鹽穴儲氣庫溶腔過程鹽平衡模擬

侯 振，孫順平，張進治

（中國天辰工程有限公司，天津 300400）

鹽穴儲氣庫溶腔過程鹽平衡模擬

侯 振，孫順平，張進治

（中國天辰工程有限公司，天津 300400）

為滿足季節(jié)性調(diào)峰需求，保障供氣安全，利用地下鹽穴儲氣庫儲存天然氣在國際上被廣泛采用。鹽穴儲氣庫建造過程中水溶造腔是關(guān)鍵的一步，該過程時間跨度長且受地下鹽層結(jié)構(gòu)影響明顯。采集實際溶腔運行數(shù)據(jù)，用Aspen對實際溶腔運行數(shù)據(jù)進行鹽平衡模擬，提出了一種工程分析方法，為工程設(shè)計及生產(chǎn)運行提供依據(jù)。

鹽穴儲氣庫；溶腔；Aspen模擬

1 概述

為滿足季節(jié)性調(diào)峰需求，保障供氣安全，利用地下鹽穴儲氣庫儲存天然氣在國際上被廣泛采用。近年來，我國逐步開展儲氣庫的建設(shè)，其中江蘇金壇已初步實現(xiàn)注采氣，湖北、河南、江蘇等地開始開展前期的準備工作[1]。鹽穴儲氣庫建造過程中，水溶造腔是關(guān)鍵的一步，即通過向地下鹽層注水將鹽層溶解形成儲氣鹽腔，該過程時間跨度長，受地下鹽層結(jié)構(gòu)影響明顯。我國大部分鹽礦床為陸相沉積，鹽系一般具有明顯的沉積韻律，具有礦層層數(shù)多、單層厚度小、共生組分多、相變大等特點[2]，這將進一步增加實際溶腔操作的難度。目前，因國內(nèi)工程相對較少，實際運行數(shù)據(jù)很少見諸于報道。本文采集實際溶腔運行數(shù)據(jù)，用Aspen對實際溶腔運行數(shù)據(jù)進行鹽平衡模擬，提出了一種工程分析方法，為工程設(shè)計及生產(chǎn)運行提供依據(jù)。

2 模型理論

溶腔過程實際是以NaCl為主的鹽類在水中的溶解電離過程，以NaCl為例，可溶鹽類的溶解電離可表示為：

設(shè)NaCl平衡常數(shù)為K，可表示為如下形式：

γ為活度系數(shù)，S為溶解度；

由上式可知，要獲得體系的鹽平衡。需要確定溶液中電離離子的活度系數(shù)。

對于電解質(zhì)體系的活度系數(shù)計算，電解質(zhì)NRTL模型是一個非常實用的模型，該模型理論主要基于同類離子互相排斥和局部電中性2個假設(shè)。同類離子互相排斥認為，陽離子周圍的陽離子的局部組成是零，陰離子周圍的銀離子的局部組成是零；局部電中性認為，在任1個中心分子周圍的陰、陽離子按凈局部電荷為零分布。據(jù)上述假設(shè)推出的模型主要包含：描述的長程相互作用的Pitzer-Debye-Hückel模型和描述的短程相互作用的NRTL模型。模型的主要數(shù)學方程表述如下：

能量參數(shù) τB，B'，τB’，B，τca，B和 τB，ca與溫度的關(guān)系如下 ：

通常情況下，正規(guī)因子α為與溫度無關(guān)的量。電解質(zhì)與分子作用時正規(guī)因子α取固定值0.2，因此確定電解質(zhì)與分子的相互作用只需求出能量參數(shù)系數(shù)C，D和E。

