含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址評(píng)價(jià)方法研究

董家偉，李 毅

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

大規(guī)模的儲(chǔ)能技術(shù)是解決風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇性清潔能源能否高效利用和持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。含水層壓縮空氣儲(chǔ)能(Compressed Air Energy Storage in Aquifers，CAESA)采用具有良好蓋層頂板的適宜含水層介質(zhì)作為地下儲(chǔ)氣空間進(jìn)行儲(chǔ)能，相比于其他形式的儲(chǔ)能技術(shù)和儲(chǔ)氣庫(kù)類(lèi)型，其具有成本低和介質(zhì)分布廣泛的特點(diǎn)，因此越來(lái)越受到世界各國(guó)的關(guān)注。

但目前國(guó)際上尚無(wú)采用地下含水層作為儲(chǔ)氣庫(kù)的實(shí)際工程，相關(guān)研究尚處于探索和理論分析評(píng)價(jià)階段。1978年，Stottlemyre對(duì)孔隙介質(zhì)(含水層或廢棄的天然氣儲(chǔ)層)中壓縮空氣儲(chǔ)能進(jìn)行了初步的穩(wěn)定性研究和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的研究。1979年，Wiles針對(duì)無(wú)水孔隙介質(zhì)壓縮空氣儲(chǔ)存技術(shù)的熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了模擬研究。1983年到1985年間，Allen等對(duì)美國(guó)Pittsfield含水層壓縮空氣儲(chǔ)能進(jìn)行了場(chǎng)地條件的描述，針對(duì)場(chǎng)地條件對(duì)該地區(qū)適合進(jìn)行壓縮空氣儲(chǔ)能的區(qū)域進(jìn)行了研究，并提供了一套合理的空氣循環(huán)操作數(shù)據(jù)，得出在含水層中進(jìn)行壓縮空氣儲(chǔ)能不僅經(jīng)濟(jì)成本低而且應(yīng)用范圍更廣的結(jié)論。2006年，美國(guó)能源部計(jì)劃在Iowa建立一個(gè)270 MW規(guī)模的壓縮空氣地質(zhì)儲(chǔ)能電站，并對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行了詳細(xì)地質(zhì)勘探和模擬評(píng)價(jià)分析。2008年，Succar等對(duì)近年來(lái)壓縮空氣儲(chǔ)能的原理和應(yīng)用發(fā)展進(jìn)行了研究和總結(jié)，強(qiáng)調(diào)了含水層壓縮空氣儲(chǔ)能的關(guān)鍵參數(shù)問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)可行性。2010年，Kushnir等建立了含水層壓縮空氣儲(chǔ)能的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)解析解研究了井筒濾網(wǎng)長(zhǎng)度和水涌的關(guān)系。2013年，美國(guó)太平洋西北實(shí)驗(yàn)室的研究人員詳細(xì)評(píng)價(jià)了在太平洋西北地區(qū)進(jìn)行含水層壓縮空氣儲(chǔ)能的可能性和潛力區(qū)域。2013年，Oldenburg等開(kāi)發(fā)了井筒與儲(chǔ)層耦合的模擬器T2WELL，驗(yàn)證了在含水層中進(jìn)行大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能能夠獲得很好的儲(chǔ)能效率。2015年，Jarvis針對(duì)美國(guó)南卡羅來(lái)納的孔隙介質(zhì)中壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的適宜性進(jìn)行了研究,提出了平直含水層作為儲(chǔ)氣空間是可行的。參照CO地質(zhì)儲(chǔ)存和天然氣含水層儲(chǔ)存的經(jīng)驗(yàn)，含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址評(píng)價(jià)分析是從理論研究到實(shí)際工程實(shí)施的重要環(huán)節(jié)，適宜的場(chǎng)地能夠保證該技術(shù)的整體效率和安全性，故含水層作為壓縮空氣儲(chǔ)氣空間的選址評(píng)價(jià)能夠揭示其應(yīng)用潛力，并決定了該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展前景。

近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)清潔能源利用的重視，大規(guī)模的含水層壓縮空氣儲(chǔ)能的研究和示范工程穩(wěn)步推進(jìn)，針對(duì)含水層壓縮空氣儲(chǔ)能，許多學(xué)者進(jìn)行了較為詳細(xì)的理論研究，驗(yàn)證了含水層作為儲(chǔ)氣空間的可行性，并對(duì)影響整體效率的含水層性質(zhì)因素進(jìn)行了模擬分析研究，完善了該技術(shù)的理論體系。在已有研究的基礎(chǔ)上，本文將從儲(chǔ)層性質(zhì)、地質(zhì)安全和經(jīng)濟(jì)效益三個(gè)因素出發(fā)，建立含水層壓縮空氣儲(chǔ)能定性和定量的選址評(píng)價(jià)體系，并初步分析了我國(guó)實(shí)施該技術(shù)的潛力，為加速該儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，提高清潔能源的應(yīng)用范圍和效率，以緩解能源利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾提供參考。

1 儲(chǔ)氣庫(kù)勘探選區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取和評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

含水層壓縮空氣儲(chǔ)能實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)向具有良好蓋層的含水層中循環(huán)注抽一定量的空氣，利用孔隙介質(zhì)達(dá)到儲(chǔ)存高壓空氣的目的。為了保證含水層壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行，需要在工程前期注入緩沖氣體，排開(kāi)一定空間的地層水形成類(lèi)似的儲(chǔ)氣空間。在該儲(chǔ)能系統(tǒng)施工和運(yùn)行過(guò)程中，相對(duì)重要的選址因素主要包括以下三大類(lèi)共12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：①目標(biāo)儲(chǔ)層孔隙介質(zhì)性質(zhì)即儲(chǔ)層性質(zhì)因素，包括儲(chǔ)層埋深、儲(chǔ)層原生礦物類(lèi)型、儲(chǔ)層孔隙度、儲(chǔ)層滲透率和儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)；②蓋層和場(chǎng)地的地質(zhì)安全即地質(zhì)安全因素，包括蓋層穩(wěn)定性、蓋層封閉性和場(chǎng)地穩(wěn)定性；③經(jīng)濟(jì)效益因素，包括地理位置、投資成本、儲(chǔ)能規(guī)模和井筒腐蝕。

