壓縮空氣儲(chǔ)能電站鹽穴選址關(guān)鍵流程及控制因素

萬(wàn)明忠，王 輝，紀(jì)文棟，商浩亮，姚院峰

(1.中能建數(shù)字科技集團(tuán)有限公司，北京 100022；2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能電站[1]需要的儲(chǔ)氣庫(kù)容積高達(dá)幾十萬(wàn)方，儲(chǔ)氣庫(kù)的容積、密封等參數(shù)及性能是決定壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目是否可行的關(guān)鍵。目前適宜用作壓縮空氣儲(chǔ)能儲(chǔ)氣庫(kù)的主要有鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)和人工硐室型儲(chǔ)氣庫(kù)。這兩種儲(chǔ)氣庫(kù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，主要根據(jù)當(dāng)?shù)氐馁Y源情況決定采取哪種技術(shù)路線。

鹽穴型壓縮空氣儲(chǔ)能利用地下鹽礦水溶法開(kāi)采后形成的大型地下溶腔用作高壓空氣儲(chǔ)氣庫(kù)[2-3]。該類型儲(chǔ)氣庫(kù)充分利用了鹽穴3個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：1)地下鹽穴密封性能好，鹽巖的蠕變特性及超低滲透率可保證地下鹽穴自身長(zhǎng)期密封性，確保壓縮空氣不泄漏；2)地下鹽穴的容積可滿足壓縮空氣儲(chǔ)能的需求，水溶法開(kāi)采形成的地下鹽穴，其體積往往有數(shù)十萬(wàn)方甚至百萬(wàn)方；3)地下鹽穴已開(kāi)采完畢，經(jīng)過(guò)相關(guān)評(píng)估論證工作之后，條件合適[4]就可以直接用做儲(chǔ)氣庫(kù)，節(jié)省了水溶開(kāi)采的建設(shè)周期，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了廢棄資源的再利用。

中國(guó)能建利用湖北應(yīng)城地下鹽穴開(kāi)建了世界首個(gè)300 MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站(以下簡(jiǎn)稱“應(yīng)城壓縮空氣儲(chǔ)能電站”)。本文依托該項(xiàng)目的建設(shè)實(shí)踐，研究梳理了壓縮空氣儲(chǔ)能電站鹽穴選址關(guān)鍵流程及控制因素，為鹽穴型壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目建設(shè)提供支撐。

1 鹽穴選址流程

鹽穴型壓縮空氣儲(chǔ)能電站的工作原理如圖1所示，鹽穴承載著儲(chǔ)存空氣勢(shì)能的重要作用，所以應(yīng)詳細(xì)、嚴(yán)格地論證鹽穴適用性。

圖1 鹽穴型壓縮空氣儲(chǔ)能電站工作原理

根據(jù)應(yīng)城壓縮空氣儲(chǔ)能電站建設(shè)實(shí)踐，鹽穴型壓縮空氣儲(chǔ)能電站鹽穴選址的關(guān)鍵流程包括3項(xiàng)，分別為鹽穴資料收集、鹽穴勘測(cè)和鹽穴評(píng)估。這3項(xiàng)流程應(yīng)按順序逐步推進(jìn)，并做好工作之間的銜接，鹽穴選址關(guān)鍵流程如圖2所示，共計(jì)13個(gè)環(huán)節(jié)。

圖2 鹽穴選址關(guān)鍵流程

2 鹽穴資料收集

2.1 資料收集目的

對(duì)于鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能工程，鹽穴基本資料是項(xiàng)目決策階段的首要判斷因素[4-5]。可利用的地下鹽穴都是鹽業(yè)公司廢棄采鹽井或者開(kāi)采過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的井組，鉆井水溶法開(kāi)采的鹽穴主要采用水力壓裂對(duì)井采鹵和單井對(duì)流法采鹵，具體到每個(gè)地下鹽穴的情況各不相同，是否適合用做壓縮空氣儲(chǔ)能需要做針對(duì)性分析工作。

