鹽穴儲(chǔ)氣庫地面工程技術(shù)要點(diǎn)研究

劉巖 程林

1大慶油田工程有限公司

2中國石油西氣東輸管道公司

建設(shè)儲(chǔ)氣庫是最經(jīng)濟(jì)有效的天然氣儲(chǔ)存和調(diào)峰手段，在平衡天然氣生產(chǎn)和市場需求、提高管網(wǎng)輸送效率、保障安全平衡供氣等方面發(fā)揮了重要作用。鹽穴儲(chǔ)氣庫宜用于季節(jié)調(diào)峰、應(yīng)急調(diào)峰、戰(zhàn)略儲(chǔ)備，具有靈活存儲(chǔ)和短期吞吐量大的特點(diǎn)。鹽穴儲(chǔ)氣庫可根據(jù)市場調(diào)峰需求的逐步增加來分期設(shè)計(jì)、建設(shè)，操作的機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、利用率高，一年中可多次注采氣循環(huán)；在應(yīng)急情況下，鹽穴儲(chǔ)氣庫采氣速率快，應(yīng)急能力強(qiáng)[1]。

1 鹽穴儲(chǔ)氣庫建庫基本原理

鹽穴儲(chǔ)氣庫是指利用地下已有的鹽層或鹽丘，采用人工的方式在鹽層或鹽丘中水溶形成腔體，用于天然氣回注、儲(chǔ)存和采出的系統(tǒng)體系。鹽穴儲(chǔ)氣庫一般采取水溶建庫方式：先將采鹵管柱下放至鹽層，將淡水或不飽和鹵水用泵通過采鹵管柱注入到鹽層中，水洗溶鹽后返回地面，再連續(xù)循環(huán)注入淡水或不飽和鹵水，返出鹵水。水洗溶鹽造成鹽層中的空間逐漸擴(kuò)大，最終形成設(shè)計(jì)要求的地下鹽穴。腔體形成后，再下入注采氣油管柱，進(jìn)行注氣排鹵作業(yè)。注氣排鹵結(jié)束后，從井內(nèi)起出排鹵油管柱，再安裝注采天然氣井口，進(jìn)而完成鹽穴儲(chǔ)氣庫地下工程建設(shè)，轉(zhuǎn)入注采氣運(yùn)行階段。

金壇鹽礦鹽巖層位于地下約1 100 m深，鹽腔溫度53℃，腔體運(yùn)行壓力6～17 MPa。圖1為金壇鹽礦地質(zhì)剖面和擬建鹽腔示意圖。圖2為造腔后鹽穴腔體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 金壇鹽礦地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of JinTan salt mine

鹽穴儲(chǔ)氣庫建庫特性和運(yùn)行特性區(qū)別于其他類型的儲(chǔ)氣庫：地面配套工程須額外增加造腔地面配套系統(tǒng)和注氣排鹵系統(tǒng)；注采氣工藝中壓縮機(jī)的選型也須兼顧注氣排鹵工況[2]；鹽穴采出氣含有鹵水，且各腔體獨(dú)立，壓力會(huì)有所不同，采氣脫水工藝須能夠適應(yīng)腔體溫度、壓力變化。

圖2 金壇鹽穴腔體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Cavity structure chart of Jintan Salt Cave

2 注采工藝

采用工況分析的方式對鹽穴儲(chǔ)氣庫的運(yùn)行進(jìn)行全面模擬，根據(jù)工況分析的結(jié)果來確定合理的鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)分期實(shí)施方案，進(jìn)一步優(yōu)化注采氣的規(guī)模、配置以及集輸系統(tǒng)的能力。

儲(chǔ)氣庫注采周期應(yīng)根據(jù)市場調(diào)峰需求情況確定。注采氣裝置設(shè)計(jì)規(guī)模須根據(jù)鹽穴儲(chǔ)氣庫的功能定位、注采周期和注采能力，并結(jié)合長輸管道供氣能力和調(diào)峰需求等合理確定。注采氣裝置應(yīng)根據(jù)造腔實(shí)際進(jìn)度，分期進(jìn)行建設(shè)。

