盐穴储气库地面工程技术要点研究

刘岩 程林

1大庆油田工程有限公司

2中国石油西气东输管道公司

建设储气库是最经济有效的天然气储存和调峰手段，在平衡天然气生产和市场需求、提高管网输送效率、保障安全平衡供气等方面发挥了重要作用。盐穴储气库宜用于季节调峰、应急调峰、战略储备，具有灵活存储和短期吞吐量大的特点。盐穴储气库可根据市场调峰需求的逐步增加来分期设计、建设，操作的机动性强、利用率高，一年中可多次注采气循环；在应急情况下，盐穴储气库采气速率快，应急能力强[1]。

1 盐穴储气库建库基本原理

盐穴储气库是指利用地下已有的盐层或盐丘，采用人工的方式在盐层或盐丘中水溶形成腔体，用于天然气回注、储存和采出的系统体系。盐穴储气库一般采取水溶建库方式：先将采卤管柱下放至盐层，将淡水或不饱和卤水用泵通过采卤管柱注入到盐层中，水洗溶盐后返回地面，再连续循环注入淡水或不饱和卤水，返出卤水。水洗溶盐造成盐层中的空间逐渐扩大，最终形成设计要求的地下盐穴。腔体形成后，再下入注采气油管柱，进行注气排卤作业。注气排卤结束后，从井内起出排卤油管柱，再安装注采天然气井口，进而完成盐穴储气库地下工程建设，转入注采气运行阶段。

金坛盐矿盐岩层位于地下约1 100 m深，盐腔温度53℃，腔体运行压力6～17 MPa。图1为金坛盐矿地质剖面和拟建盐腔示意图。图2为造腔后盐穴腔体结构图。

图1 金坛盐矿地质剖面图Fig.1 Geological profile of JinTan salt mine

盐穴储气库建库特性和运行特性区别于其他类型的储气库：地面配套工程须额外增加造腔地面配套系统和注气排卤系统；注采气工艺中压缩机的选型也须兼顾注气排卤工况[2]；盐穴采出气含有卤水，且各腔体独立，压力会有所不同，采气脱水工艺须能够适应腔体温度、压力变化。

图2 金坛盐穴腔体结构图Fig.2 Cavity structure chart of Jintan Salt Cave

2 注采工艺

采用工况分析的方式对盐穴储气库的运行进行全面模拟，根据工况分析的结果来确定合理的盐穴储气库建设分期实施方案，进一步优化注采气的规模、配置以及集输系统的能力。

储气库注采周期应根据市场调峰需求情况确定。注采气装置设计规模须根据盐穴储气库的功能定位、注采周期和注采能力，并结合长输管道供气能力和调峰需求等合理确定。注采气装置应根据造腔实际进度，分期进行建设。

注气装置的设计须满足盐穴储气库运行周期内的各种工况条件要求，并应同时适应注气排卤周期内的工况条件要求。以季节调峰为主时，采气装置的规模宜按高月高日峰值计算，采气装置不宜设置备用；兼顾季节调峰以及应急供气时，采气装置总规模应按应急供气量确定，多套采气装置宜并联设置。

天然气水化物是水与烃类作用生成的结晶体，外表冰和致密的雪类似，是一种笼形晶状包络物。一般而言，C1～C4的烃类物质可形成水化物，C5以上的烃类不能形成水化物。水化物的性质不稳定，一旦稳定存在的条件破坏，就会迅速分解为烃和水。天然气水化物是采输气中经常遇到的难题之一。水化物生成于井筒中时会造成堵塞，并减少气体流动断面、降低采气量、损坏井筒内部件，甚至造成气井停产等危害。因此水化物生成于井口或地面管线中时会导致下游压力降低，妨碍正常输气，甚至完全堵塞管道并造成停气。

