简聊油气地下储存

庄北徐工

2020年新冠病毒肆虐，全球经济几近停摆。石油号称世界经济血液，随着市场需求量的减少、库存增多和产油国之间的价格战，原油价格大幅下跌。4月20号，WTI油价跌至负37美元/桶，不少此前抄底的投资人蒙受巨大损失，世人见证了无可想象的历史事件。

受到朋友圈调侃负价买油、囤油发财的启发，汇编一篇油气地下储存的科普短文，也重温和更新年青时多年从事地下储存的知识。

提要

一、为什么要进行油气地下储存

二、地下储存类型

三、盐穴 (盐洞) 地下储存

四、浅层岩石洞库储存

五、枯竭气田和含水层 (人造气田 ) 储存

六、油气地下储存的经济性

2020美国原油指数WTI期货价格

一、为什么要进行油气地下储存

油气储存主要有如下几个目的：

原油储存

1. 战略储备 保障能源危机时国家能源安全，保障短期原油供给。目前全球石油战略储备大约40亿桶，美国具有最大份额，大约7.3亿桶，其它绝大部分为国际能源署成员国持有。
2. 商业储存 对产油国，用以保障生产配额和利于商业谈判；对石油输入国，也可代存产油国原油，以利于将来获取利用对应的储量。
3. 应急储存 以应对临时技术事故或局部地缘冲突。
4. 原油或石化产品周转调节 主要建设在进出口岸或大型石化厂附近区域。

国际能源署建议的一个国家石油战略储备量等价于90天的进口量。据外界推测，中国的原油储备总量大约8亿桶，花旗银行估计多达15亿桶，不过其中战略储备的比例属于国家机密。

天然气储存

1. 调峰 天然气用量有明显的随时间变化特点，日用量会随商业活动、电厂发电峰谷而变化，季节用量随着温度有显著变化，如采暖、空调等。
2. 安全储备 主要在天然气进口国，其目的是保障天然气进口危机时的供给。例如，法国天然气地下储存量能保障在没有进口的情况下，三个月的全国供气。
3. 商业储存 对进口国或商家，能够利用自己的储存能力和生产国或生产商协商达成一个比较稳定的，价格合理的购销合同。也有一些小型的储存商从事短期供求不平衡时赚取价格差。

天然气购销量与季节关系

油气储存分地面（包括浅表埋藏设施）和地下储存两大类，本文着重于地下储存。地面储存设施为储油罐和储气罐。

原油或其液态产品储罐在常压下工作，地面形状一般为圆桶形，有些储罐是埋在地下的，如加油站的成品油储罐。

浙江舟山岙山岛国家石油储备基地

(网络图片)

天然气储罐需要通过压缩天然气来增加储量，一般设计压力约为1.2兆帕 (略低于12个大气压)，故形状为球形。

地面储气罐（引自Engie）

相对地面储存，地下储存具有储量大、单位开发和运营成本低、安全性高的明显优势。对极其易燃石化产品，如乙炔等，地下储存具有更高的安全性。地下储存压力范围大，例如一个1500米深的盐穴，压力22兆帕（接近220个大气压）时，得益于天然气的可压缩性，单位体积储存能力是储气罐的20倍。

地面油库火灾 (网络图片 WeapoNews)

二、地下储存类型

根据地质条件，油气地下储层有三种类型：

1. 盐穴 (或称盐洞)：同时适合于天然气和原油或其液态产品
2. 含水层或枯竭油气田：仅适合于天然气
3. 浅层岩洞(或矿坑)：仅适合原油或其液态产品

(根据GeoStock公司资料编辑)

据统计，2018年全球天然气地下储存量大约为6710亿立方米，有效库容为4170亿立方米，其中四分之三储存在枯竭气田中。

三、盐穴 (盐洞) 地下储存

盐岩是一种纯化学成因的岩石，由海水或湖泊蒸发沉淀而成。主要由钾、钠、钙、镁的卤化物及硫酸盐矿物组成。食用盐主要成分为氯化钠。

由于矿物微组份的差别，比如铁、杂质含量，盐岩具有不同的颜色。

盐岩具有非常低的渗透性，是理想的地下圈闭岩石；具有足够的稳定性，同时又具有一定的蠕变性（流变性），力学性质类似于柔熟的韧性十足的面团，不易破裂且能自我粘合修复。盐岩被广泛作为能源地下储存介质，具有高压运营、高回采速度和高安全性，利于战略储备。盐岩也是最佳的核废料储存介质之一。

伊朗Jashak盐丘

(照片引自Sara Yektaparast)

以色列 Sodom山一处盐穴

(引自 Mark A. Wilson via Wikimedia)

