天然气地下储气库及其在美国的应用
----国际石油经济
天然气的生产、运输和消费是一个完整独立的体系。通常，油气田生产的天然气是通过长输管道运往用户集中的地区，然后通过地区分销网络送至终端用户。同其他液体能源相比，天然气在其生产、运输和销售过程中，存在着用气需求的不平衡性和储存的特殊性。解决好充分利用管道运输能力与下游用户峰谷用气不均衡之间的矛盾，是保障天然气上中下游协调发展、提高行业总体经济效益的核心问题。纵观世界天然气工业发达的国家，最常见的方法是在用气集中的地区建设天然气储存库(主要是地下储气库)。
目前，为满足北京市冬季高峰用气(为夏季用气量的4～5倍)需求，中国石油天然气股份有限公司已经在大港油田建设了两个地下储气库，但容量都较小；与西气东输管道建设同步，在浙江金坛地区也正进行地下储气库工程建设。世界发达国家天然气在一次能源消费中所占比重已超过20％(我国仅为3％)，并且这些国家在天然气储存方面也积累了较为丰富的经验。因此，借鉴典型国家(例如美国)的经验，研究天然气地下储气库的基本类型、特点、容量测量及发展和应用，对我国天然气地下储气库的建设和发展具有现实指导意义。
一、天然气地下储气库的类型和特点
天然气作为一种无色、无味的气体碳氢化合物，可以有多种储藏方式，但通常储存在三种典型的带压地下储气库中：第一是已经
采空的油气田；第二是地下蓄水层；第三是地下盐穴。不同的地下储气库具有不同的物理性(多孔性、渗透性及压力等)和经济性(现场准备成本、采收率及重复使用能力等)。评价地下储气库性能最重要的指标有两个：一个是储气能力，另一个是回采能力(气库的采出量与储存量之比)。
在美国，目前绝大多数天然气地下储气库为已采空的油气田。使用采空的油气田作为天然气地下储气库，不仅可以利用其原有的井口、集输系统和外输管线，而且其适用性也比较广泛。
在美国的中西部，一些地下的天然蓄水层也用做天然气储气库。如果一个蓄水层的水封沉积岩表层是不渗透的，则其地质结构与开采后的油气田相似，可以用做储气库。与油气田相比，用天然蓄水层储气需要更多的垫底气，在注气和采气时也需要更严密的监控。其采收率很大程度上取决于水的驱动性。
与前两种地下储气库相比，盐穴储气库有垫底气量低、工作气量注采率高的特点。在美国，盐穴气库主要分布于墨西哥湾沿岸的几个州，在东北部、中西部和西南部地区也开发了一些盐穴气库。虽然盐穴气库的建设投资比油气田气库要高很多，但其每年的多个注采循环使天然气的单位注采相对成本并不高。
在美国，曾经出现过利用废弃的矿山做天然气储气库的例子，但目前，用坚硬的岩石洞做储气库的例子尚未见到，商业性的应用还在试验中。
二、天然气地下储气库的主要测量指标
要评价一个地下储气库的基本特性和储气能力，可参考以下容积指标，并注意区分容量特性和实际储气水平。
(1)总库容量 设计时确定的地下天然气储气库的最大储气容量，即设计能力。由地下储藏层的地质特性和地面安装的注采设备的性能决定。
(2)总库存量 一个特定时间的地下储气库的储气总量。 (3)垫底气 为了保持地层合适的压力和足够的采气能力而永久储存在地下储气库中的天然气气量。 (4)工作气容量 总库容量减去垫底气量。
(5)工作气 地下储层中垫底气之上、可用于采出和销售的那部分天然气。
(6)供气能力 地下储气库每天所能供应的天然气气量，通常也称作供气比率、采气比率或采气能力。供气能力的单位通常表示为百万立方英尺／日(MMcf／d)。地下储气库的供气能力并非一成不变，影响其变化的主要因素有储气量、地层压力、压缩机的额定压力及系统配套能力。总之，一个地下储气库的供气能力是随着其内部储气量的变化而变化的：当地下储气库全充满时，供气能力最大；随着工作气量的减少，供气能力也逐步减小。
(7)注气能力 一个地下储气库每天能够注入的天然气气量。注气能力的单位通常用百万立方英尺／日表示。与供气能力相似，注气能力也同样受到与供气能力类似因素的影响，所不同的是，注气能力与储气库的总库存量成反比：当储气库全充满时，注气能力最小，并随着工作气量的减少而增加。
以上这些储气库的标准并非绝对不变。在实践中，可以通过改变某些运行标准以提高原有的设计能力。上面关于工作气和垫底气的区分也有些绝对化，在某些条件变化时，它们是可以相互转化的。
另外，尽管在设计上，垫底气一般不能采出，但在特殊条件下(如用气高峰时)，也会被采出以供应市场。 三、天然气地下储气库主要测量指标分析
在美国，能源部的能源情报署(EIA)负责收集天然气地下储气库的各种资料，数据按周、月和年度发表。通过对地下储气库测量指标的分析，可以了解天然气地下储气库在不同状态下的充盈情况。地下储气库的充盈程度通常可用三种方法来估算，但由于使用的指标不同，得出的结果也不尽相同，需要结合实际情况理解和解释。 1．工作气与历史最大气量之比
如何确定地下储气库的充盈率呢?美国天然气协会(America Gas Association-AGA)通常的做法是根据工作气量与一个时间段内的最大储气量之比来确定。这种方法的弊端是：历史上的最大值与设计的最大值有着明显不同，并且地库中的工作气也有可能大于历史最大值(虽然这种可能性很小)。 2．工作气与工作气容量之比
工作气容量反映了地库储存工作气的能力，通常不能直接取得，但可以通过用地库总容量减去垫底气量得到。 3．总库存量与总库容量之比
用地库中的总储气量除以地库的总容量，可以得出地库充盈情况的另外一个计量数据。根据EIA的数据，地下储气库的总容量已由1992年12月末的7932 Bcf(十亿立方英尺)增加到2002年6月末的8376 Bcf。
以上三组测量方法的详细计算如表1所示。其中工作气2991Bcf来自EIA在2002年9月20日的估算，但据其最近的数据，地库总
容量和垫底气分别为8376Bcf和4355Bcf，则可得出工作气量为4021(8376-4355)Bcf。AGA最新披露的历史上最大实际工作气量为3294Bcf。
表1 工作气为2991Bcf时的数据(2002年9月20日估算) 测算方法 1 2 3 91% 74% 88% 2991 2991 2991 ---- ---- 4355 3294 4021 8376 容量数为AGA历史最大工作气量 容量数为总储量减垫底气量 容量数为地下储气库总储量 充盈率 工作气 垫底气 容量 备注
由表1可知，得出的几组数据的结果相差较大。第一组数据表明工作气储量占AGA非同期历史储量峰值(最大工作气量)的91％；而第二组数据中的74％表明还有26％的工作气容量可用；第三种方法使用地库总容量作为参照，用工作气与垫底气之和与总容量相比得出充盈率为88％，这说明还有12％的总容量是可用的。 四、天然气地下储气库的所有权、运营和政府监管
在美国，天然气地下储气库的所有者和经营者主要分三类：第一类为州际管道公司；第二类为地区经销商(LDCs)和州内的管道公司；第三类为提供服务的独立地下储气库经营者。如果地下储气库的经营者向州际市场供气，除应遵守本州的规定外，还要接受联邦能源管理委员会(FERC)的监管。地下储气库所有者和经营者无须是该地库储存气量的货主。事实上，地下储气库的大部分容量是租给轮船公司、地区经销商和终端用户来存储天然气的。