鹽穴空間利用現狀及發展趨勢

任憑 齊磊 王瑋 焦雨佳 周照恒 王文權

1中國石油儲氣庫分公司

2中國石油鹽穴儲氣庫技術研究中心

3國家管網集團工程技術創新有限公司

鹽穴空間是指鹽巖采用水溶法采礦開發后形成的地下空腔。由于鹽巖物性致密，其孔隙度、滲透率低，具損傷自愈特性，其內部形成的鹽穴空腔被國內外學者公認為是進行油氣儲備、壓縮空氣儲能、CO2地質封存及工業廢料處置的合適場所[1-4]。世界上第一個鹽穴空間利用工程為前蘇聯在1959年建成的鹽穴天然氣儲氣庫，在此之后鹽穴空間在世界各地得到了廣泛的利用，與鹽穴空間利用配套的相關技術迅速發展，形成了包括選址評價、造腔控制、形態檢測、地下及地面工程配套等一系列技術體系[5]。歷經近60 年的工程實踐證明，鹽穴空間的規模化利用充分發揮了其容量大、清潔環保、安全可靠、經濟性好等優勢，為相關行業的削峰填谷、應急保障、戰略儲備等需求提供了重要支撐。

我國原鹽產量位居世界第一，其中70%的原鹽用于鹽化工生產，產品包括燒堿、純堿和液氯等。目前而言，不少鹽化工企業面臨產品技術含量不高、產業鏈條結構簡單、產品附加值偏低的窘境。而通過與產業鏈相關企業合作，將采鹽后產生的空間加以合理規劃利用，打造業務發展新引擎，是實現企業轉型升級的有效途徑之一。

1 鹽穴空間利用現狀

截至2022 年，世界上共有38 個國家和地區開展各類鹽穴空間利用工程，項目共計157 個。其中利用鹽穴開展儲天然氣業務工程最多，共計99個，占比63%；其次為鹽穴儲油工程，共計38個，占比24%；鹽穴儲能工程雖然發展時間相對較短，但是發展迅速，目前共有鹽穴儲能項目10個，占比6%；其他鹽穴空間分別用以儲氫、儲氦、儲廢等相關工程，占比分別為3%、3%、1%，整體規模相對較小。

1.1 儲天然氣工程

鹽穴儲天然氣工程是指將富余天然氣壓縮儲存于鹽穴空間內，需要時再釋放，可實現天然氣削峰填谷和應急保障，一般稱為“鹽穴儲氣庫”。鹽穴儲氣庫的建設至今已有60 余年的歷史，鹽穴儲氣庫與枯竭油氣藏型儲氣庫相比，具有利用率高、注氣周期短、墊底氣量少、墊底氣可完全采出等優點，其在北美和歐洲地下儲氣庫產能中不斷擴大。據統計，全球在役鹽穴儲氣庫總計99 座，占儲氣庫總數的15%，主要集中在美國和德國；總工作氣量達到357×108m3，約占全球儲氣庫的8%；總采氣能力達到18.99×108m3/d，貢獻了全球26%的采氣能力。

目前，全球儲氣設施建設投資正轉向天然氣新興市場。在世界范圍內，有18 個鹽穴儲氣庫項目正在投產建設中，工作氣量達139×108m3。其中，僅中國就占在建工作氣量的33.8%；歐洲占在建工作氣量的41%，排名第一，主要集中在土耳其圖茲湖地區。

國內鹽穴儲氣庫建設起步較晚，2007 年投產運行的金壇儲氣庫是我國第一座鹽穴儲氣庫。截至2023 年初，國內已有投產的鹽穴儲氣庫共計4 座，包括國家管網（原中國石油）金壇儲氣庫、中國石化金壇儲氣庫、港華金壇儲氣庫以及中國石化江漢儲氣庫，規劃設計總庫容89×108m3、工作氣量54×108m3[2～6]。除此之外，江蘇張興、山東菏澤、河南葉縣、山東泰安、云南昆明、廣東三水、江蘇豐縣、江西樟樹等地均已開展鹽穴儲氣庫建設前期的相關工作，鹽穴儲氣庫的建設正進入快速發展階段（表1）。

表1 國內運行及部分在建鹽穴儲氣庫基礎參數Tab.1 Basic parameters of salt cavern gas storage in operation and part under construction in China

