劉巖 程林

1大慶油田工程有限公司

2中國(guó)石油西氣東輸管道公司

建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)是最經(jīng)濟(jì)有效的天然氣儲(chǔ)存和調(diào)峰手段，在平衡天然氣生產(chǎn)和市場(chǎng)需求、提高管網(wǎng)輸送效率、保障安全平衡供氣等方面發(fā)揮了重要作用。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)宜用于季節(jié)調(diào)峰、應(yīng)急調(diào)峰、戰(zhàn)略儲(chǔ)備，具有靈活存儲(chǔ)和短期吞吐量大的特點(diǎn)。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)可根據(jù)市場(chǎng)調(diào)峰需求的逐步增加來分期設(shè)計(jì)、建設(shè)，操作的機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、利用率高，一年中可多次注采氣循環(huán)；在應(yīng)急情況下，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)采氣速率快，應(yīng)急能力強(qiáng)[1]。

1 鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)基本原理

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)是指利用地下已有的鹽層或鹽丘，采用人工的方式在鹽層或鹽丘中水溶形成腔體，用于天然氣回注、儲(chǔ)存和采出的系統(tǒng)體系。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)一般采取水溶建庫(kù)方式：先將采鹵管柱下放至鹽層，將淡水或不飽和鹵水用泵通過采鹵管柱注入到鹽層中，水洗溶鹽后返回地面，再連續(xù)循環(huán)注入淡水或不飽和鹵水，返出鹵水。水洗溶鹽造成鹽層中的空間逐漸擴(kuò)大，最終形成設(shè)計(jì)要求的地下鹽穴。腔體形成后，再下入注采氣油管柱，進(jìn)行注氣排鹵作業(yè)。注氣排鹵結(jié)束后，從井內(nèi)起出排鹵油管柱，再安裝注采天然氣井口，進(jìn)而完成鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)地下工程建設(shè)，轉(zhuǎn)入注采氣運(yùn)行階段。

金壇鹽礦鹽巖層位于地下約1 100 m深，鹽腔溫度53℃，腔體運(yùn)行壓力6～17 MPa。圖1為金壇鹽礦地質(zhì)剖面和擬建鹽腔示意圖。圖2為造腔后鹽穴腔體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 金壇鹽礦地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of JinTan salt mine

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)特性和運(yùn)行特性區(qū)別于其他類型的儲(chǔ)氣庫(kù)：地面配套工程須額外增加造腔地面配套系統(tǒng)和注氣排鹵系統(tǒng)；注采氣工藝中壓縮機(jī)的選型也須兼顧注氣排鹵工況[2]；鹽穴采出氣含有鹵水，且各腔體獨(dú)立，壓力會(huì)有所不同，采氣脫水工藝須能夠適應(yīng)腔體溫度、壓力變化。

圖2 金壇鹽穴腔體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Cavity structure chart of Jintan Salt Cave

2 注采工藝

采用工況分析的方式對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行進(jìn)行全面模擬，根據(jù)工況分析的結(jié)果來確定合理的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)分期實(shí)施方案，進(jìn)一步優(yōu)化注采氣的規(guī)模、配置以及集輸系統(tǒng)的能力。

儲(chǔ)氣庫(kù)注采周期應(yīng)根據(jù)市場(chǎng)調(diào)峰需求情況確定。注采氣裝置設(shè)計(jì)規(guī)模須根據(jù)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的功能定位、注采周期和注采能力，并結(jié)合長(zhǎng)輸管道供氣能力和調(diào)峰需求等合理確定。注采氣裝置應(yīng)根據(jù)造腔實(shí)際進(jìn)度，分期進(jìn)行建設(shè)。

注氣裝置的設(shè)計(jì)須滿足鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行周期內(nèi)的各種工況條件要求，并應(yīng)同時(shí)適應(yīng)注氣排鹵周期內(nèi)的工況條件要求。以季節(jié)調(diào)峰為主時(shí)，采氣裝置的規(guī)模宜按高月高日峰值計(jì)算，采氣裝置不宜設(shè)置備用；兼顧季節(jié)調(diào)峰以及應(yīng)急供氣時(shí)，采氣裝置總規(guī)模應(yīng)按應(yīng)急供氣量確定，多套采氣裝置宜并聯(lián)設(shè)置。

