韓桂武,郭書太,張慶森,周 銳

(1.中國石油天然氣管道工程有限公司, 河北 廊坊 065000;2.河南理工大學 能源科學與工程學院, 河南 焦作 454000)

隨著能源高效化、清潔化發(fā)展,傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)相繼去產(chǎn)能、去庫存、轉(zhuǎn)型升級,導(dǎo)致大量礦井關(guān)停,在現(xiàn)代化開采技術(shù)的加持下,產(chǎn)生了可觀的礦井可利用空間。在形成如此巨大的地下空間后,若將其進行簡單的封存處理,一方面是對礦井資源和地下空間的浪費,另一方面,巨大體量的地下空間不進行后續(xù)的修繕、維護,對于當?shù)囟詫侵卮蟮臐撛诘刭|(zhì)隱患。對此巨大體量的地下空間進行利用,不僅能夠促使其產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、重新定義礦井地下空間,也能夠減小甚至消除巨大體量地下空間存在的地質(zhì)隱患[1]. 針對礦井儲能,Eui-Seob Park等[2]搭建了一個儲存液化氮的試驗裝置,試驗監(jiān)測結(jié)果表明在襯砌巖洞中建造和運行地下液化天然氣儲存在技術(shù)上是可行的;Celestino等[3]基于儲能礦井的圍巖強度及蠕變情況,對圍巖支護角度開展了風險分析;Hyung-Mok Kim等[4]研究了襯砌巖洞室開挖破壞區(qū)(EDZ)對壓縮空氣儲能(CAES)地質(zhì)力學性能的影響,并通過對比多種模擬方案得出最有利于降低襯砌抗拉破壞潛力的設(shè)計,該研究結(jié)論已為地下儲能項目中鉆孔和爆破的關(guān)鍵技術(shù)提供指導(dǎo)。

在廢棄礦井儲氣探索中,全球僅有3座煤礦儲氣庫,分別位于比利時和美國,目前僅剩美國儲氣庫仍在正常運行。礦井儲油研究中,法國將Maysurorne的一座廢棄鐵礦改造為500 萬m3的液化烴儲庫;德國將Holsen的一座廢棄鉀礦改造為液化烴儲庫;美國介紹了位于俄亥俄州南部的石灰石礦Ironton被改造為地下水封石油洞庫的全過程,從可行性分析到改建中的關(guān)鍵參數(shù)研究,全面對該礦區(qū)的巖土工程進行了闡述;Wang H等[5]通過研究某礦區(qū)硬石膏巖飽水飽油后在不同圍壓下的力學特性差異,并結(jié)合現(xiàn)場鉆孔高壓注水試驗、儲水儲油測試,評估水、油長期作用條件下硬石膏巖體滲透性,評價該硬石膏礦采空區(qū)儲油的密封性,為深部硬石膏采空區(qū)建造儲油庫提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。我國研究人員也做了大量關(guān)于廢棄礦井儲存石油或天然氣的研究,但總體上相對于西方國家的進展還需進一步研究。

1 廢棄礦井儲油方法探索

1.1 石油地下儲庫選址原則

石油地下儲庫作為國家應(yīng)對能源儲存提出來的新型方案,尤其是結(jié)合了我國礦井地下空間,使得礦井地下空間得以轉(zhuǎn)型升級,但根本上要求廢棄煤礦能夠滿足基本的地質(zhì)條件?？傮w上,地下水封石油洞庫的選址包含區(qū)域位置、水文地質(zhì)、經(jīng)濟條件及地面條件在內(nèi),可以總結(jié)為兩個基本原則:1) 圍巖穩(wěn)定性:圍巖穩(wěn)定性評價、巖體完整性評價和巖體質(zhì)量評價。2) 水封條件:保證充足的供水水源、做好防滲處理。

此外,還應(yīng)結(jié)合當?shù)鼐用穹植肌⒔?jīng)濟條件、環(huán)境保護、石油運輸管道、進口路線、軍事地位等因素,綜合評價遴選出最適合改建石油儲庫的廢棄礦井區(qū)域[6].

1.2 廢棄礦井石油儲庫改建方案

以希臘Perama地區(qū)地下儲油庫的改建方案為例,選址地區(qū)位于山區(qū)的東南部,距離附近海域運輸港口僅幾公里,距離雅典市中心也僅20 km,其作為石油儲庫能夠滿足市區(qū)的日常供應(yīng)以及港口碼頭的石油運輸。該地下石油儲庫埋深-40 m,擬建5個容積為40 000 m3的無襯砌巖洞作為石油儲庫群,頂板上鋪設(shè)兩條注水長廊,并等距取孔用以注水設(shè)施貫穿,形成水幕系統(tǒng),見圖1. 該地下石油儲庫在滿足調(diào)用的同時能夠協(xié)調(diào)城市生活和資源儲存的問題[7].

