压缩空气储能电站盐穴选址关键流程及控制因素

万明忠，王 辉，纪文栋，商浩亮，姚院峰

(1.中能建数字科技集团有限公司，北京 100022；2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

0 引言

大规模压缩空气储能电站[1]需要的储气库容积高达几十万方，储气库的容积、密封等参数及性能是决定压缩空气储能项目是否可行的关键。目前适宜用作压缩空气储能储气库的主要有盐穴型储气库和人工硐室型储气库。这两种储气库各有优缺点，主要根据当地的资源情况决定采取哪种技术路线。

盐穴型压缩空气储能利用地下盐矿水溶法开采后形成的大型地下溶腔用作高压空气储气库[2-3]。该类型储气库充分利用了盐穴3个方面的优点：1)地下盐穴密封性能好，盐岩的蠕变特性及超低渗透率可保证地下盐穴自身长期密封性，确保压缩空气不泄漏；2)地下盐穴的容积可满足压缩空气储能的需求，水溶法开采形成的地下盐穴，其体积往往有数十万方甚至百万方；3)地下盐穴已开采完毕，经过相关评估论证工作之后，条件合适[4]就可以直接用做储气库，节省了水溶开采的建设周期，同时也实现了废弃资源的再利用。

中国能建利用湖北应城地下盐穴开建了世界首个300 MW级压缩空气储能电站(以下简称“应城压缩空气储能电站”)。本文依托该项目的建设实践，研究梳理了压缩空气储能电站盐穴选址关键流程及控制因素，为盐穴型压缩空气储能项目建设提供支撑。

1 盐穴选址流程

盐穴型压缩空气储能电站的工作原理如图1所示，盐穴承载着储存空气势能的重要作用，所以应详细、严格地论证盐穴适用性。

图1 盐穴型压缩空气储能电站工作原理

根据应城压缩空气储能电站建设实践，盐穴型压缩空气储能电站盐穴选址的关键流程包括3项，分别为盐穴资料收集、盐穴勘测和盐穴评估。这3项流程应按顺序逐步推进，并做好工作之间的衔接，盐穴选址关键流程如图2所示，共计13个环节。

图2 盐穴选址关键流程

2 盐穴资料收集

2.1 资料收集目的

对于盐穴压缩空气储能工程，盐穴基本资料是项目决策阶段的首要判断因素[4-5]。可利用的地下盐穴都是盐业公司废弃采盐井或者开采过较长时间的井组，钻井水溶法开采的盐穴主要采用水力压裂对井采卤和单井对流法采卤，具体到每个地下盐穴的情况各不相同，是否适合用做压缩空气储能需要做针对性分析工作。

盐业公司拥有盐穴盐矿生产资料，需要搜集的主要资料包括但不限于：盐矿勘探资料、钻井完井资料、盐矿开采资料、盐矿开采历史及盐穴产权情况等。通过资料收集，可以初步计算出地下盐腔的体积、沉渣率等，实现对盐穴可用性预评估。

2.2 盐矿勘探资料

盐矿勘探资料可掌握区域盐矿分布深度和平面展布，是分析该区域盐穴是否可用的最先决资料。盐矿的分布深度太浅或太深都不利于盐穴的利用。盐矿的平面展布太小，则会导致盐穴周边的封闭条件不良，也不利于盐穴的利用。

2.3 钻井完井资料

地下盐矿开采生产必须进行钻井以连通地面与地下盐层，钻井完井数据是了解盐层分布的最有效资料。钻井完井数据具体包括建井时间、在役年限、所属村镇、盐层顶底面埋深、对井联通方式、完井深度、终孔孔径、表层套管参数和生产套管参数等。

2.4 盐矿开采资料

钻井工程完成后，盐岩就进入到了开采阶段，单个盐穴的开采历史时间会很长，最多可超过20 a。在长时间开采过程中积累的开采数据，是判断盐穴有效容积的关键参考。开采数据包括累计采盐量、井组溶腔体积、开采压力、井组空腔体积和井组联通现状等。

2.5 盐穴产权情况

盐穴产权是项目初期要确定的重要内容。地下盐岩属于矿产的一种，其开采权是盐业公司通过政府出让取得，该开采权有明确的时间及开采范围规定。目前对于盐穴的归属权，尚没有明确的规定，需要跟盐矿企业、当地政府进行协商处理。

3 盐穴勘测

根据收集的资料判断出适宜的地下盐穴以后，就可以开展下一步的勘测工作，主要包括盐穴的物探、钻探和声呐测腔等一系列工作。

3.1 盐穴物探

地球物理勘探(以下简称“物探”)是一种使用物理方法进行地质勘察的技术手段[6]，通过分析各种地球物理场的异常显示，评判地下目标体相关参数。该方法探测范围大，工程周期短，是地下盐穴探测的重要手段。地下盐穴物探主要有3个目的：1)探测盐穴容积，核定盐穴容积是否满足发电容量需求；2)判断盐穴上覆盖层情况，确定上覆盐层厚度、排查断层发育情况；3)获取盐穴的空间形态分布[7]，为资料井、注采井的位置布设提供依据。

3.2 通井测井

长时间开采或废弃的采盐井套管内会出现大量卤水结晶，且套管的腐蚀情况、变形情况、固井质量情况等均是未知的，还有可能出现中心管堵塞的情况。这些问题都会影响声呐及测井设备的工作，必须进行通井，为后续作业提供畅通的井筒状态。

