廢棄礦井改建能源儲庫的發展現狀及方法研究

韓桂武,郭書太,張慶森,周 銳

(1.中國石油天然氣管道工程有限公司, 河北 廊坊 065000;2.河南理工大學 能源科學與工程學院, 河南 焦作 454000)

隨著能源高效化、清潔化發展,傳統能源產業相繼去產能、去庫存、轉型升級,導致大量礦井關停,在現代化開采技術的加持下,產生了可觀的礦井可利用空間。在形成如此巨大的地下空間后,若將其進行簡單的封存處理,一方面是對礦井資源和地下空間的浪費,另一方面,巨大體量的地下空間不進行后續的修繕、維護,對于當地而言將會是重大的潛在地質隱患。對此巨大體量的地下空間進行利用,不僅能夠促使其產業轉型升級、重新定義礦井地下空間,也能夠減小甚至消除巨大體量地下空間存在的地質隱患[1]. 針對礦井儲能,Eui-Seob Park等[2]搭建了一個儲存液化氮的試驗裝置,試驗監測結果表明在襯砌巖洞中建造和運行地下液化天然氣儲存在技術上是可行的;Celestino等[3]基于儲能礦井的圍巖強度及蠕變情況,對圍巖支護角度開展了風險分析;Hyung-Mok Kim等[4]研究了襯砌巖洞室開挖破壞區(EDZ)對壓縮空氣儲能(CAES)地質力學性能的影響,并通過對比多種模擬方案得出最有利于降低襯砌抗拉破壞潛力的設計,該研究結論已為地下儲能項目中鉆孔和爆破的關鍵技術提供指導。

在廢棄礦井儲氣探索中,全球僅有3座煤礦儲氣庫,分別位于比利時和美國,目前僅剩美國儲氣庫仍在正常運行。礦井儲油研究中,法國將Maysurorne的一座廢棄鐵礦改造為500 萬m3的液化烴儲庫;德國將Holsen的一座廢棄鉀礦改造為液化烴儲庫;美國介紹了位于俄亥俄州南部的石灰石礦Ironton被改造為地下水封石油洞庫的全過程,從可行性分析到改建中的關鍵參數研究,全面對該礦區的巖土工程進行了闡述;Wang H等[5]通過研究某礦區硬石膏巖飽水飽油后在不同圍壓下的力學特性差異,并結合現場鉆孔高壓注水試驗、儲水儲油測試,評估水、油長期作用條件下硬石膏巖體滲透性,評價該硬石膏礦采空區儲油的密封性,為深部硬石膏采空區建造儲油庫提供了理論依據和技術支撐。我國研究人員也做了大量關于廢棄礦井儲存石油或天然氣的研究,但總體上相對于西方國家的進展還需進一步研究。

1 廢棄礦井儲油方法探索

1.1 石油地下儲庫選址原則

石油地下儲庫作為國家應對能源儲存提出來的新型方案,尤其是結合了我國礦井地下空間,使得礦井地下空間得以轉型升級,但根本上要求廢棄煤礦能夠滿足基本的地質條件。總體上,地下水封石油洞庫的選址包含區域位置、水文地質、經濟條件及地面條件在內,可以總結為兩個基本原則:1) 圍巖穩定性:圍巖穩定性評價、巖體完整性評價和巖體質量評價。2) 水封條件:保證充足的供水水源、做好防滲處理。

此外,還應結合當地居民分布、經濟條件、環境保護、石油運輸管道、進口路線、軍事地位等因素,綜合評價遴選出最適合改建石油儲庫的廢棄礦井區域[6].

1.2 廢棄礦井石油儲庫改建方案

以希臘Perama地區地下儲油庫的改建方案為例,選址地區位于山區的東南部,距離附近海域運輸港口僅幾公里,距離雅典市中心也僅20 km,其作為石油儲庫能夠滿足市區的日常供應以及港口碼頭的石油運輸。該地下石油儲庫埋深-40 m,擬建5個容積為40 000 m3的無襯砌巖洞作為石油儲庫群,頂板上鋪設兩條注水長廊,并等距取孔用以注水設施貫穿,形成水幕系統,見圖1. 該地下石油儲庫在滿足調用的同時能夠協調城市生活和資源儲存的問題[7].

該礦區巖體評價是通過對同一地區不同深度進行取樣,結合不同巖體評價指標(RMA、Q、GSI等)來定量分析該地區的地質條件和巖性特征。該地區巖石地質較好,石灰巖占比較大,層狀為中偏厚,底層總厚度200 m,UCS均值為55 MPa,單軸抗拉強度均值為5 MPa,滲透系數在10-5～10-6cm/s.

