鹽穴儲氣庫墊底氣利用方案研究

馬洪嶺，施錫林，章雨豪

(1.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071；2.中國科學院大學，北京 100049)

由于鹽巖的低滲透性(<10-20m2)、良好的蠕變行為及損傷自我恢復特性，鹽穴是國際上公認的能源儲存的最理想介質[1-2]。歐美國家利用鹽巖地下空間儲存石油、天然氣已經有幾十年的歷史。美國90%的戰略石油儲備儲存在墨西哥灣巨大的鹽丘之中[3]；德國已建設了超過106m3的儲氣庫[4]，50%的石油以及40%的天然氣儲存在鹽穴之中[5]。

本世紀初，我國的金壇鹽穴儲氣庫[6-7]、云應鹽穴儲氣庫[8]、潛江鹽穴儲氣庫[9]以及平頂山鹽穴儲氣庫[10-11]等相繼立項建設。其中金壇儲氣庫于2005年開始注氣[12]，并在2008年南方大雪中發揮了重要作用[13-14]。現階段，我國鹽穴儲氣庫的建設帷幕已逐漸拉開，鹽穴儲氣庫以其建設成本低、注采效率高等特點，未來將在我國天然氣儲備中占據重要的角色。

為了保證鹽穴的安全穩定，鹽穴儲氣庫都留有一定量的墊底氣，維持最小運行壓力，保證鹽穴圍巖的穩定性，墊底氣氣量約占工作氣量的一半左右。盡管在鹽穴儲氣庫服役期結束，墊底氣最終是可以采出的，但在運營期間，這個墊底氣卻不能夠被利用。尤其是氣荒時期，大批的工業用氣被暫停，民用氣被限量，與此同時卻有大量的墊底氣在地下鹽穴儲氣庫中無法利用，這是一個巨大的遺憾和矛盾。如果能在保證鹽穴安全的前提下，將墊底氣置換出來變成工作氣量，可在不建設新腔的前提下，工作氣量直接增加50%，使這些墊底氣能夠在氣荒期間發揮重要的作用。

本研究梳理了課題組對鹽穴墊底氣的利用研究。首先，提出緊急工況下的最小壓力概念，利用短期降低運行壓力來增大工作氣量，減少墊底氣；然后，利用飽和鹵水置換采出全部的墊底氣，并用飽和鹵水壓力來維持鹽穴的穩定性；隨后，進一步提出利用高壓空氣置換墊底氣，通過高壓空氣推動飽和鹵水，飽和鹵水推動高壓天然氣，以飽和鹵水作為隔離介質，用高壓空氣來維持鹽穴的穩定性；最后提出一種內膽式無墊底氣鹽穴儲氣庫方案。

1 緊急工況下的最小運行壓力

鹽穴儲氣庫的運行參數有最大運行壓力和最小運行壓力之分。最大運行壓力保證腔體內天然氣壓力不會撐破地層導致天然氣泄漏，最小運行壓力保證腔體不泄露以及腔體圍巖不失穩。

一般來講，鹽穴儲氣庫最小運行壓力的設計準則為擴容準則，擴容準則是非常嚴格的，確保鹽穴儲氣庫不會向圍巖滲透。為了在緊急工況下(比如氣荒時期、戰爭期間等)提供更多的天然氣，馬洪嶺等[9,15]基于鹽巖單三軸壓縮試驗，建立了能表征屈服、擴容、破壞的復合強度模型，將儲庫圍巖劃分為彈性區、塑性區、滲透區和破壞區。在此基礎上，基于圍巖分區的穩定性判斷準則，并根據該判斷準則提出了“緊急工況下的最小運行壓力”概念。

1.1 屈服-擴容-破壞(YDF)復合強度模型

1.1.1 屈服函數及其硬化規律

通過大量鹽巖單三軸試驗，選擇應力-應變曲線中由直線變彎曲的點為初始屈服點，可以得到鹽巖的屈服函數[9]：

σ1-σ3=a。

(1)

