含水层压缩空气储能选址评价方法研究

2021-06-09董家伟

安全与环境工程 2021年3期

董家伟，李毅

(湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉 430068)

大规模的储能技术是解决风能、太阳能等间歇性清洁能源能否高效利用和持续发展的关键因素。含水层压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage in Aquifers，CAESA)采用具有良好盖层顶板的适宜含水层介质作为地下储气空间进行储能，相比于其他形式的储能技术和储气库类型，其具有成本低和介质分布广泛的特点，因此越来越受到世界各国的关注。

但目前国际上尚无采用地下含水层作为储气库的实际工程，相关研究尚处于探索和理论分析评价阶段。1978年，Stottlemyre对孔隙介质(含水层或废弃的天然气储层)中压缩空气储能进行了初步的稳定性研究和设计标准的研究。1979年，Wiles针对无水孔隙介质压缩空气储存技术的热力学过程进行了模拟研究。1983年到1985年间，Allen等对美国Pittsfield含水层压缩空气储能进行了场地条件的描述，针对场地条件对该地区适合进行压缩空气储能的区域进行了研究，并提供了一套合理的空气循环操作数据，得出在含水层中进行压缩空气储能不仅经济成本低而且应用范围更广的结论。2006年，美国能源部计划在Iowa建立一个270 MW规模的压缩空气地质储能电站，并对场地进行了详细地质勘探和模拟评价分析。2008年，Succar等对近年来压缩空气储能的原理和应用发展进行了研究和总结，强调了含水层压缩空气储能的关键参数问题和经济可行性。2010年，Kushnir等建立了含水层压缩空气储能的数学模型，通过解析解研究了井筒滤网长度和水涌的关系。2013年，美国太平洋西北实验室的研究人员详细评价了在太平洋西北地区进行含水层压缩空气储能的可能性和潜力区域。2013年，Oldenburg等开发了井筒与储层耦合的模拟器T2WELL，验证了在含水层中进行大规模压缩空气储能能够获得很好的储能效率。2015年，Jarvis针对美国南卡罗来纳的孔隙介质中压缩空气储能技术的适宜性进行了研究,提出了平直含水层作为储气空间是可行的。参照CO地质储存和天然气含水层储存的经验，含水层压缩空气储能选址评价分析是从理论研究到实际工程实施的重要环节，适宜的场地能够保证该技术的整体效率和安全性，故含水层作为压缩空气储气空间的选址评价能够揭示其应用潜力，并决定了该技术的未来发展前景。

近年来，随着我国对清洁能源利用的重视，大规模的含水层压缩空气储能的研究和示范工程稳步推进，针对含水层压缩空气储能，许多学者进行了较为详细的理论研究，验证了含水层作为储气空间的可行性，并对影响整体效率的含水层性质因素进行了模拟分析研究，完善了该技术的理论体系。在已有研究的基础上，本文将从储层性质、地质安全和经济效益三个因素出发，建立含水层压缩空气储能定性和定量的选址评价体系，并初步分析了我国实施该技术的潜力，为加速该储能技术的发展，提高清洁能源的应用范围和效率，以缓解能源利用与生态环境保护之间的矛盾提供参考。

1 储气库勘探选区评价指标选取和评价体系构建

含水层压缩空气储能实质上就是通过向具有良好盖层的含水层中循环注抽一定量的空气，利用孔隙介质达到储存高压空气的目的。为了保证含水层压缩空气储能系统的运行，需要在工程前期注入缓冲气体，排开一定空间的地层水形成类似的储气空间。在该储能系统施工和运行过程中，相对重要的选址因素主要包括以下三大类共12个评价指标：①目标储层孔隙介质性质即储层性质因素，包括储层埋深、储层原生矿物类型、储层孔隙度、储层渗透率和储层结构；②盖层和场地的地质安全即地质安全因素，包括盖层稳定性、盖层封闭性和场地稳定性；③经济效益因素，包括地理位置、投资成本、储能规模和井筒腐蚀。

1.1 储层性质因素

目标储层的特性是决定含水层压缩空气储能系统高效运行的本质因素。根据已有含水层压缩空气储能选址评价中对含水层主要性质指标的选择，并考虑所选指标对整个储能系统的影响，选取储层埋深、储层原生矿物类型、储层孔隙度、储层渗透率和储层结构5个指标作为储层性质因素的评价指标。

