馬洪嶺，施錫林，章雨豪

(1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071；2.中國科學(xué)院大學(xué)，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(fù)特性，鹽穴是國際上公認(rèn)的能源儲存的最理想介質(zhì)[1-2]。歐美國家利用鹽巖地下空間儲存石油、天然氣已經(jīng)有幾十年的歷史。美國90%的戰(zhàn)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(shè)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(jì)初，我國的金壇鹽穴儲氣庫[6-7]、云應(yīng)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(shè)。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(fā)揮了重要作用[13-14]?，F(xiàn)階段，我國鹽穴儲氣庫的建設(shè)帷幕已逐漸拉開，鹽穴儲氣庫以其建設(shè)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(jù)重要的角色。

為了保證鹽穴的安全穩(wěn)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(wěn)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(jié)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(yè)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(shè)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(fā)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(wěn)定性；隨后，進(jìn)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(zhì)，用高壓空氣來維持鹽穴的穩(wěn)定性；最后提出一種內(nèi)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(shù)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(nèi)天然氣壓力不會撐破地層導(dǎo)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(wěn)。

一般來講，鹽穴儲氣庫最小運行壓力的設(shè)計準(zhǔn)則為擴(kuò)容準(zhǔn)則，擴(kuò)容準(zhǔn)則是非常嚴(yán)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(zhàn)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(kuò)容、破壞的復(fù)合強(qiáng)度模型，將儲庫圍巖劃分為彈性區(qū)、塑性區(qū)、滲透區(qū)和破壞區(qū)。在此基礎(chǔ)上，基于圍巖分區(qū)的穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則，并根據(jù)該判斷準(zhǔn)則提出了“緊急工況下的最小運行壓力”概念。

1.1 屈服-擴(kuò)容-破壞(YDF)復(fù)合強(qiáng)度模型

1.1.1 屈服函數(shù)及其硬化規(guī)律

通過大量鹽巖單三軸試驗，選擇應(yīng)力-應(yīng)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(shù)[9]：

σ1-σ3=a。

(1)

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

鹽巖屈服函數(shù)的形式與Tresca準(zhǔn)則的形式相同。鹽巖主要成分是NaCl，是晶體材料，力學(xué)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(guī)律，選擇塑性應(yīng)變第二不變量為硬化參數(shù)。從不同硬化參數(shù)時的屈服面得出結(jié)論，屈服面幾乎是等效硬化[9]。

1.1.2 擴(kuò)容準(zhǔn)則

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

(2)

1.1.3 破壞準(zhǔn)則

基于三軸壓縮試驗，在摩爾-庫倫準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上引入了不壞準(zhǔn)則——當(dāng)最小主應(yīng)力大于5 MPa時，鹽巖表現(xiàn)出大變形不壞的特點(圖1)。應(yīng)力區(qū)可以進(jìn)一步分為3個區(qū)域(圖2)，區(qū)域1為拉破壞區(qū)，區(qū)域2為剪破壞區(qū)，區(qū)域3為不破壞區(qū)。

圖1 鹽巖破壞準(zhǔn)則示意圖

圖2 破壞準(zhǔn)則劃分的不同破壞區(qū)域

AB:ft=(σt)max-σ3，

(3)

CD:fd=σd-σ3。

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

1.2 圍巖分區(qū)及判斷準(zhǔn)則

根據(jù)鹽巖的復(fù)合強(qiáng)度準(zhǔn)則，可以將鹽巖地下溶腔圍巖體分為4個區(qū)，如圖3所示，最外層為彈性區(qū)，依次向內(nèi)分別為塑性區(qū)、擴(kuò)容區(qū)以及破壞區(qū)。

圖3 鹽巖地下儲庫圍巖體分區(qū)示意圖

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

根據(jù)上述評價準(zhǔn)則可以確定鹽巖地下溶腔穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則為：①不可以出現(xiàn)破壞區(qū)；②可以出現(xiàn)擴(kuò)容區(qū)，但是擴(kuò)容區(qū)的范圍有限制；如兩個腔體的擴(kuò)容區(qū)不能重合，擴(kuò)容區(qū)不允許到達(dá)套管鞋的位置；③可以出現(xiàn)塑性區(qū)。

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(jù)上述復(fù)合強(qiáng)度理論，設(shè)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(shè)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(shù)方案擬通過注入飽和鹵水置換全部的墊底氣。

