含水層壓縮空氣儲能選址評價方法研究

董家偉，李 毅

(湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068)

大規模的儲能技術是解決風能、太陽能等間歇性清潔能源能否高效利用和持續發展的關鍵因素。含水層壓縮空氣儲能(Compressed Air Energy Storage in Aquifers，CAESA)采用具有良好蓋層頂板的適宜含水層介質作為地下儲氣空間進行儲能，相比于其他形式的儲能技術和儲氣庫類型，其具有成本低和介質分布廣泛的特點，因此越來越受到世界各國的關注。

但目前國際上尚無采用地下含水層作為儲氣庫的實際工程，相關研究尚處于探索和理論分析評價階段。1978年，Stottlemyre對孔隙介質(含水層或廢棄的天然氣儲層)中壓縮空氣儲能進行了初步的穩定性研究和設計標準的研究。1979年，Wiles針對無水孔隙介質壓縮空氣儲存技術的熱力學過程進行了模擬研究。1983年到1985年間，Allen等對美國Pittsfield含水層壓縮空氣儲能進行了場地條件的描述，針對場地條件對該地區適合進行壓縮空氣儲能的區域進行了研究，并提供了一套合理的空氣循環操作數據，得出在含水層中進行壓縮空氣儲能不僅經濟成本低而且應用范圍更廣的結論。2006年，美國能源部計劃在Iowa建立一個270 MW規模的壓縮空氣地質儲能電站，并對場地進行了詳細地質勘探和模擬評價分析。2008年，Succar等對近年來壓縮空氣儲能的原理和應用發展進行了研究和總結，強調了含水層壓縮空氣儲能的關鍵參數問題和經濟可行性。2010年，Kushnir等建立了含水層壓縮空氣儲能的數學模型，通過解析解研究了井筒濾網長度和水涌的關系。2013年，美國太平洋西北實驗室的研究人員詳細評價了在太平洋西北地區進行含水層壓縮空氣儲能的可能性和潛力區域。2013年，Oldenburg等開發了井筒與儲層耦合的模擬器T2WELL，驗證了在含水層中進行大規模壓縮空氣儲能能夠獲得很好的儲能效率。2015年，Jarvis針對美國南卡羅來納的孔隙介質中壓縮空氣儲能技術的適宜性進行了研究,提出了平直含水層作為儲氣空間是可行的。參照CO地質儲存和天然氣含水層儲存的經驗，含水層壓縮空氣儲能選址評價分析是從理論研究到實際工程實施的重要環節，適宜的場地能夠保證該技術的整體效率和安全性，故含水層作為壓縮空氣儲氣空間的選址評價能夠揭示其應用潛力，并決定了該技術的未來發展前景。

近年來，隨著我國對清潔能源利用的重視，大規模的含水層壓縮空氣儲能的研究和示范工程穩步推進，針對含水層壓縮空氣儲能，許多學者進行了較為詳細的理論研究，驗證了含水層作為儲氣空間的可行性，并對影響整體效率的含水層性質因素進行了模擬分析研究，完善了該技術的理論體系。在已有研究的基礎上，本文將從儲層性質、地質安全和經濟效益三個因素出發，建立含水層壓縮空氣儲能定性和定量的選址評價體系，并初步分析了我國實施該技術的潛力，為加速該儲能技術的發展，提高清潔能源的應用范圍和效率，以緩解能源利用與生態環境保護之間的矛盾提供參考。

1 儲氣庫勘探選區評價指標選取和評價體系構建

含水層壓縮空氣儲能實質上就是通過向具有良好蓋層的含水層中循環注抽一定量的空氣，利用孔隙介質達到儲存高壓空氣的目的。為了保證含水層壓縮空氣儲能系統的運行，需要在工程前期注入緩沖氣體，排開一定空間的地層水形成類似的儲氣空間。在該儲能系統施工和運行過程中，相對重要的選址因素主要包括以下三大類共12個評價指標：①目標儲層孔隙介質性質即儲層性質因素，包括儲層埋深、儲層原生礦物類型、儲層孔隙度、儲層滲透率和儲層結構；②蓋層和場地的地質安全即地質安全因素，包括蓋層穩定性、蓋層封閉性和場地穩定性；③經濟效益因素，包括地理位置、投資成本、儲能規模和井筒腐蝕。

1.1 儲層性質因素

目標儲層的特性是決定含水層壓縮空氣儲能系統高效運行的本質因素。根據已有含水層壓縮空氣儲能選址評價中對含水層主要性質指標的選擇，并考慮所選指標對整個儲能系統的影響，選取儲層埋深、儲層原生礦物類型、儲層孔隙度、儲層滲透率和儲層結構5個指標作為儲層性質因素的評價指標。