鹽業(yè)公司擁有鹽穴鹽礦生產(chǎn)資料，需要搜集的主要資料包括但不限于：鹽礦勘探資料、鉆井完井資料、鹽礦開(kāi)采資料、鹽礦開(kāi)采歷史及鹽穴產(chǎn)權(quán)情況等。通過(guò)資料收集，可以初步計(jì)算出地下鹽腔的體積、沉渣率等，實(shí)現(xiàn)對(duì)鹽穴可用性預(yù)評(píng)估。

2.2 鹽礦勘探資料

鹽礦勘探資料可掌握區(qū)域鹽礦分布深度和平面展布，是分析該區(qū)域鹽穴是否可用的最先決資料。鹽礦的分布深度太淺或太深都不利于鹽穴的利用。鹽礦的平面展布太小，則會(huì)導(dǎo)致鹽穴周邊的封閉條件不良，也不利于鹽穴的利用。

2.3 鉆井完井資料

地下鹽礦開(kāi)采生產(chǎn)必須進(jìn)行鉆井以連通地面與地下鹽層，鉆井完井?dāng)?shù)據(jù)是了解鹽層分布的最有效資料。鉆井完井?dāng)?shù)據(jù)具體包括建井時(shí)間、在役年限、所屬村鎮(zhèn)、鹽層頂?shù)酌媛裆睢?duì)井聯(lián)通方式、完井深度、終孔孔徑、表層套管參數(shù)和生產(chǎn)套管參數(shù)等。

2.4 鹽礦開(kāi)采資料

鉆井工程完成后，鹽巖就進(jìn)入到了開(kāi)采階段，單個(gè)鹽穴的開(kāi)采歷史時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，最多可超過(guò)20 a。在長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)采過(guò)程中積累的開(kāi)采數(shù)據(jù)，是判斷鹽穴有效容積的關(guān)鍵參考。開(kāi)采數(shù)據(jù)包括累計(jì)采鹽量、井組溶腔體積、開(kāi)采壓力、井組空腔體積和井組聯(lián)通現(xiàn)狀等。

2.5 鹽穴產(chǎn)權(quán)情況

鹽穴產(chǎn)權(quán)是項(xiàng)目初期要確定的重要內(nèi)容。地下鹽巖屬于礦產(chǎn)的一種，其開(kāi)采權(quán)是鹽業(yè)公司通過(guò)政府出讓取得，該開(kāi)采權(quán)有明確的時(shí)間及開(kāi)采范圍規(guī)定。目前對(duì)于鹽穴的歸屬權(quán)，尚沒(méi)有明確的規(guī)定，需要跟鹽礦企業(yè)、當(dāng)?shù)卣M(jìn)行協(xié)商處理。

3 鹽穴勘測(cè)

根據(jù)收集的資料判斷出適宜的地下鹽穴以后，就可以開(kāi)展下一步的勘測(cè)工作，主要包括鹽穴的物探、鉆探和聲吶測(cè)腔等一系列工作。

3.1 鹽穴物探

地球物理勘探(以下簡(jiǎn)稱“物探”)是一種使用物理方法進(jìn)行地質(zhì)勘察的技術(shù)手段[6]，通過(guò)分析各種地球物理場(chǎng)的異常顯示，評(píng)判地下目標(biāo)體相關(guān)參數(shù)。該方法探測(cè)范圍大，工程周期短，是地下鹽穴探測(cè)的重要手段。地下鹽穴物探主要有3個(gè)目的：1)探測(cè)鹽穴容積，核定鹽穴容積是否滿足發(fā)電容量需求；2)判斷鹽穴上覆蓋層情況，確定上覆鹽層厚度、排查斷層發(fā)育情況；3)獲取鹽穴的空間形態(tài)分布[7]，為資料井、注采井的位置布設(shè)提供依據(jù)。

3.2 通井測(cè)井

長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)采或廢棄的采鹽井套管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)大量鹵水結(jié)晶，且套管的腐蝕情況、變形情況、固井質(zhì)量情況等均是未知的，還有可能出現(xiàn)中心管堵塞的情況。這些問(wèn)題都會(huì)影響聲吶及測(cè)井設(shè)備的工作，必須進(jìn)行通井，為后續(xù)作業(yè)提供暢通的井筒狀態(tài)。