該技術(shù)的思路是：將飽和鹵水注入鹽穴儲氣庫中，占據(jù)腔內(nèi)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(wěn)定性。如果是在海邊或鹽湖地區(qū)，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(guī)范《Storage of hydrocarbons in underground formationsc(Z341 Series-06)》[21]，最小運行壓力的設(shè)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(wěn)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(shù)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(zhì)隔離空氣和天然氣最終實現(xiàn)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(jìn)行置換，如在最大運行壓力狀態(tài)下置換可避免最小運行壓力的設(shè)計，既能保證儲氣庫的穩(wěn)定安全，又可以將墊底氣變成工作氣(圖5)。當(dāng)然，如果為了置換效率也可在最大、最小運行壓力范圍內(nèi)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(shù)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(qū)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(shù)目最小是1個，最多是腔群數(shù)目的一半，即與儲氣庫1∶1的比例，一個儲氣庫對應(yīng)一個置換庫。當(dāng)置換庫數(shù)目是1時，優(yōu)點是儲氣庫群的總?cè)萘勘容^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(dāng)置換庫數(shù)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(jù)具體實際情況來設(shè)置置換庫的比例，達(dá)到置換速度和儲氣量的最優(yōu)化。

4 內(nèi)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(shù)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(shù)。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(tài)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(nèi)的高壓天然氣保持壓力平衡，氣囊本身不需承擔(dān)壓力；氣囊在未充氣時可以折疊成管道的細(xì)長狀，通過井筒的套管送進(jìn)鹽穴之中(圖6)。

圖6 內(nèi)膽式鹽穴儲氣庫方案圖

在該技術(shù)方案中，氣囊材質(zhì)的選擇是關(guān)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?？梢赃x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(qiáng)韌聚合塑膠、高強(qiáng)度熱碳強(qiáng)韌聚合PVC塑膠)，該類材料作為高分子強(qiáng)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(qiáng)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(biāo)示性氣體，比如氦氣，用以監(jiān)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(nèi)部的壓力水平，使得腔體處于一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)，可以是恒壓儲氣庫，避免了最小運行壓力的設(shè)計。當(dāng)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(yōu)點

1)沒有墊底氣。這是一種沒有墊底氣的儲氣庫，內(nèi)部天然氣可以全部采出。

2)儲氣量大。內(nèi)膽式儲氣庫墊底氣可以全部采出，儲氣量大于傳統(tǒng)式鹽穴儲氣庫，即便由于夾層的懸伸，內(nèi)膽的體積小于鹽穴，總體的儲氣量也會大于傳統(tǒng)式鹽穴的儲氣量。如1 000 m地層的20萬m3鹽穴，對于傳統(tǒng)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(nèi)膽式儲氣庫，假設(shè)因為夾層的懸伸等不規(guī)則形態(tài)，只有三分之二的鹽穴體積可以做內(nèi)膽，則大概有13萬m3的內(nèi)膽體積，內(nèi)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(tǒng)式的鹽穴儲氣庫。

3)高效。置換速度可達(dá)到管口面積的最大氣體臨界速度，遠(yuǎn)高于液體的流速。

4)節(jié)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(zhì)，節(jié)約了成本；

5)可提高儲氣庫運行壓力，保護(hù)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(nèi)壓，保證儲氣庫的運行壓力處于最穩(wěn)定的狀態(tài)?？梢宰龀珊銐簝鈳?，儲氣量大，風(fēng)險低，避免了循環(huán)注采氣時周期性壓力變化帶來的巨大風(fēng)險。

6)不用擔(dān)心鹽穴地質(zhì)結(jié)構(gòu)的氣體泄漏。國外由于地質(zhì)體的不密封，泄漏事故時有發(fā)生，金壇儲氣庫也發(fā)生了一例微滲層不密封的案例。如果使用內(nèi)膽式鹽穴儲庫，則不用擔(dān)心泄漏問題，因為直接和鹽穴地質(zhì)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(nèi)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(jié)約成本。該技術(shù)方案不僅實現(xiàn)了空氣置換墊底氣，還間接形成了一種內(nèi)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(fù)注采氣給鹽穴圍巖帶來的循環(huán)加卸載，避免了鹽穴儲庫圍巖的不穩(wěn)定甚至破壞，極大延長了鹽穴的使用壽命。

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

5 結(jié)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(shù)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(shè)計準(zhǔn)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(shè)計了一種內(nèi)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(wěn)定性。