1.1 儲(chǔ)層性質(zhì)因素

目標(biāo)儲(chǔ)層的特性是決定含水層壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)高效運(yùn)行的本質(zhì)因素。根據(jù)已有含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址評(píng)價(jià)中對(duì)含水層主要性質(zhì)指標(biāo)的選擇，并考慮所選指標(biāo)對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響，選取儲(chǔ)層埋深、儲(chǔ)層原生礦物類(lèi)型、儲(chǔ)層孔隙度、儲(chǔ)層滲透率和儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)5個(gè)指標(biāo)作為儲(chǔ)層性質(zhì)因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.1.1 儲(chǔ)層埋深

儲(chǔ)層的埋深主要決定了含水層壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在緩沖氣體注入和循環(huán)過(guò)程中壓力的變化范圍。不同的壓力變化范圍對(duì)儲(chǔ)蓋層、地表壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的整體設(shè)計(jì)都有很大的影響。當(dāng)不考慮深度對(duì)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)設(shè)計(jì)的影響時(shí)，目標(biāo)儲(chǔ)層的埋深越大，整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率越高，越可能從周邊地層中獲得地?zé)崮艿难a(bǔ)給(見(jiàn)圖1)。但隨著深度的增加，注入緩沖氣體和循環(huán)注抽空氣產(chǎn)生的壓力積聚更大，可能會(huì)引起儲(chǔ)蓋層的力學(xué)破壞。而且，由于更大的空氣注入和抽采壓力需要更多級(jí)的壓縮機(jī)和膨脹機(jī)以及需要增加額外的儲(chǔ)熱單元，會(huì)對(duì)設(shè)備提出更高的要求，并在設(shè)備的設(shè)計(jì)上需要投入更大的成本。故在選址時(shí)，儲(chǔ)層埋深既不能太小(循環(huán)壓力過(guò)小引起能量效率低且需要更大的儲(chǔ)氣空間)，也不能太大(壓力受到系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備發(fā)展的限制)。

圖1 不同儲(chǔ)層深度下儲(chǔ)能效率的比較[16]Fig.1 Comparison of energy storage efficiency in different depth[16]

表1給出了已有和計(jì)劃的鹽洞和含水層壓縮空氣儲(chǔ)能工程的儲(chǔ)層深度范圍以及研究者對(duì)含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址評(píng)價(jià)時(shí)考慮的儲(chǔ)層深度范圍。結(jié)合工程實(shí)際和理論研究，場(chǎng)地的儲(chǔ)層深度范圍應(yīng)為400～1 200 m，在合適的儲(chǔ)層深度范圍內(nèi)，埋深越大儲(chǔ)能效果越好。

表1 已有和計(jì)劃工程的儲(chǔ)層深度以及研究者提出的儲(chǔ)層深度范圍Table 1 Range of depth proposed in the projectsand researches

1.1.2 儲(chǔ)層原生礦物類(lèi)型

由于壓縮空氣中含有大量的氧氣，當(dāng)其進(jìn)入儲(chǔ)層中時(shí)，可能與儲(chǔ)層中的原生礦物發(fā)生氧化反應(yīng)。化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果可能導(dǎo)致：生成的新的物質(zhì)由于體積增大或者產(chǎn)生沉淀堵塞孔隙空間，使得儲(chǔ)層的滲透率和孔隙度變?。怀槌鰵怏w中的氧氣減少，可能影響后續(xù)發(fā)電中進(jìn)入燃燒室燃料的燃燒效率，進(jìn)而降低整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量效率，這種氧氣減少對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響可能在時(shí)間尺度較長(zhǎng)時(shí)更為顯著。Pittsfield試驗(yàn)中解釋了含水層礦物類(lèi)型為硫化亞鐵時(shí)對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響。此外，當(dāng)儲(chǔ)層為鈣質(zhì)的硫化礦物時(shí)，氧化反應(yīng)后容易形成石膏，而石膏的沉積會(huì)減小儲(chǔ)層的孔隙度，進(jìn)而影響整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能。由于水分在化學(xué)反應(yīng)中起到較大的作用，以含水層作為地下儲(chǔ)氣庫(kù)時(shí)，無(wú)法像鹽洞那樣可以通過(guò)對(duì)空氣進(jìn)行除濕處理來(lái)減弱氧化反應(yīng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響。故在進(jìn)行選址時(shí)，要盡可能避免含硫成分較高的鐵質(zhì)或鈣質(zhì)的原生礦物類(lèi)型的儲(chǔ)層地區(qū)。

1.1.3 儲(chǔ)層孔隙度

儲(chǔ)層的孔隙度反映巖石孔隙體積的大小。在含水層壓縮空氣儲(chǔ)能時(shí)，對(duì)于一定量的注入氣體，儲(chǔ)層孔隙度的大小影響著儲(chǔ)氣空間規(guī)模的需求。對(duì)于理想的具有低滲透邊界的自然儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，孔隙度越大代表著相同封閉結(jié)構(gòu)下，儲(chǔ)能系統(tǒng)所能進(jìn)行的儲(chǔ)能規(guī)模越大；對(duì)于非理想的均質(zhì)含水層來(lái)說(shuō)，隨著孔隙度的減小，循環(huán)過(guò)程中的壓力也隨之變小，在抽采過(guò)程中，小孔隙度下的井口壓力更小，這可能導(dǎo)致隨著持續(xù)的循環(huán)開(kāi)采，壓力將會(huì)更早達(dá)到儲(chǔ)能系統(tǒng)要求的最小壓力，從而導(dǎo)致系統(tǒng)停止運(yùn)行(見(jiàn)圖2)。

圖2 不同儲(chǔ)層孔隙度下井口壓力的變化Fig.2 Variation curves of wellhead pressure under different porosity of the aquifers

Stottlemyre和Allen等分別在1978年和1983年提出了含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址時(shí)儲(chǔ)層孔隙度要大于10%，2008年Succar等提出了13%為場(chǎng)地儲(chǔ)層的最小孔隙度。因此，綜合研究結(jié)果，選址時(shí)含水層孔隙度最好宜大于13%，且隨著儲(chǔ)層孔隙度的增大，整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能規(guī)模擴(kuò)大，儲(chǔ)能效率提高。