说起盐岩，自然联想到有2000年历史的自贡盐业，以及盐岩开发中附带发现天然气藏。自贡古老的盐岩开采，构成世界最早的溶解采矿法 (Solution Mining)。

自贡盐井“天车” (据自贡盐业）

盐岩地下储存是在一定的深度（通常小于3000米）建造大型盐穴或盐穴群。建造盐穴原理和自贡盐井一样，采用注淡水溶解盐岩，抽取卤水，日复一日，经过大约1-2年时间，溶解成设计规模的洞穴。

根据盐岩厚度，力学性质，尤其是蠕变性质，可设计成不同形态和尺寸的盐穴。形状有胖的、瘦的、水滴状等等。大的盐穴直径可达80米，高度300米，体积超过一百万立方米，可装下埃菲尔铁塔。能想象到吗？

盐洞溶造示意图

(据 KBB UT 图片编辑)

盐穴建造好后，下一步即可注入原油或天然气，排出卤水，达到储存目的。回采原油需要利用卤水置换；回采天然气则利用气体自身膨胀来实现，不需要储备卤水。

盐穴群建设好后，连接地面管道和其它设施，即形成地下储油（气）库。

(根据NWO图片中文贴字)

四、浅层岩石洞库储存

浅层岩石洞库储存一般埋深在200米以内，在坚硬的高稳定性和低渗透性的岩石中，例如花岗岩，人工开挖岩洞、竖井、联通巷道、水封幕帘等进行原油或其液态产品储存。

地下岩石洞库透视示意图

(据GeoStock视频中文贴字)

尽管花岗岩基质的渗透性很低，由于岩体中存在一些裂隙或微裂隙，岩体具有一定的渗透性。为了防备原油流失和产生地下污染，需要挖掘巷道和打水井，利用压力稍高的水幕对洞库进行封闭。

感觉有点像****所的P4负压实验室，只不过一个是高大上，一个是粗土脏。

岩石洞库与水幕示意图

岩石洞库储存是地下储存类型中，单位体积建设和运营成本最高的，同时也是储存量最小的。

山东黄岛地下水封油库示意图

总库容300万立方米，约1880万桶

新加坡裕廊岛(Jurong)地下储油洞库是一个很好的例子，该项目第一期共五个洞库，埋深150m。单条洞库宽20m，高27m，长340m，总库容147万立方米(约924万桶)。

第一期总投资9.5亿美元，约67亿元人民币，即单位体积造价为102美元/桶。不过，该地下储存相对地面方案节约占地60公顷，对新加坡是一笔巨大财富。

建设中的裕廊岛地下储油洞库 (引自CNN)

裕廊岛地下储油洞库施工

(引自Vinci官网)

五、枯竭油气田和含水层储存

即使是轻质原油，在常温下的粘滞系数也是天然气的几百几千倍，将原油重新注入枯竭油气田，一是注入压力高，速度低，二是回采时损失很大（例如，按照常规油田40%的采收率算，意味着60%的损失)，所以枯竭油气田或含水层只适合于天然气储存。

枯竭油气田的优势在于油气田的地质构造、油气藏特征已经在开采过程中被证实，并且部分现有设施可再利用。

在油气资源缺乏的国家，例如法国，没有或少有枯竭油气田可用，就得大开脑洞，下大力气，找到合适的地下构造和渗透性好的含水层，注气驱水，人造气田，储存天然气。

人造气田：含水层储气示意图

法国人造气田之一

Chemery含水层储气库

库容70亿立方米 (引自Engie官网)

六、油气地下储存的经济性

油气地下储存需要大量的投资，建设成本昂贵，根据部分资料分析，单位体积建设成本大致如下：

• 盐岩洞穴：10-20 美元/桶
• 浅层岩石洞库：30-100 美元/桶
• 枯竭油气田：0.27 美元/标准立方米天然气
• 含水层（人工气田）：0.55 美元/标准立方米天然气

地下储存需要一定量的垫底气 (油)，这部分油气不能循环，是附加的开发成本。在经济性评价中，还要计入运营费用。

地下储存体量都很大，储油按百万或千万桶量级计算，储气按亿或十亿立方米量级计算，我们吃瓜个体就别做这个梦，多想点疫期怎么能适量增加营养，少喝点白米粥，提高免疫力为好（赞张大夫）。

记得当年陪同（兼翻译）一个国内石油界代表团参观法国一座中型含水层储气库 (库容约35亿标准立方米) ，当时投资近10亿美元，储气库管理运营人员大约50人，可见创造一个就业机会有多难。

油气储存的经济性取决于储存物品的周转流通性。对于战略和应急储存，由于周转率极低，属于国家或大公司整体保障考虑，也就不计算项目本身的经济性。相反，基于天然气调峰，原油或石化产品流转目的的地下储存，则具有必要性和很好的经济性。