溶鹽建腔的費(fèi)用約占總投資的25%一35%,而且需要一個長期的過程。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,要做各種檢測,以保證溶鹽后能夠形成符合設(shè)計(jì)的腔體形狀。管柱鞋深度需要根據(jù)溶鹽情況逐步調(diào)整,但是必須在頂部利用液化石油氣、原油、氮?dú)?/a>,甚至天然氣形成保護(hù)層,以保護(hù)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(jù)說,利用新的研究成果,至少可使工藝步驟和聲波檢測的次數(shù)減少50%,投資降低10%以上。在溶鹽過程中,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(hù)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(nèi)注入,鹽水通過排鹵管柱采出。建庫總體時間與鹽丘(含鹽構(gòu)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(xiàng)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(yīng)用,明顯降低了投資。 這種鹽腔的初始部分還是利用傳統(tǒng)的水溶鹽方式形成的。首先將上部鹽層溶至設(shè)計(jì)的尺寸,而此時下部還未溶解。這種技術(shù)需要專門的設(shè)備,如井口和溶鹽管柱,在保證上部腔體儲氣的同時,使下部能夠繼續(xù)順利溶鹽建腔;上部鹽腔排鹵儲氣的同時,下部鹽層開始溶解建腔。上部儲存的氣體恰好可以作為下部鹽層溶解時的頂板保護(hù)層。在溶鹽過程中,氣體和鹽水的界面被嚴(yán)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,繼續(xù)利用上述完井方式和井口設(shè)備優(yōu)化儲氣庫的運(yùn)行,擴(kuò)大儲氣能力。此時,氣和鹽水的界面也不再維持在原來的位置,而是經(jīng)常地上下移動。這時更要嚴(yán)格控制氣體一鹽水界面,以保護(hù)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)萬立方米/d之間。但是某些區(qū)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(guī)技術(shù)在這種鹽層上建造地下儲氣庫是不可能的,主要問題在于溶鹽流道的控制。薄鹽層中肯定摻雜著不溶解層,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(jù)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,建造一個水平段幾百米、容量(10-100)萬立方米的地下儲氣庫是合適的。這種氣庫的投資比常規(guī)鹽穴儲氣庫要高15%一20%。但在歐洲和北美,這項(xiàng)技術(shù)正在逐漸被廣泛應(yīng)用。俄羅斯也正計(jì)劃應(yīng)用該技術(shù)。但該技術(shù)應(yīng)用最成熟的國家是加拿大,索泰克公司是比較權(quán)威的公司之一. 資料顯示,我國巖鹽開采后自然形成的溶腔體積達(dá)500萬立方米/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,其投資只相當(dāng)于地面庫的1/3;儲存液化氣時,其投資只相當(dāng)于地面庫的1/20。第二,占地少。一個幾十萬立方米鹽穴的井口裝置只占地幾十平方米,一個1000萬立方米地下鹽穴儲庫的地面設(shè)施只占地2萬平方米。而一個5萬立方米的地面油庫,不包括鐵路專線需占地16萬平方米。第三,耗材少,且施工方法比較簡單,鹽穴的構(gòu)筑還可以實(shí)現(xiàn)自動控制。第四,安全性好,更有利于戰(zhàn)備。第五,易存儲。巖鹽與各種油品接觸時不發(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(bǔ)金屬油罐作為儲庫設(shè)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(zhàn)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(zhàn)略石油儲庫的建設(shè)問題,經(jīng)濟(jì)意義及戰(zhàn)略意義非常深遠(yuǎn)。 地下鹽穴的利用要將巖鹽開采與戰(zhàn)略石油儲庫建設(shè)有效結(jié)合起來,還需要國家有關(guān)部門政策上進(jìn)行推動。首先將鹽穴儲庫納入國家戰(zhàn)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(guī)劃布點(diǎn),進(jìn)行地下儲備庫區(qū)域地質(zhì)調(diào)查,對國內(nèi)可提供建庫的目標(biāo)進(jìn)行調(diào)研和初步篩選。其次,支持巖鹽開采企業(yè)進(jìn)行鹽穴設(shè)計(jì)、形狀控制、測量及鹽穴利用等方面的研究和先導(dǎo)性試驗(yàn),培養(yǎng)地下鹽穴儲庫設(shè)計(jì)、構(gòu)筑及管理人才。另外,加強(qiáng)對巖鹽開采企業(yè)的監(jiān)控,杜絕粗放式開采和盲目開采。 隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,作為基礎(chǔ)化工原料的燒堿和純堿的市場需求以每年10%左右的速度增長。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(dǎo)致產(chǎn)量增長緩慢,遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)的需要。因此,近年來巖鹽的生產(chǎn)發(fā)展較快,除了重慶、四川、湖北等省區(qū)的巖鹽生產(chǎn)以外,山東、江蘇等省區(qū)也陸續(xù)大規(guī)模開發(fā)巖鹽。巖鹽開發(fā)不僅可以提供工業(yè)原鹽,而且如果開采得當(dāng)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(jì)資源,它關(guān)系到國計(jì)民生;石油作為一種重要的戰(zhàn)略資源,它關(guān)系到國家安全。因此,世界各國都把獲得穩(wěn)定的石油來源作為大事來抓;為了規(guī)避石油風(fēng)險,確保石油供應(yīng)的安全,許多國家都通過立法建立了戰(zhàn)略石油儲備保障體系,以備緊急情況下動用。