1.1.1 儲層埋深

儲層的埋深主要決定了含水層壓縮空氣儲能系統在緩沖氣體注入和循環過程中壓力的變化范圍。不同的壓力變化范圍對儲蓋層、地表壓縮機和膨脹機的整體設計都有很大的影響。當不考慮深度對壓縮機和膨脹機設計的影響時，目標儲層的埋深越大，整個儲能系統的儲能效率越高，越可能從周邊地層中獲得地熱能的補給(見圖1)。但隨著深度的增加，注入緩沖氣體和循環注抽空氣產生的壓力積聚更大，可能會引起儲蓋層的力學破壞。而且，由于更大的空氣注入和抽采壓力需要更多級的壓縮機和膨脹機以及需要增加額外的儲熱單元，會對設備提出更高的要求，并在設備的設計上需要投入更大的成本。故在選址時，儲層埋深既不能太小(循環壓力過小引起能量效率低且需要更大的儲氣空間)，也不能太大(壓力受到系統安全性、經濟性和設備發展的限制)。

圖1 不同儲層深度下儲能效率的比較[16]Fig.1 Comparison of energy storage efficiency in different depth[16]

表1給出了已有和計劃的鹽洞和含水層壓縮空氣儲能工程的儲層深度范圍以及研究者對含水層壓縮空氣儲能選址評價時考慮的儲層深度范圍。結合工程實際和理論研究，場地的儲層深度范圍應為400～1 200 m，在合適的儲層深度范圍內，埋深越大儲能效果越好。

表1 已有和計劃工程的儲層深度以及研究者提出的儲層深度范圍Table 1 Range of depth proposed in the projectsand researches

1.1.2 儲層原生礦物類型

由于壓縮空氣中含有大量的氧氣，當其進入儲層中時，可能與儲層中的原生礦物發生氧化反應。化學反應的結果可能導致：生成的新的物質由于體積增大或者產生沉淀堵塞孔隙空間，使得儲層的滲透率和孔隙度變小；抽出氣體中的氧氣減少，可能影響后續發電中進入燃燒室燃料的燃燒效率，進而降低整個儲能系統的能量效率，這種氧氣減少對儲能系統的影響可能在時間尺度較長時更為顯著。Pittsfield試驗中解釋了含水層礦物類型為硫化亞鐵時對整個儲能系統的影響。此外，當儲層為鈣質的硫化礦物時，氧化反應后容易形成石膏，而石膏的沉積會減小儲層的孔隙度，進而影響整個儲能系統的性能。由于水分在化學反應中起到較大的作用，以含水層作為地下儲氣庫時，無法像鹽洞那樣可以通過對空氣進行除濕處理來減弱氧化反應對儲能系統的影響。故在進行選址時，要盡可能避免含硫成分較高的鐵質或鈣質的原生礦物類型的儲層地區。

1.1.3 儲層孔隙度

儲層的孔隙度反映巖石孔隙體積的大小。在含水層壓縮空氣儲能時，對于一定量的注入氣體，儲層孔隙度的大小影響著儲氣空間規模的需求。對于理想的具有低滲透邊界的自然儲層來說，孔隙度越大代表著相同封閉結構下，儲能系統所能進行的儲能規模越大；對于非理想的均質含水層來說，隨著孔隙度的減小，循環過程中的壓力也隨之變小，在抽采過程中，小孔隙度下的井口壓力更小，這可能導致隨著持續的循環開采，壓力將會更早達到儲能系統要求的最小壓力，從而導致系統停止運行(見圖2)。

圖2 不同儲層孔隙度下井口壓力的變化Fig.2 Variation curves of wellhead pressure under different porosity of the aquifers

Stottlemyre和Allen等分別在1978年和1983年提出了含水層壓縮空氣儲能選址時儲層孔隙度要大于10%，2008年Succar等提出了13%為場地儲層的最小孔隙度。因此，綜合研究結果，選址時含水層孔隙度最好宜大于13%，且隨著儲層孔隙度的增大，整個儲能系統的儲能規模擴大，儲能效率提高。