注氣裝置的設(shè)計(jì)須滿足鹽穴儲(chǔ)氣庫運(yùn)行周期內(nèi)的各種工況條件要求，并應(yīng)同時(shí)適應(yīng)注氣排鹵周期內(nèi)的工況條件要求。以季節(jié)調(diào)峰為主時(shí)，采氣裝置的規(guī)模宜按高月高日峰值計(jì)算，采氣裝置不宜設(shè)置備用；兼顧季節(jié)調(diào)峰以及應(yīng)急供氣時(shí)，采氣裝置總規(guī)模應(yīng)按應(yīng)急供氣量確定，多套采氣裝置宜并聯(lián)設(shè)置。

天然氣水化物是水與烴類作用生成的結(jié)晶體，外表冰和致密的雪類似，是一種籠形晶狀包絡(luò)物。一般而言，C1～C4的烴類物質(zhì)可形成水化物，C5以上的烴類不能形成水化物。水化物的性質(zhì)不穩(wěn)定，一旦穩(wěn)定存在的條件破壞，就會(huì)迅速分解為烴和水。天然氣水化物是采輸氣中經(jīng)常遇到的難題之一。水化物生成于井筒中時(shí)會(huì)造成堵塞，并減少氣體流動(dòng)斷面、降低采氣量、損壞井筒內(nèi)部件，甚至造成氣井停產(chǎn)等危害。因此水化物生成于井口或地面管線中時(shí)會(huì)導(dǎo)致下游壓力降低，妨礙正常輸氣，甚至完全堵塞管道并造成停氣。

鹽穴儲(chǔ)氣庫在造腔時(shí)，一方面由于采用了溫度低的水進(jìn)行洗鹽濾提，使鹽穴儲(chǔ)庫具有冷型貯槽的特性。隨著天然氣的開采，雖然儲(chǔ)庫周圍鹽層能供給部分熱量，但遠(yuǎn)不能補(bǔ)償降壓帶來的“焦耳-湯姆遜效應(yīng)”，使天然氣迅速冷卻，再加上在經(jīng)過生產(chǎn)作業(yè)線上的壓力和摩擦等損耗，最終導(dǎo)致井口天然氣溫度低于儲(chǔ)庫溫度。如果天然氣中存在游離水，且溫度降低到某特定值時(shí)，大部分采氣將發(fā)生在水化物的生成區(qū)。另一方面，如果井口在一定溫度下進(jìn)行高壓注氣，也容易發(fā)生水化物沿井筒的凍堵問題。因此，在儲(chǔ)庫的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中，一方面須連續(xù)預(yù)測采出過程水化物的生成范圍，另一方面還須適時(shí)判定井口天然氣是否生成水化物，從而為指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。

3 脫水工藝分析

鹽穴儲(chǔ)氣庫的采出氣處理以控制水露點(diǎn)為目的，處理后的天然氣應(yīng)滿足輸氣管線的輸送氣質(zhì)要求。采氣裝置處理工藝的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足啟停方便、調(diào)節(jié)靈活和操作彈性大等要求[3-4]。采氣原理流程如圖3所示。

調(diào)峰采氣裝置推薦采用三甘醇脫水技術(shù)，僅在須滿足應(yīng)急供氣的采氣裝置中，推薦采用J-T閥制冷+注甲醇工藝來滿足外輸要求。

采出氣的組成與輸氣管道來的天然氣基本相同，但含有一定量的鹵水。在采氣初期，鹽腔內(nèi)為高溫高壓氣體，采出氣在集配氣閥組進(jìn)行節(jié)流，溫度、壓力降低，析出的液體經(jīng)分離器分離后，氣相進(jìn)入集注站，經(jīng)過濾分離后進(jìn)入脫水裝置。連續(xù)采氣時(shí)，隨著采出氣壓力降低，采出氣溫度也逐步降低，此時(shí)，主要控制在集輸過程中無水合物形成。當(dāng)采出氣降低到一定壓力，則須停止采氣一段時(shí)間，此時(shí)鹽腔內(nèi)處于低壓高溫狀態(tài)。因?yàn)辂}腔內(nèi)溫度較高，需考慮采出氣溫度是否能滿足三甘醇脫水裝置進(jìn)塔溫度要求，若溫度高于40℃，須在脫水裝置前增加空冷或水冷設(shè)備[5]。

金壇儲(chǔ)氣庫高壓采氣和低壓高溫采氣工況見表1。

表1 金壇儲(chǔ)氣庫高壓采氣和低壓高溫采氣工況Tab.1 Working conditions of Jitan Gas Storage with high pressure gas production and low pressure and high temperature gas production

