废弃矿井改建能源储库的发展现状及方法研究

韩桂武,郭书太,张庆森,周 锐

(1.中国石油天然气管道工程有限公司, 河北 廊坊 065000;2.河南理工大学 能源科学与工程学院, 河南 焦作 454000)

随着能源高效化、清洁化发展,传统能源产业相继去产能、去库存、转型升级,导致大量矿井关停,在现代化开采技术的加持下,产生了可观的矿井可利用空间。在形成如此巨大的地下空间后,若将其进行简单的封存处理,一方面是对矿井资源和地下空间的浪费,另一方面,巨大体量的地下空间不进行后续的修缮、维护,对于当地而言将会是重大的潜在地质隐患。对此巨大体量的地下空间进行利用,不仅能够促使其产业转型升级、重新定义矿井地下空间,也能够减小甚至消除巨大体量地下空间存在的地质隐患[1]. 针对矿井储能,Eui-Seob Park等[2]搭建了一个储存液化氮的试验装置,试验监测结果表明在衬砌岩洞中建造和运行地下液化天然气储存在技术上是可行的;Celestino等[3]基于储能矿井的围岩强度及蠕变情况,对围岩支护角度开展了风险分析;Hyung-Mok Kim等[4]研究了衬砌岩洞室开挖破坏区(EDZ)对压缩空气储能(CAES)地质力学性能的影响,并通过对比多种模拟方案得出最有利于降低衬砌抗拉破坏潜力的设计,该研究结论已为地下储能项目中钻孔和爆破的关键技术提供指导。

在废弃矿井储气探索中,全球仅有3座煤矿储气库,分别位于比利时和美国,目前仅剩美国储气库仍在正常运行。矿井储油研究中,法国将Maysurorne的一座废弃铁矿改造为500 万m3的液化烃储库;德国将Holsen的一座废弃钾矿改造为液化烃储库;美国介绍了位于俄亥俄州南部的石灰石矿Ironton被改造为地下水封石油洞库的全过程,从可行性分析到改建中的关键参数研究,全面对该矿区的岩土工程进行了阐述;Wang H等[5]通过研究某矿区硬石膏岩饱水饱油后在不同围压下的力学特性差异,并结合现场钻孔高压注水试验、储水储油测试,评估水、油长期作用条件下硬石膏岩体渗透性,评价该硬石膏矿采空区储油的密封性,为深部硬石膏采空区建造储油库提供了理论依据和技术支撑。我国研究人员也做了大量关于废弃矿井储存石油或天然气的研究,但总体上相对于西方国家的进展还需进一步研究。

1 废弃矿井储油方法探索

1.1 石油地下储库选址原则

石油地下储库作为国家应对能源储存提出来的新型方案,尤其是结合了我国矿井地下空间,使得矿井地下空间得以转型升级,但根本上要求废弃煤矿能够满足基本的地质条件。总体上,地下水封石油洞库的选址包含区域位置、水文地质、经济条件及地面条件在内,可以总结为两个基本原则:1) 围岩稳定性:围岩稳定性评价、岩体完整性评价和岩体质量评价。2) 水封条件:保证充足的供水水源、做好防渗处理。

此外,还应结合当地居民分布、经济条件、环境保护、石油运输管道、进口路线、军事地位等因素,综合评价遴选出最适合改建石油储库的废弃矿井区域[6].

1.2 废弃矿井石油储库改建方案

以希腊Perama地区地下储油库的改建方案为例,选址地区位于山区的东南部,距离附近海域运输港口仅几公里,距离雅典市中心也仅20 km,其作为石油储库能够满足市区的日常供应以及港口码头的石油运输。该地下石油储库埋深-40 m,拟建5个容积为40 000 m3的无衬砌岩洞作为石油储库群,顶板上铺设两条注水长廊,并等距取孔用以注水设施贯穿,形成水幕系统,见图1. 该地下石油储库在满足调用的同时能够协调城市生活和资源储存的问题[7].

该矿区岩体评价是通过对同一地区不同深度进行取样,结合不同岩体评价指标(RMA、Q、GSI等)来定量分析该地区的地质条件和岩性特征。该地区岩石地质较好,石灰岩占比较大,层状为中偏厚,底层总厚度200 m,UCS均值为55 MPa,单轴抗拉强度均值为5 MPa,渗透系数在10-5～10-6cm/s.

