溶鹽建腔的費用約占總投資的25%一35%,而且需要一個(gè)長(cháng)期的過(guò)程。每溶1立方米的鹽需要7一9立方米的水。溶鹽所形成的鹽水濃度大約為300kg/立方米。通常被工業(yè)用來(lái)生產(chǎn)氯化鈉,或重新注回地下,甚至被排放到海里。溶鹽建腔需要兩根管柱,一根注入水,另一根返出鹽水。同時(shí),要做各種檢測,以保證溶鹽后能夠形成符合設計的腔體形狀。管柱鞋深度需要根據溶鹽情況逐步調整,但是必須在頂部利用液化石油氣、原油、氮氣,甚至天然氣形成保護層,以保護上部頂板不被溶解。目前,世界上許多國家致力于溶鹽優(yōu)化技術(shù)的研究(如SMRI或INVDIR的SALTXX以及GazdeFrance的SURMOVINER)。據說(shuō),利用新的研究成果,至少可使工藝步驟和聲波檢測的次數減少50%,投資降低10%以上。在溶鹽過(guò)程中,加壓注入氣體(天然氣或惰性氣體)、柴油、液化石油氣等都可以保護頂板。腔體溶成后,需要重新完井,用以排出鹽水并實(shí)施首次注氣。天然氣從排鹵管柱和生產(chǎn)油管(或套管)的環(huán)形空間內注入,鹽水通過(guò)排鹵管柱采出。建庫總體時(shí)間與鹽丘(含鹽構造)大小有關(guān),有的需要一年多,有的需要幾年。邊溶鹽、邊儲氣是鹽穴建庫的一項新技術(shù),已在美國得克薩斯州Moss鹽礦和路易斯安那州Egan鹽礦成功應用,明顯降低了投資。 這種鹽腔的初始部分還是利用傳統的水溶鹽方式形成的。首先將上部鹽層溶至設計的尺寸,而此時(shí)下部還未溶解。這種技術(shù)需要專(zhuān)門(mén)的設備,如井口和溶鹽管柱,在保證上部腔體儲氣的同時(shí),使下部能夠繼續順利溶鹽建腔;上部鹽腔排鹵儲氣的同時(shí),下部鹽層開(kāi)始溶解建腔。上部?jì)Υ娴臍怏w恰好可以作為下部鹽層溶解時(shí)的頂板保護層。在溶鹽過(guò)程中,氣體和鹽水的界面被嚴格控制,基本保持在鹽腔中部。一旦下部的鹽層溶解到與上部腔體基本相同的直徑時(shí),繼續利用上述完井方式和井口設備優(yōu)化儲氣庫的運行,擴大儲氣能力。此時(shí),氣和鹽水的界面也不再維持在原來(lái)的位置,而是經(jīng)常地上下移動(dòng)。這時(shí)更要嚴格控制氣體一鹽水界面,以保護頂板,避免天然氣泄漏。鹽穴儲氣庫一般建在厚度約150-400m的鹽層里。厚度在60-l00m的薄鹽層也能用于建造地下儲氣庫,只是儲氣能力較小,在(5-10)萬(wàn)立方米/d之間。但是某些區塊,主要是沉積盆地的邊緣,鹽層厚度還不足60m,顯然利用常規技術(shù)在這種鹽層上建造地下儲氣庫是不可能的,主要問(wèn)題在于溶鹽流道的控制。薄鹽層中肯定摻雜著(zhù)不溶解層,與普通的大尺寸鹽腔不同,在這種鹽層中重力不能發(fā)揮關(guān)鍵的分離作用。根據地質(zhì)力學(xué)以及1000一3000平方米橫截面積上鹽穴流道形狀三維模型研究,對于這種鹽層,建造一個(gè)水平段幾百米、容量(10-100)萬(wàn)立方米的地下儲氣庫是合適的。這種氣庫的投資比常規鹽穴儲氣庫要高15%一20%。但在歐洲和北美,這項技術(shù)正在逐漸被廣泛應用。俄羅斯也正計劃應用該技術(shù)。但該技術(shù)應用最成熟的國家是加拿大,索泰克公司是比較權威的公司之一. 資料顯示,我國巖鹽開(kāi)采后自然形成的溶腔體積達500萬(wàn)立方米/年,但這些鹽穴基本處于空置狀態(tài)。對這些鹽穴的利用有很多方面,用作儲庫是目前國際通行的做法。 用地下鹽穴作為儲庫具有諸多優(yōu)點(diǎn):第一,投資省。