中国大规模盐穴储氢需求与挑战

氢能是来源广泛且低碳清洁的能源,大力发展氢能产业是实现双碳目标和应对全球能源转型的重要举措。在氢能“制备―储存―运输―应用”全产业链中,储氢难问题长期制约着氢能产业高质量发展。盐穴储氢具有成本低、规模大、安全性高和储氢纯度高等突出优势,是未来氢能大规模储备的重要发展方向,也是我国能源低碳转型的重大战略需求。综合调研了我国制氢产业和氢能消费现状,分析了我国盐穴储氢的需求。调研了国外利用盐穴储存天然气和氢气的技术及工程现状,总结了我国盐穴储气库发展和建设历程。对比了利用盐穴储存天然气、氦气、压缩空气和氢气的异同点,提出我国盐穴储氢面临三大科技挑战:层状盐岩氢气渗透与生化反应、盐穴储氢库井筒完整性管控、储氢库群灾变孕育与防控。研究成果明确了我国氢气储备需求的快速增长趋势和大规模盐穴储氢的重点攻关方向。

新能源用钢管的应用现状、需求分析及思考

“双碳”战略下新能源及相关产业发展给钢管带来新的应用场景,对钢管的功能和性能提出新的需求。聚焦于碳捕获、利用与封存技术领域中的CO_(2)输送用管、氢能领域中的氢气输送用管和储能领域中的盐穴压缩空气储能用注采管,总结了新能源用钢管的应用现状和研究进展,分析了各领域用管需求,并就“双碳”背景下新能源用钢管的基础理论研究、关键技术开发和标准体系建设等方面进行了思考,提出了建议。

我国盐穴资源评价及调查技术研究

在“双碳”目标大背景下,盐穴是实现地质储能、碳封存的重要方式之一,但我国盐穴资源数量、质量不明,盐穴调查技术体系不完善,严重制约盐穴资源开发利用。通过分析我国主要盐矿区地质勘探报告、储量核实报告、企业年报及文献报道等,形成了我国盐穴资源数量、可利用性的科学认识和基本判断;在盐穴集中区开展综合探测技术试验并结合前人试验成果,初步构建了盐穴资源调查技术体系。结果表明:(1)我国盐穴资源丰富,储量大、分布广、埋深适宜、具备规模化开发利用条件,其中华东和华中地区已有盐穴资源最为丰富。(2)通过建立盐穴资源可利用性评价体系,将全国盐穴资源分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3级,Ⅰ级已有盐穴资源占比约29.4%,主要分布在华东、华中地区的江苏、湖北、河南等省份,是开发利用的优选区;Ⅱ级已有盐穴资源占比约65.4%,广泛分布于华中、西北和西南地区,可作为开发利用远景区;Ⅲ级已有盐穴资源占比约5.2%,整体地质条件不适宜开发利用。(3)地面物探可查明盐矿区区域地质、盐层地质、水文地质及盐腔分布情况,指导盐穴建库选址;井中物探精度高,可获取盐矿品味、腔体结构等信息,服务储库建设及运行监测。研究结果可为我国盐穴资源规划及开发提供基础数据和技术支撑。

我国盐穴地下储库建设的挑战与对策研究——从“金坛模式”到“XX模式”

我国盐穴地下储库建设起源于江苏金坛盐矿并获得成功,初步构建了我国盐穴储库建设首个技术标准体系。但是,我国各地盐矿的品位、埋深、矿层厚度和夹层特性等地质条件与金坛盐矿相差甚远,盐穴储库建设面临诸多挑战,不能照搬“金坛模式”。着眼于盐穴储库地质设计、造腔工程、注气排卤方案等方面,首先总结盐穴储库建库的“欧美模式”,以及基本上借鉴“欧美模式”发展形成的我国“金坛模式”的基本特征,然后结合我国已开展和正在开展的其他多座盐矿的盐穴储库建设的研究和工程实践,提出几种基于“一地一议、因矿制宜”原则的典型盐穴储库建库的“XX模式”。“XX模式”意味着是不同于金坛模式并有极大突破和变革的新型建库模式,是应对我国各地盐矿地质复杂性所带来挑战的技术方案和新思路。最后,对于下一步应对盐矿复杂地质条件带来的挑战需要突破和创新的关键理论和技术进行了展望。

