鹽穴儲氣庫地面工程技術要點研究

劉巖 程林

1大慶油田工程有限公司

2中國石油西氣東輸管道公司

建設儲氣庫是最經濟有效的天然氣儲存和調峰手段，在平衡天然氣生產和市場需求、提高管網輸送效率、保障安全平衡供氣等方面發揮了重要作用。鹽穴儲氣庫宜用于季節調峰、應急調峰、戰略儲備，具有靈活存儲和短期吞吐量大的特點。鹽穴儲氣庫可根據市場調峰需求的逐步增加來分期設計、建設，操作的機動性強、利用率高，一年中可多次注采氣循環；在應急情況下，鹽穴儲氣庫采氣速率快，應急能力強[1]。

1 鹽穴儲氣庫建庫基本原理

鹽穴儲氣庫是指利用地下已有的鹽層或鹽丘，采用人工的方式在鹽層或鹽丘中水溶形成腔體，用于天然氣回注、儲存和采出的系統體系。鹽穴儲氣庫一般采取水溶建庫方式：先將采鹵管柱下放至鹽層，將淡水或不飽和鹵水用泵通過采鹵管柱注入到鹽層中，水洗溶鹽后返回地面，再連續循環注入淡水或不飽和鹵水，返出鹵水。水洗溶鹽造成鹽層中的空間逐漸擴大，最終形成設計要求的地下鹽穴。腔體形成后，再下入注采氣油管柱，進行注氣排鹵作業。注氣排鹵結束后，從井內起出排鹵油管柱，再安裝注采天然氣井口，進而完成鹽穴儲氣庫地下工程建設，轉入注采氣運行階段。

金壇鹽礦鹽巖層位于地下約1 100 m深，鹽腔溫度53℃，腔體運行壓力6～17 MPa。圖1為金壇鹽礦地質剖面和擬建鹽腔示意圖。圖2為造腔后鹽穴腔體結構圖。

圖1 金壇鹽礦地質剖面圖Fig.1 Geological profile of JinTan salt mine

鹽穴儲氣庫建庫特性和運行特性區別于其他類型的儲氣庫：地面配套工程須額外增加造腔地面配套系統和注氣排鹵系統；注采氣工藝中壓縮機的選型也須兼顧注氣排鹵工況[2]；鹽穴采出氣含有鹵水，且各腔體獨立，壓力會有所不同，采氣脫水工藝須能夠適應腔體溫度、壓力變化。

圖2 金壇鹽穴腔體結構圖Fig.2 Cavity structure chart of Jintan Salt Cave

2 注采工藝

采用工況分析的方式對鹽穴儲氣庫的運行進行全面模擬，根據工況分析的結果來確定合理的鹽穴儲氣庫建設分期實施方案，進一步優化注采氣的規模、配置以及集輸系統的能力。

儲氣庫注采周期應根據市場調峰需求情況確定。注采氣裝置設計規模須根據鹽穴儲氣庫的功能定位、注采周期和注采能力，并結合長輸管道供氣能力和調峰需求等合理確定。注采氣裝置應根據造腔實際進度，分期進行建設。

注氣裝置的設計須滿足鹽穴儲氣庫運行周期內的各種工況條件要求，并應同時適應注氣排鹵周期內的工況條件要求。以季節調峰為主時，采氣裝置的規模宜按高月高日峰值計算，采氣裝置不宜設置備用；兼顧季節調峰以及應急供氣時，采氣裝置總規模應按應急供氣量確定，多套采氣裝置宜并聯設置。

天然氣水化物是水與烴類作用生成的結晶體，外表冰和致密的雪類似，是一種籠形晶狀包絡物。一般而言，C1～C4的烴類物質可形成水化物，C5以上的烴類不能形成水化物。水化物的性質不穩定，一旦穩定存在的條件破壞，就會迅速分解為烴和水。天然氣水化物是采輸氣中經常遇到的難題之一。水化物生成于井筒中時會造成堵塞，并減少氣體流動斷面、降低采氣量、損壞井筒內部件，甚至造成氣井停產等危害。因此水化物生成于井口或地面管線中時會導致下游壓力降低，妨礙正常輸氣，甚至完全堵塞管道并造成停氣。

