鹽穴地下儲氣庫產(chǎn)業(yè)鏈增值增效技術(shù)思路

王 文 權(quán)

華北石油管理局有限公司江蘇儲氣庫分公司

0 引言

鹽穴地下儲氣庫廣泛分布于多個國家和地區(qū)。因其可以實現(xiàn)快速“吞吐”天然氣，所以既能滿足管道系統(tǒng)季節(jié)調(diào)峰的需要，也能滿足日調(diào)峰甚至小時調(diào)峰的需要，靈活的調(diào)配能力受到業(yè)內(nèi)青睞[1]。世界上第一座鹽穴地下儲氣庫由美國于1961 年建成，其后該項技術(shù)在北美及歐洲迅速推廣，多年的經(jīng)驗和先進(jìn)的技術(shù)使得鹽穴儲氣庫的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式趨近成熟[2]。中國第一座鹽穴地下儲氣庫——金壇儲氣庫于2007 年正式投產(chǎn)運行，距今只有14 年的歷史，與歐美發(fā)達(dá)國家相比，中國鹽穴地下儲氣庫的建設(shè)和管理技術(shù)仍處于初期發(fā)展階段[3-5]。如何利用建設(shè)和管理新技術(shù)實現(xiàn)鹽穴地下儲氣庫產(chǎn)業(yè)鏈的增值增效、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，此前鮮有報道。通過對中國鹽穴地下儲氣庫產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀分析，深入剖析了當(dāng)前鹽穴地下儲氣庫產(chǎn)業(yè)鏈的低值低效問題，通過研究產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)，從技術(shù)原理、技術(shù)可行性、技術(shù)優(yōu)勢等方面對鹽穴地下儲氣庫產(chǎn)業(yè)增值增效協(xié)作模式進(jìn)行了分析和探討，并提出了實施的建議和展望。

1 中國鹽穴地下儲氣庫產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀

鹽穴儲氣庫的建造方法主要是通過利用水溶法采礦的工藝技術(shù)，在地下層狀鹽層或鹽丘內(nèi)溶淋出可用于儲存天然氣的巨大洞穴[6-10]，由于我國鹽礦資源主要掌握在鹽化工企業(yè)，所以鹽穴儲氣庫的建設(shè)形成了一種“先采鹽、后儲氣”的一體化產(chǎn)業(yè)鏈模式，由儲氣庫專業(yè)公司負(fù)責(zé)按照儲氣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采鹵建庫，鹽化工企業(yè)負(fù)責(zé)接收濃鹵水制鹽銷售，實現(xiàn)雙贏[11-13]。然而隨著我國天然氣消費能力的逐年攀升，儲氣能力的建設(shè)則顯得相對滯后，深入剖析當(dāng)前鹽穴儲氣庫的產(chǎn)業(yè)鏈模式，主要存在以下低值低效問題。

1.1 鹵水處理效率低

鹽穴儲氣庫在造腔過程中會產(chǎn)生大量高濃鹵水，而高濃鹵水恰好是鹽化工企業(yè)制鹽的原材料。由于鹽化工企業(yè)受市場波動影響，鹵水的接收能力往往跟不上造腔的需求，而目前的工藝只能等腔體造腔結(jié)束后才能進(jìn)行注氣投產(chǎn)，這無疑制約了鹽穴儲氣庫的建庫效率，延長了注采氣投產(chǎn)的時間。例如，金壇儲氣庫的最大排鹵能力常年高于實際接收能力的3倍左右（圖1），理論上一口25×104m3的腔體只需2 ～3 年即可建成投產(chǎn)，但受鹵水處理能力的制約，往往一口腔體需要4 ～5 年才能建成投產(chǎn)。