(二)我國石油儲備
我國已經(jīng)成為世界石油消費(fèi)大國。2005年,我國消費(fèi)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(dá)到43%?!笆晃濉逼陂g,我國的石油消費(fèi)將持續(xù)增長,石油對外依存度也將會進(jìn)一步提高。 我國的石油儲備設(shè)施還非常薄弱,規(guī)模偏小,布局和結(jié)構(gòu)也不盡合理。上世紀(jì)末,我國資深專家建議盡快建立國家戰(zhàn)略石油儲備體系,得到了國家的高度重視。目前,國家戰(zhàn)略石油儲備規(guī)劃正在編制中,首期儲備基地正在浙江鎮(zhèn)海、舟山、山東黃島、大連岱山等地開始建設(shè)。 (三)石油儲庫的儲油設(shè)施
1.地面儲庫的優(yōu)點(diǎn)與不足
目前,規(guī)劃布點(diǎn)在全國各地的石油儲庫大都設(shè)置在地面上,且其儲油設(shè)施大多是金屬油罐,這類儲庫有以下優(yōu)點(diǎn):
一是庫址可選擇在長輸管線、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(chǔ)上進(jìn)行改擴(kuò)建,三是金屬油罐施工簡便,建設(shè)周期較短。 但這類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(zhàn)爭狀態(tài)下易成為首要的襲擊目標(biāo),金屬油罐的造價較高,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(bǔ)金屬油罐作為石油儲庫儲油設(shè)施的不足,許多國家利用地下鹽穴儲存石油。美國的戰(zhàn)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,每個儲油點(diǎn)都有數(shù)量不等的巖洞及與之相連的管道和中轉(zhuǎn)泵站,地上罐設(shè)在中轉(zhuǎn)泵站上。儲油點(diǎn)都通過其中轉(zhuǎn)泵站與長輸管道或大型裝卸泊港相接,以便于原油的順利周轉(zhuǎn),容量均可達(dá)幾百萬立方米。將石油儲庫建在地下,不僅可以確保安全,還可以節(jié)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(shù)百座,德國也擁有近百座而且數(shù)量還在不斷增加。從20世紀(jì)60年代起,前蘇聯(lián)也開始重視地下鹽穴油庫的建設(shè)。
地下鹽穴儲庫不僅可以用來儲石油,也可用來儲存天然氣。目前世界上在役的鹽穴儲氣庫已經(jīng)超過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(jī)理
鹽穴是指在巖鹽上通過專門溶造成或開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(qū)。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(qiáng)度很高,三向受壓時強(qiáng)度可達(dá)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。在外力長期作用下,巖鹽的毛細(xì)孔會因塑性變形而閉塞,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(gòu)筑條件
1.要有足夠的巖鹽厚度。一般說來,巖鹽層的厚度越大,構(gòu)筑的鹽穴就越大。厚度達(dá)40-80米的巖鹽中,可以構(gòu)筑10萬-40萬立方米的洞穴;厚度達(dá)300米以上的巖鹽層可以構(gòu)筑50萬-150立方米的洞穴。
2.地下鹽穴的設(shè)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,則鹽穴應(yīng)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(yīng)大于15%,最多不得超過40%。而且構(gòu)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,其投資只相當(dāng)于地面庫的1/3;儲存液化氣時,其投資只相當(dāng)于地面庫的1/20。若是巖鹽開采所形成的鹽穴庫,其投資則更加節(jié)省。
第二,占地少,不包括鐵路專線即需占地16萬平方米。
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單,鹽穴的構(gòu)筑還可以實(shí)現(xiàn)自動控制。
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,而且油品在鹽穴長期儲存不易變質(zhì)。
第五,安全性好?;旧舷他}穴內(nèi)發(fā)生火災(zāi)和爆炸的可能性,更有利于戰(zhàn)備。
2.地下鹽穴儲庫存在的不足
首先,巖鹽的分布地區(qū)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(xiàn)有的鐵路、港口、長輸管線等儲運(yùn)設(shè)施等,需要新建或改擴(kuò)建。
其次,地下情況復(fù)雜需要詳細(xì)的地質(zhì)勘察資料。在正常開采過程中需要有較強(qiáng)的勘探、開發(fā)及地面工程的技術(shù)支持。
第三,為達(dá)到鹽穴儲庫的預(yù)期形狀和大小,必須掌握比較復(fù)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、巖鹽開采與石油儲庫建設(shè)