1.1.1 储层埋深

储层的埋深主要决定了含水层压缩空气储能系统在缓冲气体注入和循环过程中压力的变化范围。不同的压力变化范围对储盖层、地表压缩机和膨胀机的整体设计都有很大的影响。当不考虑深度对压缩机和膨胀机设计的影响时，目标储层的埋深越大，整个储能系统的储能效率越高，越可能从周边地层中获得地热能的补给(见图1)。但随着深度的增加，注入缓冲气体和循环注抽空气产生的压力积聚更大，可能会引起储盖层的力学破坏。而且，由于更大的空气注入和抽采压力需要更多级的压缩机和膨胀机以及需要增加额外的储热单元，会对设备提出更高的要求，并在设备的设计上需要投入更大的成本。故在选址时，储层埋深既不能太小(循环压力过小引起能量效率低且需要更大的储气空间)，也不能太大(压力受到系统安全性、经济性和设备发展的限制)。

图1 不同储层深度下储能效率的比较[16]Fig.1 Comparison of energy storage efficiency in different depth[16]

表1给出了已有和计划的盐洞和含水层压缩空气储能工程的储层深度范围以及研究者对含水层压缩空气储能选址评价时考虑的储层深度范围。结合工程实际和理论研究，场地的储层深度范围应为400～1 200 m，在合适的储层深度范围内，埋深越大储能效果越好。

表1 已有和计划工程的储层深度以及研究者提出的储层深度范围Table 1 Range of depth proposed in the projectsand researches

1.1.2 储层原生矿物类型

由于压缩空气中含有大量的氧气，当其进入储层中时，可能与储层中的原生矿物发生氧化反应。化学反应的结果可能导致：生成的新的物质由于体积增大或者产生沉淀堵塞孔隙空间，使得储层的渗透率和孔隙度变小；抽出气体中的氧气减少，可能影响后续发电中进入燃烧室燃料的燃烧效率，进而降低整个储能系统的能量效率，这种氧气减少对储能系统的影响可能在时间尺度较长时更为显著。Pittsfield试验中解释了含水层矿物类型为硫化亚铁时对整个储能系统的影响。此外，当储层为钙质的硫化矿物时，氧化反应后容易形成石膏，而石膏的沉积会减小储层的孔隙度，进而影响整个储能系统的性能。由于水分在化学反应中起到较大的作用，以含水层作为地下储气库时，无法像盐洞那样可以通过对空气进行除湿处理来减弱氧化反应对储能系统的影响。故在进行选址时，要尽可能避免含硫成分较高的铁质或钙质的原生矿物类型的储层地区。

1.1.3 储层孔隙度

储层的孔隙度反映岩石孔隙体积的大小。在含水层压缩空气储能时，对于一定量的注入气体，储层孔隙度的大小影响着储气空间规模的需求。对于理想的具有低渗透边界的自然储层来说，孔隙度越大代表着相同封闭结构下，储能系统所能进行的储能规模越大；对于非理想的均质含水层来说，随着孔隙度的减小，循环过程中的压力也随之变小，在抽采过程中，小孔隙度下的井口压力更小，这可能导致随着持续的循环开采，压力将会更早达到储能系统要求的最小压力，从而导致系统停止运行(见图2)。

图2 不同储层孔隙度下井口压力的变化Fig.2 Variation curves of wellhead pressure under different porosity of the aquifers

Stottlemyre和Allen等分别在1978年和1983年提出了含水层压缩空气储能选址时储层孔隙度要大于10%，2008年Succar等提出了13%为场地储层的最小孔隙度。因此，综合研究结果，选址时含水层孔隙度最好宜大于13%，且随着储层孔隙度的增大，整个储能系统的储能规模扩大，储能效率提高。