圖1 金壇儲氣庫鹵水接收能力與排鹵能力對比圖

1.2 墊底氣長期被占壓

墊底氣是為保持腔體穩(wěn)定、防止腔體坍塌收縮而長期儲存在腔體內(nèi)的一部分氣體。采氣生產(chǎn)時，當(dāng)采氣壓力降低至下限壓力時，腔體內(nèi)的剩余氣量就是該腔體的墊底氣量。目前中國鹽穴儲氣庫的墊底氣量約占總庫容的40%，這部分天然氣只有在腔體廢棄后才能被采出，在腔體的整個生命周期內(nèi)，都將長期儲存在腔體內(nèi)。以金壇儲氣庫為例，按照每年投產(chǎn)4 口腔體計算，墊底氣量逐年增多，全部投產(chǎn)后最高可超過10×108m3，一般腔體的設(shè)計使用壽命為30 年，大量墊底氣長期被占壓在腔體內(nèi)（圖2）。

圖2 金壇儲氣庫墊底氣量占壓周期示意圖

1.3 大量廢棄老腔閑置

中國采鹽制鹽歷史悠久，鹽礦經(jīng)過長期的開采，形成了大量的廢棄老腔，例如，金壇鹽化工企業(yè)每年新增地下空間約220×104m3[14]。由于鹽化工企業(yè)的目的是最大限度地采鹽和制鹽，起初并未考慮儲存氣體，大部分老腔的形態(tài)沒有得到有效控制，氣體密封性無法保證，所以不能直接用于儲存易燃易爆的天然氣，已經(jīng)形成的巨大地下空間和大量剩余飽和鹵水不僅不能被利用，還需要花精力對廢棄鹽腔的安全進(jìn)行監(jiān)測。

綜上所述，目前形成的“鹽企—氣企”合作下的產(chǎn)業(yè)模式，盡管開辟了中國鹽穴儲氣庫建設(shè)的道路，但隨著建設(shè)經(jīng)驗的積累和技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)業(yè)模式仍有改進(jìn)空間，為進(jìn)一步加快鹽穴儲氣庫的建設(shè)，亟需優(yōu)化產(chǎn)業(yè)模式，激發(fā)產(chǎn)業(yè)活力，實現(xiàn)鹽穴儲氣庫全產(chǎn)業(yè)鏈的增值增效。

2 鹽穴地下儲氣庫產(chǎn)業(yè)鏈增值增效技術(shù)思路

2.1 “邊采鹽、邊儲氣”技術(shù)思路

通過控制腔體形態(tài)，使腔體首先形成上大下小的“葫蘆狀”，并利用上部空間儲存天然氣，然后再通過控制氣水界面的移動，完成后續(xù)造腔工程（圖3）。該技術(shù)的特點是在“葫蘆狀”的上部空間形成氣頂，這部分天然氣可以直接參與調(diào)峰用氣，同時可以作為后續(xù)造腔的阻溶劑，繼續(xù)完成腔體的后續(xù)造腔工作，在不影響對鹽化工企業(yè)的鹵水供應(yīng)情況下，實現(xiàn)了腔體內(nèi)一定體積的提前投產(chǎn)，縮短了工作氣的形成周期。

德國Sta?furt S 106 井是一口以實現(xiàn)提前投產(chǎn)為目的的井，并于1996 年利用該技術(shù)進(jìn)行建設(shè)，該井在1998 年形成38.3×104m3腔體體積后提前進(jìn)行了完井作業(yè)并投產(chǎn)，此后利用儲存于腔頂?shù)奶烊粴鈪⑴c調(diào)峰并進(jìn)行阻溶造腔，后續(xù)新增腔體體積7×104m3[15-16]。目前我國還沒有從一開始就利用該技術(shù)思路對腔體進(jìn)行造腔設(shè)計，但金壇儲氣庫于2007 年利用該技術(shù)對一口已經(jīng)投產(chǎn)的腔體進(jìn)行了天然氣阻溶造腔工程試驗，實現(xiàn)了對該腔體形態(tài)的修復(fù)和體積的擴容，擴容約1.4×104m3，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗[17-18]。