鹽穴儲氣庫在造腔時，一方面由于采用了溫度低的水進行洗鹽濾提，使鹽穴儲庫具有冷型貯槽的特性。隨著天然氣的開采，雖然儲庫周圍鹽層能供給部分熱量，但遠不能補償降壓帶來的“焦耳-湯姆遜效應”，使天然氣迅速冷卻，再加上在經過生產作業線上的壓力和摩擦等損耗，最終導致井口天然氣溫度低于儲庫溫度。如果天然氣中存在游離水，且溫度降低到某特定值時，大部分采氣將發生在水化物的生成區。另一方面，如果井口在一定溫度下進行高壓注氣，也容易發生水化物沿井筒的凍堵問題。因此，在儲庫的設計和運行過程中，一方面須連續預測采出過程水化物的生成范圍，另一方面還須適時判定井口天然氣是否生成水化物，從而為指導現場實際生產提供可靠依據。

3 脫水工藝分析

鹽穴儲氣庫的采出氣處理以控制水露點為目的，處理后的天然氣應滿足輸氣管線的輸送氣質要求。采氣裝置處理工藝的設計應滿足啟停方便、調節靈活和操作彈性大等要求[3-4]。采氣原理流程如圖3所示。

調峰采氣裝置推薦采用三甘醇脫水技術，僅在須滿足應急供氣的采氣裝置中，推薦采用J-T閥制冷+注甲醇工藝來滿足外輸要求。

采出氣的組成與輸氣管道來的天然氣基本相同，但含有一定量的鹵水。在采氣初期，鹽腔內為高溫高壓氣體，采出氣在集配氣閥組進行節流，溫度、壓力降低，析出的液體經分離器分離后，氣相進入集注站，經過濾分離后進入脫水裝置。連續采氣時，隨著采出氣壓力降低，采出氣溫度也逐步降低，此時，主要控制在集輸過程中無水合物形成。當采出氣降低到一定壓力，則須停止采氣一段時間，此時鹽腔內處于低壓高溫狀態。因為鹽腔內溫度較高，需考慮采出氣溫度是否能滿足三甘醇脫水裝置進塔溫度要求，若溫度高于40℃，須在脫水裝置前增加空冷或水冷設備[5]。

金壇儲氣庫高壓采氣和低壓高溫采氣工況見表1。

表1 金壇儲氣庫高壓采氣和低壓高溫采氣工況Tab.1 Working conditions of Jitan Gas Storage with high pressure gas production and low pressure and high temperature gas production

4 造腔及注氣排鹵工藝

造腔及注氣排鹵地面工藝（圖4）設計主要包括：①鹽穴造腔地面工藝技術選擇；②鹽穴造腔注水泵機組調速技術方案的比選；③注氣排鹵工藝技術方案選擇。

圖3 采氣原理流程Fig.3 Process flow of gas production principle

4.1 注水泵類型選擇及組合

造腔淡水注入及采鹵應用的注水泵主要分為離心式和柱塞式兩類。離心式泵的主要特點是排量大、流量平穩、壓力波動小，利于注采鹵管柱的長期運行，缺點是產生的壓力相對較低；柱塞泵雖然能產生較高的壓力，但是其流量不均衡，壓力波動范圍較大，工作壓力不平穩，易導致注采鹵管柱的振動和疲勞破壞，不利于管柱的長期運行[8-9]。因此，選擇了多級離心泵作為造腔注水泵，電動機驅動。鹽穴造腔注水泵機組以無級變速形式滿足造腔井周期性不斷變化的注水壓力以及注水量的要求，節能降耗達到10%～20%。

國內第一次將液力調速技術應用在造腔注水泵機組上，通過調整泵的排量和揚程來優化的高、低壓閥組間工藝技術，滿足各種工況條件下的快速造腔和鹽廠的鹵水回收要求。

4.2 造腔工藝流程

國內首次優化組合出鹽穴造腔注水和采鹵系統的“A+B”等工藝技術。為加快造腔進度，對造腔井進行分組，每階段同時兩井組進行造腔，一組注入淡水，另一組注入未飽和鹵水。如第一批井為A、B兩組，A組井注入淡水，B組井注入A組井采出的未飽和鹵水。主要工藝流程包括以下步驟：

（1）從水源地來的淡水依次經儲罐緩沖、沉降后，經注水泵升壓并輸送至高壓閥組進行分配、控制、調節和計量，再由高壓注水管路輸送至A組注水井口。

（2）從A組井口返出的鹵水經低壓回水管網輸送至造腔注水站內，經過取樣分析后，未飽和鹵水進入到儲罐，飽和鹵水輸往下游接收企業。

（3）未飽和鹵水經注水泵升壓至高壓閥組進行分配、控制、調節和計量后由高壓注水管路輸送到B組注水井口，從B組井口返出的鹵水再經低壓回水管網輸至造腔站，計量后輸往下游鹵水接收企業。

