Review and outlook of space utilization technology for salt-cavern gas storage in China

天然气是一种绿色环保优质能源，对低碳经济的发展具有重大推动作用，截至2020年底，我国天然气能源消费在一次能源中占比达10%以上^[1]。为缓解我国天然气供不应求的严峻形势，同时满足用户调峰供气和国情战略储备的双重需求，地下储气库建设成为我国能源发展战略的当务之急^[2]。由于具备储层渗透性极低、蠕变性良好且损伤恢复能力强等优质储气特点，盐穴储气库在全球受到广泛的关注^[3-5]。据统计，目前全球已经建成的地下储气库已有674座，其中盐穴储气库有110座，而由于我国地下储气库的建设起步相对较晚，目前已建成在用的地下储气库仅27座，其中盐穴储气库仅3座^[6-8]。因此，我国还需进一步提高建库数量及建库水平，特别是加强盐穴储气库的建设，以满足上游供应和国情需要。

我国盐岩资源含量丰富，目前已探明的总保有储量可达4 075亿t，但是由于我国盐矿盐岩多为层状且品位较低，岩层厚度较薄，储层埋藏深度较深，并且具有多层较厚的夹层^[9-10]，在溶腔建库后会出现大量不溶物占据腔体底部导致注气排卤过程中卤水无法被排出，使腔体大部分空间无法被有效利用，因此，提高地下盐穴储气库空间利用率对于我国盐穴储气库建设来说意义重大。笔者基于国内外地下盐穴储气库储层特性参数以及盐岩品位等特点，对国内盐腔空间利用技术研究现状和面临问题进行了调研，并对实现沉渣空间利用的相应解决方案进行了分析和展望，以供国内盐穴储气库空间利用研究参考。

在国外例如欧美等国家由于盐矿埋深较浅，所建盐穴储气库深度一般不超过1 500 m，并且盐矿多为盐丘型构造，储层厚度多在300 m以上，部分地区储层厚度甚至可达1 000 m。从盐矿岩石品位来看，国外盐岩具有不低于95%的较高品位，并且在盐矿地层中极少存在甚至无夹层^[11-12]。由于国外盐穴地下储气库埋藏浅、地层厚度大、盐岩品位高和极少夹层的特性，在溶盐造腔过程中只会产生少量的不溶物沉入腔体底部，在注气排卤过程中排卤管柱可顺利下入腔体底部将盐腔中大部分卤水在无堵塞情况下排出，从而使盐腔内几乎所有空间都得到充分利用，所以目前国外暂无相关盐岩不溶物沉渣等方面的研究。

我国盐矿埋藏普遍较深，部分地区甚至超过2 000 m，并且岩层厚度仅有60~250 m，同时由于我国盐矿岩石多为层状盐岩，盐岩中含有多达7~8层的较厚夹层^{[11, 13]}。在盐穴储气库水溶造腔过程中，层状盐岩除含有可溶性盐岩外还含有泥岩、硬石膏和钙芒硝等不溶物质^[14]，不溶物会伴随着可溶性盐岩的溶解裸露在卤水当中，在自身重力作用下沉降于盐腔底部。此外，难溶性夹层和不溶性夹层同样也会在可溶性岩层溶解过程中暴露在腔体内，由于溶解过程中夹层内部大量裂隙的生成以及卤水在裂隙当中的流入，泥质夹层浸水膨胀导致其抗拉伸强度大幅度下降，在卤水与夹层自身重力、挤压和失稳的协同作用下，夹层所受应力超过失稳极限跨度，最终造成夹层垮塌^[15-16]，与盐岩中的不溶物质一起沉降。上述难溶或不溶物质会以颗粒或块状形态堆积于盐腔底部，并与沉渣之间空隙中的卤水共同构成盐穴储气库沉渣空间部分(图1)。

Figure 1.  Schematic diagram of conventional single-well gas-driven brine drainage

综上，在国外以欧美为代表的盐丘型储气库由于品位高、厚度大和夹层少等地质特点，造腔溶腔后不溶物沉渣极少，暂不涉及到盐穴地下储气库沉渣空间利用问题，而国内层状盐穴储气库由于品位低、地质条件复杂，不仅使施工难度有所增加，同时还造成空间资源和建库经费大量浪费。因此，如何提高盐穴储气库空间利用率，使盐腔空间得到充分利用，是我国地下盐穴储气库研究的重要问题。