2.2 “氣—液往復(fù)式互替”技術(shù)思路

通過控制壓力和排量，使得腔體內(nèi)的氣體與液體實現(xiàn)往復(fù)式互替，當(dāng)腔體中的天然氣需要被全部采出時，通過注入鹵水將天然氣頂替出來，反之，可通過注入天然氣再將鹵水頂替出來。該技術(shù)通過將注采鹵管柱置于氣水界面以下，注采氣管柱置于氣水界面以上，利用成熟的分布式光纖監(jiān)測技術(shù)實時監(jiān)控氣液界面位置，實現(xiàn)“氣—液往復(fù)式互替”，再通過控制氣液兩端的注采壓力和排量，可保證腔體內(nèi)壓力的基本恒定，消除注采交變應(yīng)力對腔體及管柱產(chǎn)生的影響，同時可將原來用于保持腔體穩(wěn)定、防止腔體坍塌收縮而長期儲存在腔體內(nèi)的墊底氣利用起來，參與調(diào)峰，未來甚至可用于深層鹽穴儲氣庫建庫。

該技術(shù)思路與鹽穴儲氣庫的“注氣排鹵”和“注鹵排氣”的過程類似[19-20]，“注氣排鹵”技術(shù)在我國已經(jīng)是一項成熟技術(shù)，完成造腔的井正是利用該技術(shù)才得以成功投產(chǎn)，盡管“注鹵排氣”技術(shù)沒有被明確提出，但國外在腔體廢棄時、天然氣阻溶造腔時都利用了該技術(shù)，我國金壇儲氣庫在進(jìn)行天然氣阻溶造腔試驗時也積累了這項技術(shù)的經(jīng)驗。為確保長期頻繁、高效安全的“氣—液往復(fù)式互替”，可將原來的單井完井方式改進(jìn)為雙井完井（圖4），原來的單井完井方式在進(jìn)行“注氣排鹵”或“注鹵排氣”時，液體通道大小只有114.3 mm，氣體通道則為177.8 mm 管柱與114.3 mm 管柱的環(huán)形空間，驅(qū)替效率低，金壇儲氣庫的腔體完成注氣排鹵時長一般為3 ～6 個月，改進(jìn)后，液體通道大小可達(dá)244.5 mm，氣體通道大小可達(dá)177.8 mm，可有效提高驅(qū)替效率。此外，為確保腔體內(nèi)的鹽巖不會再被溶解，如何尋找體量巨大的鹵水和儲存鹵水的空間成了最大的難題，而鹽化工企業(yè)廢棄的老腔以及老腔內(nèi)的鹵水恰好可以解決這個問題，確保了該技術(shù)思路的可行性。

圖3 “邊采鹽、邊儲氣”技術(shù)思路示意圖

圖4 單井完井與雙井完井“氣—液往復(fù)式互替”技術(shù)思路示意圖

2.3 “氣電聯(lián)動調(diào)峰”技術(shù)思路

壓縮空氣儲能技術(shù)是通過利用低谷電、棄風(fēng)電、棄光電等驅(qū)動壓縮機將空氣壓縮至有限空間內(nèi)儲存起來，待需要時再將壓縮空氣釋放并轉(zhuǎn)化為電能。利用鹽腔作為有限空間來儲存壓縮空氣，與天然氣的存儲過程有諸多相似之處，“氣電聯(lián)動調(diào)峰”技術(shù)思路是通過利用一根聯(lián)動管將天然氣氣腔和壓縮空氣儲能腔相連通，用于腔體間氣液互替過程中的液體介質(zhì)流通通道，形成一種“氣—液—氣往復(fù)式互替”工藝模式（圖5），當(dāng)天然氣需要被采出時，可首先通過利用空氣壓縮機將空氣注入老腔腔體內(nèi)，將老腔內(nèi)的剩余鹵水壓至天然氣氣腔用于采出墊底氣，此時老腔內(nèi)形成一定量的壓縮空氣，然后再根據(jù)需要，可進(jìn)一步壓縮空氣至老腔，實現(xiàn)壓縮空氣儲能，反之壓縮空氣儲能端則可用于發(fā)電。