儲存油品時(shí),其投資只相當于地面庫的1/3;儲存液化氣時(shí),其投資只相當于地面庫的1/20。第二,占地少。一個(gè)幾十萬(wàn)立方米鹽穴的井口裝置只占地幾十平方米,一個(gè)1000萬(wàn)立方米地下鹽穴儲庫的地面設施只占地2萬(wàn)平方米。而一個(gè)5萬(wàn)立方米的地面油庫,不包括鐵路專(zhuān)線(xiàn)需占地16萬(wàn)平方米。第三,耗材少,且施工方法比較簡(jiǎn)單,鹽穴的構筑還可以實(shí)現自動(dòng)控制。第四,安全性好,更有利于戰備。第五,易存儲。巖鹽與各種油品接觸時(shí)不發(fā)生化學(xué)變化,不溶解,不影響油品的質(zhì)量,因此鹽穴作為地下儲油庫是一種理想的儲油方法。為了彌補金屬油罐作為儲庫設施的不足,許多國家利用地下鹽穴儲存石油、天然氣。美國的戰略石油儲備,采用以地下鹽穴儲存為主,輔以部分地上油罐的方式。由于我國地下鹽穴用作儲庫未納入石油、天然氣儲庫的考慮,致使這一儲存資源處于空置狀態(tài)。要是這些鹽穴得到充分地利用,不但能解決我國戰略石油儲庫的建設問(wèn)題,經(jīng)濟意義及戰略意義非常深遠。 地下鹽穴的利用要將巖鹽開(kāi)采與戰略石油儲庫建設有效結合起來(lái),還需要國家有關(guān)部門(mén)政策上進(jìn)行推動(dòng)。首先將鹽穴儲庫納入國家戰略石油、天然氣儲庫以及各地所用的原油、天然氣、石油原料、成品油及其他產(chǎn)品的儲存的規劃布點(diǎn),進(jìn)行地下儲備庫區域地質(zhì)調查,對國內可提供建庫的目標進(jìn)行調研和初步篩選。其次,支持巖鹽開(kāi)采企業(yè)進(jìn)行鹽穴設計、形狀控制、測量及鹽穴利用等方面的研究和先導性試驗,培養地下鹽穴儲庫設計、構筑及管理人才。另外,加強對巖鹽開(kāi)采企業(yè)的監控,杜絕粗放式開(kāi)采和盲目開(kāi)采。 隨著(zhù)我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,作為基礎化工原料的燒堿和純堿的市場(chǎng)需求以每年10%左右的速度增長(cháng)。我國用于兩堿工業(yè)的原鹽一直以海鹽為主,由于受種種因素影響導致產(chǎn)量增長(cháng)緩慢,遠不能滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要。因此,近年來(lái)巖鹽的生產(chǎn)發(fā)展較快,除了重慶、四川、湖北等省區的巖鹽生產(chǎn)以外,山東、江蘇等省區也陸續大規模開(kāi)發(fā)巖鹽。巖鹽開(kāi)發(fā)不僅可以提供工業(yè)原鹽,而且如果開(kāi)采得當所形成的地下鹽穴還可以成為良好的儲庫資源,用于儲存原油、天然氣、液化氣等物質(zhì)。 一、石油儲備
(一)國外石油儲備
石油作為一種重要的經(jīng)濟資源,它關(guān)系到國計民生;石油作為一種重要的戰略資源,它關(guān)系到國家安全。因此,世界各國都把獲得穩定的石油來(lái)源作為大事來(lái)抓;為了規避石油風(fēng)險,確保石油供應的安全,許多國家都通過(guò)立法建立了戰略石油儲備保障體系,以備緊急情況下動(dòng)用。
(二)我國石油儲備
我國已經(jīng)成為世界石油消費大國。2005年,我國消費石油約3.2億噸,其國產(chǎn)石油約1.8億噸,進(jìn)口石油1.4億噸,石油對外依存度達到43%?!笆晃濉逼陂g,我國的石油消費將持續增長(cháng),石油對外依存度也將會(huì )進(jìn)一步提高。 我國的石油儲備設施還非常薄弱,規模偏小,布局和結構也不盡合理。上世紀末,我國資深專(zhuān)家建議盡快建立國家戰略石油儲備體系,得到了國家的高度重視。目前,國家戰略石油儲備規劃正在編制中,首期儲備基地正在浙江鎮海、舟山、山東黃島、大連岱山等地開(kāi)始建設。 (三)石油儲庫的儲油設施