盐穴储气库溶腔促溶工具设计及流场优化分析

目前在盐穴储气库腔体的建造中,促溶工具缺乏参数优化过程,没有关于其技术参数与所形成腔体大小、形状之关系的阐释。为此,设计了延伸式快速溶腔促溶工具,利用Fluent软件对此工具的外流场进行仿真,研究喷嘴角度、入口排量和工具旋转速度对盐穴储气库前期的建槽大小、形状的影响。分析结果表明:该工具能实现工作状态可控、延伸自适应,且喷嘴可更换;45°喷嘴角度为建槽期的最佳建槽角度;入口排量越大,高速喷射流的喷射距离和喷射范围越大,但是当入口排量超过一定值时,其对喷射距离的增长幅值会快速减小;建议工具在工作时采用较低的转速,以减少单个高速喷射流的动能损耗。所得结论可为延伸式快速溶腔促溶工具的现场应用提供理论指导。

基于U型盐穴储气库的新型CCUS方法

我国江苏、广东等东部地区碳排放量高、碳减排压力大,且缺少适用于大型碳减排的油气藏地质构造,但存在丰富的盐矿资源,以及多年采盐形成大量盐穴老腔。在双碳目标严峻形势下,如何将这些盐腔利用起来实现碳减排具有重要的研究意义。文章基于U型盐穴储气库的特点提出了一种新型CCUS方法,并进行了碳封存量和垫底气替代量计算。结果表明,1对井组可封存二氧化碳8.2万t,天然气垫底气可降低3766×10^(4)m^(3),具有较好的经济效益和社会效益。

盐穴储气库多步造腔流场浓度场规律

盐穴储库水溶造腔过程中流场特征和浓度场分布会很大程度影响腔体的扩展和腔体最终形态,而流场特征和浓度分布无法通过技术手段进行监测。为研究盐穴水溶多阶段造腔过程中流场特征、浓度场分布及它们对腔体扩展的影响规律,基于建立的盐穴储库多场耦合流动模型进行了相关的数值模拟计算,并与金坛两口储库井进行数据对比。模拟结果与现场造腔数据相一致,验证了模型的准确性。基于模拟结果和数据,分析了水溶多阶段造腔各阶段的流场特征、浓度场分布规律,并分析流场和浓度场的分布如何影响腔体的扩展。结果表明:正循环造腔会形成一个涡流,主要起冲蚀作用,一定程度抑制溶蚀作用;反循环会形成两个涡流,下部的促进卤水排出,上部促进溶蚀作用;强制对流会引起涡流,涡流强度随腔体扩大逐渐减弱,涡流使腔内流体流动,促进了对流扩散过程,从而影响浓度场的分布,最终影响到腔体扩展,通过调整正反循环方式、管柱的位置、油垫位置及注入量可以控制腔体的形态扩展;造腔前期主要受到冲蚀作用,造腔效率高,腔体表面积小使得造腔速率较慢,腔体主要向中下部扩展;后期随着腔体扩大,主要以溶蚀作用为主,造腔速率高,腔体主要向中上部扩展。研究结果和规律对现场造腔工艺设计提供一定的理论基础,对提高现场造腔效率、优化造腔工艺参数具有指导意义。