1.1.4 儲(chǔ)層滲透率

儲(chǔ)層滲透率對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)起著非常重要的作用。理想的目標(biāo)含水層是高滲透率的儲(chǔ)氣空間外圍具有低滲透率的邊界，在自然環(huán)境中這種較為理想的儲(chǔ)層可見(jiàn)于背斜結(jié)構(gòu)封閉下的高滲透含水層、高滲透砂巖的透鏡體和不導(dǎo)水?dāng)鄬臃珠_(kāi)下的高滲透含水層結(jié)構(gòu)。對(duì)于均質(zhì)含水層來(lái)說(shuō)，較高滲透率的儲(chǔ)層雖然更容易進(jìn)行大規(guī)模的抽注但是卻會(huì)造成儲(chǔ)層中大量氣體的損失，從而降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的可持續(xù)性；較低滲透率的儲(chǔ)層雖然能阻止氣體大范圍的擴(kuò)散，但是卻使得抽注過(guò)程的壓力波動(dòng)較大，無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的抽采，從而需要在工程中增加工作井的數(shù)量，故降低了儲(chǔ)能系統(tǒng)總體的經(jīng)濟(jì)效益。例如在計(jì)劃設(shè)計(jì)首個(gè)含水層壓縮空氣儲(chǔ)能Iowa電站時(shí)，通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)因儲(chǔ)層的滲透率較小，其儲(chǔ)能規(guī)模無(wú)法取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，最后不得不停止該項(xiàng)目。研究者統(tǒng)一認(rèn)為，含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址時(shí)，儲(chǔ)層滲透率選取的最低閾值為300 mD。

1.1.5 儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為不同的含水層結(jié)構(gòu)具有不同的天然封閉氣體的效果。通過(guò)對(duì)比背斜、向斜和平直含水層的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可持續(xù)循環(huán)次數(shù)(見(jiàn)圖3)可以發(fā)現(xiàn)，不同含水層天然封閉氣體的效果表現(xiàn)為背斜含水層>平直含水層>向斜含水層。出現(xiàn)這種情況的原因主要是背斜含水層在上部具有一定的天然封閉結(jié)構(gòu)，可以阻止氣體的擴(kuò)散。可以預(yù)見(jiàn)的是，曲率更大的完整背斜結(jié)構(gòu)可以形成較大的封閉理想含水層結(jié)構(gòu)，從而能夠更好地應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)。因此，在含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址時(shí)，背斜結(jié)構(gòu)、低滲地層中的高滲砂巖透鏡體和斷層分割開(kāi)的高滲地層結(jié)構(gòu)都是理想的天然儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)。

圖3 3種結(jié)構(gòu)含水層儲(chǔ)能系統(tǒng)可持續(xù)循環(huán)次數(shù)的對(duì)比[13]Fig.3 Comparison of system cycle times variance among three different aquifer systems[13]

1.2 地質(zhì)安全因素

當(dāng)儲(chǔ)氣庫(kù)位于含水層時(shí)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)的密封性和穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性具有很重要的作用。在對(duì)含水層壓縮空氣儲(chǔ)能進(jìn)行選址評(píng)價(jià)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)場(chǎng)地是否能夠進(jìn)行壓縮空氣儲(chǔ)能是兩個(gè)必須要考慮的因素。

1.2.1 蓋層封閉性

含水層壓縮空氣儲(chǔ)能的蓋層必須具備足夠的密封性，以防止壓縮空氣沿垂直方向泄漏從而可能引起對(duì)上層含水層的影響以及由于氣體泄漏產(chǎn)生的儲(chǔ)能效率降低。一般情況下蓋層的巖性構(gòu)造主要為沉積巖，蓋層內(nèi)部通常都被地層水所潤(rùn)濕，含水層中的壓縮空氣需要排替蓋層孔隙中的原生水才能進(jìn)入蓋層向上運(yùn)移，故蓋層的排替壓力可以作為衡量蓋層封閉性的主要參數(shù)，排替壓力越大則蓋層的密閉性越好。同時(shí)，在評(píng)價(jià)區(qū)域蓋層的封閉性時(shí)還要充分考慮蓋層區(qū)域分布的連續(xù)性。含水層壓縮空氣儲(chǔ)能中對(duì)于無(wú)明顯低滲邊界的均質(zhì)含水層來(lái)說(shuō)，隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行，壓縮空氣逐漸遠(yuǎn)離工作井區(qū)域，故當(dāng)蓋層分布的連續(xù)性較差時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致在含水層遠(yuǎn)處的位置出現(xiàn)蓋層厚度的尖滅，從而使得空氣向上層擴(kuò)散。此外，在一定范圍內(nèi)，對(duì)蓋層裂隙和斷層及廢棄井封井情況等潛在泄漏通道的調(diào)查也可用于衡量蓋層封閉性的參數(shù)。對(duì)于蓋層的封閉性評(píng)價(jià)在一定程度可以借鑒油氣工程和CO地質(zhì)儲(chǔ)存工程中的蓋層密閉性的評(píng)價(jià)方法。

綜上所述，在含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)充分考慮一定區(qū)域內(nèi)密閉蓋層的封閉性，即需要對(duì)蓋層的排替壓力、蓋層區(qū)域分布的連續(xù)性和蓋層中是否存在潛在泄漏通道進(jìn)行評(píng)價(jià)。較好的蓋層條件應(yīng)該是具有較大的排替壓力，在一定區(qū)域內(nèi)連續(xù)性分布，且無(wú)明顯的潛在泄漏通道。

1.2.2 蓋層穩(wěn)定性

含水層壓縮空氣儲(chǔ)能過(guò)程中，由于需要向含水層注入大量的氣體，容易造成儲(chǔ)層壓力的積聚，而過(guò)大的壓力可能會(huì)破壞蓋層的穩(wěn)定性。對(duì)蓋層穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)主要是對(duì)蓋層地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的研究。蓋層的力學(xué)效應(yīng)作用可能會(huì)引起蓋層初始裂隙的張開(kāi)、蓋層巖石或者巖體的破壞，較大的注入壓力可能會(huì)使得蓋層不完整并誘發(fā)潛在泄漏通道的產(chǎn)生。通過(guò)三軸試驗(yàn)分析巖石應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系，可以研究蓋層的地質(zhì)力學(xué)穩(wěn)定性。蓋層的地質(zhì)力學(xué)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，可以參考CO地質(zhì)封存的相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法。

在對(duì)含水層壓縮空氣儲(chǔ)能進(jìn)行選址評(píng)價(jià)時(shí)，蓋層的地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)越好、巖石破碎壓力越大，蓋層的穩(wěn)定性就越好，由注入空氣引起的壓力積聚對(duì)整個(gè)地層的影響才會(huì)越小。

