壓縮空氣儲能電站鹽穴選址關鍵流程及控制因素

萬明忠，王 輝，紀文棟，商浩亮，姚院峰

(1.中能建數(shù)字科技集團有限公司，北京 100022；2.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

大規(guī)模壓縮空氣儲能電站[1]需要的儲氣庫容積高達幾十萬方，儲氣庫的容積、密封等參數(shù)及性能是決定壓縮空氣儲能項目是否可行的關鍵。目前適宜用作壓縮空氣儲能儲氣庫的主要有鹽穴型儲氣庫和人工硐室型儲氣庫。這兩種儲氣庫各有優(yōu)缺點，主要根據(jù)當?shù)氐馁Y源情況決定采取哪種技術路線。

鹽穴型壓縮空氣儲能利用地下鹽礦水溶法開采后形成的大型地下溶腔用作高壓空氣儲氣庫[2-3]。該類型儲氣庫充分利用了鹽穴3個方面的優(yōu)點：1)地下鹽穴密封性能好，鹽巖的蠕變特性及超低滲透率可保證地下鹽穴自身長期密封性，確保壓縮空氣不泄漏；2)地下鹽穴的容積可滿足壓縮空氣儲能的需求，水溶法開采形成的地下鹽穴，其體積往往有數(shù)十萬方甚至百萬方；3)地下鹽穴已開采完畢，經過相關評估論證工作之后，條件合適[4]就可以直接用做儲氣庫，節(jié)省了水溶開采的建設周期，同時也實現(xiàn)了廢棄資源的再利用。

中國能建利用湖北應城地下鹽穴開建了世界首個300 MW級壓縮空氣儲能電站(以下簡稱“應城壓縮空氣儲能電站”)。本文依托該項目的建設實踐，研究梳理了壓縮空氣儲能電站鹽穴選址關鍵流程及控制因素，為鹽穴型壓縮空氣儲能項目建設提供支撐。

1 鹽穴選址流程

鹽穴型壓縮空氣儲能電站的工作原理如圖1所示，鹽穴承載著儲存空氣勢能的重要作用，所以應詳細、嚴格地論證鹽穴適用性。

圖1 鹽穴型壓縮空氣儲能電站工作原理

根據(jù)應城壓縮空氣儲能電站建設實踐，鹽穴型壓縮空氣儲能電站鹽穴選址的關鍵流程包括3項，分別為鹽穴資料收集、鹽穴勘測和鹽穴評估。這3項流程應按順序逐步推進，并做好工作之間的銜接，鹽穴選址關鍵流程如圖2所示，共計13個環(huán)節(jié)。

圖2 鹽穴選址關鍵流程

2 鹽穴資料收集

2.1 資料收集目的

對于鹽穴壓縮空氣儲能工程，鹽穴基本資料是項目決策階段的首要判斷因素[4-5]。可利用的地下鹽穴都是鹽業(yè)公司廢棄采鹽井或者開采過較長時間的井組，鉆井水溶法開采的鹽穴主要采用水力壓裂對井采鹵和單井對流法采鹵，具體到每個地下鹽穴的情況各不相同，是否適合用做壓縮空氣儲能需要做針對性分析工作。

鹽業(yè)公司擁有鹽穴鹽礦生產資料，需要搜集的主要資料包括但不限于：鹽礦勘探資料、鉆井完井資料、鹽礦開采資料、鹽礦開采歷史及鹽穴產權情況等。通過資料收集，可以初步計算出地下鹽腔的體積、沉渣率等，實現(xiàn)對鹽穴可用性預評估。

2.2 鹽礦勘探資料

鹽礦勘探資料可掌握區(qū)域鹽礦分布深度和平面展布，是分析該區(qū)域鹽穴是否可用的最先決資料。鹽礦的分布深度太淺或太深都不利于鹽穴的利用。鹽礦的平面展布太小，則會導致鹽穴周邊的封閉條件不良，也不利于鹽穴的利用。

2.3 鉆井完井資料

地下鹽礦開采生產必須進行鉆井以連通地面與地下鹽層，鉆井完井數(shù)據(jù)是了解鹽層分布的最有效資料。鉆井完井數(shù)據(jù)具體包括建井時間、在役年限、所屬村鎮(zhèn)、鹽層頂?shù)酌媛裆睢?lián)通方式、完井深度、終孔孔徑、表層套管參數(shù)和生產套管參數(shù)等。