4 造腔及注氣排鹵工藝

造腔及注氣排鹵地面工藝（圖4）設(shè)計(jì)主要包括：①鹽穴造腔地面工藝技術(shù)選擇；②鹽穴造腔注水泵機(jī)組調(diào)速技術(shù)方案的比選；③注氣排鹵工藝技術(shù)方案選擇。

圖3 采氣原理流程Fig.3 Process flow of gas production principle

4.1 注水泵類型選擇及組合

造腔淡水注入及采鹵應(yīng)用的注水泵主要分為離心式和柱塞式兩類。離心式泵的主要特點(diǎn)是排量大、流量平穩(wěn)、壓力波動(dòng)小，利于注采鹵管柱的長期運(yùn)行，缺點(diǎn)是產(chǎn)生的壓力相對較低；柱塞泵雖然能產(chǎn)生較高的壓力，但是其流量不均衡，壓力波動(dòng)范圍較大，工作壓力不平穩(wěn)，易導(dǎo)致注采鹵管柱的振動(dòng)和疲勞破壞，不利于管柱的長期運(yùn)行[8-9]。因此，選擇了多級離心泵作為造腔注水泵，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。鹽穴造腔注水泵機(jī)組以無級變速形式滿足造腔井周期性不斷變化的注水壓力以及注水量的要求，節(jié)能降耗達(dá)到10%～20%。

國內(nèi)第一次將液力調(diào)速技術(shù)應(yīng)用在造腔注水泵機(jī)組上，通過調(diào)整泵的排量和揚(yáng)程來優(yōu)化的高、低壓閥組間工藝技術(shù)，滿足各種工況條件下的快速造腔和鹽廠的鹵水回收要求。

4.2 造腔工藝流程

國內(nèi)首次優(yōu)化組合出鹽穴造腔注水和采鹵系統(tǒng)的“A+B”等工藝技術(shù)。為加快造腔進(jìn)度，對造腔井進(jìn)行分組，每階段同時(shí)兩井組進(jìn)行造腔，一組注入淡水，另一組注入未飽和鹵水。如第一批井為A、B兩組，A組井注入淡水，B組井注入A組井采出的未飽和鹵水。主要工藝流程包括以下步驟：

（1）從水源地來的淡水依次經(jīng)儲(chǔ)罐緩沖、沉降后，經(jīng)注水泵升壓并輸送至高壓閥組進(jìn)行分配、控制、調(diào)節(jié)和計(jì)量，再由高壓注水管路輸送至A組注水井口。

（2）從A組井口返出的鹵水經(jīng)低壓回水管網(wǎng)輸送至造腔注水站內(nèi)，經(jīng)過取樣分析后，未飽和鹵水進(jìn)入到儲(chǔ)罐，飽和鹵水輸往下游接收企業(yè)。

（3）未飽和鹵水經(jīng)注水泵升壓至高壓閥組進(jìn)行分配、控制、調(diào)節(jié)和計(jì)量后由高壓注水管路輸送到B組注水井口，從B組井口返出的鹵水再經(jīng)低壓回水管網(wǎng)輸至造腔站，計(jì)量后輸往下游鹵水接收企業(yè)。

4.3 布站方案

鹽穴為單腔單井，并且井與井間距離較遠(yuǎn)，每口井宜單獨(dú)設(shè)置1座井場。簡化井口設(shè)計(jì)，造腔期間井場除造腔管線外不設(shè)置輔助設(shè)施，造腔結(jié)束后需在井口安裝溫度檢測、壓力檢測、緊急切斷閥及遠(yuǎn)程操作的電動(dòng)球閥等設(shè)施。注采系統(tǒng)和造腔系統(tǒng)均采用兩級布站，注采集配氣閥組與造腔集配氣閥組應(yīng)合并建設(shè)[6]。

天然氣集輸管網(wǎng)呈枝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，注采管線合一設(shè)置，單井進(jìn)集配氣閥組。集配氣閥組的管線串接進(jìn)集注站；造腔注水系統(tǒng)管線敷設(shè)至集配氣閥組后采用枝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)至各井場；單井鹵水管線進(jìn)集配氣閥組，再串接進(jìn)集注站；鹵水外輸管線均單獨(dú)鋪設(shè)至各下游用戶[7]。