1.2 儲壓縮空氣工程

鹽穴儲壓縮空氣工程是指利用波谷富余電力將空氣壓縮儲存于鹽穴空間內，需要時釋放壓縮空氣推動透平機發電，可實現棄風、棄光的就地消納和電力削峰填谷，一般稱為“鹽穴壓縮空氣儲能”，簡稱“鹽穴儲能”。

目前，全球已建立了多個鹽穴壓縮空氣儲能系統示范工程項目或實驗平臺，部分典型鹽穴壓縮空氣儲能系統的情況見表2。其中，德國Huntorf 電站和美國McIntosh 電站是全球目前成功投入商業運營且運行良好的大型壓縮空氣儲能電站[6-9]。

表2 國內外典型鹽穴壓縮空氣儲能系統應用統計Tab.2 Application statistics of typical salt cavern compressed air energy storage system at home and abroad

我國鹽穴壓縮空氣儲能相關研究開發起步較晚。2021 年9 月，山東泰安肥城市鹽穴先進壓縮空氣儲能調峰電站取得重大進展，一期示范電站順利通過驗收，是國內首個鹽穴儲能發電項目，標志著我國鹽穴壓縮空氣儲能行業已進入快速發展階段。2022 年5 月，江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲能項目發電成功，是目前世界上首座非補燃式壓縮空氣儲能商業電站，標志著壓縮空氣儲能技術邁向新臺階。

1.3 其他鹽穴空間情況

美國于1952 年建設了世界上第一座鹽穴儲油庫，并于1978 年開始利用鹽穴空間實施國家石油戰略儲備，在得克薩斯州和路易斯安州的地下鹽穴中建設了五大戰略石油儲備基地，總儲存量為7.2×108bbl，約合1.2×108m3。德國于1973 年開始在北部的Etzel 鹽丘開展鹽穴原油儲備庫建設，2012 年儲備石油1 000×104m3，目前整個鹽腔地下體積達4 600×104m3，可用于天然氣和石油的儲備。法國是世界上最早建立企業石油儲備制度的國家，1968 年于馬賽附近開始建設Manosque 鹽穴儲備庫，目前建成的28 個鹽腔14 個儲備原油、14 個儲備成品油，總庫容達到817×104m3[10]（表3）。除此之外，印度、加拿大、墨西哥、摩洛哥等國家都建有鹽穴儲油庫，其中不乏儲備能力超過百天的大型戰略儲油庫。截至目前，我國鹽穴儲油工程仍在前期研究階段，尚未建成大型鹽穴儲油庫。

表3 國外部分鹽穴儲庫綜合利用統計Tab.3 Statistics of comprehensive utilization of some salt cavern storages abroad

地下儲氫是英國和美國（石油）化學工業多年來的先進技術。英國提賽德地區和美國得克薩斯州都建有氫氣地下鹽穴儲庫，已經證明了氫氣長期存儲的安全性和可靠性[11-13]（表3）。目前，英國、德國、加拿大、波蘭、土耳其和丹麥等都制定了鹽穴儲氫計劃。相比上述國家，我國地下儲氫研究較為滯后，尚無鹽穴儲氫實踐。

氦氣是重要的稀有戰略資源，且不可代替，被譽為“氣體稀土”，其廣泛應用于芯片制造、航空航天、低溫超導等高精尖領域[14]。自1962 年12 月起，美國開始對氦氣進行管制，并將過剩的氦儲存于國家地下氦儲庫用于保障自身的需求量。1979年，俄羅斯敖倫堡市附近的鹽穴氦氣儲庫開始建設運行，充分證實了在鹽穴中儲存氦氣混合氣進行大規模存儲的可行性。德國和美國在2016 年和2021年也實施建設了相應的鹽穴儲氦庫（表3）。目前我國尚無成熟的氦氣產業鏈條，也無利用鹽穴儲氦的實例。

碳捕獲和封存（CCS）技術于1989 年在麻省理工學院提出，包括從發電過程捕獲、其他工業過程捕獲等，地質封存、海洋封存和其他封存方式等[15]。碳捕獲與封存工業項目美國最多，其次是歐洲、中國。但利用鹽穴進行碳封存的項目較少，目前，加拿大的阿爾伯塔地區開展了利用鹽穴進行二氧化碳封存相應的論證工作。在2005 年，我國將CCS 技術納入中國國家發展計劃，但受鹽穴地下空間規模限制，針對鹽穴儲碳的研究相對較少，目前尚無大規模運營的實例。