1.1.4 儲層滲透率

儲層滲透率對整個儲能系統起著非常重要的作用。理想的目標含水層是高滲透率的儲氣空間外圍具有低滲透率的邊界，在自然環境中這種較為理想的儲層可見于背斜結構封閉下的高滲透含水層、高滲透砂巖的透鏡體和不導水斷層分開下的高滲透含水層結構。對于均質含水層來說，較高滲透率的儲層雖然更容易進行大規模的抽注但是卻會造成儲層中大量氣體的損失，從而降低儲能系統的可持續性；較低滲透率的儲層雖然能阻止氣體大范圍的擴散，但是卻使得抽注過程的壓力波動較大，無法進行大規模的抽采，從而需要在工程中增加工作井的數量，故降低了儲能系統總體的經濟效益。例如在計劃設計首個含水層壓縮空氣儲能Iowa電站時，通過調查發現因儲層的滲透率較小，其儲能規模無法取得較好的經濟效益，最后不得不停止該項目。研究者統一認為，含水層壓縮空氣儲能選址時，儲層滲透率選取的最低閾值為300 mD。

1.1.5 儲層結構

儲層結構對整個儲能系統的影響主要表現為不同的含水層結構具有不同的天然封閉氣體的效果。通過對比背斜、向斜和平直含水層的壓縮空氣儲能系統可持續循環次數(見圖3)可以發現，不同含水層天然封閉氣體的效果表現為背斜含水層>平直含水層>向斜含水層。出現這種情況的原因主要是背斜含水層在上部具有一定的天然封閉結構，可以阻止氣體的擴散。可以預見的是，曲率更大的完整背斜結構可以形成較大的封閉理想含水層結構，從而能夠更好地應用于儲能系統。因此，在含水層壓縮空氣儲能選址時，背斜結構、低滲地層中的高滲砂巖透鏡體和斷層分割開的高滲地層結構都是理想的天然儲層結構。

圖3 3種結構含水層儲能系統可持續循環次數的對比[13]Fig.3 Comparison of system cycle times variance among three different aquifer systems[13]

1.2 地質安全因素

當儲氣庫位于含水層時，地質結構的密封性和穩定性對于整個儲能系統的安全性具有很重要的作用。在對含水層壓縮空氣儲能進行選址評價時，儲能系統的安全性和穩定性對于整個場地是否能夠進行壓縮空氣儲能是兩個必須要考慮的因素。

1.2.1 蓋層封閉性

含水層壓縮空氣儲能的蓋層必須具備足夠的密封性，以防止壓縮空氣沿垂直方向泄漏從而可能引起對上層含水層的影響以及由于氣體泄漏產生的儲能效率降低。一般情況下蓋層的巖性構造主要為沉積巖，蓋層內部通常都被地層水所潤濕，含水層中的壓縮空氣需要排替蓋層孔隙中的原生水才能進入蓋層向上運移，故蓋層的排替壓力可以作為衡量蓋層封閉性的主要參數，排替壓力越大則蓋層的密閉性越好。同時，在評價區域蓋層的封閉性時還要充分考慮蓋層區域分布的連續性。含水層壓縮空氣儲能中對于無明顯低滲邊界的均質含水層來說，隨著儲能系統的運行，壓縮空氣逐漸遠離工作井區域，故當蓋層分布的連續性較差時，可能會導致在含水層遠處的位置出現蓋層厚度的尖滅，從而使得空氣向上層擴散。此外，在一定范圍內，對蓋層裂隙和斷層及廢棄井封井情況等潛在泄漏通道的調查也可用于衡量蓋層封閉性的參數。對于蓋層的封閉性評價在一定程度可以借鑒油氣工程和CO地質儲存工程中的蓋層密閉性的評價方法。

綜上所述，在含水層壓縮空氣儲能選址評價時，應充分考慮一定區域內密閉蓋層的封閉性，即需要對蓋層的排替壓力、蓋層區域分布的連續性和蓋層中是否存在潛在泄漏通道進行評價。較好的蓋層條件應該是具有較大的排替壓力，在一定區域內連續性分布，且無明顯的潛在泄漏通道。

1.2.2 蓋層穩定性

含水層壓縮空氣儲能過程中，由于需要向含水層注入大量的氣體，容易造成儲層壓力的積聚，而過大的壓力可能會破壞蓋層的穩定性。對蓋層穩定性的評價主要是對蓋層地質力學性質的研究。蓋層的力學效應作用可能會引起蓋層初始裂隙的張開、蓋層巖石或者巖體的破壞，較大的注入壓力可能會使得蓋層不完整并誘發潛在泄漏通道的產生。通過三軸試驗分析巖石應力-應變的關系，可以研究蓋層的地質力學穩定性。蓋層的地質力學穩定性評價，可以參考CO地質封存的相關評價指標和評價方法。