通井與測(cè)井是緊密結(jié)合的，通井順利后即可下入測(cè)井探頭，對(duì)套管壁實(shí)施自然伽馬、聲幅、變密度、電磁探傷、井徑、磁定位等參數(shù)的測(cè)井，判別舊井套管的固井質(zhì)量和進(jìn)腔深度，如圖3所示。

圖3 老舊套管的變形情況

如通井不順利，則通過(guò)測(cè)井的手段判斷進(jìn)腔深度后，指導(dǎo)切斷套管的位置并維修套管，為聲吶探測(cè)提供有利條件。通過(guò)通井、測(cè)井作業(yè)，不但能夠?yàn)槁晠葴y(cè)腔提供有效作業(yè)空間，還可以對(duì)該采鹽井在長(zhǎng)時(shí)間采鹽過(guò)程中是否沿井壁溶穿蓋層提供重要依據(jù)。

3.3 聲吶測(cè)腔

聲吶探測(cè)技術(shù)是目前鹽穴腔體形狀檢測(cè)的最準(zhǔn)確手段[8]，其利用儀器發(fā)出聲波脈沖信號(hào)和接收到信號(hào)的時(shí)間來(lái)測(cè)量方位距離。聲納測(cè)腔可對(duì)鹽腔的空腔形態(tài)、頂?shù)酌婢_位置等重要關(guān)鍵信息進(jìn)行直接探測(cè)，測(cè)量成果還可以用于指導(dǎo)后續(xù)注采氣井布置。聲吶測(cè)腔結(jié)果可用于三維地震數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)，修正三維地震的偏差，提高三維地震的置信度。地下鹽穴埋深大、壓力大、腐蝕性強(qiáng)，因此，探測(cè)設(shè)備的探頭應(yīng)防水、耐高壓、耐高溫，配備慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，具備良好的波束聚焦性能。

3.4 密封性測(cè)試

工程勘測(cè)階段進(jìn)行鹽穴水壓密封試驗(yàn)[9]，用于獲取鹽穴運(yùn)行壓力參數(shù)。鹽穴密封性與鹽巖層特性、夾層及蓋層特性、井身結(jié)構(gòu)和固井情況等因素有關(guān)，鹽穴密封性的確定必須要通過(guò)水壓密封試驗(yàn)確定[10]。鹽腔鹵水密封性[11]測(cè)試一般采用壓力流量綜合測(cè)試法，即利用鹽礦注采泵和原有注采管道從注水井井口注入飽和鹵水，同時(shí)關(guān)閉排鹵井出鹵閥門，通過(guò)計(jì)量壓力表和流量計(jì)監(jiān)測(cè)鹵水注入壓力和鹵水流量，進(jìn)而計(jì)算腔體漏失量，評(píng)價(jià)鹽腔的密封性。

4 鹽穴評(píng)估

通過(guò)鹽穴勘測(cè)工作獲取了鹽穴的詳細(xì)參數(shù)之后，應(yīng)結(jié)合壓縮空氣儲(chǔ)能要求評(píng)估鹽穴的適用性[12]。當(dāng)鹽穴的地質(zhì)分布、運(yùn)行壓力、容積、深度和形態(tài)滿足下述所有條件時(shí)，則認(rèn)為目標(biāo)鹽穴滿足壓縮空氣儲(chǔ)能電站的要求。

4.1 鹽穴地質(zhì)評(píng)估

我國(guó)的含鹽盆地多為陸相沉積的層狀鹽礦床，主要特點(diǎn)是厚度薄、單鹽層薄、夾層厚和相變大。鹽穴的選型不僅和鹽穴本身?xiàng)l件有關(guān)，還要考慮到周邊構(gòu)造。目標(biāo)鹽穴所處沉積區(qū)內(nèi)必須構(gòu)造穩(wěn)定，大斷層不發(fā)育，層間小斷層較少，與鄰近小斷層距離至少保持200 m。含鹽系地層平面展布應(yīng)盡可能廣，厚度大于100 m，其中的鹽巖層所占比例應(yīng)盡量高。