式中：σ1為第一主應力；σ3為第三主應力；a表示當圍壓為零(單軸壓縮試驗)的屈服值。

鹽巖屈服函數的形式與Tresca準則的形式相同。鹽巖主要成分是NaCl，是晶體材料，力學性能更接近于金屬材料，所以其初始屈服特性與金屬材料相似。

為了研究鹽巖屈服的硬化規律，選擇塑性應變第二不變量為硬化參數。從不同硬化參數時的屈服面得出結論，屈服面幾乎是等效硬化[9]。

1.1.2 擴容準則

Hunsche[16]對立方體鹽巖試樣進行真三軸試驗，得到鹽巖擴容準則；Spiers等[17]對圓柱體鹽巖試樣進行三軸壓縮試驗，得到擴容邊界方程；Ratigan等[18]對Avery Island鹽丘和WIPP層狀鹽巖進行三軸試驗得到擴容方程；Ma等[15]對潛江儲氣庫鹽巖86 ℃時的擴容曲線開展研究，得到其擴容方程。Van Sambeek等[19]通過對鹽巖不同形式擴容準則總結，認為鹽巖的擴容方程可表示為：

(2)

1.1.3 破壞準則

基于三軸壓縮試驗，在摩爾-庫倫準則的基礎上引入了不壞準則——當最小主應力大于5 MPa時，鹽巖表現出大變形不壞的特點(圖1)。應力區可以進一步分為3個區域(圖2)，區域1為拉破壞區，區域2為剪破壞區，區域3為不破壞區。

圖1 鹽巖破壞準則示意圖

圖2 破壞準則劃分的不同破壞區域

AB:ft=(σt)max-σ3，

(3)

CD:fd=σd-σ3。

圖1為σ1-σ3空間中破壞準則的示意圖，式(3)為破壞準則公式，AB、BC、CD分別對應圖1中的線段。其中：σc為單軸抗壓強度；σt為抗拉強度；σ1、σ3分別為最大、最小主應力；σd為破壞臨界圍壓值；(σt)max為最大抗拉強度；c為黏聚力；φ為內摩擦角。

1.2 圍巖分區及判斷準則

根據鹽巖的復合強度準則，可以將鹽巖地下溶腔圍巖體分為4個區，如圖3所示，最外層為彈性區，依次向內分別為塑性區、擴容區以及破壞區。

圖3 鹽巖地下儲庫圍巖體分區示意圖

法國Lux[4]給出了鹽巖地下儲氣庫的穩定性評價準則：①片幫破壞準則；②折曲破壞準則；③安全礦柱準則；④損傷擴容準則。

根據上述評價準則可以確定鹽巖地下溶腔穩定性判定準則為：①不可以出現破壞區；②可以出現擴容區，但是擴容區的范圍有限制；如兩個腔體的擴容區不能重合，擴容區不允許到達套管鞋的位置；③可以出現塑性區。

潛江儲氣庫埋深2 000余米，是中國最深的鹽穴儲氣庫，最大、最小運行壓力分別為32和17 MPa。根據上述復合強度理論，設計了緊急工況下的最小運行壓力為13 MPa，使得有4 MPa的墊底氣就可以得到有效利用[20]。

2 飽和鹵水置換墊底氣

緊急工況下的最小運行壓力的提出和設計，能夠在運行期間采出部分墊底氣，但是依然無法采出全部墊底氣。為了在氣荒期間提供更多的天然氣，該技術方案擬通過注入飽和鹵水置換全部的墊底氣。

該技術的思路是：將飽和鹵水注入鹽穴儲氣庫中，占據腔內空間，置換出墊底氣(圖4)，同時利用飽和鹵水的壓力來維持鹽穴儲氣庫的穩定性。如果是在海邊或鹽湖地區，還可以用海水或鹽湖水置換。這個過程是注氣排鹵的反過程。

圖4 飽和鹵水置換墊底氣示意圖

飽和鹵水的壓力一般大于鹽穴儲氣庫的最小運行壓力，飽和鹵水的靜水壓力公式為：

ρgh=1.2×103×9.8×h=11.76 kPa/m。

(4)

參考加拿大鹽穴安全規范《Storage of hydrocarbons in underground formationsc(Z341 Series-06)》[21]，最小運行壓力的設計為3.4 kPa/m，小于11.76 kPa/m；實際運行的鹽穴儲氣庫最小壓力一般都小于飽和鹵水的靜水壓力，例如美國Moss Bluff儲氣庫的1號鹽穴頂板埋深792 m，最大和最小運行壓力分別為14.96、3.38 MPa，注入飽和鹵水后的靜水壓力9.31 MPa大于最小運行壓力，能夠保證儲氣庫的安全；再比如金壇鹽穴儲氣庫頂板埋深1 010 m，最大和最小運行壓力分別為17和7 MPa，注入飽和鹵水后的靜水壓力為11.88 MPa大于最小運行壓力，也能夠保證儲庫安全。