在對含水層壓縮空氣儲能進行選址評價時，蓋層的地質力學性質越好、巖石破碎壓力越大，蓋層的穩定性就越好，由注入空氣引起的壓力積聚對整個地層的影響才會越小。

1.2.3 場地穩定性

場地穩定性評價主要是指地質構造運動或者自然災害對候選場地地下儲氣庫結構和地上配套工程設施的影響評價。與CO地質封存場地穩定性評價相似，在含水層壓縮空氣儲能選址評價時要考慮地震和活動斷層的影響。地震和活動斷層會大幅度破壞儲能系統的圈閉條件，從而影響整個儲能系統的穩定性和安全性。此外，為了保證地面發電相關設施的安全，儲氣庫地面工程場地也應該選擇區域穩定性較好的地區，避免自然地質災害如洪水、火山、滑坡、泥石流、地面塌陷等的影響。

1.3 經濟效益因素

在對含水層壓縮空氣儲能進行選址評價時，經濟效益也是衡量場地是否適合進行含水層壓縮空氣儲能的重要因素。場地所處的地理位置、投資成本、儲能規模和由于井筒腐蝕造成的經濟損失是評價經濟效益因素所選取的4個評價指標。

1.3.1 地理位置

含水層壓縮空氣儲能主要是針對集中式風力發電儲能的系統，故在建庫選址時，首先應該考慮候選場地所在區域的風力資源和用電需求情況，避免由此產生的次級成本增加(距離適合的風電站太遠或用電需求低而增加輸氣管道/跨區域輸電設施的成本)或中途泄漏的可能性增大；其次，儲氣庫一般應距離大城市或用戶集中地150 km以內為宜，以降低遠距離輸電的成本，并保證足夠的用電需求。此外，儲氣庫選址要符合區域發展規劃，避免建立在如自然保護區、軍事區、礦產資源儲備區等敏感區域。為了避免由于高壓氣體對地層的破壞而造成的深部水質較差的含水層滲漏到飲用水開采含水層的危害，儲氣庫選址也應該盡量避免距離飲用水水源地較近的地方。

1.3.2 投資成本

含水層壓縮空氣儲能選址評價時考慮的投資成本主要為勘探投資成本和區域設施調查成本。含水層作為儲氣庫與利用開挖鹽洞相比，需要更加詳細的候選場地區域的地質資料來判斷蓋層和儲層相關的性質是否合適，勘探費用估算主要依據區域三維地震勘探規模、探井鉆探、儲蓋層水力測試、斷層干擾試井和巖心室內試驗等。如果候選場地在勘探之前存在油藏或者天然氣開采等類似工程，存在較多可利用的地質結構和含水層信息等，將會極大地減少勘探的投資成本。此外，區域已有設施也是選址時需要考慮的一個因素，其包括調查區域老井和廢棄井的固井和封堵情況、了解地面基礎設施(水、交通等)和區域規劃等，區域內可利用的老井和地面基礎設施越多，候選場地的經濟性越好。

通過對建庫選址的投資成本因素分析發現，選址時區域地質情況資料越豐富、可利用的地面基礎設施和老井數量越多，在選址區域建庫越經濟。

1.3.3 儲能規模

儲能規模是反映儲氣庫儲能規模和調節電力平衡的重要參數。在不破壞蓋層封閉性的情況下，增大儲氣壓力可以增加整個儲氣庫的容量，也可提高單井的儲能效果，增強儲氣庫的調節能力。在其他因素相同的情況下，儲氣庫的上限壓力可以用來評價候選場地在儲氣規模設計時能夠達到最大的儲氣規模。候選場地儲氣庫的上限壓力越大，可以進行的儲能規模越大，整個儲能系統的經濟效益也就越好。

1.3.4 井筒腐蝕

井筒在工作時，由于長時間與地層水接觸容易造成井筒結構的腐蝕。特別地，由于高溫高壓氣體的循環抽采可能會進一步加速井筒內部結構的腐蝕。井筒的腐蝕很大程度上降低了儲能系統的單井效率，需要定期地采用相關方法進行清理和修復，從而增大了儲能系統的維護成本。井筒的腐蝕程度大小與地層水的成分和菌群種類有關，故在選址時需要對地層水的化學成分和生物菌群的類別進行試驗和判斷，以預估可能會對井筒造成腐蝕破壞的程度，便于采用相應的材料防止井筒的過度腐蝕。此外，當地層溫度較高時，也會加快井筒的腐蝕破壞。

故在選址時也要對儲能系統運行過程中可能加快井筒結構腐蝕的各種綜合因素進行預先評價。通過評價分析，采取減慢井筒腐蝕的預防措施，從而降低井筒和相關設備的運行、維護成本，提高儲能系統整體的經濟效益。