1.2.3 場(chǎng)地穩(wěn)定性

場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)主要是指地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或者自然災(zāi)害對(duì)候選場(chǎng)地地下儲(chǔ)氣庫(kù)結(jié)構(gòu)和地上配套工程設(shè)施的影響評(píng)價(jià)。與CO地質(zhì)封存場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)相似，在含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址評(píng)價(jià)時(shí)要考慮地震和活動(dòng)斷層的影響。地震和活動(dòng)斷層會(huì)大幅度破壞儲(chǔ)能系統(tǒng)的圈閉條件，從而影響整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。此外，為了保證地面發(fā)電相關(guān)設(shè)施的安全，儲(chǔ)氣庫(kù)地面工程場(chǎng)地也應(yīng)該選擇區(qū)域穩(wěn)定性較好的地區(qū)，避免自然地質(zhì)災(zāi)害如洪水、火山、滑坡、泥石流、地面塌陷等的影響。

1.3 經(jīng)濟(jì)效益因素

在對(duì)含水層壓縮空氣儲(chǔ)能進(jìn)行選址評(píng)價(jià)時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益也是衡量場(chǎng)地是否適合進(jìn)行含水層壓縮空氣儲(chǔ)能的重要因素。場(chǎng)地所處的地理位置、投資成本、儲(chǔ)能規(guī)模和由于井筒腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失是評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益因素所選取的4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3.1 地理位置

含水層壓縮空氣儲(chǔ)能主要是針對(duì)集中式風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能的系統(tǒng)，故在建庫(kù)選址時(shí)，首先應(yīng)該考慮候選場(chǎng)地所在區(qū)域的風(fēng)力資源和用電需求情況，避免由此產(chǎn)生的次級(jí)成本增加(距離適合的風(fēng)電站太遠(yuǎn)或用電需求低而增加輸氣管道/跨區(qū)域輸電設(shè)施的成本)或中途泄漏的可能性增大；其次，儲(chǔ)氣庫(kù)一般應(yīng)距離大城市或用戶(hù)集中地150 km以?xún)?nèi)為宜，以降低遠(yuǎn)距離輸電的成本，并保證足夠的用電需求。此外，儲(chǔ)氣庫(kù)選址要符合區(qū)域發(fā)展規(guī)劃，避免建立在如自然保護(hù)區(qū)、軍事區(qū)、礦產(chǎn)資源儲(chǔ)備區(qū)等敏感區(qū)域。為了避免由于高壓氣體對(duì)地層的破壞而造成的深部水質(zhì)較差的含水層滲漏到飲用水開(kāi)采含水層的危害，儲(chǔ)氣庫(kù)選址也應(yīng)該盡量避免距離飲用水水源地較近的地方。

1.3.2 投資成本

含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址評(píng)價(jià)時(shí)考慮的投資成本主要為勘探投資成本和區(qū)域設(shè)施調(diào)查成本。含水層作為儲(chǔ)氣庫(kù)與利用開(kāi)挖鹽洞相比，需要更加詳細(xì)的候選場(chǎng)地區(qū)域的地質(zhì)資料來(lái)判斷蓋層和儲(chǔ)層相關(guān)的性質(zhì)是否合適，勘探費(fèi)用估算主要依據(jù)區(qū)域三維地震勘探規(guī)模、探井鉆探、儲(chǔ)蓋層水力測(cè)試、斷層干擾試井和巖心室內(nèi)試驗(yàn)等。如果候選場(chǎng)地在勘探之前存在油藏或者天然氣開(kāi)采等類(lèi)似工程，存在較多可利用的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和含水層信息等，將會(huì)極大地減少勘探的投資成本。此外，區(qū)域已有設(shè)施也是選址時(shí)需要考慮的一個(gè)因素，其包括調(diào)查區(qū)域老井和廢棄井的固井和封堵情況、了解地面基礎(chǔ)設(shè)施(水、交通等)和區(qū)域規(guī)劃等，區(qū)域內(nèi)可利用的老井和地面基礎(chǔ)設(shè)施越多，候選場(chǎng)地的經(jīng)濟(jì)性越好。

通過(guò)對(duì)建庫(kù)選址的投資成本因素分析發(fā)現(xiàn)，選址時(shí)區(qū)域地質(zhì)情況資料越豐富、可利用的地面基礎(chǔ)設(shè)施和老井?dāng)?shù)量越多，在選址區(qū)域建庫(kù)越經(jīng)濟(jì)。

1.3.3 儲(chǔ)能規(guī)模

儲(chǔ)能規(guī)模是反映儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)能規(guī)模和調(diào)節(jié)電力平衡的重要參數(shù)。在不破壞蓋層封閉性的情況下，增大儲(chǔ)氣壓力可以增加整個(gè)儲(chǔ)氣庫(kù)的容量，也可提高單井的儲(chǔ)能效果，增強(qiáng)儲(chǔ)氣庫(kù)的調(diào)節(jié)能力。在其他因素相同的情況下，儲(chǔ)氣庫(kù)的上限壓力可以用來(lái)評(píng)價(jià)候選場(chǎng)地在儲(chǔ)氣規(guī)模設(shè)計(jì)時(shí)能夠達(dá)到最大的儲(chǔ)氣規(guī)模。候選場(chǎng)地儲(chǔ)氣庫(kù)的上限壓力越大，可以進(jìn)行的儲(chǔ)能規(guī)模越大，整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益也就越好。

1.3.4 井筒腐蝕

井筒在工作時(shí)，由于長(zhǎng)時(shí)間與地層水接觸容易造成井筒結(jié)構(gòu)的腐蝕。特別地，由于高溫高壓氣體的循環(huán)抽采可能會(huì)進(jìn)一步加速井筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的腐蝕。井筒的腐蝕很大程度上降低了儲(chǔ)能系統(tǒng)的單井效率，需要定期地采用相關(guān)方法進(jìn)行清理和修復(fù)，從而增大了儲(chǔ)能系統(tǒng)的維護(hù)成本。井筒的腐蝕程度大小與地層水的成分和菌群種類(lèi)有關(guān)，故在選址時(shí)需要對(duì)地層水的化學(xué)成分和生物菌群的類(lèi)別進(jìn)行試驗(yàn)和判斷，以預(yù)估可能會(huì)對(duì)井筒造成腐蝕破壞的程度，便于采用相應(yīng)的材料防止井筒的過(guò)度腐蝕。此外，當(dāng)?shù)貙訙囟容^高時(shí)，也會(huì)加快井筒的腐蝕破壞。

