马洪岭，施锡林，章雨豪

(1.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；2.中国科学院大学，北京 100049)

由于盐岩的低渗透性(<10-20m2)、良好的蠕变行为及损伤自我恢复特性，盐穴是国际上公认的能源储存的最理想介质[1-2]。欧美国家利用盐岩地下空间储存石油、天然气已经有几十年的历史。美国90%的战略石油储备储存在墨西哥湾巨大的盐丘之中[3]；德国已建设了超过106m3的储气库[4]，50%的石油以及40%的天然气储存在盐穴之中[5]。

本世纪初，我国的金坛盐穴储气库[6-7]、云应盐穴储气库[8]、潜江盐穴储气库[9]以及平顶山盐穴储气库[10-11]等相继立项建设。其中金坛储气库于2005年开始注气[12]，并在2008年南方大雪中发挥了重要作用[13-14]。现阶段，我国盐穴储气库的建设帷幕已逐渐拉开，盐穴储气库以其建设成本低、注采效率高等特点，未来将在我国天然气储备中占据重要的角色。

为了保证盐穴的安全稳定，盐穴储气库都留有一定量的垫底气，维持最小运行压力，保证盐穴围岩的稳定性，垫底气气量约占工作气量的一半左右。尽管在盐穴储气库服役期结束，垫底气最终是可以采出的，但在运营期间，这个垫底气却不能够被利用。尤其是气荒时期，大批的工业用气被暂停，民用气被限量，与此同时却有大量的垫底气在地下盐穴储气库中无法利用，这是一个巨大的遗憾和矛盾。如果能在保证盐穴安全的前提下，将垫底气置换出来变成工作气量，可在不建设新腔的前提下，工作气量直接增加50%，使这些垫底气能够在气荒期间发挥重要的作用。

本研究梳理了课题组对盐穴垫底气的利用研究。首先，提出紧急工况下的最小压力概念，利用短期降低运行压力来增大工作气量，减少垫底气；然后，利用饱和卤水置换采出全部的垫底气，并用饱和卤水压力来维持盐穴的稳定性；随后，进一步提出利用高压空气置换垫底气，通过高压空气推动饱和卤水，饱和卤水推动高压天然气，以饱和卤水作为隔离介质，用高压空气来维持盐穴的稳定性；最后提出一种内胆式无垫底气盐穴储气库方案。

1 紧急工况下的最小运行压力

盐穴储气库的运行参数有最大运行压力和最小运行压力之分。最大运行压力保证腔体内天然气压力不会撑破地层导致天然气泄漏，最小运行压力保证腔体不泄露以及腔体围岩不失稳。

一般来讲，盐穴储气库最小运行压力的设计准则为扩容准则，扩容准则是非常严格的，确保盐穴储气库不会向围岩渗透。为了在紧急工况下(比如气荒时期、战争期间等)提供更多的天然气，马洪岭等[9,15]基于盐岩单三轴压缩试验，建立了能表征屈服、扩容、破坏的复合强度模型，将储库围岩划分为弹性区、塑性区、渗透区和破坏区。在此基础上，基于围岩分区的稳定性判断准则，并根据该判断准则提出了“紧急工况下的最小运行压力”概念。

1.1 屈服-扩容-破坏(YDF)复合强度模型

1.1.1 屈服函数及其硬化规律

通过大量盐岩单三轴试验，选择应力-应变曲线中由直线变弯曲的点为初始屈服点，可以得到盐岩的屈服函数[9]：

σ1-σ3=a。

(1)

式中：σ1为第一主应力；σ3为第三主应力；a表示当围压为零(单轴压缩试验)的屈服值。

盐岩屈服函数的形式与Tresca准则的形式相同。盐岩主要成分是NaCl，是晶体材料，力学性能更接近于金属材料，所以其初始屈服特性与金属材料相似。

为了研究盐岩屈服的硬化规律，选择塑性应变第二不变量为硬化参数。从不同硬化参数时的屈服面得出结论，屈服面几乎是等效硬化[9]。

1.1.2 扩容准则

Hunsche[16]对立方体盐岩试样进行真三轴试验，得到盐岩扩容准则；Spiers等[17]对圆柱体盐岩试样进行三轴压缩试验，得到扩容边界方程；Ratigan等[18]对Avery Island盐丘和WIPP层状盐岩进行三轴试验得到扩容方程；Ma等[15]对潜江储气库盐岩86 ℃时的扩容曲线开展研究，得到其扩容方程。Van Sambeek等[19]通过对盐岩不同形式扩容准则总结，认为盐岩的扩容方程可表示为：

(2)

1.1.3 破坏准则

基于三轴压缩试验，在摩尔-库伦准则的基础上引入了不坏准则——当最小主应力大于5 MPa时，盐岩表现出大变形不坏的特点(图1)。应力区可以进一步分为3个区域(图2)，区域1为拉破坏区，区域2为剪破坏区，区域3为不破坏区。

图1 盐岩破坏准则示意图

图2 破坏准则划分的不同破坏区域

AB:ft=(σt)max-σ3，

(3)

