣替換全部工作氣和40%合成氣墊層氣體積，其餘60%合成氣滯留在儲庫外側，充當墊層氣維持儲庫壓力。

隨後又向愛普特河畔聖克萊爾儲氣庫，傑爾米尼蘇斯和聖依利兒儲氣庫推行惰性氣體作墊層氣。3個儲氣庫中，惰性氣體占總墊層氣量20%。儲庫運行中，工作氣全部達到熱值標準，沒有被惰性氣體污染。

美國儲氣庫

1986年，美國氣體研究所開發一種能被美國天然氣工業採用的系統方法，選取德克薩斯輸氣公司的漢森儲氣庫作為實力分析，在儲庫構造西側注入氮氣，長期模型運行，采出氣中未檢測到氮氣。

丹麥儲氣庫

1981-1985年，對丹麥南部岑訥市附近含水層構造用氮氣作墊層氣進行可行性研究，採用三維兩相油藏模擬計算模型，分析以氮氣作墊層氣時，儲層壓力及氣體組分隨時間和位置變化。結果表明，注入的氮氣占總儲氣量10%左右時，不會影響天然氣的使用。如果墊層氣與工作氣按1：1比例，意味著約20%的墊層氣可用氮氣來代替天然氣。

鹽穴儲氣庫墊層氣新技術

使用特殊材料製成的囊狀物容納工作氣，使墊層氣和注采天然氣不發生混氣。該技術主要優點：

（1）節省墊氣投資。

（2）保證天然氣與濕溶腔的隔絕，可有效防止水合物生成。

（3）減少天然氣損失。