盐穴压缩空气储能库注采井筒体系优化设计

盐穴因其密封与稳定特性成为压缩空气储能库(以下简称储能库)首选,储能库可以实现大规模的清洁储能,能实现电力供需的“削峰填谷”,是实现“双碳”目标的重要方向之一。井口装置、注采管和封隔器组成的井筒体系是储能库与地面设备的连接通道,然而受气体注采流量的限制和冲蚀作用的影响,现阶段的小通径井筒严重限制了压缩空气储能电站的装机规模。为优化储能库注采井筒体系,对大通径井口装置、耐腐蚀套管和大尺寸封隔器的设计与加工中存在的主要问题进行了分析,并结合工程实际提出了解决措施和合理化建议。研究结果表明:(1)井口装置设计需考虑到每层套管头座挂芯轴悬挂器台阶的承载强度,需要校核及验证悬挂器最小壁厚处的抗外挤强度、承受井下反压时顶丝的抗剪切强度等参数;(2)套管选材应充分考虑制造工艺及经济成本在盐穴压缩空气储能工况中的适用性,建议在易发生冲蚀处使用耐蚀合金纯管材,其余部位优选具有性价比的耐腐蚀套管;(3)大尺寸封隔器建议整体采用芯轴设计,胶筒选用氢化丁腈橡胶或四丙氟橡胶等材质,卡瓦建议采用笼式桶状。结论认为,提出的注采井筒体系设计优化措施,能够为该类型储能项目的大尺寸井筒注采体系设计与优化提供方法和思路。

中国盐穴储氢关键技术现状及展望

随着中国“双碳”目标的推进,传统化石能源正向可再生清洁能源转型。氢能具有来源广、能量密度高和高效清洁等特点,已成为未来重要的能源构成。盐穴的气密性优势明显,且盐与氢气不发生反应,是地下大规模储氢的首选。为聚焦中国盐穴储氢技术研究和未来发展,分析了储氢地质类型及特征,详细阐述了盐穴储氢研究进展和国外运营现状;围绕盐穴储氢技术,深入剖析了大尺寸钻完井、盐穴造腔及形态控制、腔体密封性评价、井筒完整性检测及评价、管材腐蚀及氢脆控制等关键技术;总结了近年来各国制定的相关氢能政策和战略目标,结合我国盐穴储氢未来发展的机遇和挑战,对盐穴储氢地质选择和评估、大尺寸井筒完整性、盐穴造腔形态控制和密封性检测、氢能和盐业有机协同发展进行了展望,以期推进氢能规模化应用与产业链发展。研究结果为中国盐穴储氢发展和规划提供了技术参考。

盐穴储气库老井封堵界面胶结强度试验研究

现阶段进行的水泥塞封堵界面胶结强度测试研究未考虑高温高压对其测试的影响,且大多数开展的是常温常压下水泥塞的剪切胶结强度测试。为此,设计了盐穴储气库老井封堵水泥塞综合胶结强度原位测试装置,并在80℃、15 MPa的模拟条件下,开展了不同界面、不同水泥塞长度和直径及水泥浆体系条件下的水泥塞胶结强度测试试验,明确了不同因素对胶结强度的影响规律。试验结果表明:水泥塞-岩石/套管界面的胶结强度受水泥浆体系影响较大,盐层水泥浆体系下的界面胶结强度大于盖层水泥浆体系下的界面胶结强度;水泥塞-岩石界面胶结强度略大于水泥塞-套管界面胶结强度;水泥塞-岩石/套管界面的拉伸胶结强度低于剪切胶结强度,且两者之比为0.41~0.45。研究成果可为盐穴储气库老井封堵界面密封失效的预测提供重要的理论支撑。

基于遗传算法的盐穴储气库注气能力方案优化

盐穴储气库作为中国天然气调峰的重要手段之一,承担着战略储备的重要任务。为提高川气东送输气管网的运行优化能力,对金坛盐穴储气库提出合适的注气配产方案以降低压缩机能耗作为当前阶段的首要目标。通过对金坛盐穴储气库的地理环境、管道参数、储气井参数、压缩机能耗等综合因素进行分析后,以该地区十口井注气流程为例,将其配气方案的能耗分析作为主要目标,在满足于储气库总量、单井注气约束条件的情况下,应用遗传算法对注气任务方案进行优化。通过分析了5组遗传算法进行优化的注气配气过程,结果表明当迭代步数达到25步左右时,总能耗达到收敛且平均每组运行时间为4.57 s,进一步分析得出各单井注气量在优化过程中的趋势图。在符合现场条件、满足于注气需求的情况下,最终模拟优化后的配产方案系相比最初配产方案压缩机能耗下降了33%,实际现场压缩机能耗下降普遍在30%~35%,大幅降低了压缩机能耗浪费,对实际生产应用具有一定的指导作用。