盐穴储气库在造腔时，一方面由于采用了温度低的水进行洗盐滤提，使盐穴储库具有冷型贮槽的特性。随着天然气的开采，虽然储库周围盐层能供给部分热量，但远不能补偿降压带来的“焦耳-汤姆逊效应”，使天然气迅速冷却，再加上在经过生产作业线上的压力和摩擦等损耗，最终导致井口天然气温度低于储库温度。如果天然气中存在游离水，且温度降低到某特定值时，大部分采气将发生在水化物的生成区。另一方面，如果井口在一定温度下进行高压注气，也容易发生水化物沿井筒的冻堵问题。因此，在储库的设计和运行过程中，一方面须连续预测采出过程水化物的生成范围，另一方面还须适时判定井口天然气是否生成水化物，从而为指导现场实际生产提供可靠依据。

3 脱水工艺分析

盐穴储气库的采出气处理以控制水露点为目的，处理后的天然气应满足输气管线的输送气质要求。采气装置处理工艺的设计应满足启停方便、调节灵活和操作弹性大等要求[3-4]。采气原理流程如图3所示。

调峰采气装置推荐采用三甘醇脱水技术，仅在须满足应急供气的采气装置中，推荐采用J-T阀制冷+注甲醇工艺来满足外输要求。

采出气的组成与输气管道来的天然气基本相同，但含有一定量的卤水。在采气初期，盐腔内为高温高压气体，采出气在集配气阀组进行节流，温度、压力降低，析出的液体经分离器分离后，气相进入集注站，经过滤分离后进入脱水装置。连续采气时，随着采出气压力降低，采出气温度也逐步降低，此时，主要控制在集输过程中无水合物形成。当采出气降低到一定压力，则须停止采气一段时间，此时盐腔内处于低压高温状态。因为盐腔内温度较高，需考虑采出气温度是否能满足三甘醇脱水装置进塔温度要求，若温度高于40℃，须在脱水装置前增加空冷或水冷设备[5]。

金坛储气库高压采气和低压高温采气工况见表1。

表1 金坛储气库高压采气和低压高温采气工况Tab.1 Working conditions of Jitan Gas Storage with high pressure gas production and low pressure and high temperature gas production

4 造腔及注气排卤工艺

造腔及注气排卤地面工艺（图4）设计主要包括：①盐穴造腔地面工艺技术选择；②盐穴造腔注水泵机组调速技术方案的比选；③注气排卤工艺技术方案选择。

图3 采气原理流程Fig.3 Process flow of gas production principle

4.1 注水泵类型选择及组合

造腔淡水注入及采卤应用的注水泵主要分为离心式和柱塞式两类。离心式泵的主要特点是排量大、流量平稳、压力波动小，利于注采卤管柱的长期运行，缺点是产生的压力相对较低；柱塞泵虽然能产生较高的压力，但是其流量不均衡，压力波动范围较大，工作压力不平稳，易导致注采卤管柱的振动和疲劳破坏，不利于管柱的长期运行[8-9]。因此，选择了多级离心泵作为造腔注水泵，电动机驱动。盐穴造腔注水泵机组以无级变速形式满足造腔井周期性不断变化的注水压力以及注水量的要求，节能降耗达到10%～20%。

国内第一次将液力调速技术应用在造腔注水泵机组上，通过调整泵的排量和扬程来优化的高、低压阀组间工艺技术，满足各种工况条件下的快速造腔和盐厂的卤水回收要求。

4.2 造腔工艺流程

国内首次优化组合出盐穴造腔注水和采卤系统的“A+B”等工艺技术。为加快造腔进度，对造腔井进行分组，每阶段同时两井组进行造腔，一组注入淡水，另一组注入未饱和卤水。如第一批井为A、B两组，A组井注入淡水，B组井注入A组井采出的未饱和卤水。主要工艺流程包括以下步骤：

（1）从水源地来的淡水依次经储罐缓冲、沉降后，经注水泵升压并输送至高压阀组进行分配、控制、调节和计量，再由高压注水管路输送至A组注水井口。

（2）从A组井口返出的卤水经低压回水管网输送至造腔注水站内，经过取样分析后，未饱和卤水进入到储罐，饱和卤水输往下游接收企业。

（3）未饱和卤水经注水泵升压至高压阀组进行分配、控制、调节和计量后由高压注水管路输送到B组注水井口，从B组井口返出的卤水再经低压回水管网输至造腔站，计量后输往下游卤水接收企业。