1.地面儲庫的優(yōu)點(diǎn)與不足
目前,規劃布點(diǎn)在全國各地的石油儲庫大都設置在地面上,且其儲油設施大多是金屬油罐,這類(lèi)儲庫有以下優(yōu)點(diǎn):
一是庫址可選擇在長(cháng)輸管線(xiàn)、油碼頭等收發(fā)油比較便利的地點(diǎn),二是可在原有油庫的基礎上進(jìn)行改擴建,三是金屬油罐施工簡(jiǎn)便,建設周期較短。 但這類(lèi)儲庫也存在一些不足:油庫的消防要求較高,消防投資較大,油庫安全性相對較差,特別是在戰爭狀態(tài)下易成為首要的襲擊目標,金屬油罐的造價(jià)較高,并壽命相對較短,儲油成本較高。
2.地下鹽穴儲庫發(fā)展很快
為了彌補金屬油罐作為石油儲庫儲油設施的不足,許多國家利用地下鹽穴儲存石油。美國的戰略石油儲備,采用以地下鹽穴儲存為主,輔以部分地上油罐的方式,每個(gè)儲油點(diǎn)都有數量不等的巖洞及與之相連的管道和中轉泵站,地上罐設在中轉泵站上。儲油點(diǎn)都通過(guò)其中轉泵站與長(cháng)輸管道或大型裝卸泊港相接,以便于原油的順利周轉,容量均可達幾百萬(wàn)立方米。將石油儲庫建在地下,不僅可以確保安全,還可以節省投資。由于鹽穴儲庫的優(yōu)點(diǎn)比較突出,因此其推廣速度很快。至今,美國已經(jīng)擁有地下鹽穴儲庫數百座,德國也擁有近百座而且數量還在不斷增加。從20世紀60年代起,前蘇聯(lián)也開(kāi)始重視地下鹽穴油庫的建設。
地下鹽穴儲庫不僅可以用來(lái)儲石油,也可用來(lái)儲存天然氣。目前世界上在役的鹽穴儲氣庫已經(jīng)超過(guò)40座,其中美國有18座,德國有13座,加拿大有7座。
二、地下鹽穴儲庫
(一)地下鹽穴的儲油機理
鹽穴是指在巖鹽上通過(guò)專(zhuān)門(mén)溶造成或開(kāi)采巖鹽所形成的洞穴。巖鹽在我國的分布范圍很廣,目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)利用的巖鹽礦藏分布在廣東、四川、青海、湖北、河南、山東、陜西、安徽、江蘇等省區。巖鹽常埋于地下50-1700米深處,其厚度從幾十米到幾百米不等,而且往往面積很大。巖鹽的強度很高,三向受壓時(shí)強度可達700兆帕,一般承壓能力不低于200兆帕。巖鹽在高壓或高溫下從脆性變成塑性。在潮濕狀態(tài)下,鹽晶體可以彎曲。在外力長(cháng)期作用下,巖鹽的毛細孔會(huì )因塑性變形而閉塞,所以埋藏很深的巖鹽,孔隙率和滲透率幾乎為零,具有很好的氣密性和液密性。 (二)地下鹽穴的構筑條件
1.要有足夠的巖鹽厚度。一般說(shuō)來(lái),巖鹽層的厚度越大,構筑的鹽穴就越大。厚度達40-80米的巖鹽中,可以構筑10萬(wàn)-40萬(wàn)立方米的洞穴;厚度達300米以上的巖鹽層可以構筑50萬(wàn)-150立方米的洞穴。
2.地下鹽穴的設置深度。為平衡鹽穴中所儲油品或液化氣的工作壓力,要求每0.1兆帕的工作壓力有4.5米厚的鹽穴頂部覆蓋層。如果覆蓋層的氣密性得不到保證時(shí),則鹽穴應置于地下水位以下的一定深度,使地下水的液柱壓力足以平衡洞穴中的工作壓力。