故在選址時(shí)也要對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可能加快井筒結(jié)構(gòu)腐蝕的各種綜合因素進(jìn)行預(yù)先評(píng)價(jià)。通過(guò)評(píng)價(jià)分析，采取減慢井筒腐蝕的預(yù)防措施，從而降低井筒和相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)成本，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)效益。

1.4 評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

通過(guò)對(duì)候選場(chǎng)地不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取和評(píng)價(jià)研究，利用AHP法的結(jié)構(gòu)分級(jí)建立含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其具體的層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.4 Structural model of site selection evaluation for compressed air energy storage in aquifers

由圖4可見(jiàn)，在評(píng)價(jià)體系中，儲(chǔ)氣庫(kù)的綜合評(píng)價(jià)體系作為整體的目標(biāo)層，主要的三大類(lèi)評(píng)價(jià)因素即儲(chǔ)層性質(zhì)因素、地質(zhì)安全因素和經(jīng)濟(jì)效益因素作為準(zhǔn)則層(一級(jí)指標(biāo))，三大類(lèi)評(píng)價(jià)因素細(xì)化的12種具體評(píng)價(jià)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)層(二級(jí)指標(biāo))。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外CO地質(zhì)封存和含水層天然氣儲(chǔ)存選址的相關(guān)研究以及對(duì)目前國(guó)際上含水層壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)選址的相關(guān)研究和計(jì)劃的含水層儲(chǔ)氣工程選址進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，并綜合對(duì)該技術(shù)理論進(jìn)行的研究，將儲(chǔ)氣庫(kù)綜合評(píng)價(jià)體系中各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分為優(yōu)、良、中、差4個(gè)級(jí)別(見(jiàn)表2)，以便對(duì)含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址評(píng)價(jià)進(jìn)行定性和定量分析。

表2 含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)Table 2 Index classification in site evaluation for compressed air energy storage in aquifers

2 我國(guó)含水層壓縮空氣儲(chǔ)能潛力分析

目前，我國(guó)對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的研究還處于起步階段，特別是對(duì)于含水層作為壓縮空氣儲(chǔ)氣庫(kù)的研究尚處于空白。本文將通過(guò)分析我國(guó)主要盆地的儲(chǔ)蓋層性質(zhì)概況和可能存在的重點(diǎn)勘探目標(biāo)，對(duì)我國(guó)含水層壓縮空氣儲(chǔ)能的應(yīng)用潛力進(jìn)行初步分析。

2.1 我國(guó)盆地級(jí)含水層壓縮空氣儲(chǔ)能潛力分析

含水層壓縮空氣儲(chǔ)能的選址評(píng)價(jià)需要候選場(chǎng)地較為詳細(xì)的地質(zhì)資料，但客觀情況是小尺度范圍的地質(zhì)資料獲取困難。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，結(jié)合我國(guó)CO地質(zhì)場(chǎng)地和油氣開(kāi)采地區(qū)的相關(guān)地質(zhì)資料信息，本文對(duì)我國(guó)大部分盆地的儲(chǔ)蓋層性質(zhì)進(jìn)行了總結(jié)分析，通過(guò)有限的資料信息在盆地尺度上對(duì)我國(guó)含水層壓縮空氣儲(chǔ)能的應(yīng)用潛力進(jìn)行了初步分析。我國(guó)主要盆地的儲(chǔ)蓋層特征信息見(jiàn)表3。

表3 我國(guó)主要盆地的儲(chǔ)蓋層特征信息表[28]Table 3 Characteristics of reservoir and cap in major basins in China[28]

由表3可知，從有儲(chǔ)層滲透率數(shù)據(jù)的盆地結(jié)果發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)層滲透率大于300 mD的盆地有12個(gè)，儲(chǔ)層孔隙度大于10%的盆地有23個(gè)；盆地蓋層的狀況普遍較好，但是大多數(shù)斷裂的活動(dòng)情況都較大。在盆地尺度上對(duì)我國(guó)含水層壓縮空氣儲(chǔ)能應(yīng)用潛力進(jìn)行總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)：從儲(chǔ)層性質(zhì)因素來(lái)看，我國(guó)大部分盆地地區(qū)的儲(chǔ)層孔隙度都能夠滿足要求，部分盆地的儲(chǔ)層因滲透率過(guò)小，在天然情況下可能無(wú)法滿足選址的需要，但是通過(guò)后期的改良，儲(chǔ)層可以達(dá)到適合的標(biāo)準(zhǔn)，具體的儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)參數(shù)還需要進(jìn)行進(jìn)一步的勘探來(lái)確定；從地質(zhì)安全因素來(lái)看，盆地普遍的蓋層狀況良好，但是裂隙和斷裂活動(dòng)部分盆地較密集，需要在場(chǎng)地選址評(píng)價(jià)時(shí)開(kāi)展進(jìn)一步的研究；從經(jīng)濟(jì)效益因素來(lái)看，大部分盆地由于是油氣開(kāi)采的地區(qū)，能夠獲得較多的地質(zhì)資料信息，從而減少了勘探調(diào)查的費(fèi)用，此外盆地開(kāi)采油氣時(shí)存在較多的老井和較為完善的地面基礎(chǔ)設(shè)施，能夠進(jìn)一步減小經(jīng)濟(jì)成本。

2.2 可能存在的重點(diǎn)勘探目標(biāo)

參考我國(guó)天然氣含水層儲(chǔ)氣庫(kù)的重點(diǎn)勘探目標(biāo)，對(duì)篩選出的相關(guān)地區(qū)含水層作為壓縮空氣儲(chǔ)氣庫(kù)的應(yīng)用潛力進(jìn)行了分析研究，我國(guó)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)3個(gè)重點(diǎn)勘探目標(biāo)地區(qū)的儲(chǔ)層特征參數(shù)，見(jiàn)表4。

表4中主要描述了我國(guó)各個(gè)地區(qū)構(gòu)造的儲(chǔ)層性質(zhì)因素的參數(shù)，包括儲(chǔ)層孔隙度、儲(chǔ)層滲透率、儲(chǔ)層埋深、構(gòu)造圈閉等。按照選址儲(chǔ)層因素各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)我國(guó)各個(gè)地區(qū)候選場(chǎng)地儲(chǔ)層參數(shù)進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 我國(guó)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)重點(diǎn)勘探目標(biāo)地區(qū)的儲(chǔ)層特征參數(shù)[29]Table 4 Parameters of the aquifers in the key exploration targets in China[29]