依托资源的自贡盐产业高质量发展方向探究

本文从资源角度出发,细分自贡盐卤资源形态,根据目前行业技术与市场发展趋势,结合自贡盐产业实际,捋清产业链,创新理念,应用新技术,在制盐、盐化工、天然卤水综合利用、盐穴开发利用以及大品牌战略等方面进行了初步探究,期待自贡盐产业高质量发展。

盐穴综合利用发展现状及对策建议

当前世界正面临百年未有之大变局,地区局势动荡加剧和俄乌冲突让我们深刻意识到能源依赖程度对一国的重要性,对于能源对外依存度较高的国家,提升能源战略储备已迫在眉睫。当前我国的盐穴综合利用是指围绕传统制盐产业链布局创新链,聚焦国家能源储备战略,开展盐穴综合利用于储气、储能等目标,在国家“双碳”目标的大背景下,储气、储能已成为保障我国能源安全、促进绿色发展的重要举措。

三水盐矿老腔储气库密闭性评价

广东省三水盐矿为低品位盐层,夹层多且岩性变化大,已有盐穴溶腔围岩是否满足储气密闭性值得探究。以三水SS1-4老腔为示范案例,建立了盐穴老腔储气库的密闭性评价数值模拟,研究了所储气体在围岩中的渗透范围、孔隙压力和渗漏量。结合密闭性评价指标,探讨了当夹层不同渗透性时气体在围岩中的渗透特征。该研究为三水盐矿及同类地层老腔储气库的选址和运行等提供了重要指导。

盐穴储能库固井工艺

压缩空气储能技术(CAES)利用压缩空气储能,是一种规模大、灵活、低碳的储能技术。云应储能库注采井普遍具有地层温度低、井眼尺寸大、漏失风险未知、注采周期频繁、井筒长期封隔要求高等固井难点,固井难度大。故开展了湖北应城压缩空气储能固井工艺研究,结合紧密堆积设计理论、晶相结构诱导设计,研发了1套适用于盐穴储能库注采井固井的低温抗盐韧性水泥浆,并形成了相关配套固井工艺。水泥浆密度范围为1.88~1.93 g/cm^(3),稠化时间易调,沉降密度差为0,游离液为0,API失水量不大于50 mL,抗盐达半饱和,7 d弹性模量小于6.13 GPa,低温30℃下起强度时间小于10 h,24 h抗压强度大于14 MPa。该项技术成功应用于湖北云应盆地压缩空气储能项目注采井表层套管及生产套管固井,固井质量合格率为100%,优质率大于95%,同时对盐穴储能库固井提供技术支持和借鉴。

测腔声呐仪器原理、进展与展望

测腔声呐在盐穴储气库造腔以及腔体运维中有重要作用。测腔声呐测量原理类似于地球物理测井中的超声井径方法,而其分析方法又和主动声呐类似,相当于是二者的结合。随着国内盐穴储气库大力发展和投入运行,亟需研制和发展符合国内需求的测腔声呐仪器,满足储气库安全高效建造和运行对盐穴形态测量的需求。在分析国内外主要测腔声呐仪器的基础上,重点探讨了该仪器的原理及其特殊性,给出了仪器研制的关键技术和发展建议,为研制新一代仪器提供参考和依据。