(一)我國巖鹽開采現(xiàn)狀
近年來,我國巖鹽(井鹽)開采的規(guī)模已經(jīng)超過1000萬噸/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(dá)500萬立方米/年。由于我國地下鹽穴用作儲庫未納入戰(zhàn)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(diào)峰擬選江蘇金壇和安徽定遠(yuǎn)鹽礦所形成的鹽穴作為地下儲氣庫,目前此項(xiàng)目尚處于預(yù)可研階段。因此,無論是從經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度,還是從保證國家能源安全的角度來看,將巖鹽開采所形成的溶腔用于石油儲庫,尤其是用于作戰(zhàn)略石油儲庫,是非常必要和可行的。應(yīng)選擇一些典型的鹽礦進(jìn)行鹽穴綜合利用的研究。
(二)我國巖鹽開采狀況
1.巖鹽的開采方式
巖鹽的開采方式為鉆井水溶開采,主要包括兩種類型:一是“井對流開采,按開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.巖鹽開采存在的問題
目前,國內(nèi)巖鹽開采與歐美國家相比仍然處于初級階段,屬于粗放開采,主要存在以下問題:
(1)開采技術(shù)水平較低
國內(nèi)不論哪種開采方法,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(jié)果,一是巖鹽開采的采收率較低,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(wěn)定,無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(jì)效益不佳。
(2)安全和可靠性不高
巖鹽開采的設(shè)計(jì)方案要求留有一定寬度的保安礦帶,其寬度根據(jù)巖鹽埋深及地面允許沉降量等參數(shù)計(jì)算確定。但實(shí)際開采時,由于采取無控制自然溶解,再加上不進(jìn)行定期測井,保安礦帶的設(shè)計(jì)寬度很難得到保證。保安礦帶的寬度就不能得到保證,礦區(qū)的安全性也就得不到有效的保證。而且,礦區(qū)的安全與企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益之間的矛盾十分突出。
(3)粗放式開采難以利用
巖鹽開采所形成的鹽穴,用作儲庫是巖鹽開采的次生效益,也是巖鹽開采的最優(yōu)路徑。但目前普遍采用的粗放式的開采方式,溶腔無設(shè)計(jì)、無控制、無檢測,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(fèi)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(shè)石油儲庫等儲存設(shè)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采的最優(yōu)路徑,也是建設(shè)國家戰(zhàn)略石油儲庫的可選途徑之一。然而,要使巖鹽開采的鹽穴具有可使用性,必須從采鹵井施工作業(yè)開始,采取相應(yīng)的技術(shù)措施,形成的溶腔符合設(shè)計(jì)要求,包括形狀、頂?shù)装搴穸?、密封性等,使之滿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(shè)計(jì),并采取特殊的采鹽工藝,使溶腔的形狀能夠滿足儲庫的要求。
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(kuò)展,加快腔壁四周推移,達(dá)到設(shè)計(jì)直徑再使水平面往上移動。
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,最后獲得整個鹽穴的立體圖形并計(jì)算出鹽穴的體積。 四、結(jié)論與建議
目前,我國已經(jīng)擁有巖鹽溶腔設(shè)計(jì)、控制及測量的基礎(chǔ)理論及相應(yīng)的技術(shù)手段,若通過試驗(yàn)或與歐美公司的合作積累一些操作和管理經(jīng)驗(yàn),巖鹽企業(yè)適當(dāng)增加開采成本,即可將鹽穴再利用。這對國家來說既充分利用了儲存資源,又節(jié)約了建設(shè)石油儲庫的投資;對巖鹽企業(yè)來說,雖然暫時增加了一點(diǎn)投入,但可獲得長久的儲備石油收益,如果各種條件具備,這是一件有百利而無一害的事情。若將此應(yīng)用到全國具備構(gòu)筑地下鹽穴儲庫的鹽礦,不僅可以解決我國戰(zhàn)略石油儲庫的建設(shè)問題,還可解決部分企業(yè)或部門的原油、天然氣、成品油及其他產(chǎn)品的日常儲存問題,其經(jīng)濟(jì)意義及戰(zhàn)略意義都是非常深遠(yuǎn)的。 顯然,將巖鹽開采與戰(zhàn)略石油儲庫建設(shè)結(jié)合起來,無論是對企業(yè),還是對國家,都是非常有益的。因此,應(yīng)引起國家相關(guān)管理部門的重視,并建議如下:
(一)將鹽穴儲庫納入國家戰(zhàn)略石油儲庫的規(guī)劃布點(diǎn),對位于較大戰(zhàn)略縱深地域的鹽穴,重點(diǎn)考慮用用于作戰(zhàn)時石油儲備。
(二)支持巖鹽開采企業(yè)進(jìn)行鹽穴設(shè)計(jì)、形狀控制、測量及鹽穴利用等方面的研究和先導(dǎo)性試驗(yàn),培養(yǎng)地下鹽穴儲庫設(shè)計(jì)、構(gòu)筑及管理人才。
(三)加強(qiáng)對巖鹽開采企業(yè)的監(jiān)控,杜絕粗放開采和盲目開采。同時,完善石油儲運(yùn)市場,使巖鹽開采企業(yè)因構(gòu)筑地下鹽穴儲庫而增加的投資,能通過市場及時得到商業(yè)回報,以充分調(diào)動企業(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。