CD:fd=σd-σ3。

图1为σ1-σ3空间中破坏准则的示意图，式(3)为破坏准则公式，AB、BC、CD分别对应图1中的线段。其中：σc为单轴抗压强度；σt为抗拉强度；σ1、σ3分别为最大、最小主应力；σd为破坏临界围压值；(σt)max为最大抗拉强度；c为黏聚力；φ为内摩擦角。

1.2 围岩分区及判断准则

根据盐岩的复合强度准则，可以将盐岩地下溶腔围岩体分为4个区，如图3所示，最外层为弹性区，依次向内分别为塑性区、扩容区以及破坏区。

图3 盐岩地下储库围岩体分区示意图

法国Lux[4]给出了盐岩地下储气库的稳定性评价准则：①片帮破坏准则；②折曲破坏准则；③安全矿柱准则；④损伤扩容准则。

根据上述评价准则可以确定盐岩地下溶腔稳定性判定准则为：①不可以出现破坏区；②可以出现扩容区，但是扩容区的范围有限制；如两个腔体的扩容区不能重合，扩容区不允许到达套管鞋的位置；③可以出现塑性区。

潜江储气库埋深2 000余米，是中国最深的盐穴储气库，最大、最小运行压力分别为32和17 MPa。根据上述复合强度理论，设计了紧急工况下的最小运行压力为13 MPa，使得有4 MPa的垫底气就可以得到有效利用[20]。

2 饱和卤水置换垫底气

紧急工况下的最小运行压力的提出和设计，能够在运行期间采出部分垫底气，但是依然无法采出全部垫底气。为了在气荒期间提供更多的天然气，该技术方案拟通过注入饱和卤水置换全部的垫底气。

该技术的思路是：将饱和卤水注入盐穴储气库中，占据腔内空间，置换出垫底气(图4)，同时利用饱和卤水的压力来维持盐穴储气库的稳定性。如果是在海边或盐湖地区，还可以用海水或盐湖水置换。这个过程是注气排卤的反过程。

图4 饱和卤水置换垫底气示意图

饱和卤水的压力一般大于盐穴储气库的最小运行压力，饱和卤水的静水压力公式为：

ρgh=1.2×103×9.8×h=11.76 kPa/m。

(4)

参考加拿大盐穴安全规范《Storage of hydrocarbons in underground formationsc(Z341 Series-06)》[21]，最小运行压力的设计为3.4 kPa/m，小于11.76 kPa/m；实际运行的盐穴储气库最小压力一般都小于饱和卤水的静水压力，例如美国Moss Bluff储气库的1号盐穴顶板埋深792 m，最大和最小运行压力分别为14.96、3.38 MPa，注入饱和卤水后的静水压力9.31 MPa大于最小运行压力，能够保证储气库的安全；再比如金坛盐穴储气库顶板埋深1 010 m，最大和最小运行压力分别为17和7 MPa，注入饱和卤水后的静水压力为11.88 MPa大于最小运行压力，也能够保证储库安全。

因此，通过饱和卤水置换垫底气，可以保证盐穴的稳定。

3 高压空气置换垫底气

利用饱和卤水置换垫底气需要大量饱和卤水，这批饱和卤水在置换期外需要空间来储存，无论是地下空间还是地面空间，对空间资源都是极大浪费。为此，提出利用空气来置换垫底气，空气是无处不在随时可用的，不会污染地下资源，也不会造成空气污染。

3.1 技术方案原理

利用高压空气置换垫底气的难点在于空气与天然气会混合，必须要将空气与天然气隔离。因此，提出通过高压空气推动饱和卤水、饱和卤水推动高压天然气，以饱和卤水作为隔离介质隔离空气和天然气最终实现用高压空气将垫底气置换[22]。在置换过程中，压力始终保持恒定，可以在某一个有利于储气库安全的压力下进行置换，如在最大运行压力状态下置换可避免最小运行压力的设计，既能保证储气库的稳定安全，又可以将垫底气变成工作气(图5)。当然，如果为了置换效率也可在最大、最小运行压力范围内灵活运行。

图5 空气置换盐穴储气库垫底气的置换过程

该技术方案需要将一部分溶腔(最少一口腔体)用来存放饱和卤水作为置换库。盐矿采空区有大量的废弃溶腔，可以利用废弃的溶腔作为置换库。

3.2 置换效率与速度

置换库的数目最小是1个，最多是腔群数目的一半，即与储气库1∶1的比例，一个储气库对应一个置换库。当置换库数目是1时，优点是储气库群的总容量比较高，只有一个置换库，其余n-1个都是储气库；缺点是垫底气置换速率比较慢，只能逐个置换。当置换库数目是n/2时，垫底气置换比较快，置换库可以同时置换储气库，置换库越多，置换速率越快；缺点是需要大量的置换库。