碳封存与压缩气体地质储能现状、挑战与展望

碳封存与地质储能对于减缓全球变暖、实现我国“双碳”目标都是不可缺少的重要技术。文章首先介绍了碳封存与地质储能的含义,明确两者的储库选择具有共性,含水层、枯竭油气层、盐穴都可作为储层,但碳封存要求长期储存,而地质储能则需多次循环储存和释放,选址评价时需充分考虑。碳捕集与封存(CCS)项目在全球快速增长,正在向网络化和集群化发展,我国CCS项目目前以CO_(2)驱油为主,直接封存项目较少,但未来直接封存项目将成为主流,也在积极向集群式发展。我国碳封存地质条件良好,油气层封存潜力估计比较准确,咸水层封存潜力还存在较大不确定性。目前地质储能项目以盐穴压缩空气储能为主,德、美及我国共有5座压缩空气盐穴储能电站投产运行。我国盐穴资源丰富,但地质条件复杂,适宜的建库地点集中在东部地区,已有多个项目在建。相比盐穴,孔隙地层如含水层和枯竭油气层分布更广,具备储能潜力,但需解决多相流和化学反应等技术问题。现有场地选址、潜力评价、效率优化和监测预警技术与大规模实际工程应用要求仍存在显著差距。目前传统的水文地质勘查方法与技术已不能满足碳封存与地质储能的选址要求,另外也缺乏高效的CO_(2)地质封存的地质环境背景监测与风险控制技术及针对储层及盖层压力和地应力变化的低成本、精准连续监测技术。在碳封存与地质储能工程应用中,一些关键设备组件(如监测、动力等)也比较缺乏自主知识产权的针对性设计与优化。我国储层模拟软件在超大规模实际场地复杂储层的高效模拟方面亟待突破。未来应在碳封存及地质储能资源调查与场地选址关键技术、碳封存与地质储能工程化装备方面加大研发力度,并针对咸水层、枯竭油气藏等主要储库资源开展多类型工程示范研究,建设多类型碳封存及压缩空气储能工程示范基地。

深层盐穴储气库排卤管柱盐结晶实验及现场应用

注气排卤是盐穴储气库建造和安全运行的关键环节。国内在建某深层盐穴储气库埋深大、地层温度高,注气排卤时面临盐结晶堵管风险。为提高排卤效率,同时保证注气排卤顺利进行,文中结合某深层盐穴储气库的地质特征,设计制作了盐穴溶腔注气排卤管柱盐结晶实验装置。通过室内实验,对深层盐穴储气库注气排卤过程中的盐结晶堵管问题进行了深入研究,得到了盐结晶诱导期和排卤管柱内盐结晶规律,并结合深层盐穴储气库注气排卤工程实践,提出现场预防深层排卤管柱盐结晶堵管建议。研究成果为深层盐穴储气库注气排卤现场方案设计和施工提供了理论支撑与实践参考。

基于盐穴的压缩空气储能充放气过程仿真研究

为了定量分析地下盐穴储气库在充放气过程中的热力学行为,构建盐穴充放气热力学模型并进行仿真计算,系统分析盐穴储气系统在整个“充气—储气—放气—储气”连续过程内的动态变化。结果显示,在时间维度上,盐穴内部的气体压力和温度表现出“升—降—降—升”的规律性变化;在空间维度上,由于重力效应,盐穴内部的压力从上至下逐渐增大,而盐穴内部温度分布则因自然对流呈上高下低的分布特点。此外,若首次静置储气后未及时进行放气操作,系统将持续损失能量,进而对能量存储产生负面影响,并且随着长时间的静置储气,盐穴内压缩空气的温度最终降低至未充气前的初始温度。

超深地层盐岩蠕变试验及储气库长期稳定性研究

为了研究宁晋超深地层盐岩的蠕变特性和长期稳定性,采用岩石伺服三轴流变试验机对盐岩进行三轴蠕变试验分析,分析围压、偏应力、时间对蠕变的影响;通过FLAC3D软件对不同循环内压下运行30 a后腔周塑性区范围、腔周位移进行长期稳定性分析。通过三轴蠕变试验表明:围压的变化能够使蠕变三阶段重新发生;随着偏应力的增大,稳态蠕变率增加;偏应力对蠕变的影响要大于围压对蠕变的影响;宁晋超深储气库石盐矿层蠕变参数为:A=1.55×10-10,n=3.961。长期稳定性模拟研究表明:塑性区位置、最大腔周位移都出现在腔体中部位置;随着流变时间的增加,塑性区范围、腔周位移都逐渐变大;内压越高,塑性区范围、腔周位移越小,运行过程中要避免低压长期运行。