2.4 鹽礦開采資料

鉆井工程完成后，鹽巖就進入到了開采階段，單個鹽穴的開采歷史時間會很長，最多可超過20 a。在長時間開采過程中積累的開采數(shù)據(jù)，是判斷鹽穴有效容積的關鍵參考。開采數(shù)據(jù)包括累計采鹽量、井組溶腔體積、開采壓力、井組空腔體積和井組聯(lián)通現(xiàn)狀等。

2.5 鹽穴產權情況

鹽穴產權是項目初期要確定的重要內容。地下鹽巖屬于礦產的一種，其開采權是鹽業(yè)公司通過政府出讓取得，該開采權有明確的時間及開采范圍規(guī)定。目前對于鹽穴的歸屬權，尚沒有明確的規(guī)定，需要跟鹽礦企業(yè)、當?shù)卣M行協(xié)商處理。

3 鹽穴勘測

根據(jù)收集的資料判斷出適宜的地下鹽穴以后，就可以開展下一步的勘測工作，主要包括鹽穴的物探、鉆探和聲吶測腔等一系列工作。

3.1 鹽穴物探

地球物理勘探(以下簡稱“物探”)是一種使用物理方法進行地質勘察的技術手段[6]，通過分析各種地球物理場的異常顯示，評判地下目標體相關參數(shù)。該方法探測范圍大，工程周期短，是地下鹽穴探測的重要手段。地下鹽穴物探主要有3個目的：1)探測鹽穴容積，核定鹽穴容積是否滿足發(fā)電容量需求；2)判斷鹽穴上覆蓋層情況，確定上覆鹽層厚度、排查斷層發(fā)育情況；3)獲取鹽穴的空間形態(tài)分布[7]，為資料井、注采井的位置布設提供依據(jù)。

3.2 通井測井

長時間開采或廢棄的采鹽井套管內會出現(xiàn)大量鹵水結晶，且套管的腐蝕情況、變形情況、固井質量情況等均是未知的，還有可能出現(xiàn)中心管堵塞的情況。這些問題都會影響聲吶及測井設備的工作，必須進行通井，為后續(xù)作業(yè)提供暢通的井筒狀態(tài)。

通井與測井是緊密結合的，通井順利后即可下入測井探頭，對套管壁實施自然伽馬、聲幅、變密度、電磁探傷、井徑、磁定位等參數(shù)的測井，判別舊井套管的固井質量和進腔深度，如圖3所示。

圖3 老舊套管的變形情況

如通井不順利，則通過測井的手段判斷進腔深度后，指導切斷套管的位置并維修套管，為聲吶探測提供有利條件。通過通井、測井作業(yè)，不但能夠為聲吶測腔提供有效作業(yè)空間，還可以對該采鹽井在長時間采鹽過程中是否沿井壁溶穿蓋層提供重要依據(jù)。

3.3 聲吶測腔

聲吶探測技術是目前鹽穴腔體形狀檢測的最準確手段[8]，其利用儀器發(fā)出聲波脈沖信號和接收到信號的時間來測量方位距離。聲納測腔可對鹽腔的空腔形態(tài)、頂?shù)酌婢_位置等重要關鍵信息進行直接探測，測量成果還可以用于指導后續(xù)注采氣井布置。聲吶測腔結果可用于三維地震數(shù)據(jù)的校準，修正三維地震的偏差，提高三維地震的置信度。地下鹽穴埋深大、壓力大、腐蝕性強，因此，探測設備的探頭應防水、耐高壓、耐高溫，配備慣性導航系統(tǒng)，具備良好的波束聚焦性能。

3.4 密封性測試

工程勘測階段進行鹽穴水壓密封試驗[9]，用于獲取鹽穴運行壓力參數(shù)。鹽穴密封性與鹽巖層特性、夾層及蓋層特性、井身結構和固井情況等因素有關，鹽穴密封性的確定必須要通過水壓密封試驗確定[10]。鹽腔鹵水密封性[11]測試一般采用壓力流量綜合測試法，即利用鹽礦注采泵和原有注采管道從注水井井口注入飽和鹵水，同時關閉排鹵井出鹵閥門，通過計量壓力表和流量計監(jiān)測鹵水注入壓力和鹵水流量，進而計算腔體漏失量，評價鹽腔的密封性。