根据该地区的RMR(地质力学分级)49～72、Q(巴顿岩体质量分类)2～22、GSI(地质强度因子)57,基本判定该地区石灰岩基岩符合要求,但岩体的特征仅为一般到优质,后续的岩体条件改善工作也基于以上岩体评价指标进行。在Perama方案的岩性改良中,根据Q系数为2～22,支护手段选取锚杆结合喷射混凝土,再通过数值分析软件进一步确定参数后,对最终支撑特性进行了调整和决定[8],顶板和侧壁采用5 m长的锚杆进行系统锚固,其最大承载力为250 kN,并喷射150 mm厚的钢纤维增强混凝土,支护手段见图2.

图2 矿井改建石油地下储库支护图

除此之外,在岩石表面粗糙、孔隙变化大及裂隙较发育处,常用方解石或硬黏土等物填充,长度在0.5～3.5 m,针对密集区,还可采用灌浆方式进行填充。这一点能够对我国进行地下石油储库的建设提供思路,通过用不同的岩体评价指标来定量描述矿井地下的岩体特性,并通过量化参数指导后续施工。

在石油地下储库水封条件的问题上,该选址地下水没有强烈的季节性波动,水文地质条件良好。但地下水位在海平面+0.5 m～+1.0 m附近,面临着地下水位高于海平面的问题,会导致封库水外溢,不符合水封条件[9].针对此,选取了填海方式,人为增高附近海平面,并在地下水位+0.5 m处钻孔拦截,使地下水位始终控制在海平面以下,进一步确保了地下水的不断补充,在遵循水力遏制原理下,该石油地下储库的水封条件良好。

1.3 我国废弃矿井储油适建性探索

国外利用废弃矿井改造石油地下储库的发展时间较长,除了可参考一些设计、施工经验外,还应在我国石油传输、地质条件、能源安全等问题上综合考究,选出合适的改建区域及改建矿井,再针对废弃矿井岩层中的力学特性,进行合适的改建工作,以确保具体矿井选址的基本岩性要求。国外利用废弃矿井储油针对不同岩体的支护手段见表1.

表1 不同岩体支护经验表

2 废弃矿井改建石油储库的方法探索

2.1 石油地下储库选址原则

储气库的选址,主要涉及煤矿和盐矿这两种类型,针对不同类型的矿井,其选址原则、改建手段、储气方式均存在差异。利用煤矿井下硐室作为储存能源的载体,需在选址阶段对拟建库区地质条件和地面信息进行充分调研,开展技术手段可行性研究。根据资料总结出废弃煤矿改建地下储气库的基本技术指标:

1) 区位条件:地下储气库位置距离能源消费区域越近越经济,0～200 km为宜。

2) 地质构造条件:改建煤矿中煤层展布方向主要以水平或倾斜为主。

3) 井下可利用空间:储气空间50万 m3以上,与周围煤矿无连通。

4) 稳定性条件:拟建储库上部岩体稳定,垮落范围不影响储库,无不良地质情况。

5) 密封条件:具有良好密闭性,水力梯度方向总是经储库围岩由外向内,储库围岩外部水压不小于储库内油、气压之和。

6) 水文条件:煤矿内水系分布简单,明确地下水位,有充沛地下水量。

7) 地面条件:具有开阔的地上空间,拟建库区附近不应有大型建筑和密集人群分布。

相比之下,废弃盐穴的选址则更为复杂,涉及到盐矿开采中的单腔、双井连通腔两种形式,其选址的原则和改建方案也不尽相同。通过调研盐矿资料在前期研究的基础上,结合工程可行性、安全稳定性、经济效益性等因素,盐穴改建储气库选址原则如下:

1) 地质条件:密闭性良好,上覆岩层以硬石膏岩、盐岩等气密性好,孔隙率低的围岩为主,储藏深度适中。

2) 井下可利用空间:储气空间在8万 m3以上,原有盐穴开采中,未发生腔体溶漓等重大复杂事故。

3) 地面条件:具有开阔的地上空间,拟建库区附近不应有大型建筑和密集人群分布。

2.2 废弃矿井储气适建性探索

2.2.1 废弃煤矿储气适建性探索

利用废弃煤矿储存能源通常需考虑煤矿地下空间的储存能力,具体体现在煤矿开采方式中,煤矿开采方式包含自然垮落法、充填开采法和留煤柱开采法。典型废弃煤矿改建地下储气库的整体思路及布局见图3. 其中自然垮落法的采空区上覆顶板自然下沉,覆盖部分或全部采空区可利用空间,同时形成的垮落带和下沉带会严重影响储库围岩的密封性。因此利用改建废弃煤矿时,通常利用充填开采和留煤柱开采下的采空区进行能源储备。已有研究团队利用镁渣充填物,改善采煤方法,施行“短-长壁结合法”,结合改性煤矸石实现了边采边填,形成CO2的地下物理-化学储存体系,并在煤矿生产中取得成效。

图3 废弃煤矿改建地下储气库布局图

现存正在运行的美国废弃矿井能源储库由于前期保护了顶板整体结构,留煤柱开采煤矿作为废弃矿井采空区储能的主要研究对象,因其煤柱的存在,采空区和巷道的地下空间保持良好的稳定性,同时煤柱对天然气具备吸附能力,能够储存大量天然气。

2.2.2 废弃盐矿储气工程应用

盐矿开采主要有单井单腔开采和双井连通开采两种形式,见图4. 单井单腔采盐方式,通过注入淡水,在盐穴内形成独立腔体,依次进行盐开采。双井单腔采盐方式,主要通过定向对接独立盐穴形成贯通式空间,是目前国内常用的采盐方式,盐矿本身的开采方式与盐矿改建储气库水溶造腔技术有一定联系,但由于采注目标不同,所以存在较大差异,因此需在传统盐矿开采中进行技术革新,在采卤的同时保证盐穴的空间稳定性。

图4 盐腔采掘形式图

盐穴独有的水溶方式使盐矿在地下能源储库建设中得到广泛的运用。我国金坛盐矿储气工程已在西气东输项目中发挥重大作用,在金坛盐矿改建历程中,主要经历了老腔改造、腔体气密封测试、光纤连续监测以及高效注气排卤等建设节点。

老腔改造手段类比采盐工艺,目前国际上普遍采用单井加油垫造腔,即仅钻一口单井,形式如同单井单腔采盐方式。针对我国西气东输沿途盐矿多、构造复杂的地质特点,金坛盐矿采用直井双管加油垫造腔法,同时推广该矿改造方式至西气东输沿线工程,已成功改建盐腔空间达850万 m3,成功率达100%,沿途盐腔储气库全部投产使用。

国际中常采用的腔体密封性测试主要依托向生产管道中注射柴油实现,通过对待检测面进行油水界面偏移检测来评价盐腔密封性。在金坛盐矿的密封性检测中,改进柴油为氮气,向生产管道中注入一定量的氮气,其后通过监测腔体气压变化判断腔体密封性,使得密封性的检测方式更加科学、检测手段更易实现、检测结果更为准确。

金坛盐矿创新采用光纤连续监测技术,通过将附着有光纤的造腔管伸入井中,其后向井内传热,利用柴油和卤水比热容的差异,形成温差,此温差由光纤检测并上传至井口,以此监测油水界面深度。

盐矿储气库通过腔体改造、气密性测试和连续监测后,则需注气排卤实现储气库的运营。金坛盐矿储气库简化国际注气排卤流程,直接利用油管注气排卤。完成油管注气排卤后,将油管丢手以下部分丢落于腔体内,丢手以上部分作为注采管柱。

3 结 语

1) 已有西方国家利用废弃盐腔和废弃矿井成功改建地下能源储库,考虑中国矿井地下可利用空间体量巨大,借鉴国外改建废弃矿井先进的建设经验,有利于释放我国大体量矿井地下空间储气的发展潜力。

2) 废弃矿井能源储库的建设,要求废弃矿井能够满足基本的地质条件、围岩稳定性和水封条件,具体体现在围岩稳定性评价、岩体完整性评价、岩体质量评价、充足供水和围岩防渗处理上。

3) 通过总结归纳国内外利用矿井作为能源地下储库的相关案例,综述了矿井改建地下能源储库的基本标准,有助于促进废弃矿井空间资源的再利用。