盐穴储气库腔体内的沉渣空间特征是研究腔体空间利用率的基础，通过室内模拟实验对盐穴储气库及其腔内沉渣颗粒进行模拟研究，可以掌握沉渣的沉降规律、粒径分布、沉渣空隙率以及沉渣空间体积占比等。孙春柳等^[17]研究了盐岩溶解后的不溶物在腔体中的沉降规律，发现粒径小于0.1 mm的不溶物在卤水当中基本不会发生沉降，这主要是由于其粒径极小且所在卤水的波美度较高，从而导致自身悬浮于卤水当中，在注气排卤过程中随卤水排出，而大于0.1 mm的沉渣颗粒则会发生沉降，其沉降速度与其自身粒径成正相关，并与所在卤水的波美度成负相关。沉降后的沉渣通过分形维数的计算方式进行表征，对其在腔底的分布特征进行分析，结果表明沉降后的沉渣颗粒符合正态分布，且对注气排卤及腔体可用容积都有重要影响^[18]。

为研究沉降在腔体底部的不溶物粒径分布，王自敏等^[13]对国内某区块层状盐岩不同层位进行取心并筛分，发现沉降在腔体底部的不溶物粒径从2.5 mm以内到30 mm以上不等，其中以10~20 mm粒径不溶物居多，并且测量结果显示，不溶物含量占整个岩心总含量的30.5%~50.6%，其中沉渣之间的空隙可占整个沉渣空间的50.02%~54.63%，即平均有约22.48%的卤水残留在不溶物沉渣空隙中。郑雅丽等^[19]对腔体底部沉渣在最大加载压力8 MPa下进行沉渣压实和气驱室内实验，验证了注入气体将卤水排出的可行性，并且计算了沉渣堆积系数和沉渣高度的关系表达式，指出沉渣空间利用率随着沉渣高度的增加而降低。

从上述学者的研究中可知，由于盐穴储气库腔体中含有大量的不溶物——沉渣颗粒，而卤水又占据沉渣颗粒间的空隙，在排卤管柱不下入沉渣内部的前提下，盐穴储气库底部沉渣至少有20%以上的腔体空间无法得到储气利用，与此同时，由于沉渣表面部分不溶物颗粒会随排出的卤水一起流动，并且腔体中存在注入气体与卤水所形成的气液界面，因此会产生关于排卤管口与沉渣表面之间以及气液界面之间安全距离的相关问题。对此，国内学者也展开了一系列分析和研究。

在注气排卤过程中，如果排卤管柱下入位置距沉渣表面过近，粒径较大的不溶沉积物可能随卤水流动被吸入管中，造成不溶物堵塞管柱^[20]。王斌^[21]将储气库简化为长方形腔体模型，可以较方便地模拟不同尺寸排卤管柱在距沉渣表面不同距离时管口附近卤水流速，模拟结果表明，增大管柱内径可降低管口附近卤水流速从而避免不溶物大颗粒流入管柱，结合此规律通过PFC^2D软件对下入不同深度的排卤管柱管口附近的不溶物流动规律进行模拟，结果表明将排卤管柱下至距沉渣表面2 m时，可安全地进行注气排卤。

注气排卤末期，当腔体内气液界面距离排卤管口较近时，由于气体压强较大以及排卤流速较快等原因，若继续采用常规排卤工艺，很容易出现气体进入排卤管柱并被带出地表的风险。结合地质勘探、室内实验、数值模拟以及现场试验，一般建议在气水界面距排卤管入口2~3 m时停止注气，可有效避免注气排卤过程中气体随卤水从排卤管口泄漏到地面^[22]。

每个盐穴储气库的盐层品位和特性都具有各自的独立性和不确定性，因此，排卤管柱管口与气液界面安全距离还需结合盐穴储气库现场实际情况确定，可使用声呐测腔仪确定安全距离。然而，排卤管柱管口与下方沉渣表面及上方气液界面存在的安全距离问题会浪费沉渣上方一定的空间资源。为确保盐穴储气库腔体空间的最大化利用，同时考虑对沉渣空隙空间也能够加以利用的可行性，国内学者从缩短沉渣上方排卤管柱管口与气液界面安全距离以及排卤管柱下入沉渣底部等方向着手，提出了相应的提高空间利用率方法。