1.1.4 储层渗透率

储层渗透率对整个储能系统起着非常重要的作用。理想的目标含水层是高渗透率的储气空间外围具有低渗透率的边界，在自然环境中这种较为理想的储层可见于背斜结构封闭下的高渗透含水层、高渗透砂岩的透镜体和不导水断层分开下的高渗透含水层结构。对于均质含水层来说，较高渗透率的储层虽然更容易进行大规模的抽注但是却会造成储层中大量气体的损失，从而降低储能系统的可持续性；较低渗透率的储层虽然能阻止气体大范围的扩散，但是却使得抽注过程的压力波动较大，无法进行大规模的抽采，从而需要在工程中增加工作井的数量，故降低了储能系统总体的经济效益。例如在计划设计首个含水层压缩空气储能Iowa电站时，通过调查发现因储层的渗透率较小，其储能规模无法取得较好的经济效益，最后不得不停止该项目。研究者统一认为，含水层压缩空气储能选址时，储层渗透率选取的最低阈值为300 mD。

1.1.5 储层结构

储层结构对整个储能系统的影响主要表现为不同的含水层结构具有不同的天然封闭气体的效果。通过对比背斜、向斜和平直含水层的压缩空气储能系统可持续循环次数(见图3)可以发现，不同含水层天然封闭气体的效果表现为背斜含水层>平直含水层>向斜含水层。出现这种情况的原因主要是背斜含水层在上部具有一定的天然封闭结构，可以阻止气体的扩散。可以预见的是，曲率更大的完整背斜结构可以形成较大的封闭理想含水层结构，从而能够更好地应用于储能系统。因此，在含水层压缩空气储能选址时，背斜结构、低渗地层中的高渗砂岩透镜体和断层分割开的高渗地层结构都是理想的天然储层结构。

图3 3种结构含水层储能系统可持续循环次数的对比[13]Fig.3 Comparison of system cycle times variance among three different aquifer systems[13]

1.2 地质安全因素

当储气库位于含水层时，地质结构的密封性和稳定性对于整个储能系统的安全性具有很重要的作用。在对含水层压缩空气储能进行选址评价时，储能系统的安全性和稳定性对于整个场地是否能够进行压缩空气储能是两个必须要考虑的因素。

1.2.1 盖层封闭性

含水层压缩空气储能的盖层必须具备足够的密封性，以防止压缩空气沿垂直方向泄漏从而可能引起对上层含水层的影响以及由于气体泄漏产生的储能效率降低。一般情况下盖层的岩性构造主要为沉积岩，盖层内部通常都被地层水所润湿，含水层中的压缩空气需要排替盖层孔隙中的原生水才能进入盖层向上运移，故盖层的排替压力可以作为衡量盖层封闭性的主要参数，排替压力越大则盖层的密闭性越好。同时，在评价区域盖层的封闭性时还要充分考虑盖层区域分布的连续性。含水层压缩空气储能中对于无明显低渗边界的均质含水层来说，随着储能系统的运行，压缩空气逐渐远离工作井区域，故当盖层分布的连续性较差时，可能会导致在含水层远处的位置出现盖层厚度的尖灭，从而使得空气向上层扩散。此外，在一定范围内，对盖层裂隙和断层及废弃井封井情况等潜在泄漏通道的调查也可用于衡量盖层封闭性的参数。对于盖层的封闭性评价在一定程度可以借鉴油气工程和CO地质储存工程中的盖层密闭性的评价方法。

综上所述，在含水层压缩空气储能选址评价时，应充分考虑一定区域内密闭盖层的封闭性，即需要对盖层的排替压力、盖层区域分布的连续性和盖层中是否存在潜在泄漏通道进行评价。较好的盖层条件应该是具有较大的排替压力，在一定区域内连续性分布，且无明显的潜在泄漏通道。

1.2.2 盖层稳定性

含水层压缩空气储能过程中，由于需要向含水层注入大量的气体，容易造成储层压力的积聚，而过大的压力可能会破坏盖层的稳定性。对盖层稳定性的评价主要是对盖层地质力学性质的研究。盖层的力学效应作用可能会引起盖层初始裂隙的张开、盖层岩石或者岩体的破坏，较大的注入压力可能会使得盖层不完整并诱发潜在泄漏通道的产生。通过三轴试验分析岩石应力-应变的关系，可以研究盖层的地质力学稳定性。盖层的地质力学稳定性评价，可以参考CO地质封存的相关评价指标和评价方法。