4.2 鹽穴運(yùn)行壓力評(píng)估

鹽穴的運(yùn)行壓力是壓縮空氣儲(chǔ)能電站鹽穴選址的最關(guān)鍵參數(shù)[13]，直接決定地面設(shè)備的選型，也是壓縮空氣儲(chǔ)能電站規(guī)模的決定因素。鹽穴的運(yùn)行壓力需以水壓密封試驗(yàn)測(cè)得參數(shù)作為重要的依據(jù)，并結(jié)合鹽穴的運(yùn)行模擬計(jì)算，最終確定鹽穴的運(yùn)行壓力區(qū)間。

4.3 鹽穴容積評(píng)估

鹽穴的容積是關(guān)系到壓縮空氣儲(chǔ)能電站輸出功率和運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的重要參數(shù)，需要結(jié)合鹽穴的運(yùn)行壓力和電站的發(fā)電效率確定鹽穴的容積需求[14]。以應(yīng)城壓縮空氣儲(chǔ)能電站為例，在運(yùn)行壓力區(qū)間為7～9 MPa下，考慮到沉渣占用等因素，經(jīng)過(guò)測(cè)算，腔體的空間需要不小于50萬(wàn)m3。

4.4 鹽穴深度評(píng)估

鹽穴埋深太淺會(huì)限制鹽穴的運(yùn)行壓力，鹽穴埋深的最優(yōu)區(qū)間在500～1 500 m之間。鹽穴埋深超過(guò)1 500 m時(shí)，鹽巖在溫度、壓力影響下具有較大的蠕變性，導(dǎo)致鹽腔年收縮率增加，不利于腔體穩(wěn)定性。鹽穴埋深過(guò)大也會(huì)造成鉆井工程的難度升級(jí)和口徑降低，鉆井的口徑降低會(huì)導(dǎo)致鉆井?dāng)?shù)量的增加，這都會(huì)引起投資的大幅提升。鹽穴頂板應(yīng)具備厚度大于30 m以上的含鹽系地層，確保鹽穴頂部的密封性。

4.5 鹽穴形態(tài)評(píng)估

對(duì)于鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能，梨形腔體是最穩(wěn)定的腔體形態(tài)[12]，理想的腔體形態(tài)應(yīng)是高度與直徑之比在5～20之間。據(jù)已有資料結(jié)果，國(guó)內(nèi)除了江蘇省金壇地區(qū)，很少有高度與直徑比理想的鹽穴條件。對(duì)于壓裂采鹽井，通常的鹽腔形態(tài)都是扁平狀，如圖4所示，這對(duì)鹽穴穩(wěn)定性論證提出了更高要求。對(duì)于扁平狀的鹽穴，需要合理優(yōu)化鉆井的口徑規(guī)格、井身結(jié)構(gòu)和布井?dāng)?shù)量等內(nèi)容，以提高鉆井工程對(duì)鹽穴穩(wěn)定性的影響。

圖4 根據(jù)資料描繪的應(yīng)城鹽穴形態(tài)

5 結(jié)語(yǔ)

鹽穴的各項(xiàng)參數(shù)是鹽穴型壓縮空氣儲(chǔ)能電站的決定性因素。本文依據(jù)應(yīng)城壓縮空氣儲(chǔ)能電站的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)總結(jié)了鹽穴選址的關(guān)鍵流程及控制因素，能夠?yàn)轭愃祈?xiàng)目的開(kāi)展提供參考依據(jù)。鹽穴的選址流程分為資料收集、鹽穴勘測(cè)及鹽穴評(píng)估三個(gè)階段。選址階段的控制指標(biāo)包括鹽穴的運(yùn)行壓力、鹽穴的容積以及鹽穴的密閉性，相關(guān)的物探、鉆探工作應(yīng)圍繞這三個(gè)控制指標(biāo)開(kāi)展。鹽穴選址的關(guān)鍵工作流程需要按順序逐步推進(jìn)，并做好工作之間的銜接。