鹽穴空間還可用于處理各類難以處理的化工廢料、油田生產廢料、采礦廢渣、有害物質甚至核廢料等的填埋。利用鹽穴進行廢料的填埋在歐美已經有近20 年的歷史，以德國和美國運行經驗最多，但整體規模相對較小。美國鹽穴空間主要用于儲存油田所產生的工業廢料[16]，德克薩斯州已經批準了6 個鹽穴用于處置油田工業廢料，1 個鹽穴用于處理天然放射性物質。

2 鹽穴空間利用工程發展趨勢

2.1 “能源革命”促進清潔消費

近年來，全國天然氣表觀消費量逐年攀升（圖1），2021 年已達3 726×108m3，比上年增長488×108m3，同比增長15.1%。預計2025 年天然氣需 求4 000×108～4 500×108m3、2035 年6 000×108～6 500×108m3，“十四五”期間年均增速4.3%～6.8%，2025—2035 年均增速2.9%～5.0%。從天然氣產、供、儲、銷協同發展的要求看，必將激發天然氣儲氣調峰能力的需求。《2022 年能源工作指導意見》中明確要求“充分考慮可能面臨的風險和極端天氣，適度超前布局能源基礎設施，加大儲備力度，保持合理裕度，化解影響能源安全的各種風險挑戰”，進一步提高了對儲氣庫等能源存儲建設項目的要求。鹽穴儲氣庫因其可以實現快速“吞吐”天然氣，所以既能滿足管道系統季節調峰的需要，也能滿足日調峰甚至小時調峰的需要，其靈活的調配能力廣受業內青睞。

圖1 2010—2021 年全國天然氣表觀消費量Fig.1 National apparent consumption of natural gas in 2011—2021

從經濟效益上看，鹽穴儲氣庫單位工作氣量成本高于枯竭油氣藏儲氣庫，但遠低于新建LNG 儲罐。鹽穴儲氣庫建設投資主要包括前期評價費用、地下工程費用、地面工程費用、墊氣費及其他費用。以江蘇地區建設20×108m3規模鹽穴儲氣庫項目為例，根據不同建設技術方案，投資成本各有不同（表4）。平均單方工作氣成本在4.93 元至5.04元之間，如采用雙井單腔建庫無墊底氣技術運營，單方工作氣成本還有望大幅降低，使得鹽穴儲氣庫具有實現經濟效益的良好基礎[17-18]。從社會效益上看，天然氣生產和消費不平衡，生產區和消費區的背離是我國目前天然氣產業的普遍現狀，一旦出現極端天氣、管道輸送延遲、用戶氣量突增等突發現象就可能造成“氣荒”。目前正在運行或評價建設的鹽穴儲氣庫均集中在我國華東、華北、華南等主要經濟帶周緣，儲氣調峰可惠及我國“京津冀”“長三角”“珠三角”等城市群，在國家現代化建設大局和全方位開放格局中具有舉足輕重的戰略地位。從技術發展上看，我國鹽穴儲氣庫經過約20年的發展，已經形成集前期評價、工程建設、生產運行及監測的一整套技術，其中“鹽穴老腔儲氣庫改造利用”“多夾層超深超大鹽巖儲氣庫建設”等方向達到國際先進水平，為我國鹽穴儲氣庫的高質量建設提供了堅實的理論基礎。

表4 鹽穴儲氣庫不同技術建設成本計算Tab.4 Construction cost calculation of salt cavern gas storage with different technologies

從國家要求、行業需要的角度看，利用符合條件的鹽穴建設天然氣儲氣庫是鹽穴空間利用的最主要方向。在全面貫徹“四個革命、一個合作”能源安全新戰略的進程中，補足儲氣調峰短板，加快推進天然氣產、供、儲、銷體系建設，已成為關乎社會穩定的重大問題和亟待解決的重要任務。鹽穴儲氣庫作為主要的天然氣調峰方式之一，已經進入行業快速發展的黃金期。

2.2 “雙碳目標”帶動低碳轉型

在“碳達峰、碳中和”的背景下，我國不斷加快推動能源系統的深度轉型。十年來，我國傳統化石能源發電裝機比例持續下降，新能源裝機占總裝機量從2011 年的28%上升至2021 年的45%，新能源發電能力顯著提高，發電裝機結構進一步優化（圖2）。風電、光伏裝機規模等多項指標保持世界第一[19]，在雙碳目標的推進過程中，新能源裝機比例將大幅度增長，有效帶動能源結構向低碳轉型，從源網荷儲調一體化的要求看，必將激發電力儲能調峰能力的需求[20-22]。