因此，通過飽和鹵水置換墊底氣，可以保證鹽穴的穩定。

3 高壓空氣置換墊底氣

利用飽和鹵水置換墊底氣需要大量飽和鹵水，這批飽和鹵水在置換期外需要空間來儲存，無論是地下空間還是地面空間，對空間資源都是極大浪費。為此，提出利用空氣來置換墊底氣，空氣是無處不在隨時可用的，不會污染地下資源，也不會造成空氣污染。

3.1 技術方案原理

利用高壓空氣置換墊底氣的難點在于空氣與天然氣會混合，必須要將空氣與天然氣隔離。因此，提出通過高壓空氣推動飽和鹵水、飽和鹵水推動高壓天然氣，以飽和鹵水作為隔離介質隔離空氣和天然氣最終實現用高壓空氣將墊底氣置換[22]。在置換過程中，壓力始終保持恒定，可以在某一個有利于儲氣庫安全的壓力下進行置換，如在最大運行壓力狀態下置換可避免最小運行壓力的設計，既能保證儲氣庫的穩定安全，又可以將墊底氣變成工作氣(圖5)。當然，如果為了置換效率也可在最大、最小運行壓力范圍內靈活運行。

圖5 空氣置換鹽穴儲氣庫墊底氣的置換過程

該技術方案需要將一部分溶腔(最少一口腔體)用來存放飽和鹵水作為置換庫。鹽礦采空區有大量的廢棄溶腔，可以利用廢棄的溶腔作為置換庫。

3.2 置換效率與速度

置換庫的數目最小是1個，最多是腔群數目的一半，即與儲氣庫1∶1的比例，一個儲氣庫對應一個置換庫。當置換庫數目是1時，優點是儲氣庫群的總容量比較高，只有一個置換庫，其余n-1個都是儲氣庫；缺點是墊底氣置換速率比較慢，只能逐個置換。當置換庫數目是n/2時，墊底氣置換比較快，置換庫可以同時置換儲氣庫，置換庫越多，置換速率越快；缺點是需要大量的置換庫。

可以根據具體實際情況來設置置換庫的比例，達到置換速度和儲氣量的最優化。

4 內膽式鹽穴儲氣庫

利用高壓空氣置換墊底氣過程中，需要用飽和鹵水來隔離空氣和天然氣，在相同的管徑和壓力差條件下，液體的流速明顯小于氣體的流速，因此，置換速度受制于飽和鹵水的流速。

4.1 技術方案原理

為提高空氣置換天然氣的置換效率，提出基于氣囊的空氣置換墊底氣技術。采用一個氣囊，通過井筒置于鹽穴之中，并與中心管相連，氣囊形態與鹽穴相似，但比鹽穴小。氣囊用來儲存高壓天然氣，采用高壓空氣與氣囊內的高壓天然氣保持壓力平衡，氣囊本身不需承擔壓力；氣囊在未充氣時可以折疊成管道的細長狀，通過井筒的套管送進鹽穴之中(圖6)。

圖6 內膽式鹽穴儲氣庫方案圖

在該技術方案中，氣囊材質的選擇是關鍵，要求氣囊具有密封性，有彈性、有韌性、不易破裂、耐腐蝕、抗溫、易折疊等特點。可以選擇超韌性聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)材料，例如：Intex充氣艇使用的“super-tough”高分子材料(高密度強韌聚合塑膠、高強度熱碳強韌聚合PVC塑膠)，該類材料作為高分子強韌膠布，抗汽油、石油和鹽水侵蝕，耐磨、耐壓、耐曬，具一定承載力；還可以選擇熱塑性聚氨酯彈性體橡膠(thermoplastic polyurethanes，TPU)充氣面料，例如熱氣球使用的球囊材料：尼龍70D、尼龍210D、尼龍420D、尼龍840D，該材料高強度、耐磨、彈性好，耐曲折和氣密性好等。為了氣囊的安全，還可以采用雙層氣囊，雙層氣囊中間填充一些標示性氣體，比如氦氣，用以監測氣囊的損壞或者泄露等。