排卤管柱与沉渣的安全距离过大会导致部分有效腔体空间无法被利用。王同涛等^[23-24]认为沉渣不溶物随卤水流入排卤管柱受到自身形状、直径分布、卤水密度以及盐结晶析出程度等参数影响。在假设不溶物为球状且不发生凝聚的情况下，对注气排卤过程中管口周围不溶物流场分布和受力进行了模拟，计算得到管口与沉渣的临界安全距离为0.9 m。根据目标储气库实际情况，建议采用Ø114.3 mm排卤管柱、排卤速率120 m³/h，可将排卤管口与沉渣距离从原始的2~3 m优化为1.0~1.5 m，同时指出扩大排卤管径可缩短安全距离，从而提高空间利用率。

采用常规压力和排卤速率进行注气排卤将使气液界面静止在距离排卤管口数米以上，这同样会一定程度上造成可利用空间的浪费。陈锋等^[25]基于FLUENT流场模拟计算出卤水所能携带的气泡直径，并分析了水表面的流速梯度带出气体的难易程度，建议在气液界面与排卤管口距离降至2 m时可将排卤速率调节至60 m³/h，距离降至1 m时排卤速率应控制在40 m³/h以下，以确保在无气体流入排卤管柱的情况下尽可能排出更多卤水。

在盐穴储气库建库初期，规划好合理的溶腔盐层及扩容方式，对不溶物含量相对较低的盐岩进行溶腔扩容，可以在一定程度上使不溶物所占腔体的体积降低，从而提高腔体空间利用率^[26]。通过离散元数值模拟以及分形理论和CPM数值对比分析方法可以对扩容腔体进行预测，验证盐穴储气库扩容和提高空间利用率的可行性^[27]。解恺^[28]基于三维地质力学和有限元分析方法建立了盐穴储气库溶腔扩腔可视化模型，利用该模型可以较精细地模拟溶腔扩腔过程中的腔体地质结构，对盐穴储气库腔体扩容施工具有一定的指导作用。

双井水溶造腔技术相比于单井注气排卤工艺，可以更多地排出腔体沉渣空隙中的卤水^[29]，且后者前阶段溶解腔体时长一般长达3~5 a^[30]，而双井水溶造腔技术可大幅度缩短溶腔时长，同时还增大了储气库腔体的空间利用率。易亮等^[31]通过室内水溶造腔实验对双井水溶造腔腔体形状进行了模拟，对比分析了“台阶”和“宝塔”形态腔体，验证了该项技术的可行性。由于钻新井造腔成本更高，因此采取对老腔进行改造建库的方式将对井老腔连通，在双井之间下钻一套新管柱至双井连通的通道内，从原有双井注气，新井排卤，达到提高腔体空间利用率和经济效益的目的^[32]。

尽管盐穴储气库内沉渣上方的空间实现了最大化利用，但是由于沉渣空隙中的卤水无法被排出且占据了很大一部分腔体空间，因此，需要对排卤管柱下入沉渣底部以排出其空隙中剩余卤水进行可行性研究，以进一步提高储气空间利用率，

由于盐穴储气库腔体中沉渣不溶物颗粒大小不一，因此可通过外力冲击沉渣使其破碎或向周边移动，从而在沉渣内部形成一条排卤通道。杨海军等^[33]研制了一种可用于排卤扩容的连续油管管柱装置，连续油管底端通过油管外卡连接器与加重管连接，加重管另一端通过液压安全接头与旋转冲洗工具连接，将连续油管下入腔底或沉渣中，利用旋转冲洗工具冲开沉渣，形成一条排卤通道，有效排出腔底卤水。宋先知等^[34-35]设计了一种带有4个侧向、2个斜向下45°、1个垂直向下喷嘴的水力喷射工具，并利用建立的水射流旋转冲刷不溶物模型对注水速度、喷头转速以及下入深度等参数进行了优化，提出通过水力喷射冲刷的方式可使喷射工具附近粒径大小不一的不溶物重新排列沉降，从而降低沉渣面，特别是工具附近中心位置不溶物高度，在形成的凹陷带内下入排卤管柱就可以排出更多卤水。