圖2 2011—2021 年全國電力裝機結構Fig.2 National installed power structure in 2011—2021

根據電網實際需求及儲能系統自身特點，鹽穴壓縮空氣儲能是目前大規模儲能領域極具潛力的發展方向之一，具有對地理條件要求較低、成本相對較低、儲能容量大、技術可靠、運行壽命長等優點。從技術發展上看，我國壓縮空氣儲能技術取得飛速發展，逐漸打破國外技術壟斷，部分技術達到國際領先水平，已經具備自主建設壓縮空氣儲能電站的能力[23]。從經濟效益上看，在各類儲能技術中，壓縮空氣儲能成本僅高于抽水蓄能的度電成本，遠低于鈉硫電池或液流電池等電化學儲能成本，具有實現盈利的基礎。根據國內已經投產的鹽穴儲能電站數據分析，鹽穴壓縮空氣儲能效益化運營賴于新能源強制配儲及補貼政策的落實，同時還需進一步提升儲能效率，研究優化工程整體的盈利模式。

在全面落實“碳達峰、碳中和”要求的進程中，儲能與新能源發電、電力系統協調優化運行已成為實現能源轉型的必由之路，隨著新能源業務的發展及補貼政策帶動，利用鹽穴進行壓縮空氣儲能或將進入發展的關鍵期。

2.3 “新興產業”帶動鹽穴利用

近年來部分鹽化企業結合自身發展實際，整合所屬業務，積極謀求與產業鏈相關企業合作，開展鹽穴空間綜合利用業務，打造“采鹵制鹽-鹽穴利用”為一體的產業融合發展模式，有待開展儲油、儲氫、儲氦等多元化利用，引領產業創新發展。

2.3.1 鹽穴儲油

我國石油對外依存度逼近70%，且還處于高速增長趨勢，但我國的戰略石油儲備量遠遠低于美國、德國、法國等歐美發達國家，現有石油儲備規模與國際能源署建議的90 天安全戰略儲備量差距較大，現有儲油庫不能滿足需求[24]。

利用鹽穴空間進行儲油是快速補充石油戰略需求的有效手段，與地面儲罐相比具有投資低、占地面積小、損耗低、隱蔽、安全性強等優點。近十余年來，針對我國湖相沉積層狀鹽巖的賦存條件，國內已經開展了包括層狀鹽層探測、多夾層水溶造腔修復技術、微滲層超細水泥封堵、儲庫群災變演化和風險評估等研究，這也為我國鹽穴儲油庫的選址、設計、建造及穩定運行提供了關鍵技術支撐[25]。井崗[10]針對淮安地區鹽穴老腔改造儲油庫的方案進行了可行性闡述，分析認為鹽穴儲油庫的建設具有較好的經濟效益。隨著國家戰略石油儲備計劃的推進，鹽穴儲油庫必然會在未來我國的石油儲備體系中占據越來越大的分量，我國將會迎來鹽穴儲油庫的大力建設階段。

2.3.2 鹽穴儲氫

氫能被國際社會譽為21 世紀最具發展潛力的清潔能源[26]，全球氫能發展正步入快速產業化階段。我國是世界上最大的制氫國，年制氫產量約3 300×104t，其中達到工業氫氣質量標準的約1 200×104t。國家發展改革委與國家能源局聯合印發的《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》首次對我國氫能產業進行中長期規劃，氫能產業迎來重大發展機遇，氫能的快速和多元發展迫切需要加快對大規模儲氫項目的開展。

鹽穴儲氫相比較于地面儲存，具有儲量大、成本低、密封性好、操作靈活、節省地面土地資源等優點，可達吉瓦級儲量，是大規模儲氫的理想場所。利用鹽穴空間存儲氫氣可以借鑒鹽穴天然氣地下儲氣庫在建設和運營方面的大量成熟經驗，但是氫氣在物理性質上更為活躍，其氣體密度、黏度、溶解度、擴散性質與天然氣差異較大，需要進一步加強對鹽穴儲氫地質條件及完井材料腐蝕程度的評估。同時，氫氣的大規模生產還需要與電力生產設施、上游制氫方式、氫能使用場景進行配套研究，形成包含儲氫庫在內的“制、儲、用”一體化方案，更有益于產業配套提升及增大經濟效益[12]。目前針對江蘇金壇、云南安寧等地，均開展了建設大規模儲氫庫的前期研究工作[27-28]。鹽穴儲氫是目前大規模地下儲氫最有前景的選擇，或將成為氫能產業鏈中的重要一環。