在对含水层压缩空气储能进行选址评价时，盖层的地质力学性质越好、岩石破碎压力越大，盖层的稳定性就越好，由注入空气引起的压力积聚对整个地层的影响才会越小。

1.2.3 场地稳定性

场地稳定性评价主要是指地质构造运动或者自然灾害对候选场地地下储气库结构和地上配套工程设施的影响评价。与CO地质封存场地稳定性评价相似，在含水层压缩空气储能选址评价时要考虑地震和活动断层的影响。地震和活动断层会大幅度破坏储能系统的圈闭条件，从而影响整个储能系统的稳定性和安全性。此外，为了保证地面发电相关设施的安全，储气库地面工程场地也应该选择区域稳定性较好的地区，避免自然地质灾害如洪水、火山、滑坡、泥石流、地面塌陷等的影响。

1.3 经济效益因素

在对含水层压缩空气储能进行选址评价时，经济效益也是衡量场地是否适合进行含水层压缩空气储能的重要因素。场地所处的地理位置、投资成本、储能规模和由于井筒腐蚀造成的经济损失是评价经济效益因素所选取的4个评价指标。

1.3.1 地理位置

含水层压缩空气储能主要是针对集中式风力发电储能的系统，故在建库选址时，首先应该考虑候选场地所在区域的风力资源和用电需求情况，避免由此产生的次级成本增加(距离适合的风电站太远或用电需求低而增加输气管道/跨区域输电设施的成本)或中途泄漏的可能性增大；其次，储气库一般应距离大城市或用户集中地150 km以内为宜，以降低远距离输电的成本，并保证足够的用电需求。此外，储气库选址要符合区域发展规划，避免建立在如自然保护区、军事区、矿产资源储备区等敏感区域。为了避免由于高压气体对地层的破坏而造成的深部水质较差的含水层渗漏到饮用水开采含水层的危害，储气库选址也应该尽量避免距离饮用水水源地较近的地方。

1.3.2 投资成本

含水层压缩空气储能选址评价时考虑的投资成本主要为勘探投资成本和区域设施调查成本。含水层作为储气库与利用开挖盐洞相比，需要更加详细的候选场地区域的地质资料来判断盖层和储层相关的性质是否合适，勘探费用估算主要依据区域三维地震勘探规模、探井钻探、储盖层水力测试、断层干扰试井和岩心室内试验等。如果候选场地在勘探之前存在油藏或者天然气开采等类似工程，存在较多可利用的地质结构和含水层信息等，将会极大地减少勘探的投资成本。此外，区域已有设施也是选址时需要考虑的一个因素，其包括调查区域老井和废弃井的固井和封堵情况、了解地面基础设施(水、交通等)和区域规划等，区域内可利用的老井和地面基础设施越多，候选场地的经济性越好。

通过对建库选址的投资成本因素分析发现，选址时区域地质情况资料越丰富、可利用的地面基础设施和老井数量越多，在选址区域建库越经济。

1.3.3 储能规模

储能规模是反映储气库储能规模和调节电力平衡的重要参数。在不破坏盖层封闭性的情况下，增大储气压力可以增加整个储气库的容量，也可提高单井的储能效果，增强储气库的调节能力。在其他因素相同的情况下，储气库的上限压力可以用来评价候选场地在储气规模设计时能够达到最大的储气规模。候选场地储气库的上限压力越大，可以进行的储能规模越大，整个储能系统的经济效益也就越好。

1.3.4 井筒腐蚀

井筒在工作时，由于长时间与地层水接触容易造成井筒结构的腐蚀。特别地，由于高温高压气体的循环抽采可能会进一步加速井筒内部结构的腐蚀。井筒的腐蚀很大程度上降低了储能系统的单井效率，需要定期地采用相关方法进行清理和修复，从而增大了储能系统的维护成本。井筒的腐蚀程度大小与地层水的成分和菌群种类有关，故在选址时需要对地层水的化学成分和生物菌群的类别进行试验和判断，以预估可能会对井筒造成腐蚀破坏的程度，便于采用相应的材料防止井筒的过度腐蚀。此外，当地层温度较高时，也会加快井筒的腐蚀破坏。

故在选址时也要对储能系统运行过程中可能加快井筒结构腐蚀的各种综合因素进行预先评价。通过评价分析，采取减慢井筒腐蚀的预防措施，从而降低井筒和相关设备的运行、维护成本，提高储能系统整体的经济效益。