4.3 布站方案

盐穴为单腔单井，并且井与井间距离较远，每口井宜单独设置1座井场。简化井口设计，造腔期间井场除造腔管线外不设置辅助设施，造腔结束后需在井口安装温度检测、压力检测、紧急切断阀及远程操作的电动球阀等设施。注采系统和造腔系统均采用两级布站，注采集配气阀组与造腔集配气阀组应合并建设[6]。

天然气集输管网呈枝网状结构，注采管线合一设置，单井进集配气阀组。集配气阀组的管线串接进集注站；造腔注水系统管线敷设至集配气阀组后采用枝网状结构至各井场；单井卤水管线进集配气阀组，再串接进集注站；卤水外输管线均单独铺设至各下游用户[7]。

图4 盐穴储气库造腔排卤工艺流程Fig.4 Process flow of cality construction and brine discharge in the salt cave gas storage

5 压缩机厂房和空冷器区降噪

金坛储气库工程批复的环评报告书中要求的噪声控制目标为GB 12348—1990《工业企业厂界噪声标准》的Ⅰ类厂界标准，即厂界处噪声等效声压级不超过45 dB(A)。噪音治理难度极大，通过与清华大学声学研究所等公司合作研究，噪音治理达到了环保要求。

采取吸声、隔声、隔振和通风消声等噪声控制措施进行整体降噪的设计方案。压缩机厂房的屋面和墙体均安装高隔声量轻质泄爆降噪体；在纵墙上安装采光隔声窗；压缩机厂房内配置隔声门（声闸结构）；厂房顶部和四周安装进、排风风机消声器；压缩机四周基础安装使用隔振材料。空冷器区的屋面和墙体均安装轻质吸隔声降噪体；空冷器设备上部安装排风导流消声筒；空冷器进风口安装消声片，进风消声片外围再设置吸隔声屏障[10]。

（1）厂房墙体和屋面安装超高隔声量轻质泄爆吸隔声降噪体。压缩机厂房为甲类生产厂房，耐火等级为二级，其设计结构需要满足相应的防火和防爆要求。降噪体由吸、隔声不燃板材现场复合拼装组成，以确保优良的降噪性能。

（2）安装隔声门和隔声采光窗。压缩机厂房的大门和逃生门全部采用隔声门（声闸结构）。根据等透射量原则，单层隔声门设计隔声量≥35 dB，钢制、防火防爆型，隔声门上安装防爆、逃生推杠锁。压缩机厂房采用在侧墙安装隔声采光窗的方式采光，每个窗户共两道，每道采用双层玻璃。

（3）安装进、排风风机及配套消声器。压缩机厂房四周墙体安装进风消声器，进风消声器的设计消声量≥40 dB(A)。

（4）压缩机基础进行隔振处理。压缩机组在运行时会产生较强的振动，其通过基础使厂房结构产生振动传声。为减小设备基础刚性接触导致的结构传声，在基础外围地面以下安装高强隔振板，此措施可以有效地减少振动的传播，从而降低厂房结构的振动传声。

（5）排烟消声围护。压缩机组末端配套安装有燃驱尾气排放装置，若压缩机排烟管道安装的消声器消声量达不到设计要求，需在烟囱周围安装吸隔声围护，使其满足厂区噪声排放要求。

6 结束语

目前我国仅有1座盐穴储气库——金坛储气库建成投产。随着天然气管网建设日益完善，气源更加多样化，盐穴储气库更能适应LNG气源的快速注采特性，在沿海地区建设盐穴储气库，可解决卤水排放处理问题，更具有投资优势。目前中国石油平顶山和淮安等盐穴储气库的建设即将启动，盐穴储气库建设的高峰即将到来。将我国首座盐穴储气库的设计、建设和运行经验进行总结，可对后续工程设计起到指导作用，进一步提高盐穴储气库的设计水平。