尽管连续油管和水力喷射工具在排卤管柱下入沉渣过程中功不可没，但毕竟装置仍处于设计研发阶段，大部分模拟实验结果都是基于数学模型计算得到的，在现场使用连续油管仍不可避免地出现管柱下入方向控制困难以及排卤管柱在沉渣底部堵塞等问题^[36]。此外，在盐穴储气库注气阶段，井底压力一般可高达18~20 MPa^[37-38]，应用在卤水中的水力喷射工具很难在沉渣中达到应有的射流效果，同时还存在不溶物向管柱附近流动后埋管、无法起出管柱的风险。

综上，在国内提高盐穴储气库沉渣上方空间利用率技术已日趋成熟，然而对于排卤管柱下入沉渣底部的研究仍处于初期设计和建模阶段，还有待形成成熟和配套技术。

在盐穴储气库运行期间，腔体内含有的大量卤水不仅易与注入气体形成水合物腐蚀管柱和设备，而且还会影响用户用气需求^[36]。根据国内金坛、平顶山和江汉等目前在建的盐穴储气库现场勘查调研结果来看，腔体内沉渣高度一般可达数十甚至上百米，若按在沉渣底部每下入1 m管柱可排出5 000 m³的卤水来计算，当管柱尽可能深地下入沉渣底部时，将有10万m³甚至更多的空间得到利用，利用率可提高10%以上。根据现场盐穴储气库单库建库成本为6~7亿元来计算，至少可节约6 000~7 000万资金，同时由于后续每次注采气过程中都会有10%以上的储气空间得到利用，所产生的经济效益更是不可估量。因此，为使沉渣底部的空隙空间得到充分有效利用，排卤管柱成功下入沉渣底部技术意义非凡。

基于现有连续油管和水力喷射技术，充分考虑盐穴储气库沉渣空间结构、沉渣成分、不溶物受力等复杂因素，在常规水力喷射工具下入沉渣底部相对困难的情况下，考虑采用较为简便可行的可旋转式钻头钻入方式，此举不仅钻入方向可控，并且可以有效冲击沉渣不溶物，达到理想排卤深度。由于盐穴储气库注气排卤周期较长且无需使用钻机，因此一般在水溶造腔阶段结束后钻机即被拆卸撤离，因此还应注意选择更为契合现场条件的钻具组合。目前，钻入沉渣底部的相关技术尚处于初期试验阶段，使用的钻具组合主要可参考螺杆钻具组合，在现场无钻机情况下，液压通过井口传递给井下螺杆钻具，推动转子旋转并将转速和扭矩传递给钻头，排卤管柱在螺杆钻具及旋转式钻头带动下进入沉渣底部。在钻进过程中，应时刻提防异常高压引发气体窜入管柱的风险，可通过腔体内光纤监测气液界面，根据井口压力表数据不断校核控制气液界面。同时，现场应安装气液分离装置，当有气体排出地面时对其进行气液分离，以避免气窜引发的安全事故。

由于腔底沉渣结构疏松，在钻进过程中无法通过钻井液循环排出钻屑，同时部分沉渣颗粒在排卤过程中会随流动的卤水移动至管柱附近，进而造成埋管风险，导致管柱无法上提。因此，可在沉渣表面上方管柱处安装丢手工具，注气排卤结束后若出现埋管导致管柱无法起出，可通过丢手工具将钻头和与之相连的管柱留在沉渣底部。尽管此种提高空间利用率的方式会造成工具成本的浪费，但与随后带来的经济效益相比，不足挂齿。

在管柱下入沉渣底部排卤期间，若采用常规排卤管柱会出现不溶物堵塞管柱管口问题。随着进入管柱的卤水部分盐体结晶析出附着在管柱内壁上，管柱内径大幅度减小，降低了排卤速率，延长了注气排卤工作周期，造成管柱堵塞风险加大；同时由于管径缩小，管柱内较大粒径不溶物不易排出，同样会造成管柱堵塞^[39]。因此，应考虑在下入沉渣底部的管柱安装防砂管，在防止大颗粒不溶物和泥岩进入管柱的同时，还应防止卤水在防砂管筛缝处结晶析出堵塞排卤管入口。