1.4 评价体系构建

通过对候选场地不同评价指标的选取和评价研究，利用AHP法的结构分级建立含水层压缩空气储能选址评价指标体系，其具体的层次结构如图4所示。

图4 含水层压缩空气储能选址评价指标体系Fig.4 Structural model of site selection evaluation for compressed air energy storage in aquifers

由图4可见，在评价体系中，储气库的综合评价体系作为整体的目标层，主要的三大类评价因素即储层性质因素、地质安全因素和经济效益因素作为准则层(一级指标)，三大类评价因素细化的12种具体评价指标作为评价指标层(二级指标)。

根据国内外CO地质封存和含水层天然气储存选址的相关研究以及对目前国际上含水层压缩空气储能技术选址的相关研究和计划的含水层储气工程选址进行调研的基础上，并综合对该技术理论进行的研究，将储气库综合评价体系中各个评价指标分为优、良、中、差4个级别(见表2)，以便对含水层压缩空气储能选址评价进行定性和定量分析。

表2 含水层压缩空气储能选址评价指标体系中各评价指标的分级Table 2 Index classification in site evaluation for compressed air energy storage in aquifers

2 我国含水层压缩空气储能潜力分析

目前，我国对压缩空气储能技术的研究还处于起步阶段，特别是对于含水层作为压缩空气储气库的研究尚处于空白。本文将通过分析我国主要盆地的储盖层性质概况和可能存在的重点勘探目标，对我国含水层压缩空气储能的应用潜力进行初步分析。

2.1 我国盆地级含水层压缩空气储能潜力分析

含水层压缩空气储能的选址评价需要候选场地较为详细的地质资料，但客观情况是小尺度范围的地质资料获取困难。通过文献调研，结合我国CO地质场地和油气开采地区的相关地质资料信息，本文对我国大部分盆地的储盖层性质进行了总结分析，通过有限的资料信息在盆地尺度上对我国含水层压缩空气储能的应用潜力进行了初步分析。我国主要盆地的储盖层特征信息见表3。

表3 我国主要盆地的储盖层特征信息表[28]Table 3 Characteristics of reservoir and cap in major basins in China[28]

由表3可知，从有储层渗透率数据的盆地结果发现，储层渗透率大于300 mD的盆地有12个，储层孔隙度大于10%的盆地有23个；盆地盖层的状况普遍较好，但是大多数断裂的活动情况都较大。在盆地尺度上对我国含水层压缩空气储能应用潜力进行总结分析发现：从储层性质因素来看，我国大部分盆地地区的储层孔隙度都能够满足要求，部分盆地的储层因渗透率过小，在天然情况下可能无法满足选址的需要，但是通过后期的改良，储层可以达到适合的标准，具体的储层结构参数还需要进行进一步的勘探来确定；从地质安全因素来看，盆地普遍的盖层状况良好，但是裂隙和断裂活动部分盆地较密集，需要在场地选址评价时开展进一步的研究；从经济效益因素来看，大部分盆地由于是油气开采的地区，能够获得较多的地质资料信息，从而减少了勘探调查的费用，此外盆地开采油气时存在较多的老井和较为完善的地面基础设施，能够进一步减小经济成本。

2.2 可能存在的重点勘探目标

参考我国天然气含水层储气库的重点勘探目标，对筛选出的相关地区含水层作为压缩空气储气库的应用潜力进行了分析研究，我国含水层储气库3个重点勘探目标地区的储层特征参数，见表4。

表4中主要描述了我国各个地区构造的储层性质因素的参数，包括储层孔隙度、储层渗透率、储层埋深、构造圈闭等。按照选址储层因素各评价指标的评价标准，对我国各个地区候选场地储层参数进行等级评价，其评价结果见表5。

表4 我国含水层储气库重点勘探目标地区的储层特征参数[29]Table 4 Parameters of the aquifers in the key exploration targets in China[29]