1.4 評價體系構建

通過對候選場地不同評價指標的選取和評價研究，利用AHP法的結構分級建立含水層壓縮空氣儲能選址評價指標體系，其具體的層次結構如圖4所示。

圖4 含水層壓縮空氣儲能選址評價指標體系Fig.4 Structural model of site selection evaluation for compressed air energy storage in aquifers

由圖4可見，在評價體系中，儲氣庫的綜合評價體系作為整體的目標層，主要的三大類評價因素即儲層性質因素、地質安全因素和經濟效益因素作為準則層(一級指標)，三大類評價因素細化的12種具體評價指標作為評價指標層(二級指標)。

根據國內外CO地質封存和含水層天然氣儲存選址的相關研究以及對目前國際上含水層壓縮空氣儲能技術選址的相關研究和計劃的含水層儲氣工程選址進行調研的基礎上，并綜合對該技術理論進行的研究，將儲氣庫綜合評價體系中各個評價指標分為優、良、中、差4個級別(見表2)，以便對含水層壓縮空氣儲能選址評價進行定性和定量分析。

表2 含水層壓縮空氣儲能選址評價指標體系中各評價指標的分級Table 2 Index classification in site evaluation for compressed air energy storage in aquifers

2 我國含水層壓縮空氣儲能潛力分析

目前，我國對壓縮空氣儲能技術的研究還處于起步階段，特別是對于含水層作為壓縮空氣儲氣庫的研究尚處于空白。本文將通過分析我國主要盆地的儲蓋層性質概況和可能存在的重點勘探目標，對我國含水層壓縮空氣儲能的應用潛力進行初步分析。

2.1 我國盆地級含水層壓縮空氣儲能潛力分析

含水層壓縮空氣儲能的選址評價需要候選場地較為詳細的地質資料，但客觀情況是小尺度范圍的地質資料獲取困難。通過文獻調研，結合我國CO地質場地和油氣開采地區的相關地質資料信息，本文對我國大部分盆地的儲蓋層性質進行了總結分析，通過有限的資料信息在盆地尺度上對我國含水層壓縮空氣儲能的應用潛力進行了初步分析。我國主要盆地的儲蓋層特征信息見表3。

表3 我國主要盆地的儲蓋層特征信息表[28]Table 3 Characteristics of reservoir and cap in major basins in China[28]

由表3可知，從有儲層滲透率數據的盆地結果發現，儲層滲透率大于300 mD的盆地有12個，儲層孔隙度大于10%的盆地有23個；盆地蓋層的狀況普遍較好，但是大多數斷裂的活動情況都較大。在盆地尺度上對我國含水層壓縮空氣儲能應用潛力進行總結分析發現：從儲層性質因素來看，我國大部分盆地地區的儲層孔隙度都能夠滿足要求，部分盆地的儲層因滲透率過小，在天然情況下可能無法滿足選址的需要，但是通過后期的改良，儲層可以達到適合的標準，具體的儲層結構參數還需要進行進一步的勘探來確定；從地質安全因素來看，盆地普遍的蓋層狀況良好，但是裂隙和斷裂活動部分盆地較密集，需要在場地選址評價時開展進一步的研究；從經濟效益因素來看，大部分盆地由于是油氣開采的地區，能夠獲得較多的地質資料信息，從而減少了勘探調查的費用，此外盆地開采油氣時存在較多的老井和較為完善的地面基礎設施，能夠進一步減小經濟成本。

2.2 可能存在的重點勘探目標

參考我國天然氣含水層儲氣庫的重點勘探目標，對篩選出的相關地區含水層作為壓縮空氣儲氣庫的應用潛力進行了分析研究，我國含水層儲氣庫3個重點勘探目標地區的儲層特征參數，見表4。

表4中主要描述了我國各個地區構造的儲層性質因素的參數，包括儲層孔隙度、儲層滲透率、儲層埋深、構造圈閉等。按照選址儲層因素各評價指標的評價標準，對我國各個地區候選場地儲層參數進行等級評價，其評價結果見表5。

表4 我國含水層儲氣庫重點勘探目標地區的儲層特征參數[29]Table 4 Parameters of the aquifers in the key exploration targets in China[29]