由表5可知，我國(guó)不同地區(qū)候選場(chǎng)地由于儲(chǔ)層參數(shù)范圍的變化，其評(píng)價(jià)等級(jí)也隨之變化；對(duì)于東北地區(qū)的前4個(gè)候選場(chǎng)地中，當(dāng)選擇合適的儲(chǔ)層滲透率和儲(chǔ)層埋深區(qū)域進(jìn)行含水層壓縮空氣儲(chǔ)能的設(shè)計(jì)時(shí)，其各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠達(dá)到優(yōu)的等級(jí)；我國(guó)3個(gè)地區(qū)的儲(chǔ)層孔隙度和儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)均普遍能夠達(dá)到優(yōu)的等級(jí)，不確定的評(píng)價(jià)結(jié)果只出現(xiàn)在儲(chǔ)層埋深和儲(chǔ)層滲透率；由于資料的缺乏無(wú)法對(duì)儲(chǔ)層原生礦物類(lèi)型和地質(zhì)安全因素進(jìn)行等級(jí)的評(píng)價(jià)。此外，我國(guó)東北地區(qū)、長(zhǎng)三角地區(qū)和環(huán)渤海地區(qū)都處于我國(guó)計(jì)劃大力振興或已經(jīng)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，這些地區(qū)的電力需求較高、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較好，而且具備建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，且這3個(gè)地區(qū)均處于我國(guó)風(fēng)能資源較豐富的地區(qū)，因此具有較高的含水層壓縮空氣儲(chǔ)能的應(yīng)用潛力。

表5 我國(guó)不同地區(qū)選址儲(chǔ)層參數(shù)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Evaluation result of reservoir factors in the selection targets in China

3 評(píng)價(jià)模型

在上述對(duì)含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行構(gòu)建和各個(gè)不同因素評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定性研究的基礎(chǔ)上，本文將利用AHP法和多因子綜合評(píng)價(jià)法對(duì)候選場(chǎng)地進(jìn)行定量分析。

3.1 選址目標(biāo)層計(jì)算方法

AHP法是美國(guó)學(xué)者Saaty在20世紀(jì)70年代提出的，該方法結(jié)合運(yùn)籌思想將復(fù)雜問(wèn)題分解成各個(gè)組成因素，并將這些因素按照支配關(guān)系分組形成層次結(jié)構(gòu)，通過(guò)確定各因素在所在分組層次中的相對(duì)重要性，得到其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響權(quán)重。具體步驟如下：第一步是構(gòu)建評(píng)價(jià)體系的遞階層次結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)，根據(jù)整體的目標(biāo)和評(píng)價(jià)因素的類(lèi)別分為目標(biāo)層(

A

)、準(zhǔn)則層(一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)

B

～

B

)和各個(gè)準(zhǔn)則層下的評(píng)價(jià)層(二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)

C

～

C

)；第二步是按照層次關(guān)系對(duì)每個(gè)單獨(dú)層次的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行重要性比較，構(gòu)造判斷矩陣，按照本文中的層次結(jié)構(gòu)需要構(gòu)造

A

-

B

、

B

-

C

、

B

-

C

、

B

-

C

4個(gè)判斷矩陣；第三步是通過(guò)判斷矩陣，計(jì)算各個(gè)因素在所在層次的影響權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，隨機(jī)一致性比率滿足要求時(shí)才認(rèn)為影響權(quán)重的計(jì)算是合理的。

在利用AHP法計(jì)算出各個(gè)因素對(duì)整體的影響權(quán)重后，結(jié)合表2中各個(gè)因素定性評(píng)價(jià)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)多因子綜合評(píng)價(jià)法，構(gòu)建目標(biāo)層即含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址的綜合評(píng)價(jià)模型如下：

(

1

)

式中：

Y

為選址評(píng)價(jià)總得分；

C

為二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)下各個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的得分，得分按照表2中對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)定性評(píng)價(jià)的等級(jí)優(yōu)、良、中、差分別取值10、8、6、4分；

w

為

C

層中各個(gè)單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于上一層的影響權(quán)重；

B

為準(zhǔn)則層各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于目標(biāo)層的影響權(quán)重；

m

和

n

分別為達(dá)標(biāo)準(zhǔn)則層和相應(yīng)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)目。

依據(jù)綜合評(píng)價(jià)計(jì)算得到的選址評(píng)價(jià)總得分?jǐn)?shù)，將儲(chǔ)氣庫(kù)選址的綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也分為4級(jí)：①一級(jí)，即候選場(chǎng)地區(qū)域狀況優(yōu)，綜合評(píng)分為9～10分之間，該區(qū)域適宜建立含水層壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，場(chǎng)地安全穩(wěn)定性高，經(jīng)濟(jì)效益好；②二級(jí)，即候選場(chǎng)地區(qū)域狀況良，綜合評(píng)分為7～9分之間，該區(qū)域能夠建立含水層壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，但需要在建設(shè)期對(duì)整體儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究和經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估，可以采用相關(guān)含水層改造方法提高儲(chǔ)能效率；③三級(jí)，即候選場(chǎng)地區(qū)域狀況一般，綜合評(píng)分為6～7分之間，該區(qū)域基本可以建立含水層壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，但需要開(kāi)展較詳細(xì)的模擬研究，研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的工作效率、評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)收益并預(yù)留資金對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性進(jìn)行維護(hù)，還需要探討對(duì)含水層進(jìn)行改造的可能性；④四級(jí)，即候選場(chǎng)地區(qū)域狀況差，綜合評(píng)分小于6分，該區(qū)域不適合建立含水層壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，需要另選場(chǎng)地。

3.2 評(píng)價(jià)體系中評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

針對(duì)評(píng)價(jià)體系中不同層次的評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建判斷矩陣，計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，其結(jié)果如下：

A

-

B

層級(jí)判斷矩陣為

該判斷矩陣的最大特征值

λ

為3.053 6，通過(guò)查表和計(jì)算得到該判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率為0.046 2

<

0.1，故該判斷矩陣的構(gòu)造和相應(yīng)的權(quán)重分配合理，其評(píng)價(jià)指標(biāo)