4.3 布站方案

鹽穴為單腔單井，并且井與井間距離較遠，每口井宜單獨設置1座井場。簡化井口設計，造腔期間井場除造腔管線外不設置輔助設施，造腔結束后需在井口安裝溫度檢測、壓力檢測、緊急切斷閥及遠程操作的電動球閥等設施。注采系統和造腔系統均采用兩級布站，注采集配氣閥組與造腔集配氣閥組應合并建設[6]。

天然氣集輸管網呈枝網狀結構，注采管線合一設置，單井進集配氣閥組。集配氣閥組的管線串接進集注站；造腔注水系統管線敷設至集配氣閥組后采用枝網狀結構至各井場；單井鹵水管線進集配氣閥組，再串接進集注站；鹵水外輸管線均單獨鋪設至各下游用戶[7]。

圖4 鹽穴儲氣庫造腔排鹵工藝流程Fig.4 Process flow of cality construction and brine discharge in the salt cave gas storage

5 壓縮機廠房和空冷器區降噪

金壇儲氣庫工程批復的環評報告書中要求的噪聲控制目標為GB 12348—1990《工業企業廠界噪聲標準》的Ⅰ類廠界標準，即廠界處噪聲等效聲壓級不超過45 dB(A)。噪音治理難度極大，通過與清華大學聲學研究所等公司合作研究，噪音治理達到了環保要求。

采取吸聲、隔聲、隔振和通風消聲等噪聲控制措施進行整體降噪的設計方案。壓縮機廠房的屋面和墻體均安裝高隔聲量輕質泄爆降噪體；在縱墻上安裝采光隔聲窗；壓縮機廠房內配置隔聲門（聲閘結構）；廠房頂部和四周安裝進、排風風機消聲器；壓縮機四周基礎安裝使用隔振材料。空冷器區的屋面和墻體均安裝輕質吸隔聲降噪體；空冷器設備上部安裝排風導流消聲筒；空冷器進風口安裝消聲片，進風消聲片外圍再設置吸隔聲屏障[10]。

（1）廠房墻體和屋面安裝超高隔聲量輕質泄爆吸隔聲降噪體。壓縮機廠房為甲類生產廠房，耐火等級為二級，其設計結構需要滿足相應的防火和防爆要求。降噪體由吸、隔聲不燃板材現場復合拼裝組成，以確保優良的降噪性能。

（2）安裝隔聲門和隔聲采光窗。壓縮機廠房的大門和逃生門全部采用隔聲門（聲閘結構）。根據等透射量原則，單層隔聲門設計隔聲量≥35 dB，鋼制、防火防爆型，隔聲門上安裝防爆、逃生推杠鎖。壓縮機廠房采用在側墻安裝隔聲采光窗的方式采光，每個窗戶共兩道，每道采用雙層玻璃。

（3）安裝進、排風風機及配套消聲器。壓縮機廠房四周墻體安裝進風消聲器，進風消聲器的設計消聲量≥40 dB(A)。

（4）壓縮機基礎進行隔振處理。壓縮機組在運行時會產生較強的振動，其通過基礎使廠房結構產生振動傳聲。為減小設備基礎剛性接觸導致的結構傳聲，在基礎外圍地面以下安裝高強隔振板，此措施可以有效地減少振動的傳播，從而降低廠房結構的振動傳聲。

（5）排煙消聲圍護。壓縮機組末端配套安裝有燃驅尾氣排放裝置，若壓縮機排煙管道安裝的消聲器消聲量達不到設計要求，需在煙囪周圍安裝吸隔聲圍護，使其滿足廠區噪聲排放要求。

6 結束語

目前我國僅有1座鹽穴儲氣庫——金壇儲氣庫建成投產。隨著天然氣管網建設日益完善，氣源更加多樣化，鹽穴儲氣庫更能適應LNG氣源的快速注采特性，在沿海地區建設鹽穴儲氣庫，可解決鹵水排放處理問題，更具有投資優勢。目前中國石油平頂山和淮安等鹽穴儲氣庫的建設即將啟動，鹽穴儲氣庫建設的高峰即將到來。將我國首座鹽穴儲氣庫的設計、建設和運行經驗進行總結，可對后續工程設計起到指導作用，進一步提高鹽穴儲氣庫的設計水平。