由表5可知，我國不同地區候選場地由于儲層參數范圍的變化，其評價等級也隨之變化；對于東北地區的前4個候選場地中，當選擇合適的儲層滲透率和儲層埋深區域進行含水層壓縮空氣儲能的設計時，其各項評價指標能夠達到優的等級；我國3個地區的儲層孔隙度和儲層結構均普遍能夠達到優的等級，不確定的評價結果只出現在儲層埋深和儲層滲透率；由于資料的缺乏無法對儲層原生礦物類型和地質安全因素進行等級的評價。此外，我國東北地區、長三角地區和環渤海地區都處于我國計劃大力振興或已經較為發達的地區，這些地區的電力需求較高、基礎設施建設較好，而且具備建設儲能系統的經濟基礎，且這3個地區均處于我國風能資源較豐富的地區，因此具有較高的含水層壓縮空氣儲能的應用潛力。

表5 我國不同地區選址儲層參數等級評價結果Table 5 Evaluation result of reservoir factors in the selection targets in China

3 評價模型

在上述對含水層壓縮空氣儲能選址評價指標體系進行構建和各個不同因素評價指標的評價標準進行定性研究的基礎上，本文將利用AHP法和多因子綜合評價法對候選場地進行定量分析。

3.1 選址目標層計算方法

AHP法是美國學者Saaty在20世紀70年代提出的，該方法結合運籌思想將復雜問題分解成各個組成因素，并將這些因素按照支配關系分組形成層次結構，通過確定各因素在所在分組層次中的相對重要性，得到其對整個系統的影響權重。具體步驟如下：第一步是構建評價體系的遞階層次結構(見圖4)，根據整體的目標和評價因素的類別分為目標層(

A

)、準則層(一級評價指標

B

～

B

)和各個準則層下的評價層(二級評價指標

C

～

C

)；第二步是按照層次關系對每個單獨層次的各個評價指標進行重要性比較，構造判斷矩陣，按照本文中的層次結構需要構造

A

-

B

、

B

-

C

、

B

-

C

、

B

-

C

4個判斷矩陣；第三步是通過判斷矩陣，計算各個因素在所在層次的影響權重，并進行一致性檢驗，隨機一致性比率滿足要求時才認為影響權重的計算是合理的。

在利用AHP法計算出各個因素對整體的影響權重后，結合表2中各個因素定性評價的分級標準，通過多因子綜合評價法，構建目標層即含水層壓縮空氣儲能選址的綜合評價模型如下：

(

1

)

式中：

Y

為選址評價總得分；

C

為二級評價指標下各個單項指標的得分，得分按照表2中對各個評價指標定性評價的等級優、良、中、差分別取值10、8、6、4分；

w

為

C

層中各個單項評價指標對于上一層的影響權重；

B

為準則層各個評價指標對于目標層的影響權重；

m

和

n

分別為達標準則層和相應二級評價指標的數目。

依據綜合評價計算得到的選址評價總得分數，將儲氣庫選址的綜合評價標準也分為4級：①一級，即候選場地區域狀況優，綜合評分為9～10分之間，該區域適宜建立含水層壓縮空氣儲能系統，場地安全穩定性高，經濟效益好；②二級，即候選場地區域狀況良，綜合評分為7～9分之間，該區域能夠建立含水層壓縮空氣儲能系統，但需要在建設期對整體儲能系統進行模擬研究和經濟效益評估，可以采用相關含水層改造方法提高儲能效率；③三級，即候選場地區域狀況一般，綜合評分為6～7分之間，該區域基本可以建立含水層壓縮空氣儲能系統，但需要開展較詳細的模擬研究，研究儲能系統運行時的工作效率、評價經濟收益并預留資金對整個儲能系統的安全穩定性進行維護，還需要探討對含水層進行改造的可能性；④四級，即候選場地區域狀況差，綜合評分小于6分，該區域不適合建立含水層壓縮空氣儲能系統，需要另選場地。

3.2 評價體系中評價指標權重的確定

針對評價體系中不同層次的評價指標構建判斷矩陣，計算評價指標權重并進行一致性檢驗，其結果如下：

A

-

B

層級判斷矩陣為

該判斷矩陣的最大特征值

λ

為3.053 6，通過查表和計算得到該判斷矩陣的隨機一致性比率為0.046 2

<

0.1，故該判斷矩陣的構造和相應的權重分配合理，其評價指標

B

～

B

的權重分別為0.527 8、0.332 5、0.139 6。由此可見，儲層性質因素所占的權重接近53%，地質安全因素和經濟效益因素所占的權重分別為33%和14%左右。儲層性質因素