根據該地區的RMR(地質力學分級)49～72、Q(巴頓巖體質量分類)2～22、GSI(地質強度因子)57,基本判定該地區石灰巖基巖符合要求,但巖體的特征僅為一般到優質,后續的巖體條件改善工作也基于以上巖體評價指標進行。在Perama方案的巖性改良中,根據Q系數為2～22,支護手段選取錨桿結合噴射混凝土,再通過數值分析軟件進一步確定參數后,對最終支撐特性進行了調整和決定[8],頂板和側壁采用5 m長的錨桿進行系統錨固,其最大承載力為250 kN,并噴射150 mm厚的鋼纖維增強混凝土,支護手段見圖2.

圖2 礦井改建石油地下儲庫支護圖

除此之外,在巖石表面粗糙、孔隙變化大及裂隙較發育處,常用方解石或硬黏土等物填充,長度在0.5～3.5 m,針對密集區,還可采用灌漿方式進行填充。這一點能夠對我國進行地下石油儲庫的建設提供思路,通過用不同的巖體評價指標來定量描述礦井地下的巖體特性,并通過量化參數指導后續施工。

在石油地下儲庫水封條件的問題上,該選址地下水沒有強烈的季節性波動,水文地質條件良好。但地下水位在海平面+0.5 m～+1.0 m附近,面臨著地下水位高于海平面的問題,會導致封庫水外溢,不符合水封條件[9].針對此,選取了填海方式,人為增高附近海平面,并在地下水位+0.5 m處鉆孔攔截,使地下水位始終控制在海平面以下,進一步確保了地下水的不斷補充,在遵循水力遏制原理下,該石油地下儲庫的水封條件良好。

1.3 我國廢棄礦井儲油適建性探索

國外利用廢棄礦井改造石油地下儲庫的發展時間較長,除了可參考一些設計、施工經驗外,還應在我國石油傳輸、地質條件、能源安全等問題上綜合考究,選出合適的改建區域及改建礦井,再針對廢棄礦井巖層中的力學特性,進行合適的改建工作,以確保具體礦井選址的基本巖性要求。國外利用廢棄礦井儲油針對不同巖體的支護手段見表1.

表1 不同巖體支護經驗表

2 廢棄礦井改建石油儲庫的方法探索

2.1 石油地下儲庫選址原則

儲氣庫的選址,主要涉及煤礦和鹽礦這兩種類型,針對不同類型的礦井,其選址原則、改建手段、儲氣方式均存在差異。利用煤礦井下硐室作為儲存能源的載體,需在選址階段對擬建庫區地質條件和地面信息進行充分調研,開展技術手段可行性研究。根據資料總結出廢棄煤礦改建地下儲氣庫的基本技術指標:

1) 區位條件:地下儲氣庫位置距離能源消費區域越近越經濟,0～200 km為宜。

2) 地質構造條件:改建煤礦中煤層展布方向主要以水平或傾斜為主。

3) 井下可利用空間:儲氣空間50萬 m3以上,與周圍煤礦無連通。

4) 穩定性條件:擬建儲庫上部巖體穩定,垮落范圍不影響儲庫,無不良地質情況。

5) 密封條件:具有良好密閉性,水力梯度方向總是經儲庫圍巖由外向內,儲庫圍巖外部水壓不小于儲庫內油、氣壓之和。

6) 水文條件:煤礦內水系分布簡單,明確地下水位,有充沛地下水量。

7) 地面條件:具有開闊的地上空間,擬建庫區附近不應有大型建筑和密集人群分布。

相比之下,廢棄鹽穴的選址則更為復雜,涉及到鹽礦開采中的單腔、雙井連通腔兩種形式,其選址的原則和改建方案也不盡相同。通過調研鹽礦資料在前期研究的基礎上,結合工程可行性、安全穩定性、經濟效益性等因素,鹽穴改建儲氣庫選址原則如下:

1) 地質條件:密閉性良好,上覆巖層以硬石膏巖、鹽巖等氣密性好,孔隙率低的圍巖為主,儲藏深度適中。

2) 井下可利用空間:儲氣空間在8萬 m3以上,原有鹽穴開采中,未發生腔體溶漓等重大復雜事故。

3) 地面條件:具有開闊的地上空間,擬建庫區附近不應有大型建筑和密集人群分布。

2.2 廢棄礦井儲氣適建性探索

2.2.1 廢棄煤礦儲氣適建性探索

利用廢棄煤礦儲存能源通常需考慮煤礦地下空間的儲存能力,具體體現在煤礦開采方式中,煤礦開采方式包含自然垮落法、充填開采法和留煤柱開采法。典型廢棄煤礦改建地下儲氣庫的整體思路及布局見圖3. 其中自然垮落法的采空區上覆頂板自然下沉,覆蓋部分或全部采空區可利用空間,同時形成的垮落帶和下沉帶會嚴重影響儲庫圍巖的密封性。因此利用改建廢棄煤礦時,通常利用充填開采和留煤柱開采下的采空區進行能源儲備。已有研究團隊利用鎂渣充填物,改善采煤方法,施行“短-長壁結合法”,結合改性煤矸石實現了邊采邊填,形成CO2的地下物理-化學儲存體系,并在煤礦生產中取得成效。

圖3 廢棄煤礦改建地下儲氣庫布局圖

現存正在運行的美國廢棄礦井能源儲庫由于前期保護了頂板整體結構,留煤柱開采煤礦作為廢棄礦井采空區儲能的主要研究對象,因其煤柱的存在,采空區和巷道的地下空間保持良好的穩定性,同時煤柱對天然氣具備吸附能力,能夠儲存大量天然氣。

2.2.2 廢棄鹽礦儲氣工程應用

鹽礦開采主要有單井單腔開采和雙井連通開采兩種形式,見圖4. 單井單腔采鹽方式,通過注入淡水,在鹽穴內形成獨立腔體,依次進行鹽開采。雙井單腔采鹽方式,主要通過定向對接獨立鹽穴形成貫通式空間,是目前國內常用的采鹽方式,鹽礦本身的開采方式與鹽礦改建儲氣庫水溶造腔技術有一定聯系,但由于采注目標不同,所以存在較大差異,因此需在傳統鹽礦開采中進行技術革新,在采鹵的同時保證鹽穴的空間穩定性。

圖4 鹽腔采掘形式圖

鹽穴獨有的水溶方式使鹽礦在地下能源儲庫建設中得到廣泛的運用。我國金壇鹽礦儲氣工程已在西氣東輸項目中發揮重大作用,在金壇鹽礦改建歷程中,主要經歷了老腔改造、腔體氣密封測試、光纖連續監測以及高效注氣排鹵等建設節點。

老腔改造手段類比采鹽工藝,目前國際上普遍采用單井加油墊造腔,即僅鉆一口單井,形式如同單井單腔采鹽方式。針對我國西氣東輸沿途鹽礦多、構造復雜的地質特點,金壇鹽礦采用直井雙管加油墊造腔法,同時推廣該礦改造方式至西氣東輸沿線工程,已成功改建鹽腔空間達850萬 m3,成功率達100%,沿途鹽腔儲氣庫全部投產使用。

國際中常采用的腔體密封性測試主要依托向生產管道中注射柴油實現,通過對待檢測面進行油水界面偏移檢測來評價鹽腔密封性。在金壇鹽礦的密封性檢測中,改進柴油為氮氣,向生產管道中注入一定量的氮氣,其后通過監測腔體氣壓變化判斷腔體密封性,使得密封性的檢測方式更加科學、檢測手段更易實現、檢測結果更為準確。

金壇鹽礦創新采用光纖連續監測技術,通過將附著有光纖的造腔管伸入井中,其后向井內傳熱,利用柴油和鹵水比熱容的差異,形成溫差,此溫差由光纖檢測并上傳至井口,以此監測油水界面深度。

鹽礦儲氣庫通過腔體改造、氣密性測試和連續監測后,則需注氣排鹵實現儲氣庫的運營。金壇鹽礦儲氣庫簡化國際注氣排鹵流程,直接利用油管注氣排鹵。完成油管注氣排鹵后,將油管丟手以下部分丟落于腔體內,丟手以上部分作為注采管柱。

3 結 語

1) 已有西方國家利用廢棄鹽腔和廢棄礦井成功改建地下能源儲庫,考慮中國礦井地下可利用空間體量巨大,借鑒國外改建廢棄礦井先進的建設經驗,有利于釋放我國大體量礦井地下空間儲氣的發展潛力。

2) 廢棄礦井能源儲庫的建設,要求廢棄礦井能夠滿足基本的地質條件、圍巖穩定性和水封條件,具體體現在圍巖穩定性評價、巖體完整性評價、巖體質量評價、充足供水和圍巖防滲處理上。

3) 通過總結歸納國內外利用礦井作為能源地下儲庫的相關案例,綜述了礦井改建地下能源儲庫的基本標準,有助于促進廢棄礦井空間資源的再利用。