3.巖鹽的純度越高越好。建造地下儲庫的巖鹽中,非水溶性雜質(zhì)的含量一般不應大于15%,最多不得超過(guò)40%。而且構筑鹽穴儲庫的地方要有充足的淡水,這樣鹵水可被充分利用或有安全的排放地點(diǎn)。 (三)地下鹽穴儲庫的優(yōu)點(diǎn)與不足
1.地下鹽穴儲庫具有如下優(yōu)點(diǎn):
第一,投資省。儲存油品時(shí),其投資只相當于地面庫的1/3;儲存液化氣時(shí),其投資只相當于地面庫的1/20。若是巖鹽開(kāi)采所形成的鹽穴庫,其投資則更加節省。
第二,占地少,不包括鐵路專(zhuān)線(xiàn)即需占地16萬(wàn)平方米。
第三,耗材少。鋼材、水泥的消耗大大減少,而且施工方法比較簡(jiǎn)單,鹽穴的構筑還可以實(shí)現自動(dòng)控制。
第四,易存儲。采用油鹵置換法收發(fā)油,基本消除了油品的蒸發(fā)損耗,而且油品在鹽穴長(cháng)期儲存不易變質(zhì)。
第五,安全性好?;旧舷他}穴內發(fā)生火災和爆炸的可能性,更有利于戰備。
2.地下鹽穴儲庫存在的不足
首先,巖鹽的分布地區與需要建儲庫的位置不一定相符,因而在庫址選擇上受到自然條件的限制。很難利用現有的鐵路、港口、長(cháng)輸管線(xiàn)等儲運設施等,需要新建或改擴建。
其次,地下情況復雜需要詳細的地質(zhì)勘察資料。在正常開(kāi)采過(guò)程中需要有較強的勘探、開(kāi)發(fā)及地面工程的技術(shù)支持。
第三,為達到鹽穴儲庫的預期形狀和大小,必須掌握比較復雜的溶腔控制技術(shù)并擁有先進(jìn)的溶腔檢測手段,還需要較多的淡水資源。
三、巖鹽開(kāi)采與石油儲庫建設
(一)我國巖鹽開(kāi)采現狀
近年來(lái),我國巖鹽(井鹽)開(kāi)采的規模已經(jīng)超過(guò)1000萬(wàn)噸/年,且以每年近10%的速度遞增,因此而自然形成的溶腔體積達500萬(wàn)立方米/年。由于我國地下鹽穴用作儲庫未納入戰略石油儲庫的考慮,致使這一儲存資源處于空置狀態(tài)?!拔鳉鈻|輸”工程建成投產(chǎn)以后,為了調峰擬選江蘇金壇和安徽定遠鹽礦所形成的鹽穴作為地下儲氣庫,目前此項目尚處于預可研階段。因此,無(wú)論是從經(jīng)濟發(fā)展的角度,還是從保證國家能源安全的角度來(lái)看,將巖鹽開(kāi)采所形成的溶腔用于石油儲庫,尤其是用于作戰略石油儲庫,是非常必要和可行的。應選擇一些典型的鹽礦進(jìn)行鹽穴綜合利用的研究。
(二)我國巖鹽開(kāi)采狀況
1.巖鹽的開(kāi)采方式
巖鹽的開(kāi)采方式為鉆井水溶開(kāi)采,主要包括兩種類(lèi)型:一是“井對流開(kāi)采,按開(kāi)采工藝又分逆流法和正流法;二是水平井雙井對接連通井開(kāi)采,是鉆兩口井至巖鹽礦層,其中一口為直井,另一口為水平井,水平井與直井連通,形成對流通道。 2.巖鹽開(kāi)采存在的問(wèn)題
目前,國內巖鹽開(kāi)采與歐美國家相比仍然處于初級階段,屬于粗放開(kāi)采,主要存在以下問(wèn)題:
(1)開(kāi)采技術(shù)水平較低
國內不論哪種開(kāi)采方法,淡水進(jìn)入巖鹽礦層后對巖鹽的溶解是自然的、隨意的、無(wú)控制的,形成的溶腔呈倒錐形,上部的直徑大,但高度有限。其結果,一是巖鹽開(kāi)采的采收率較低,一般不足30%,明顯低于國外水平;二是形成的溶腔高度低,頂部直徑大不利于鹽穴穩定,無(wú)法保證其密封性故難以再利用;三是單井采鹵量低,單井對流井雙井對接連通的采鹵量明顯低于國外水平;四是采鹵鹽井的壽命期短,僅為歐美國家的一半,有的甚至更短,巖鹽資源利用率低,經(jīng)濟效益不佳。
(2)安全和可靠性不高