B

判斷矩陣為

該判斷矩陣的最大特征值

λ

為5.173 3，通過查表和計算得到該判斷矩陣的隨機一致性比率為0.038 7

<

0.1，故該判斷矩陣的構造和相應的權重分配合理。5個不同評價指標相對于儲存性質因素的權重分別為0.072 0、0.061 2、0.104 0、0.300 1、0.462 6。由此可見，儲層結構和儲層滲透率所占權重分別為46%和30%左右，故在選擇儲層時首先要考慮儲層結構和儲層滲透率兩個評價指標，這兩個評價指標同時控制著儲層是否接近天然狀況下理想的儲層條件。地質安全因素

B

判斷矩陣為

該判斷矩陣的最大特征值

λ

為3.053 6，通過查表和計算得到該判斷矩陣的隨機一致性比率為0.046 2

<

0.1，故該判斷矩陣的構造和相應的權重分配合理。3個不同評價指標相對于地質安全因素的權重分別為0.327 5、0.412 6、0.259 9。由此可見，蓋層的穩定性和封閉性是地質安全因素選址中較為重要的兩個評價指標。經濟效益因素

B

判斷矩陣為

該判斷矩陣的最大特征值

λ

為4.064 8，通過查表和計算得到該判斷矩陣的隨機一致性比率為0.024 0<0.1，故該判斷矩陣的構造和相應的權重分配合理。4個評價指標相對于經濟效益因素的權重分別為0.465 0、0.134 2、0.327 3、0.073 6。由此可見，地理位置和儲能規模是經濟效益因素選址中較為重要的兩個評價指標。

綜合以上各個二級評價指標在所在準則層的權重和相應準則層在目標層的權重，可以得到不同二級評價指標對于含水層壓縮空氣儲能選址所占的權重分配，見圖5。

圖5 儲氣庫選址基本評價指標影響權重柱狀圖Fig.5 Weight column diagram of basic evaluation indexes

由圖5可見，儲層結構、儲層滲透率和蓋層封閉性在含水層壓縮空氣儲能選址中所占的權重相對較大，說明這3個評價指標對儲能效果有著較大的影響。

3.3 應用實例評價

結合上述提出的含水層壓縮空氣儲能選址量化方法，綜合含水層天然氣儲存工程場地的應用實例，選取河北省大城縣的大5區塊(D5)二疊系上部石盒子組砂巖含水層為例進行候選場地評價。

3.3.1 D5區塊選址儲層性質因素分析

D5區塊位于冀中坳陷大城凸起東側的里坦凹陷，基底發育中生界、上古生界石炭系—二疊系砂泥巖地層以及下古生界奧陶系石灰巖地層。區域內共有兩口鉆井，出于石油勘探的目的，首口探井于1975年開始鉆探，井深為3 280 m，該區塊內地質和地震資料較為詳細。D5區塊整體呈現背斜形態，被東北向和西北向兩組規模較小的斷層切割，形成斷背斜。其中，目標含水層二疊系砂巖圈閉面積約為12 km，閉合幅度為150 m，構造高點埋深約為2 285 m，圖6顯示了D5區域目標含水層即二疊系儲層頂面構造(其中黃色部分為研究區D5區塊范圍，等值線為含水層埋深等值線)。目標含水層深度位于2 325～2 510 m之間，其中有效厚度為106 m，儲層巖石類型主要為長石砂巖，巖屑石英砂巖次之。D5區塊二疊系儲層的孔隙度和滲透率較低，平均值分別9.2%和5.52 mD，儲層的水平均礦化度為4 624.8 mg/L，為NaHCO型水。

圖6 大5區塊(D5)目標含水層二疊系砂巖頂面構造圖[25]Fig.6 Structure of the top surface of the Permian aquifer at site D5[25]

3.3.2 D5區塊選址地質安全因素分析

目標含水層的蓋層主要為二疊系石千峰組灰色泥巖和紫紅色泥巖，呈塊狀構造，為曲流河相洪泛平原亞相沉積。通過地震和鉆井資料可以發現，目標含水層的蓋層厚度約為125 m，且蓋層在橫向上分布連續，平面分布較廣。通過對蓋層19個代表性巖樣的孔隙度和滲透率進行測試，發現其孔隙度范圍為5.28%～26.29%，垂向滲透率和水平滲透率平均值為1.0×10mD和1.7×10mD，蓋層屬于中低孔、特低滲蓋層。此外，相關文獻中提取了蓋層11塊巖心樣和隔層3塊巖樣進行突破壓力測試，發現飽和水時突破壓力平均值為34.31 MPa，突破壓力較高，說明蓋層具有良好的封閉性。在分析蓋層的地質力學可塑性時發現，由于蓋層礦物中蒙脫石和伊-蒙混層體積分數較高，故蓋層具有很強的可塑性，能夠抵制蓋層變形中次生裂縫的發育。此外，在對D5區塊選址的場地穩定性分析中發現，該地區屬于弱震區，近年來未發生過地震、洪澇等地質災害，故場地穩定性良好。