圖5 氣電交替調(diào)峰技術(shù)思路示意圖

壓縮空氣儲能技術(shù)經(jīng)過40 多年的研究與實踐，國外已經(jīng)比較成熟，其中德國Huntorf 電站和美國McIntosh 電站都是利用地下鹽腔作為儲氣空間的電站，目前均成功投入商業(yè)運營且運行良好，盡管我國還沒有利用鹽腔作為壓縮空氣儲存空間的壓縮空氣儲能電站投用，但目前已經(jīng)在江蘇金壇規(guī)劃建設(shè)，另外在山東肥城也已開展先期評價工作[21-23]。通過將“壓縮空氣儲能”技術(shù)與“氣—液往復(fù)式互替”技術(shù)思路相結(jié)合，充分利用鹽化工企業(yè)的剩余老腔，形成一種新的“氣電聯(lián)動調(diào)峰”技術(shù)思路，可實現(xiàn)用氣、用電的交替調(diào)峰。

3 鹽穴地下儲氣庫產(chǎn)業(yè)增值增效新模式

隨著科技的進(jìn)步，儲能調(diào)峰行業(yè)已經(jīng)形成多項特色技術(shù)，鹽穴儲氣庫作為其中的一種，也已有了長足的發(fā)展，通過對技術(shù)的集成分析，結(jié)合各鹽穴儲氣庫的自身特點，并從產(chǎn)業(yè)增值增效的角度出發(fā)，將原來單一的天然氣調(diào)峰架構(gòu)拓展形成新型的氣電聯(lián)調(diào)架構(gòu)，進(jìn)而形成一種新的鹽穴儲氣庫產(chǎn)業(yè)鏈增值增效協(xié)作模式（圖6）。新模式整合利用了3 種增值增效技術(shù)思路，具有諸多優(yōu)勢：①“邊采鹽、邊儲氣”技術(shù)思路是一種新的造腔方法，可在一定程度上縮短形成工作氣的周期，提高儲氣庫的投產(chǎn)效率，同時利用天然氣替代柴油作為阻溶劑，避免了柴油的損耗和污染，增加了產(chǎn)業(yè)鏈價值和社會效益；②“氣—液往復(fù)式互替”技術(shù)思路不僅將鹽化工企業(yè)的老腔“變廢為寶”，提高地區(qū)資源利用效率，還可盤活墊底氣資源，快速提高調(diào)峰工作氣；③“氣電聯(lián)動調(diào)峰”技術(shù)思路整合了“壓縮空氣儲能”技術(shù)與“氣—液往復(fù)式互替”技術(shù)思路，可實現(xiàn)用氣、用電的交替調(diào)峰，進(jìn)一步提高地區(qū)資源利用率。

4 結(jié)束語

鹽穴地下儲氣庫的產(chǎn)業(yè)鏈增值增效不僅僅依托于某一種資源或者某一種技術(shù)，企業(yè)往往只關(guān)注自身利益而缺乏對全局的考慮，為兼顧各方利益，建議由地方政府牽頭組織成立相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，制訂合理的運營方案和聯(lián)動機制，將原來的“鹽企—氣企”合作模式升級為“電企—鹽企—氣企”合作模式，產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)互惠互利，變“雙贏”為“共贏”，真正推動鹽穴儲氣庫產(chǎn)業(yè)鏈的重構(gòu)和優(yōu)化，早日實現(xiàn)“能源共儲共調(diào)，產(chǎn)業(yè)增值增效”。

圖6 鹽穴儲氣庫產(chǎn)業(yè)鏈增值增效新模式示意圖

中國鹽巖礦產(chǎn)資源豐富，鹽穴儲氣庫發(fā)展前景廣闊，通過分析鹽穴儲氣庫產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀，梳理產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)，提出“邊采鹽、邊儲氣”“氣—液往復(fù)式互替”、“氣電聯(lián)動調(diào)峰”3 種增值增效技術(shù)思路，并基于上述技術(shù)思路提出新的協(xié)作模式，新模式通過改進(jìn)造腔方式、充分利用老腔、引入壓縮空氣儲能技術(shù)等，使得不同儲能之間形成聯(lián)動關(guān)系，既可以盤活墊底氣資源和剩余鹵水資源，又能提高建庫效率，實現(xiàn)氣、電聯(lián)動調(diào)峰，以期全面提升鹽穴儲氣庫的產(chǎn)業(yè)鏈價值和效率。