在運行期間，可以通過注入空氣來保持腔體內部的壓力水平，使得腔體處于一個比較穩定的狀態，可以是恒壓儲氣庫，避免了最小運行壓力的設計。當然，為了掌控采氣效率，也可以在最大最小壓力之間浮動。

4.2 方案優點

1)沒有墊底氣。這是一種沒有墊底氣的儲氣庫，內部天然氣可以全部采出。

2)儲氣量大。內膽式儲氣庫墊底氣可以全部采出，儲氣量大于傳統式鹽穴儲氣庫，即便由于夾層的懸伸，內膽的體積小于鹽穴，總體的儲氣量也會大于傳統式鹽穴的儲氣量。如1 000 m地層的20萬m3鹽穴，對于傳統鹽穴最大和最小壓力分別為17和7 MPa，有10 MPa的壓差，也就是有2 000萬m3的儲氣量；如果是內膽式儲氣庫，假設因為夾層的懸伸等不規則形態，只有三分之二的鹽穴體積可以做內膽，則大概有13萬m3的內膽體積，內膽的天然氣可全部采出，即有17 MPa的壓力可作為工作氣，則有2 210萬m3的儲氣庫，大于傳統式的鹽穴儲氣庫。

3)高效。置換速度可達到管口面積的最大氣體臨界速度，遠高于液體的流速。

4)節約成本。與注鹵排氣這種處理墊底氣的方法相比，不需要將其中一口或幾口腔體充滿鹵水作為隔離介質，節約了成本；

5)可提高儲氣庫運行壓力，保護儲氣庫安全。即使在不需要墊底氣的情況下，也可以向氣囊外部充空氣，提高儲氣庫的內壓，保證儲氣庫的運行壓力處于最穩定的狀態。可以做成恒壓儲氣庫，儲氣量大，風險低，避免了循環注采氣時周期性壓力變化帶來的巨大風險。

6)不用擔心鹽穴地質結構的氣體泄漏。國外由于地質體的不密封，泄漏事故時有發生，金壇儲氣庫也發生了一例微滲層不密封的案例。如果使用內膽式鹽穴儲庫，則不用擔心泄漏問題，因為直接和鹽穴地質體接觸的是高壓空氣，即便是有輕微泄漏，也是高壓空氣泄漏出去，可以通過不斷補充高壓空氣來維持腔體內壓，保證腔體的安全。

7)不需要除濕除鹽。氣囊之中的天然氣與腔底的鹵水不接觸，保持干燥，采氣時無需再脫水，節約成本。該技術方案不僅實現了空氣置換墊底氣，還間接形成了一種內膽式鹽穴儲氣庫，屬于無墊底氣的鹽穴儲氣庫類型，突破了鹽穴儲氣庫必須有墊底氣的缺點，同時還能避免反復注采氣給鹽穴圍巖帶來的循環加卸載，避免了鹽穴儲庫圍巖的不穩定甚至破壞，極大延長了鹽穴的使用壽命。

該方案的關鍵在于氣囊的材料，氣囊能夠成功應用是本方案成功的關鍵。另外，每一個儲氣庫的內膽均需要單獨定制，因為每個鹽穴的形態都是獨特的，這也是該方案的一個缺點。

5 結論

為了解決鹽穴儲氣庫中大量的墊底天然氣無法采出使用的問題，提出四種采出鹽穴儲氣庫墊底氣的技術方案：

1)為了在氣荒期間采出更多鹽穴儲氣庫的墊底氣，提出緊急工況下的最小運行壓力，并給出設計準則，使得氣荒期間可開采更多的墊底氣。

2)為了置換全部的墊底氣，提出了飽和鹵水置換鹽穴儲氣庫墊底氣的方法，能夠置換出全部的鹽穴墊底氣。

3)利用高壓空氣置換方法能夠置換出全部的鹽穴墊底氣，且置換效率更高。

4)設計了一種內膽式的鹽穴儲氣庫，作為一種無墊底氣式儲氣庫，該種儲氣庫不僅能夠無墊底氣開采，而且能夠保證鹽穴儲氣庫的穩定性。