由表5可知，我国不同地区候选场地由于储层参数范围的变化，其评价等级也随之变化；对于东北地区的前4个候选场地中，当选择合适的储层渗透率和储层埋深区域进行含水层压缩空气储能的设计时，其各项评价指标能够达到优的等级；我国3个地区的储层孔隙度和储层结构均普遍能够达到优的等级，不确定的评价结果只出现在储层埋深和储层渗透率；由于资料的缺乏无法对储层原生矿物类型和地质安全因素进行等级的评价。此外，我国东北地区、长三角地区和环渤海地区都处于我国计划大力振兴或已经较为发达的地区，这些地区的电力需求较高、基础设施建设较好，而且具备建设储能系统的经济基础，且这3个地区均处于我国风能资源较丰富的地区，因此具有较高的含水层压缩空气储能的应用潜力。

表5 我国不同地区选址储层参数等级评价结果Table 5 Evaluation result of reservoir factors in the selection targets in China

3 评价模型

在上述对含水层压缩空气储能选址评价指标体系进行构建和各个不同因素评价指标的评价标准进行定性研究的基础上，本文将利用AHP法和多因子综合评价法对候选场地进行定量分析。

3.1 选址目标层计算方法

AHP法是美国学者Saaty在20世纪70年代提出的，该方法结合运筹思想将复杂问题分解成各个组成因素，并将这些因素按照支配关系分组形成层次结构，通过确定各因素在所在分组层次中的相对重要性，得到其对整个系统的影响权重。具体步骤如下：第一步是构建评价体系的递阶层次结构(见图4)，根据整体的目标和评价因素的类别分为目标层(

)、准则层(一级评价指标

～

)和各个准则层下的评价层(二级评价指标

～

)；第二步是按照层次关系对每个单独层次的各个评价指标进行重要性比较，构造判断矩阵，按照本文中的层次结构需要构造

、

4个判断矩阵；第三步是通过判断矩阵，计算各个因素在所在层次的影响权重，并进行一致性检验，随机一致性比率满足要求时才认为影响权重的计算是合理的。

在利用AHP法计算出各个因素对整体的影响权重后，结合表2中各个因素定性评价的分级标准，通过多因子综合评价法，构建目标层即含水层压缩空气储能选址的综合评价模型如下：

(

)

式中：

为选址评价总得分；

为二级评价指标下各个单项指标的得分，得分按照表2中对各个评价指标定性评价的等级优、良、中、差分别取值10、8、6、4分；

为

层中各个单项评价指标对于上一层的影响权重；

为准则层各个评价指标对于目标层的影响权重；

和

分别为达标准则层和相应二级评价指标的数目。

依据综合评价计算得到的选址评价总得分数，将储气库选址的综合评价标准也分为4级：①一级，即候选场地区域状况优，综合评分为9～10分之间，该区域适宜建立含水层压缩空气储能系统，场地安全稳定性高，经济效益好；②二级，即候选场地区域状况良，综合评分为7～9分之间，该区域能够建立含水层压缩空气储能系统，但需要在建设期对整体储能系统进行模拟研究和经济效益评估，可以采用相关含水层改造方法提高储能效率；③三级，即候选场地区域状况一般，综合评分为6～7分之间，该区域基本可以建立含水层压缩空气储能系统，但需要开展较详细的模拟研究，研究储能系统运行时的工作效率、评价经济收益并预留资金对整个储能系统的安全稳定性进行维护，还需要探讨对含水层进行改造的可能性；④四级，即候选场地区域状况差，综合评分小于6分，该区域不适合建立含水层压缩空气储能系统，需要另选场地。

3.2 评价体系中评价指标权重的确定

针对评价体系中不同层次的评价指标构建判断矩阵，计算评价指标权重并进行一致性检验，其结果如下：

层级判断矩阵为

该判断矩阵的最大特征值

为3.053 6，通过查表和计算得到该判断矩阵的随机一致性比率为0.046 2

0.1，故该判断矩阵的构造和相应的权重分配合理，其评价指标

～

的权重分别为0.527 8、0.332 5、0.139 6。由此可见，储层性质因素所占的权重接近53%，地质安全因素和经济效益因素所占的权重分别为33%和14%左右。储层性质因素

判断矩阵为

该判断矩阵的最大特征值

为5.173 3，通过查表和计算得到该判断矩阵的随机一致性比率为0.038 7

0.1，故该判断矩阵的构造和相应的权重分配合理。5个不同评价指标相对于储存性质因素的权重分别为0.072 0、0.061 2、0.104 0、0.300 1、0.462 6。由此可见，储层结构和储层渗透率所占权重分别为46%和30%左右，故在选择储层时首先要考虑储层结构和储层渗透率两个评价指标，这两个评价指标同时控制着储层是否接近天然状况下理想的储层条件。地质安全因素