圖4 鹽穴儲(chǔ)氣庫造腔排鹵工藝流程Fig.4 Process flow of cality construction and brine discharge in the salt cave gas storage

5 壓縮機(jī)廠房和空冷器區(qū)降噪

金壇儲(chǔ)氣庫工程批復(fù)的環(huán)評報(bào)告書中要求的噪聲控制目標(biāo)為GB 12348—1990《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅰ類廠界標(biāo)準(zhǔn)，即廠界處噪聲等效聲壓級不超過45 dB(A)。噪音治理難度極大，通過與清華大學(xué)聲學(xué)研究所等公司合作研究，噪音治理達(dá)到了環(huán)保要求。

采取吸聲、隔聲、隔振和通風(fēng)消聲等噪聲控制措施進(jìn)行整體降噪的設(shè)計(jì)方案。壓縮機(jī)廠房的屋面和墻體均安裝高隔聲量輕質(zhì)泄爆降噪體；在縱墻上安裝采光隔聲窗；壓縮機(jī)廠房內(nèi)配置隔聲門（聲閘結(jié)構(gòu)）；廠房頂部和四周安裝進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)機(jī)消聲器；壓縮機(jī)四周基礎(chǔ)安裝使用隔振材料?？绽淦鲄^(qū)的屋面和墻體均安裝輕質(zhì)吸隔聲降噪體；空冷器設(shè)備上部安裝排風(fēng)導(dǎo)流消聲筒；空冷器進(jìn)風(fēng)口安裝消聲片，進(jìn)風(fēng)消聲片外圍再設(shè)置吸隔聲屏障[10]。

（1）廠房墻體和屋面安裝超高隔聲量輕質(zhì)泄爆吸隔聲降噪體。壓縮機(jī)廠房為甲類生產(chǎn)廠房，耐火等級為二級，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需要滿足相應(yīng)的防火和防爆要求。降噪體由吸、隔聲不燃板材現(xiàn)場復(fù)合拼裝組成，以確保優(yōu)良的降噪性能。

（2）安裝隔聲門和隔聲采光窗。壓縮機(jī)廠房的大門和逃生門全部采用隔聲門（聲閘結(jié)構(gòu)）。根據(jù)等透射量原則，單層隔聲門設(shè)計(jì)隔聲量≥35 dB，鋼制、防火防爆型，隔聲門上安裝防爆、逃生推杠鎖。壓縮機(jī)廠房采用在側(cè)墻安裝隔聲采光窗的方式采光，每個(gè)窗戶共兩道，每道采用雙層玻璃。

（3）安裝進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)機(jī)及配套消聲器。壓縮機(jī)廠房四周墻體安裝進(jìn)風(fēng)消聲器，進(jìn)風(fēng)消聲器的設(shè)計(jì)消聲量≥40 dB(A)。

（4）壓縮機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行隔振處理。壓縮機(jī)組在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)，其通過基礎(chǔ)使廠房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)傳聲。為減小設(shè)備基礎(chǔ)剛性接觸導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)傳聲，在基礎(chǔ)外圍地面以下安裝高強(qiáng)隔振板，此措施可以有效地減少振動(dòng)的傳播，從而降低廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳聲。

（5）排煙消聲圍護(hù)。壓縮機(jī)組末端配套安裝有燃驅(qū)尾氣排放裝置，若壓縮機(jī)排煙管道安裝的消聲器消聲量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，需在煙囪周圍安裝吸隔聲圍護(hù)，使其滿足廠區(qū)噪聲排放要求。

6 結(jié)束語

目前我國僅有1座鹽穴儲(chǔ)氣庫——金壇儲(chǔ)氣庫建成投產(chǎn)。隨著天然氣管網(wǎng)建設(shè)日益完善，氣源更加多樣化，鹽穴儲(chǔ)氣庫更能適應(yīng)LNG氣源的快速注采特性，在沿海地區(qū)建設(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫，可解決鹵水排放處理問題，更具有投資優(yōu)勢。目前中國石油平頂山和淮安等鹽穴儲(chǔ)氣庫的建設(shè)即將啟動(dòng)，鹽穴儲(chǔ)氣庫建設(shè)的高峰即將到來。將我國首座鹽穴儲(chǔ)氣庫的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，可對后續(xù)工程設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用，進(jìn)一步提高鹽穴儲(chǔ)氣庫的設(shè)計(jì)水平。