可以根据具体实际情况来设置置换库的比例，达到置换速度和储气量的最优化。

4 内胆式盐穴储气库

利用高压空气置换垫底气过程中，需要用饱和卤水来隔离空气和天然气，在相同的管径和压力差条件下，液体的流速明显小于气体的流速，因此，置换速度受制于饱和卤水的流速。

4.1 技术方案原理

为提高空气置换天然气的置换效率，提出基于气囊的空气置换垫底气技术。采用一个气囊，通过井筒置于盐穴之中，并与中心管相连，气囊形态与盐穴相似，但比盐穴小。气囊用来储存高压天然气，采用高压空气与气囊内的高压天然气保持压力平衡，气囊本身不需承担压力；气囊在未充气时可以折叠成管道的细长状，通过井筒的套管送进盐穴之中(图6)。

图6 内胆式盐穴储气库方案图

在该技术方案中，气囊材质的选择是关键，要求气囊具有密封性，有弹性、有韧性、不易破裂、耐腐蚀、抗温、易折叠等特点。可以选择超韧性聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)材料，例如：Intex充气艇使用的“super-tough”高分子材料(高密度强韧聚合塑胶、高强度热碳强韧聚合PVC塑胶)，该类材料作为高分子强韧胶布，抗汽油、石油和盐水侵蚀，耐磨、耐压、耐晒，具一定承载力；还可以选择热塑性聚氨酯弹性体橡胶(thermoplastic polyurethanes，TPU)充气面料，例如热气球使用的球囊材料：尼龙70D、尼龙210D、尼龙420D、尼龙840D，该材料高强度、耐磨、弹性好，耐曲折和气密性好等。为了气囊的安全，还可以采用双层气囊，双层气囊中间填充一些标示性气体，比如氦气，用以监测气囊的损坏或者泄露等。

在运行期间，可以通过注入空气来保持腔体内部的压力水平，使得腔体处于一个比较稳定的状态，可以是恒压储气库，避免了最小运行压力的设计。当然，为了掌控采气效率，也可以在最大最小压力之间浮动。

4.2 方案优点

1)没有垫底气。这是一种没有垫底气的储气库，内部天然气可以全部采出。

2)储气量大。内胆式储气库垫底气可以全部采出，储气量大于传统式盐穴储气库，即便由于夹层的悬伸，内胆的体积小于盐穴，总体的储气量也会大于传统式盐穴的储气量。如1 000 m地层的20万m3盐穴，对于传统盐穴最大和最小压力分别为17和7 MPa，有10 MPa的压差，也就是有2 000万m3的储气量；如果是内胆式储气库，假设因为夹层的悬伸等不规则形态，只有三分之二的盐穴体积可以做内胆，则大概有13万m3的内胆体积，内胆的天然气可全部采出，即有17 MPa的压力可作为工作气，则有2 210万m3的储气库，大于传统式的盐穴储气库。

3)高效。置换速度可达到管口面积的最大气体临界速度，远高于液体的流速。

4)节约成本。与注卤排气这种处理垫底气的方法相比，不需要将其中一口或几口腔体充满卤水作为隔离介质，节约了成本；

5)可提高储气库运行压力，保护储气库安全。即使在不需要垫底气的情况下，也可以向气囊外部充空气，提高储气库的内压，保证储气库的运行压力处于最稳定的状态。可以做成恒压储气库，储气量大，风险低，避免了循环注采气时周期性压力变化带来的巨大风险。

6)不用担心盐穴地质结构的气体泄漏。国外由于地质体的不密封，泄漏事故时有发生，金坛储气库也发生了一例微渗层不密封的案例。如果使用内胆式盐穴储库，则不用担心泄漏问题，因为直接和盐穴地质体接触的是高压空气，即便是有轻微泄漏，也是高压空气泄漏出去，可以通过不断补充高压空气来维持腔体内压，保证腔体的安全。

7)不需要除湿除盐。气囊之中的天然气与腔底的卤水不接触，保持干燥，采气时无需再脱水，节约成本。该技术方案不仅实现了空气置换垫底气，还间接形成了一种内胆式盐穴储气库，属于无垫底气的盐穴储气库类型，突破了盐穴储气库必须有垫底气的缺点，同时还能避免反复注采气给盐穴围岩带来的循环加卸载，避免了盐穴储库围岩的不稳定甚至破坏，极大延长了盐穴的使用寿命。

该方案的关键在于气囊的材料，气囊能够成功应用是本方案成功的关键。另外，每一个储气库的内胆均需要单独定制，因为每个盐穴的形态都是独特的，这也是该方案的一个缺点。

5 结论

为了解决盐穴储气库中大量的垫底天然气无法采出使用的问题，提出四种采出盐穴储气库垫底气的技术方案：

1)为了在气荒期间采出更多盐穴储气库的垫底气，提出紧急工况下的最小运行压力，并给出设计准则，使得气荒期间可开采更多的垫底气。

2)为了置换全部的垫底气，提出了饱和卤水置换盐穴储气库垫底气的方法，能够置换出全部的盐穴垫底气。

3)利用高压空气置换方法能够置换出全部的盐穴垫底气，且置换效率更高。

4)设计了一种内胆式的盐穴储气库，作为一种无垫底气式储气库，该种储气库不仅能够无垫底气开采，而且能够保证盐穴储气库的稳定性。