巖鹽開(kāi)采的設計方案要求留有一定寬度的保安礦帶,其寬度根據巖鹽埋深及地面允許沉降量等參數計算確定。但實(shí)際開(kāi)采時(shí),由于采取無(wú)控制自然溶解,再加上不進(jìn)行定期測井,保安礦帶的設計寬度很難得到保證。保安礦帶的寬度就不能得到保證,礦區的安全性也就得不到有效的保證。而且,礦區的安全與企業(yè)經(jīng)濟效益之間的矛盾十分突出。
(3)粗放式開(kāi)采難以利用
巖鹽開(kāi)采所形成的鹽穴,用作儲庫是巖鹽開(kāi)采的次生效益,也是巖鹽開(kāi)采的最優(yōu)路徑。但目前普遍采用的粗放式的開(kāi)采方式,溶腔無(wú)設計、無(wú)控制、無(wú)檢測,最后形成的鹽穴是不能用作儲庫的,所造成的儲存資源的浪費是十分驚人的。與其形成鮮明對照的是,國家還要投入巨資建設石油儲庫等儲存設施。
(三)鹽穴再利用的技術(shù)措施
如前所述,鹽穴再利用既是巖鹽開(kāi)采的最優(yōu)路徑,也是建設國家戰略石油儲庫的可選途徑之一。然而,要使巖鹽開(kāi)采的鹽穴具有可使用性,必須從采鹵井施工作業(yè)開(kāi)始,采取相應的技術(shù)措施,形成的溶腔符合設計要求,包括形狀、頂底板厚度、密封性等,使之滿(mǎn)足儲備石油及其制品的要求。
使鹽穴可供儲存利用的主要技術(shù)措施有:
首先,要對溶腔進(jìn)行設計,并采取特殊的采鹽工藝,使溶腔的形狀能夠滿(mǎn)足儲庫的要求。
第二,要用油或氣墊層等非溶解性物質(zhì)覆蓋在水面,限制溶腔向上擴展,加快腔壁四周推移,達到設計直徑再使水平面往上移動(dòng)。
第三,要定期對形成的鹽穴形狀用聲納裝置進(jìn)行測量,測出鹽穴各橫截面的圖形,最后獲得整個(gè)鹽穴的立體圖形并計算出鹽穴的體積。 四、結論與建議
目前,我國已經(jīng)擁有巖鹽溶腔設計、控制及測量的基礎理論及相應的技術(shù)手段,若通過(guò)試驗或與歐美公司的合作積累一些操作和管理經(jīng)驗,巖鹽企業(yè)適當增加開(kāi)采成本,即可將鹽穴再利用。這對國家來(lái)說(shuō)既充分利用了儲存資源,又節約了建設石油儲庫的投資;對巖鹽企業(yè)來(lái)說(shuō),雖然暫時(shí)增加了一點(diǎn)投入,但可獲得長(cháng)久的儲備石油收益,如果各種條件具備,這是一件有百利而無(wú)一害的事情。若將此應用到全國具備構筑地下鹽穴儲庫的鹽礦,不僅可以解決我國戰略石油儲庫的建設問(wèn)題,還可解決部分企業(yè)或部門(mén)的原油、天然氣、成品油及其他產(chǎn)品的日常儲存問(wèn)題,其經(jīng)濟意義及戰略意義都是非常深遠的。 顯然,將巖鹽開(kāi)采與戰略石油儲庫建設結合起來(lái),無(wú)論是對企業(yè),還是對國家,都是非常有益的。因此,應引起國家相關(guān)管理部門(mén)的重視,并建議如下:
(一)將鹽穴儲庫納入國家戰略石油儲庫的規劃布點(diǎn),對位于較大戰略縱深地域的鹽穴,重點(diǎn)考慮用用于作戰時(shí)石油儲備。
(二)支持巖鹽開(kāi)采企業(yè)進(jìn)行鹽穴設計、形狀控制、測量及鹽穴利用等方面的研究和先導性試驗,培養地下鹽穴儲庫設計、構筑及管理人才。
(三)加強對巖鹽開(kāi)采企業(yè)的監控,杜絕粗放開(kāi)采和盲目開(kāi)采。同時(shí),完善石油儲運市場(chǎng),使巖鹽開(kāi)采企業(yè)因構筑地下鹽穴儲庫而增加的投資,能通過(guò)市場(chǎng)及時(shí)得到商業(yè)回報,以充分調動(dòng)企業(yè)的積極性。從而保證國家鹽礦資源和儲庫資源都得到有效充分利用。