天然氣水化物是水與烴類作用生成的結(jié)晶體，外表冰和致密的雪類似，是一種籠形晶狀包絡(luò)物。一般而言，C1～C4的烴類物質(zhì)可形成水化物，C5以上的烴類不能形成水化物。水化物的性質(zhì)不穩(wěn)定，一旦穩(wěn)定存在的條件破壞，就會(huì)迅速分解為烴和水。天然氣水化物是采輸氣中經(jīng)常遇到的難題之一。水化物生成于井筒中時(shí)會(huì)造成堵塞，并減少氣體流動(dòng)斷面、降低采氣量、損壞井筒內(nèi)部件，甚至造成氣井停產(chǎn)等危害。因此水化物生成于井口或地面管線中時(shí)會(huì)導(dǎo)致下游壓力降低，妨礙正常輸氣，甚至完全堵塞管道并造成停氣。

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)在造腔時(shí)，一方面由于采用了溫度低的水進(jìn)行洗鹽濾提，使鹽穴儲(chǔ)庫(kù)具有冷型貯槽的特性。隨著天然氣的開采，雖然儲(chǔ)庫(kù)周圍鹽層能供給部分熱量，但遠(yuǎn)不能補(bǔ)償降壓帶來的“焦耳-湯姆遜效應(yīng)”，使天然氣迅速冷卻，再加上在經(jīng)過生產(chǎn)作業(yè)線上的壓力和摩擦等損耗，最終導(dǎo)致井口天然氣溫度低于儲(chǔ)庫(kù)溫度。如果天然氣中存在游離水，且溫度降低到某特定值時(shí)，大部分采氣將發(fā)生在水化物的生成區(qū)。另一方面，如果井口在一定溫度下進(jìn)行高壓注氣，也容易發(fā)生水化物沿井筒的凍堵問題。因此，在儲(chǔ)庫(kù)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中，一方面須連續(xù)預(yù)測(cè)采出過程水化物的生成范圍，另一方面還須適時(shí)判定井口天然氣是否生成水化物，從而為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。

3 脫水工藝分析

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的采出氣處理以控制水露點(diǎn)為目的，處理后的天然氣應(yīng)滿足輸氣管線的輸送氣質(zhì)要求。采氣裝置處理工藝的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足啟停方便、調(diào)節(jié)靈活和操作彈性大等要求[3-4]。采氣原理流程如圖3所示。

調(diào)峰采氣裝置推薦采用三甘醇脫水技術(shù)，僅在須滿足應(yīng)急供氣的采氣裝置中，推薦采用J-T閥制冷+注甲醇工藝來滿足外輸要求。

采出氣的組成與輸氣管道來的天然氣基本相同，但含有一定量的鹵水。在采氣初期，鹽腔內(nèi)為高溫高壓氣體，采出氣在集配氣閥組進(jìn)行節(jié)流，溫度、壓力降低，析出的液體經(jīng)分離器分離后，氣相進(jìn)入集注站，經(jīng)過濾分離后進(jìn)入脫水裝置。連續(xù)采氣時(shí)，隨著采出氣壓力降低，采出氣溫度也逐步降低，此時(shí)，主要控制在集輸過程中無水合物形成。當(dāng)采出氣降低到一定壓力，則須停止采氣一段時(shí)間，此時(shí)鹽腔內(nèi)處于低壓高溫狀態(tài)。因?yàn)辂}腔內(nèi)溫度較高，需考慮采出氣溫度是否能滿足三甘醇脫水裝置進(jìn)塔溫度要求，若溫度高于40℃，須在脫水裝置前增加空冷或水冷設(shè)備[5]。

金壇儲(chǔ)氣庫(kù)高壓采氣和低壓高溫采氣工況見表1。

表1 金壇儲(chǔ)氣庫(kù)高壓采氣和低壓高溫采氣工況Tab.1 Working conditions of Jitan Gas Storage with high pressure gas production and low pressure and high temperature gas production

4 造腔及注氣排鹵工藝

造腔及注氣排鹵地面工藝（圖4）設(shè)計(jì)主要包括：①鹽穴造腔地面工藝技術(shù)選擇；②鹽穴造腔注水泵機(jī)組調(diào)速技術(shù)方案的比選；③注氣排鹵工藝技術(shù)方案選擇。