判断矩阵为

该判断矩阵的最大特征值

为3.053 6，通过查表和计算得到该判断矩阵的随机一致性比率为0.046 2

0.1，故该判断矩阵的构造和相应的权重分配合理。3个不同评价指标相对于地质安全因素的权重分别为0.327 5、0.412 6、0.259 9。由此可见，盖层的稳定性和封闭性是地质安全因素选址中较为重要的两个评价指标。经济效益因素

判断矩阵为

该判断矩阵的最大特征值

为4.064 8，通过查表和计算得到该判断矩阵的随机一致性比率为0.024 0<0.1，故该判断矩阵的构造和相应的权重分配合理。4个评价指标相对于经济效益因素的权重分别为0.465 0、0.134 2、0.327 3、0.073 6。由此可见，地理位置和储能规模是经济效益因素选址中较为重要的两个评价指标。

综合以上各个二级评价指标在所在准则层的权重和相应准则层在目标层的权重，可以得到不同二级评价指标对于含水层压缩空气储能选址所占的权重分配，见图5。

图5 储气库选址基本评价指标影响权重柱状图Fig.5 Weight column diagram of basic evaluation indexes

由图5可见，储层结构、储层渗透率和盖层封闭性在含水层压缩空气储能选址中所占的权重相对较大，说明这3个评价指标对储能效果有着较大的影响。

3.3 应用实例评价

结合上述提出的含水层压缩空气储能选址量化方法，综合含水层天然气储存工程场地的应用实例，选取河北省大城县的大5区块(D5)二叠系上部石盒子组砂岩含水层为例进行候选场地评价。

3.3.1 D5区块选址储层性质因素分析

D5区块位于冀中坳陷大城凸起东侧的里坦凹陷，基底发育中生界、上古生界石炭系—二叠系砂泥岩地层以及下古生界奥陶系石灰岩地层。区域内共有两口钻井，出于石油勘探的目的，首口探井于1975年开始钻探，井深为3 280 m，该区块内地质和地震资料较为详细。D5区块整体呈现背斜形态，被东北向和西北向两组规模较小的断层切割，形成断背斜。其中，目标含水层二叠系砂岩圈闭面积约为12 km，闭合幅度为150 m，构造高点埋深约为2 285 m，图6显示了D5区域目标含水层即二叠系储层顶面构造(其中黄色部分为研究区D5区块范围，等值线为含水层埋深等值线)。目标含水层深度位于2 325～2 510 m之间，其中有效厚度为106 m，储层岩石类型主要为长石砂岩，岩屑石英砂岩次之。D5区块二叠系储层的孔隙度和渗透率较低，平均值分别9.2%和5.52 mD，储层的水平均矿化度为4 624.8 mg/L，为NaHCO型水。

图6 大5区块(D5)目标含水层二叠系砂岩顶面构造图[25]Fig.6 Structure of the top surface of the Permian aquifer at site D5[25]

3.3.2 D5区块选址地质安全因素分析

目标含水层的盖层主要为二叠系石千峰组灰色泥岩和紫红色泥岩，呈块状构造，为曲流河相洪泛平原亚相沉积。通过地震和钻井资料可以发现，目标含水层的盖层厚度约为125 m，且盖层在横向上分布连续，平面分布较广。通过对盖层19个代表性岩样的孔隙度和渗透率进行测试，发现其孔隙度范围为5.28%～26.29%，垂向渗透率和水平渗透率平均值为1.0×10mD和1.7×10mD，盖层属于中低孔、特低渗盖层。此外，相关文献中提取了盖层11块岩心样和隔层3块岩样进行突破压力测试，发现饱和水时突破压力平均值为34.31 MPa，突破压力较高，说明盖层具有良好的封闭性。在分析盖层的地质力学可塑性时发现，由于盖层矿物中蒙脱石和伊-蒙混层体积分数较高，故盖层具有很强的可塑性，能够抵制盖层变形中次生裂缝的发育。此外，在对D5区块选址的场地稳定性分析中发现，该地区属于弱震区，近年来未发生过地震、洪涝等地质灾害，故场地稳定性良好。