卤水离子成分、卤水与管柱接触面温度差异、排卤速率、筛缝与内壁材质粗糙程度都是排卤管柱内卤水结晶析出的主要影响因素^[40-41]。在排卤管柱下入沉渣底部之前，应提前拟定砂堵和结晶堵塞的解决方案，其中高温注气和高温淡水反冲洗方法为方案首选^[42-43]。目前防砂管及其防砂技术已应用成熟，但在盐穴储气库建库投产时还未曾应用，将防砂技术与防盐结晶技术相结合是确保管柱下入沉渣底部后能够正常注气排卤的重要研究方向之一。

沉渣底部的排卤管柱堵塞问题是基于管柱可下入沉渣底部所提出的，在此技术可行的基础上，应模拟沉渣底部注气排卤管柱防砂管筛缝附近不溶物颗粒随卤水流动的流场规律，精确注采压力、流速、筛缝尺寸等参数，以减少不溶物颗粒从筛缝流入和附着。此外，还应对筛缝处卤水结晶进行化学实验研究，将不溶物颗粒运移与盐结晶进一步双向耦合，模拟及实验分析在沉渣底部排卤的可能性，揭示其堵塞机理。

排卤管柱管径不仅决定着排卤速率上限^[44]，同时对可通过管柱的不溶物粒径以及卤水结晶程度也有重要影响。美国通常采用Ø339.7 mm注气管柱和Ø244.5 mm排卤管柱，欧洲则通常采用Ø244.5 mm注气管柱和Ø177.8 mm排卤管柱，国内目前仍在使用Ø177.8 mm注气管柱和Ø114.3 mm排卤管柱^{[7, 9]}，注气排卤周期较慢的同时还容易发生管柱堵塞，并且由于排卤管柱内径小，在其中下入其他管柱及钻头进入沉渣底部将面临诸多难题。

虽然国内已准备试用大口径排卤管柱，但是按照国家规定注气排卤后禁止排海，因此只能将卤水排放给下游盐化企业，而每个企业对卤水的接受浓度和接受能力不同，造成了现场施工工艺受限，最终只能通过降能减排方式满足下游企业要求。因此，建立适合国内盐穴储气库注气排卤新标准、确保上游注气排卤与下游盐化企业的良好对接是促进我国盐穴储气库腔体空间利用率提高的重要环节。

氢能作为零碳能源，对我国实现“双碳”战略目标意义重大。盐穴储气库由于其极低的渗透性、良好的蠕变性，特别是极强的损伤恢复能力，是未来储氢的最佳载体，但是由于我国盐穴储气库内残余了大量卤水，致使大量空间资源无法得到利用。如果从腔体中排出的氢气不进行除湿，不仅无法满足氢气纯度要求，还会使管柱和设备腐蚀进一步加剧^[45]。因此，尽可能排出盐穴储气库中的残余卤水，提高腔体空间利用率，对盐穴储气库未来转型储氢也极为有利。

(1)由于我国层状盐岩的地质特殊性，溶腔后所产生的沉渣导致腔体内大量空间无法被利用，因此提高盐穴储气库盐腔空间利用率极为重要。国内对盐穴储气库沉渣及其空隙率的研究表明，虽然在沉渣表面上方进行注气排卤技术已日渐成熟，但排卤管柱下入沉渣底部的技术尚待深入。

(2)实现在沉渣底部进行注气排卤的前提要保证管柱的下入和起出，结合现场实际情况，可考虑采用螺杆钻具和旋转式钻头配合丢手携带管柱下入沉渣底部进行排卤。针对在沉渣底部排卤过程中管柱砂堵和晶堵问题，应将二者双向耦合，优化其工艺参数，并在施工前拟定解堵方案。在确定排卤管柱管径时既要考虑能预防管柱堵塞，还要确保上游注气排卤与下游盐化企业的良好对接，以此确立适合我国的盐穴储气库注气排卤新标准。

(3)沉渣空间的利用既可增大盐穴储气库腔体空间利用率，也可提高我国天然气用气质量和经济效益，助力“双碳”目标的实现。