2.3.3 鹽穴儲氦

氦氣是國防、軍工、電子等高精尖產業不可或缺的戰略性物資。中國氦氣消費量占全球總消費量的11%，且增速迅猛，但供應嚴重依賴進口，對外依存度最高達98.5%。受國際形勢影響，供應安全風險級別高。國內亟需建立可存氦氣的戰略儲備庫。

鹽穴儲氦作為一種可形成規模化儲存的存儲方式，在國外已經有了安全、穩定的鹽穴氦氣儲庫建設及運行示例，充分證明其可行性。同時，目前中國氦氣進口集散地主要集中在上海海關，主要需求地區為江蘇省、上海市、廣東省、浙江省、陜西省、北京市、天津市等[29]。國內已建或潛在可利用的鹽穴空間與氦氣進口集散地、消費市場臨近，有利于氦氣資源的供應、保存、運輸和使用。用鹽穴進行大規模儲氦或將成為氦氣重要的存儲方式。

2.3.4 鹽穴儲碳

在實現雙碳目標的進程中，碳封存技術是重要的核心技術。近年來，國內外學者對鹽穴空間開展CO2封存的可行性進行了探討，認為鹽巖具有極低的滲透率且難溶于CO2，可作為碳儲存的有效地質體[30]。皇凡生等以江蘇金壇地區鹽穴形態特征為基礎，通過建立封存的流-固耦合數學模型并求解，探討了CO2的運移泄漏規律及鹽巖與軟弱夾層滲透率動態響應特征，為CO2鹽穴封存提供了理論依據。目前，在四川自貢地區開展的地質封存CO2的鹽腔改造技術研究與應用課題，為我國首個利用鹽穴儲碳的示范項目。目前國內外尚無CO2地下鹽巖溶腔封存的先例，未來若得益于政策條件、技術儲備、運營交易方案的不斷優化，鹽穴儲碳有望在近年內有所突破。

2.3.5 鹽穴儲廢

一般來說，埋深較大、封閉性能好的鹽穴空間，對處理封存油田、化工、核能源產生的工業廢料具有較高的安全性，在國外已經有成功的案例[31]。利用鹽穴進行工業廢料的埋藏，首先應該選取遠離人口稠密的區帶，并進行整體安全評價，評價內容包括鹽穴穩定性評價、溶腔密封性評價、水文地質評價、環保評價、地震災害評價和定期安全檢測。從技術成熟度而言，鹽穴儲廢在國內已具備地質條件和技術條件。近年江蘇淮安也開展了堿渣回填鹽穴的工程實踐[16，32]，并取得了一定進展。利用鹽穴處理工業廢料及核廢料等或將成為未來的研究方向之一。

3 結束語

我國鹽巖資源豐富，原鹽產量位居世界第一，因鹽巖開采已形成及可形成的鹽穴空間規模巨大，將其視為一種“空間資源”加以重新利用，用于大規模存儲天然氣、壓縮空氣、原油、氫氣、氦氣等不同類型的產品或介質，顯著提高鹽巖資源綜合利用率，是實現產業融合升級發展的有效途徑。

本文通過調研國內外鹽穴空間利用現狀，綜合國內政策導向、經濟效益和社會效益、技術成熟度及工程實例，分析認為：結合國家能源安全要求及行業內對天然氣儲氣調峰的現實需求，利用符合條件的鹽穴空間建設天然氣儲氣庫將是鹽穴利用的最主要的方向。同時，在新能源強制配儲與補貼政策帶動的外部條件下，隨著儲能技術的不斷進步，鹽穴壓縮空氣儲能成本優勢將進一步凸顯，利用鹽穴進行壓縮空氣儲能或將進入快速發展的黃金期。結合產業需求及技術發展，鹽穴空間利用還可向集合儲油、儲氫、儲氦、儲廢等多元化介質儲存方向發展。我國鹽穴空間的開發利用潛力巨大，鹽穴空間的利用除了要考慮鹽層本身的地質條件、腔體形態、密閉性能及空間規模，還需要結合鹽穴區域位置、地面條件、產業鏈配套，并結合相應的政策及法律法規，進一步打造鹽業—化工—能源為一體的融合產業模式，最大化發揮鹽穴空間價值。