4 鹽穴評估

通過鹽穴勘測工作獲取了鹽穴的詳細參數(shù)之后，應結合壓縮空氣儲能要求評估鹽穴的適用性[12]。當鹽穴的地質分布、運行壓力、容積、深度和形態(tài)滿足下述所有條件時，則認為目標鹽穴滿足壓縮空氣儲能電站的要求。

4.1 鹽穴地質評估

我國的含鹽盆地多為陸相沉積的層狀鹽礦床，主要特點是厚度薄、單鹽層薄、夾層厚和相變大。鹽穴的選型不僅和鹽穴本身條件有關，還要考慮到周邊構造。目標鹽穴所處沉積區(qū)內必須構造穩(wěn)定，大斷層不發(fā)育，層間小斷層較少，與鄰近小斷層距離至少保持200 m。含鹽系地層平面展布應盡可能廣，厚度大于100 m，其中的鹽巖層所占比例應盡量高。

4.2 鹽穴運行壓力評估

鹽穴的運行壓力是壓縮空氣儲能電站鹽穴選址的最關鍵參數(shù)[13]，直接決定地面設備的選型，也是壓縮空氣儲能電站規(guī)模的決定因素。鹽穴的運行壓力需以水壓密封試驗測得參數(shù)作為重要的依據(jù)，并結合鹽穴的運行模擬計算，最終確定鹽穴的運行壓力區(qū)間。

4.3 鹽穴容積評估

鹽穴的容積是關系到壓縮空氣儲能電站輸出功率和運行時長的重要參數(shù)，需要結合鹽穴的運行壓力和電站的發(fā)電效率確定鹽穴的容積需求[14]。以應城壓縮空氣儲能電站為例，在運行壓力區(qū)間為7～9 MPa下，考慮到沉渣占用等因素，經過測算，腔體的空間需要不小于50萬m3。

4.4 鹽穴深度評估

鹽穴埋深太淺會限制鹽穴的運行壓力，鹽穴埋深的最優(yōu)區(qū)間在500～1 500 m之間。鹽穴埋深超過1 500 m時，鹽巖在溫度、壓力影響下具有較大的蠕變性，導致鹽腔年收縮率增加，不利于腔體穩(wěn)定性。鹽穴埋深過大也會造成鉆井工程的難度升級和口徑降低，鉆井的口徑降低會導致鉆井數(shù)量的增加，這都會引起投資的大幅提升。鹽穴頂板應具備厚度大于30 m以上的含鹽系地層，確保鹽穴頂部的密封性。

4.5 鹽穴形態(tài)評估

對于鹽穴壓縮空氣儲能，梨形腔體是最穩(wěn)定的腔體形態(tài)[12]，理想的腔體形態(tài)應是高度與直徑之比在5～20之間。據(jù)已有資料結果，國內除了江蘇省金壇地區(qū)，很少有高度與直徑比理想的鹽穴條件。對于壓裂采鹽井，通常的鹽腔形態(tài)都是扁平狀，如圖4所示，這對鹽穴穩(wěn)定性論證提出了更高要求。對于扁平狀的鹽穴，需要合理優(yōu)化鉆井的口徑規(guī)格、井身結構和布井數(shù)量等內容，以提高鉆井工程對鹽穴穩(wěn)定性的影響。

圖4 根據(jù)資料描繪的應城鹽穴形態(tài)

5 結語

鹽穴的各項參數(shù)是鹽穴型壓縮空氣儲能電站的決定性因素。本文依據(jù)應城壓縮空氣儲能電站的建設經驗，系統(tǒng)總結了鹽穴選址的關鍵流程及控制因素，能夠為類似項目的開展提供參考依據(jù)。鹽穴的選址流程分為資料收集、鹽穴勘測及鹽穴評估三個階段。選址階段的控制指標包括鹽穴的運行壓力、鹽穴的容積以及鹽穴的密閉性，相關的物探、鉆探工作應圍繞這三個控制指標開展。鹽穴選址的關鍵工作流程需要按順序逐步推進，并做好工作之間的銜接。