3.3.3 D5區塊選址經濟效益因素分析

D5區塊位于我國華北平原，從我國風能分布圖中可以發現該地區的風能資源較為豐富，而且國家電力投資集團有限公司也正在該地區所處的河北省大城縣開展200 MW的風電項目，含水層壓縮空氣儲能的建設能夠很好地為該地區和附近城市提供良好的電力輸送。此外，該地區具有良好的地面基礎設施及較為完善的地質和勘探資料，能夠大幅度地降低在該地區建立含水層壓縮空氣儲能電站的成本，且能夠很好地促進該地區的環境友好型能源產業的發展。故目標區塊具有實施含水層壓縮空氣儲能的良好經濟效益基礎和前景。

3.3.4 D5區塊選址綜合評價

通過對D5區塊地質、地理、經濟等資料的總結，并根據前文建立的選址評價指標體系，對D5候選場地的各個評價指標進行評分，個別未描述的評價指標，由于其占總體權重較小，統一采取“中”進行賦值評價，其評分結果見表6。

表6 D5候選場地各評價指標的評分結果Table 6 Scores of evaluation indexes at site D5

根據各評價指標的評分結果以及相應指標和層級占總體評價得分的影響權重，代入公式(1)計算得到D5候選場地二疊系砂巖目標含水層選址評價的綜合得分為7.10，故該候選場地為二級，選址區域狀況為良，能夠滿足建立含水層壓縮空氣儲能系統的基本條件。目標含水層區域存在的主要問題為：①含水層孔隙度和滲透率較低，可以采用水力壓裂的手段對目標含水層區域進行改造，從而增加含水層的滲透率和孔隙度，進而提高含水層壓縮空氣儲能的效率；②含水層埋深較大，D5區域的目標含水層埋深在2 000 m以上，可能會增加地表發電設備的配置要求，從而增加總的投資成本。目標含水層區域的主要優勢在于：①含水層結構為背斜結構，具有很好的圈閉壓縮空氣的條件，可有效防止氣體擴散和能量損失；②目標含水層區域具有良好的地質力學性質和封閉性的蓋層且場地穩定性較好，能夠保證儲能系統的穩定安全運行；③目標含水層區域具有豐富的風力資源和風能電站項目，且具有較為詳細的地質勘探資料和良好的用電需求，從而提高了該地區建設含水層壓縮空氣儲能系統的經濟效益。通過建立含水層壓縮空氣儲能選址評價模型，能夠量化候選場地的適宜程度，從而為分析和改造候選場地的地質條件性質、獲取場地信息資料提供指導意見。

4 結 論

(1) 從儲層性質、地質安全和經濟效益三類主要因素建立了含水層壓縮空氣儲能的選址評價體系，對12項評價指標進行了分析與評價。根據前人理論研究和相似工程經驗，對各個評價指標劃分了優、良、中、差4個級別，并提出了各評價指標等級的劃分標準。

(2) 利用提出的選址評價體系定性地對我國主要盆地和若干重點勘探目標進行了研究。從有限的盆地儲蓋層資料分析，可以發現儲層滲透率和蓋層封閉性問題是大部分盆地普遍存在的、需要進一步考慮的因素。通過對我國若干重點勘探目標地區的評價分析，發現東北地區、長三角地區和環渤海地區具有較高的含水層壓縮空氣儲能的應用潛力。

(3) 根據相關研究和經驗，利用層次分析法對不同評價指標對于總體評價的權重進行了量化，結果表明儲層結構、儲層滲透率和蓋層封閉性3個指標在選址中所占的權重相對較大，對儲能效果有較大的影響。通過多因子綜合評價方法對不同評價指標進行評分，進而實現了對候選場地總體的定量化評價。選取河北省大5區塊(D5)含水層為例，進行了候選場地整體的定量化分析，結果顯示該地區能夠滿足建立含水層壓縮空氣儲能系統的基本條件。

(4) 由于該技術目前還處于理論研究和工程計劃階段，本文對各評價指標的評價標準主要根據前人的相關研究、類似工程經驗(CO地質儲存和天然氣含水層儲存)以及作者對該技術的影響因素模擬研究等確定，還存在一定的局限性。該選址評價方法可以為初步評價含水層壓縮空氣儲能潛力提供指導，但對場地的進一步研究還需要在掌握一定的地質資料并進行模擬評價后才能完成。