3 數(shù)據(jù)獲得

本文所采用的分析數(shù)據(jù)來自溶腔過程實際運行數(shù)據(jù)，每隔一周現(xiàn)場取樣并進行化驗分析，對三口井連續(xù)采集三個月。實際鹵水中主要含Na+、Cl-、SO42-還有少量K+、Ca2+及微量的Li+、Mg2+、F-等其他組分。本數(shù)據(jù)分析目的僅是滿足生產(chǎn)運行需要及為工程設(shè)計提供指導，非高精度的科研分析。為簡化分析，實際分析只考慮溶液中NaCl和Na2SO4，現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)列于表1，濃度為摩爾分數(shù)。

表1 各井現(xiàn)場采樣實測鹵水濃度

從上表數(shù)據(jù)可以看出，A、B、C三井溶腔排出的鹵水溫度均為285K左右，主要是因為三口井同時進行溶腔，采用同一水源。B、C兩井鹵水濃度接近，A井鹵水濃度稍高，更接近飽和平衡。

4 結(jié)果與討論

4.1 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)初步分析，A井鹵水濃度相對高些，更接近平衡，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用Aspen模擬分析NaCl-Na2SO4-H2O中的鹽平衡，結(jié)果見圖1。

圖1 A井鹵水濃度測定及計算結(jié)果

4.2 模型驗證

圖2 B井鹵水濃度測定及計算結(jié)果

將A井鹽平衡模擬計算結(jié)果，用B、C井的數(shù)據(jù)進行驗證，考慮到濃度測定誤差，及計算過程中忽略少量及微量組分含量所造成的影響，整體計算結(jié)果可做為生產(chǎn)運行預(yù)測指導。

4.3 模型參數(shù)

NaCl（1）-H2O（2）-Na2SO4（3）三元體系中存在電解質(zhì)-分子、電解質(zhì)-電解質(zhì)兩種類型的相互作用，為建立該體系的電解質(zhì)NRTL模型，需確定電解質(zhì)與分子的能量作用參數(shù)τ1，2，τ2，1和τ2，3，τ3，2，電解質(zhì)與電解質(zhì)的能量作用參數(shù)τ1，3，τ3，1。所涉及的能量作用參數(shù)及正規(guī)因子列于表2。

圖3 C井鹵水濃度測定及計算結(jié)果

表2 物質(zhì)對間的電解質(zhì)NRTL模型參數(shù)

5 結(jié)論

（1）采集了鹽穴儲氣庫水溶造腔過程中的實際運行數(shù)據(jù)，忽略次要微量組分，用Aspen對主要組分進行了鹽平衡模擬，結(jié)果表明，Aspen計算結(jié)果相對可靠，可指導生產(chǎn)運行，為工程設(shè)計提供依據(jù)。因數(shù)據(jù)處理精度有限，相關(guān)數(shù)據(jù)不適用于精確的科研實驗。

（2）提供了一種處理問題的方法，相關(guān)數(shù)據(jù)不能直接用于其他儲氣庫建設(shè)，因為不同地區(qū)的鹽穴的鹽組分含量差別較大，不同地區(qū)的應(yīng)根據(jù)實際情況具體分析。

[1] 李銀平.深部鹽礦油氣儲庫水溶造腔控制的幾個關(guān)鍵問題[J].巖石力學與工程學報，2012，31（9）：1785-1796.

[2] 王清明.石鹽礦床與勘查[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007：80-143.

Salt Equilibrium Simulation of Leaching Process of Salt Cavity Gas Storage

Hou Zhen，Sun Shun-ping，Zhang Jin-zhi

To meet the demand of seasonal peak shaving and make sure gas supply security，underground salt cavity is widely used as natural gas storage in the world.Leaching step is the key step of cavity construction process which spans a long period and affected by underground salt layer structure.In this paper，Operation data getting from salt leaching running will be simulated for salt equilibrium with aspen plus software，and puts forward a method of engineering analysis providing basis for engineering design and production running.

salt cavity gas storage；leaching process；Aspen simulation

TE822

B

1003-6490（2017）12-0122-02

2017-10-12

侯振（1977—），男，山東菏澤人，高級工程師，主要從事化工開車及設(shè)計指導工作。