圖3 采氣原理流程Fig.3 Process flow of gas production principle

4.1 注水泵類型選擇及組合

造腔淡水注入及采鹵應(yīng)用的注水泵主要分為離心式和柱塞式兩類。離心式泵的主要特點(diǎn)是排量大、流量平穩(wěn)、壓力波動(dòng)小，利于注采鹵管柱的長(zhǎng)期運(yùn)行，缺點(diǎn)是產(chǎn)生的壓力相對(duì)較低；柱塞泵雖然能產(chǎn)生較高的壓力，但是其流量不均衡，壓力波動(dòng)范圍較大，工作壓力不平穩(wěn)，易導(dǎo)致注采鹵管柱的振動(dòng)和疲勞破壞，不利于管柱的長(zhǎng)期運(yùn)行[8-9]。因此，選擇了多級(jí)離心泵作為造腔注水泵，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。鹽穴造腔注水泵機(jī)組以無級(jí)變速形式滿足造腔井周期性不斷變化的注水壓力以及注水量的要求，節(jié)能降耗達(dá)到10%～20%。

國(guó)內(nèi)第一次將液力調(diào)速技術(shù)應(yīng)用在造腔注水泵機(jī)組上，通過調(diào)整泵的排量和揚(yáng)程來優(yōu)化的高、低壓閥組間工藝技術(shù)，滿足各種工況條件下的快速造腔和鹽廠的鹵水回收要求。

4.2 造腔工藝流程

國(guó)內(nèi)首次優(yōu)化組合出鹽穴造腔注水和采鹵系統(tǒng)的“A+B”等工藝技術(shù)。為加快造腔進(jìn)度，對(duì)造腔井進(jìn)行分組，每階段同時(shí)兩井組進(jìn)行造腔，一組注入淡水，另一組注入未飽和鹵水。如第一批井為A、B兩組，A組井注入淡水，B組井注入A組井采出的未飽和鹵水。主要工藝流程包括以下步驟：

（1）從水源地來的淡水依次經(jīng)儲(chǔ)罐緩沖、沉降后，經(jīng)注水泵升壓并輸送至高壓閥組進(jìn)行分配、控制、調(diào)節(jié)和計(jì)量，再由高壓注水管路輸送至A組注水井口。

（2）從A組井口返出的鹵水經(jīng)低壓回水管網(wǎng)輸送至造腔注水站內(nèi)，經(jīng)過取樣分析后，未飽和鹵水進(jìn)入到儲(chǔ)罐，飽和鹵水輸往下游接收企業(yè)。

（3）未飽和鹵水經(jīng)注水泵升壓至高壓閥組進(jìn)行分配、控制、調(diào)節(jié)和計(jì)量后由高壓注水管路輸送到B組注水井口，從B組井口返出的鹵水再經(jīng)低壓回水管網(wǎng)輸至造腔站，計(jì)量后輸往下游鹵水接收企業(yè)。

4.3 布站方案

鹽穴為單腔單井，并且井與井間距離較遠(yuǎn)，每口井宜單獨(dú)設(shè)置1座井場(chǎng)。簡(jiǎn)化井口設(shè)計(jì)，造腔期間井場(chǎng)除造腔管線外不設(shè)置輔助設(shè)施，造腔結(jié)束后需在井口安裝溫度檢測(cè)、壓力檢測(cè)、緊急切斷閥及遠(yuǎn)程操作的電動(dòng)球閥等設(shè)施。注采系統(tǒng)和造腔系統(tǒng)均采用兩級(jí)布站，注采集配氣閥組與造腔集配氣閥組應(yīng)合并建設(shè)[6]。

天然氣集輸管網(wǎng)呈枝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，注采管線合一設(shè)置，單井進(jìn)集配氣閥組。集配氣閥組的管線串接進(jìn)集注站；造腔注水系統(tǒng)管線敷設(shè)至集配氣閥組后采用枝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)至各井場(chǎng)；單井鹵水管線進(jìn)集配氣閥組，再串接進(jìn)集注站；鹵水外輸管線均單獨(dú)鋪設(shè)至各下游用戶[7]。