通井与测井是紧密结合的，通井顺利后即可下入测井探头，对套管壁实施自然伽马、声幅、变密度、电磁探伤、井径、磁定位等参数的测井，判别旧井套管的固井质量和进腔深度，如图3所示。

图3 老旧套管的变形情况

如通井不顺利，则通过测井的手段判断进腔深度后，指导切断套管的位置并维修套管，为声呐探测提供有利条件。通过通井、测井作业，不但能够为声呐测腔提供有效作业空间，还可以对该采盐井在长时间采盐过程中是否沿井壁溶穿盖层提供重要依据。

3.3 声呐测腔

声呐探测技术是目前盐穴腔体形状检测的最准确手段[8]，其利用仪器发出声波脉冲信号和接收到信号的时间来测量方位距离。声纳测腔可对盐腔的空腔形态、顶底面精确位置等重要关键信息进行直接探测，测量成果还可以用于指导后续注采气井布置。声呐测腔结果可用于三维地震数据的校准，修正三维地震的偏差，提高三维地震的置信度。地下盐穴埋深大、压力大、腐蚀性强，因此，探测设备的探头应防水、耐高压、耐高温，配备惯性导航系统，具备良好的波束聚焦性能。

3.4 密封性测试

工程勘测阶段进行盐穴水压密封试验[9]，用于获取盐穴运行压力参数。盐穴密封性与盐岩层特性、夹层及盖层特性、井身结构和固井情况等因素有关，盐穴密封性的确定必须要通过水压密封试验确定[10]。盐腔卤水密封性[11]测试一般采用压力流量综合测试法，即利用盐矿注采泵和原有注采管道从注水井井口注入饱和卤水，同时关闭排卤井出卤阀门，通过计量压力表和流量计监测卤水注入压力和卤水流量，进而计算腔体漏失量，评价盐腔的密封性。

4 盐穴评估

通过盐穴勘测工作获取了盐穴的详细参数之后，应结合压缩空气储能要求评估盐穴的适用性[12]。当盐穴的地质分布、运行压力、容积、深度和形态满足下述所有条件时，则认为目标盐穴满足压缩空气储能电站的要求。

4.1 盐穴地质评估

我国的含盐盆地多为陆相沉积的层状盐矿床，主要特点是厚度薄、单盐层薄、夹层厚和相变大。盐穴的选型不仅和盐穴本身条件有关，还要考虑到周边构造。目标盐穴所处沉积区内必须构造稳定，大断层不发育，层间小断层较少，与邻近小断层距离至少保持200 m。含盐系地层平面展布应尽可能广，厚度大于100 m，其中的盐岩层所占比例应尽量高。

4.2 盐穴运行压力评估

盐穴的运行压力是压缩空气储能电站盐穴选址的最关键参数[13]，直接决定地面设备的选型，也是压缩空气储能电站规模的决定因素。盐穴的运行压力需以水压密封试验测得参数作为重要的依据，并结合盐穴的运行模拟计算，最终确定盐穴的运行压力区间。

4.3 盐穴容积评估

盐穴的容积是关系到压缩空气储能电站输出功率和运行时长的重要参数，需要结合盐穴的运行压力和电站的发电效率确定盐穴的容积需求[14]。以应城压缩空气储能电站为例，在运行压力区间为7～9 MPa下，考虑到沉渣占用等因素，经过测算，腔体的空间需要不小于50万m3。

4.4 盐穴深度评估

盐穴埋深太浅会限制盐穴的运行压力，盐穴埋深的最优区间在500～1 500 m之间。盐穴埋深超过1 500 m时，盐岩在温度、压力影响下具有较大的蠕变性，导致盐腔年收缩率增加，不利于腔体稳定性。盐穴埋深过大也会造成钻井工程的难度升级和口径降低，钻井的口径降低会导致钻井数量的增加，这都会引起投资的大幅提升。盐穴顶板应具备厚度大于30 m以上的含盐系地层，确保盐穴顶部的密封性。

4.5 盐穴形态评估

对于盐穴压缩空气储能，梨形腔体是最稳定的腔体形态[12]，理想的腔体形态应是高度与直径之比在5～20之间。据已有资料结果，国内除了江苏省金坛地区，很少有高度与直径比理想的盐穴条件。对于压裂采盐井，通常的盐腔形态都是扁平状，如图4所示，这对盐穴稳定性论证提出了更高要求。对于扁平状的盐穴，需要合理优化钻井的口径规格、井身结构和布井数量等内容，以提高钻井工程对盐穴稳定性的影响。

图4 根据资料描绘的应城盐穴形态

5 结语

盐穴的各项参数是盐穴型压缩空气储能电站的决定性因素。本文依据应城压缩空气储能电站的建设经验，系统总结了盐穴选址的关键流程及控制因素，能够为类似项目的开展提供参考依据。盐穴的选址流程分为资料收集、盐穴勘测及盐穴评估三个阶段。选址阶段的控制指标包括盐穴的运行压力、盐穴的容积以及盐穴的密闭性，相关的物探、钻探工作应围绕这三个控制指标开展。盐穴选址的关键工作流程需要按顺序逐步推进，并做好工作之间的衔接。