B

～

B

的權(quán)重分別為0.527 8、0.332 5、0.139 6。由此可見(jiàn)，儲(chǔ)層性質(zhì)因素所占的權(quán)重接近53%，地質(zhì)安全因素和經(jīng)濟(jì)效益因素所占的權(quán)重分別為33%和14%左右。儲(chǔ)層性質(zhì)因素

B

判斷矩陣為

該判斷矩陣的最大特征值

λ

為5.173 3，通過(guò)查表和計(jì)算得到該判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率為0.038 7

<

0.1，故該判斷矩陣的構(gòu)造和相應(yīng)的權(quán)重分配合理。5個(gè)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于儲(chǔ)存性質(zhì)因素的權(quán)重分別為0.072 0、0.061 2、0.104 0、0.300 1、0.462 6。由此可見(jiàn)，儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)層滲透率所占權(quán)重分別為46%和30%左右，故在選擇儲(chǔ)層時(shí)首先要考慮儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)層滲透率兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，這兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)同時(shí)控制著儲(chǔ)層是否接近天然狀況下理想的儲(chǔ)層條件。地質(zhì)安全因素

B

判斷矩陣為

該判斷矩陣的最大特征值

λ

為3.053 6，通過(guò)查表和計(jì)算得到該判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率為0.046 2

<

0.1，故該判斷矩陣的構(gòu)造和相應(yīng)的權(quán)重分配合理。3個(gè)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于地質(zhì)安全因素的權(quán)重分別為0.327 5、0.412 6、0.259 9。由此可見(jiàn)，蓋層的穩(wěn)定性和封閉性是地質(zhì)安全因素選址中較為重要的兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。經(jīng)濟(jì)效益因素

B

判斷矩陣為

該判斷矩陣的最大特征值

λ

為4.064 8，通過(guò)查表和計(jì)算得到該判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率為0.024 0<0.1，故該判斷矩陣的構(gòu)造和相應(yīng)的權(quán)重分配合理。4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于經(jīng)濟(jì)效益因素的權(quán)重分別為0.465 0、0.134 2、0.327 3、0.073 6。由此可見(jiàn)，地理位置和儲(chǔ)能規(guī)模是經(jīng)濟(jì)效益因素選址中較為重要的兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

綜合以上各個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)在所在準(zhǔn)則層的權(quán)重和相應(yīng)準(zhǔn)則層在目標(biāo)層的權(quán)重，可以得到不同二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址所占的權(quán)重分配，見(jiàn)圖5。

圖5 儲(chǔ)氣庫(kù)選址基本評(píng)價(jià)指標(biāo)影響權(quán)重柱狀圖Fig.5 Weight column diagram of basic evaluation indexes

由圖5可見(jiàn)，儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)層滲透率和蓋層封閉性在含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址中所占的權(quán)重相對(duì)較大，說(shuō)明這3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)儲(chǔ)能效果有著較大的影響。

3.3 應(yīng)用實(shí)例評(píng)價(jià)

結(jié)合上述提出的含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址量化方法，綜合含水層天然氣儲(chǔ)存工程場(chǎng)地的應(yīng)用實(shí)例，選取河北省大城縣的大5區(qū)塊(D5)二疊系上部石盒子組砂巖含水層為例進(jìn)行候選場(chǎng)地評(píng)價(jià)。

3.3.1 D5區(qū)塊選址儲(chǔ)層性質(zhì)因素分析

D5區(qū)塊位于冀中坳陷大城凸起東側(cè)的里坦凹陷，基底發(fā)育中生界、上古生界石炭系—二疊系砂泥巖地層以及下古生界奧陶系石灰?guī)r地層。區(qū)域內(nèi)共有兩口鉆井，出于石油勘探的目的，首口探井于1975年開(kāi)始鉆探，井深為3 280 m，該區(qū)塊內(nèi)地質(zhì)和地震資料較為詳細(xì)。D5區(qū)塊整體呈現(xiàn)背斜形態(tài)，被東北向和西北向兩組規(guī)模較小的斷層切割，形成斷背斜。其中，目標(biāo)含水層二疊系砂巖圈閉面積約為12 km，閉合幅度為150 m，構(gòu)造高點(diǎn)埋深約為2 285 m，圖6顯示了D5區(qū)域目標(biāo)含水層即二疊系儲(chǔ)層頂面構(gòu)造(其中黃色部分為研究區(qū)D5區(qū)塊范圍，等值線為含水層埋深等值線)。目標(biāo)含水層深度位于2 325～2 510 m之間，其中有效厚度為106 m，儲(chǔ)層巖石類(lèi)型主要為長(zhǎng)石砂巖，巖屑石英砂巖次之。D5區(qū)塊二疊系儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率較低，平均值分別9.2%和5.52 mD，儲(chǔ)層的水平均礦化度為4 624.8 mg/L，為NaHCO型水。

圖6 大5區(qū)塊(D5)目標(biāo)含水層二疊系砂巖頂面構(gòu)造圖[25]Fig.6 Structure of the top surface of the Permian aquifer at site D5[25]

3.3.2 D5區(qū)塊選址地質(zhì)安全因素分析

目標(biāo)含水層的蓋層主要為二疊系石千峰組灰色泥巖和紫紅色泥巖，呈塊狀構(gòu)造，為曲流河相洪泛平原亞相沉積。通過(guò)地震和鉆井資料可以發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)含水層的蓋層厚度約為125 m，且蓋層在橫向上分布連續(xù)，平面分布較廣。通過(guò)對(duì)蓋層19個(gè)代表性巖樣的孔隙度和滲透率進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其孔隙度范圍為5.28%～26.29%，垂向滲透率和水平滲透率平均值為1.0×10mD和1.7×10mD，蓋層屬于中低孔、特低滲蓋層。此外，相關(guān)文獻(xiàn)中提取了蓋層11塊巖心樣和隔層3塊巖樣進(jìn)行突破壓力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)飽和水時(shí)突破壓力平均值為34.31 MPa，突破壓力較高，說(shuō)明蓋層具有良好的封閉性。在分析蓋層的地質(zhì)力學(xué)可塑性時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于蓋層礦物中蒙脫石和伊-蒙混層體積分?jǐn)?shù)較高，故蓋層具有很強(qiáng)的可塑性，能夠抵制蓋層變形中次生裂縫的發(fā)育。此外，在對(duì)D5區(qū)塊選址的場(chǎng)地穩(wěn)定性分析中發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)屬于弱震區(qū)，近年來(lái)未發(fā)生過(guò)地震、洪澇等地質(zhì)災(zāi)害，故場(chǎng)地穩(wěn)定性良好。