圖4 鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔排鹵工藝流程Fig.4 Process flow of cality construction and brine discharge in the salt cave gas storage

5 壓縮機(jī)廠房和空冷器區(qū)降噪

金壇儲(chǔ)氣庫(kù)工程批復(fù)的環(huán)評(píng)報(bào)告書中要求的噪聲控制目標(biāo)為GB 12348—1990《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅰ類廠界標(biāo)準(zhǔn)，即廠界處噪聲等效聲壓級(jí)不超過45 dB(A)。噪音治理難度極大，通過與清華大學(xué)聲學(xué)研究所等公司合作研究，噪音治理達(dá)到了環(huán)保要求。

采取吸聲、隔聲、隔振和通風(fēng)消聲等噪聲控制措施進(jìn)行整體降噪的設(shè)計(jì)方案。壓縮機(jī)廠房的屋面和墻體均安裝高隔聲量輕質(zhì)泄爆降噪體；在縱墻上安裝采光隔聲窗；壓縮機(jī)廠房?jī)?nèi)配置隔聲門（聲閘結(jié)構(gòu)）；廠房頂部和四周安裝進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)機(jī)消聲器；壓縮機(jī)四周基礎(chǔ)安裝使用隔振材料。空冷器區(qū)的屋面和墻體均安裝輕質(zhì)吸隔聲降噪體；空冷器設(shè)備上部安裝排風(fēng)導(dǎo)流消聲筒；空冷器進(jìn)風(fēng)口安裝消聲片，進(jìn)風(fēng)消聲片外圍再設(shè)置吸隔聲屏障[10]。

（1）廠房墻體和屋面安裝超高隔聲量輕質(zhì)泄爆吸隔聲降噪體。壓縮機(jī)廠房為甲類生產(chǎn)廠房，耐火等級(jí)為二級(jí)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需要滿足相應(yīng)的防火和防爆要求。降噪體由吸、隔聲不燃板材現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合拼裝組成，以確保優(yōu)良的降噪性能。

（2）安裝隔聲門和隔聲采光窗。壓縮機(jī)廠房的大門和逃生門全部采用隔聲門（聲閘結(jié)構(gòu)）。根據(jù)等透射量原則，單層隔聲門設(shè)計(jì)隔聲量≥35 dB，鋼制、防火防爆型，隔聲門上安裝防爆、逃生推杠鎖。壓縮機(jī)廠房采用在側(cè)墻安裝隔聲采光窗的方式采光，每個(gè)窗戶共兩道，每道采用雙層玻璃。

（3）安裝進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)機(jī)及配套消聲器。壓縮機(jī)廠房四周墻體安裝進(jìn)風(fēng)消聲器，進(jìn)風(fēng)消聲器的設(shè)計(jì)消聲量≥40 dB(A)。

（4）壓縮機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行隔振處理。壓縮機(jī)組在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)，其通過基礎(chǔ)使廠房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)傳聲。為減小設(shè)備基礎(chǔ)剛性接觸導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)傳聲，在基礎(chǔ)外圍地面以下安裝高強(qiáng)隔振板，此措施可以有效地減少振動(dòng)的傳播，從而降低廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳聲。

（5）排煙消聲圍護(hù)。壓縮機(jī)組末端配套安裝有燃驅(qū)尾氣排放裝置，若壓縮機(jī)排煙管道安裝的消聲器消聲量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，需在煙囪周圍安裝吸隔聲圍護(hù)，使其滿足廠區(qū)噪聲排放要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前我國(guó)僅有1座鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)——金壇儲(chǔ)氣庫(kù)建成投產(chǎn)。隨著天然氣管網(wǎng)建設(shè)日益完善，氣源更加多樣化，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)更能適應(yīng)LNG氣源的快速注采特性，在沿海地區(qū)建設(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)，可解決鹵水排放處理問題，更具有投資優(yōu)勢(shì)。目前中國(guó)石油平頂山和淮安等鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)即將啟動(dòng)，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的高峰即將到來。將我國(guó)首座鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，可對(duì)后續(xù)工程設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用，進(jìn)一步提高鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的設(shè)計(jì)水平。