3.3.3 D5区块选址经济效益因素分析

D5区块位于我国华北平原，从我国风能分布图中可以发现该地区的风能资源较为丰富，而且国家电力投资集团有限公司也正在该地区所处的河北省大城县开展200 MW的风电项目，含水层压缩空气储能的建设能够很好地为该地区和附近城市提供良好的电力输送。此外，该地区具有良好的地面基础设施及较为完善的地质和勘探资料，能够大幅度地降低在该地区建立含水层压缩空气储能电站的成本，且能够很好地促进该地区的环境友好型能源产业的发展。故目标区块具有实施含水层压缩空气储能的良好经济效益基础和前景。

3.3.4 D5区块选址综合评价

通过对D5区块地质、地理、经济等资料的总结，并根据前文建立的选址评价指标体系，对D5候选场地的各个评价指标进行评分，个别未描述的评价指标，由于其占总体权重较小，统一采取“中”进行赋值评价，其评分结果见表6。

表6 D5候选场地各评价指标的评分结果Table 6 Scores of evaluation indexes at site D5

根据各评价指标的评分结果以及相应指标和层级占总体评价得分的影响权重，代入公式(1)计算得到D5候选场地二叠系砂岩目标含水层选址评价的综合得分为7.10，故该候选场地为二级，选址区域状况为良，能够满足建立含水层压缩空气储能系统的基本条件。目标含水层区域存在的主要问题为：①含水层孔隙度和渗透率较低，可以采用水力压裂的手段对目标含水层区域进行改造，从而增加含水层的渗透率和孔隙度，进而提高含水层压缩空气储能的效率；②含水层埋深较大，D5区域的目标含水层埋深在2 000 m以上，可能会增加地表发电设备的配置要求，从而增加总的投资成本。目标含水层区域的主要优势在于：①含水层结构为背斜结构，具有很好的圈闭压缩空气的条件，可有效防止气体扩散和能量损失；②目标含水层区域具有良好的地质力学性质和封闭性的盖层且场地稳定性较好，能够保证储能系统的稳定安全运行；③目标含水层区域具有丰富的风力资源和风能电站项目，且具有较为详细的地质勘探资料和良好的用电需求，从而提高了该地区建设含水层压缩空气储能系统的经济效益。通过建立含水层压缩空气储能选址评价模型，能够量化候选场地的适宜程度，从而为分析和改造候选场地的地质条件性质、获取场地信息资料提供指导意见。

4 结论

(1) 从储层性质、地质安全和经济效益三类主要因素建立了含水层压缩空气储能的选址评价体系，对12项评价指标进行了分析与评价。根据前人理论研究和相似工程经验，对各个评价指标划分了优、良、中、差4个级别，并提出了各评价指标等级的划分标准。

(2) 利用提出的选址评价体系定性地对我国主要盆地和若干重点勘探目标进行了研究。从有限的盆地储盖层资料分析，可以发现储层渗透率和盖层封闭性问题是大部分盆地普遍存在的、需要进一步考虑的因素。通过对我国若干重点勘探目标地区的评价分析，发现东北地区、长三角地区和环渤海地区具有较高的含水层压缩空气储能的应用潜力。

(3) 根据相关研究和经验，利用层次分析法对不同评价指标对于总体评价的权重进行了量化，结果表明储层结构、储层渗透率和盖层封闭性3个指标在选址中所占的权重相对较大，对储能效果有较大的影响。通过多因子综合评价方法对不同评价指标进行评分，进而实现了对候选场地总体的定量化评价。选取河北省大5区块(D5)含水层为例，进行了候选场地整体的定量化分析，结果显示该地区能够满足建立含水层压缩空气储能系统的基本条件。

(4) 由于该技术目前还处于理论研究和工程计划阶段，本文对各评价指标的评价标准主要根据前人的相关研究、类似工程经验(CO地质储存和天然气含水层储存)以及作者对该技术的影响因素模拟研究等确定，还存在一定的局限性。该选址评价方法可以为初步评价含水层压缩空气储能潜力提供指导，但对场地的进一步研究还需要在掌握一定的地质资料并进行模拟评价后才能完成。