3.3.3 D5區(qū)塊選址經(jīng)濟(jì)效益因素分析

D5區(qū)塊位于我國(guó)華北平原，從我國(guó)風(fēng)能分布圖中可以發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的風(fēng)能資源較為豐富，而且國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司也正在該地區(qū)所處的河北省大城縣開(kāi)展200 MW的風(fēng)電項(xiàng)目，含水層壓縮空氣儲(chǔ)能的建設(shè)能夠很好地為該地區(qū)和附近城市提供良好的電力輸送。此外，該地區(qū)具有良好的地面基礎(chǔ)設(shè)施及較為完善的地質(zhì)和勘探資料，能夠大幅度地降低在該地區(qū)建立含水層壓縮空氣儲(chǔ)能電站的成本，且能夠很好地促進(jìn)該地區(qū)的環(huán)境友好型能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。故目標(biāo)區(qū)塊具有實(shí)施含水層壓縮空氣儲(chǔ)能的良好經(jīng)濟(jì)效益基礎(chǔ)和前景。

3.3.4 D5區(qū)塊選址綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)D5區(qū)塊地質(zhì)、地理、經(jīng)濟(jì)等資料的總結(jié)，并根據(jù)前文建立的選址評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)D5候選場(chǎng)地的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，個(gè)別未描述的評(píng)價(jià)指標(biāo)，由于其占總體權(quán)重較小，統(tǒng)一采取“中”進(jìn)行賦值評(píng)價(jià)，其評(píng)分結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 D5候選場(chǎng)地各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分結(jié)果Table 6 Scores of evaluation indexes at site D5

根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分結(jié)果以及相應(yīng)指標(biāo)和層級(jí)占總體評(píng)價(jià)得分的影響權(quán)重，代入公式(1)計(jì)算得到D5候選場(chǎng)地二疊系砂巖目標(biāo)含水層選址評(píng)價(jià)的綜合得分為7.10，故該候選場(chǎng)地為二級(jí)，選址區(qū)域狀況為良，能夠滿足建立含水層壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本條件。目標(biāo)含水層區(qū)域存在的主要問(wèn)題為：①含水層孔隙度和滲透率較低，可以采用水力壓裂的手段對(duì)目標(biāo)含水層區(qū)域進(jìn)行改造，從而增加含水層的滲透率和孔隙度，進(jìn)而提高含水層壓縮空氣儲(chǔ)能的效率；②含水層埋深較大，D5區(qū)域的目標(biāo)含水層埋深在2 000 m以上，可能會(huì)增加地表發(fā)電設(shè)備的配置要求，從而增加總的投資成本。目標(biāo)含水層區(qū)域的主要優(yōu)勢(shì)在于：①含水層結(jié)構(gòu)為背斜結(jié)構(gòu)，具有很好的圈閉壓縮空氣的條件，可有效防止氣體擴(kuò)散和能量損失；②目標(biāo)含水層區(qū)域具有良好的地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)和封閉性的蓋層且場(chǎng)地穩(wěn)定性較好，能夠保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行；③目標(biāo)含水層區(qū)域具有豐富的風(fēng)力資源和風(fēng)能電站項(xiàng)目，且具有較為詳細(xì)的地質(zhì)勘探資料和良好的用電需求，從而提高了該地區(qū)建設(shè)含水層壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)建立含水層壓縮空氣儲(chǔ)能選址評(píng)價(jià)模型，能夠量化候選場(chǎng)地的適宜程度，從而為分析和改造候選場(chǎng)地的地質(zhì)條件性質(zhì)、獲取場(chǎng)地信息資料提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

4 結(jié) 論

(1) 從儲(chǔ)層性質(zhì)、地質(zhì)安全和經(jīng)濟(jì)效益三類(lèi)主要因素建立了含水層壓縮空氣儲(chǔ)能的選址評(píng)價(jià)體系，對(duì)12項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。根據(jù)前人理論研究和相似工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分了優(yōu)、良、中、差4個(gè)級(jí)別，并提出了各評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 利用提出的選址評(píng)價(jià)體系定性地對(duì)我國(guó)主要盆地和若干重點(diǎn)勘探目標(biāo)進(jìn)行了研究。從有限的盆地儲(chǔ)蓋層資料分析，可以發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層滲透率和蓋層封閉性問(wèn)題是大部分盆地普遍存在的、需要進(jìn)一步考慮的因素。通過(guò)對(duì)我國(guó)若干重點(diǎn)勘探目標(biāo)地區(qū)的評(píng)價(jià)分析，發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)、長(zhǎng)三角地區(qū)和環(huán)渤海地區(qū)具有較高的含水層壓縮空氣儲(chǔ)能的應(yīng)用潛力。

(3) 根據(jù)相關(guān)研究和經(jīng)驗(yàn)，利用層次分析法對(duì)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于總體評(píng)價(jià)的權(quán)重進(jìn)行了量化，結(jié)果表明儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)層滲透率和蓋層封閉性3個(gè)指標(biāo)在選址中所占的權(quán)重相對(duì)較大，對(duì)儲(chǔ)能效果有較大的影響。通過(guò)多因子綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)候選場(chǎng)地總體的定量化評(píng)價(jià)。選取河北省大5區(qū)塊(D5)含水層為例，進(jìn)行了候選場(chǎng)地整體的定量化分析，結(jié)果顯示該地區(qū)能夠滿足建立含水層壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本條件。

(4) 由于該技術(shù)目前還處于理論研究和工程計(jì)劃階段，本文對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要根據(jù)前人的相關(guān)研究、類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)(CO地質(zhì)儲(chǔ)存和天然氣含水層儲(chǔ)存)以及作者對(duì)該技術(shù)的影響因素模擬研究等確定，還存在一定的局限性。該選址評(píng)價(jià)方法可以為初步評(píng)價(jià)含水層壓縮空氣儲(chǔ)能潛力提供指導(dǎo)，但對(duì)場(chǎng)地的進(jìn)一步研究還需要在掌握一定的地質(zhì)資料并進(jìn)行模擬評(píng)價(jià)后才能完成。