該礦區(qū)巖體評價是通過對同一地區(qū)不同深度進行取樣,結(jié)合不同巖體評價指標(RMA、Q、GSI等)來定量分析該地區(qū)的地質(zhì)條件和巖性特征。該地區(qū)巖石地質(zhì)較好,石灰?guī)r占比較大,層狀為中偏厚,底層總厚度200 m,UCS均值為55 MPa,單軸抗拉強度均值為5 MPa,滲透系數(shù)在10-5～10-6cm/s.

根據(jù)該地區(qū)的RMR(地質(zhì)力學分級)49～72、Q(巴頓巖體質(zhì)量分類)2～22、GSI(地質(zhì)強度因子)57,基本判定該地區(qū)石灰?guī)r基巖符合要求,但巖體的特征僅為一般到優(yōu)質(zhì),后續(xù)的巖體條件改善工作也基于以上巖體評價指標進行。在Perama方案的巖性改良中,根據(jù)Q系數(shù)為2～22,支護手段選取錨桿結(jié)合噴射混凝土,再通過數(shù)值分析軟件進一步確定參數(shù)后,對最終支撐特性進行了調(diào)整和決定[8],頂板和側(cè)壁采用5 m長的錨桿進行系統(tǒng)錨固,其最大承載力為250 kN,并噴射150 mm厚的鋼纖維增強混凝土,支護手段見圖2.

圖2 礦井改建石油地下儲庫支護圖

除此之外,在巖石表面粗糙、孔隙變化大及裂隙較發(fā)育處,常用方解石或硬黏土等物填充,長度在0.5～3.5 m,針對密集區(qū),還可采用灌漿方式進行填充。這一點能夠?qū)ξ覈M行地下石油儲庫的建設(shè)提供思路,通過用不同的巖體評價指標來定量描述礦井地下的巖體特性,并通過量化參數(shù)指導(dǎo)后續(xù)施工。

在石油地下儲庫水封條件的問題上,該選址地下水沒有強烈的季節(jié)性波動,水文地質(zhì)條件良好。但地下水位在海平面+0.5 m～+1.0 m附近,面臨著地下水位高于海平面的問題,會導(dǎo)致封庫水外溢,不符合水封條件[9].針對此,選取了填海方式,人為增高附近海平面,并在地下水位+0.5 m處鉆孔攔截,使地下水位始終控制在海平面以下,進一步確保了地下水的不斷補充,在遵循水力遏制原理下,該石油地下儲庫的水封條件良好。

1.3 我國廢棄礦井儲油適建性探索

國外利用廢棄礦井改造石油地下儲庫的發(fā)展時間較長,除了可參考一些設(shè)計、施工經(jīng)驗外,還應(yīng)在我國石油傳輸、地質(zhì)條件、能源安全等問題上綜合考究,選出合適的改建區(qū)域及改建礦井,再針對廢棄礦井巖層中的力學特性,進行合適的改建工作,以確保具體礦井選址的基本巖性要求。國外利用廢棄礦井儲油針對不同巖體的支護手段見表1.

表1 不同巖體支護經(jīng)驗表

2 廢棄礦井改建石油儲庫的方法探索

2.1 石油地下儲庫選址原則

儲氣庫的選址,主要涉及煤礦和鹽礦這兩種類型,針對不同類型的礦井,其選址原則、改建手段、儲氣方式均存在差異。利用煤礦井下硐室作為儲存能源的載體,需在選址階段對擬建庫區(qū)地質(zhì)條件和地面信息進行充分調(diào)研,開展技術(shù)手段可行性研究。根據(jù)資料總結(jié)出廢棄煤礦改建地下儲氣庫的基本技術(shù)指標:

1) 區(qū)位條件:地下儲氣庫位置距離能源消費區(qū)域越近越經(jīng)濟,0～200 km為宜。

2) 地質(zhì)構(gòu)造條件:改建煤礦中煤層展布方向主要以水平或傾斜為主。

3) 井下可利用空間:儲氣空間50萬 m3以上,與周圍煤礦無連通。

4) 穩(wěn)定性條件:擬建儲庫上部巖體穩(wěn)定,垮落范圍不影響儲庫,無不良地質(zhì)情況。

5) 密封條件:具有良好密閉性,水力梯度方向總是經(jīng)儲庫圍巖由外向內(nèi),儲庫圍巖外部水壓不小于儲庫內(nèi)油、氣壓之和。

6) 水文條件:煤礦內(nèi)水系分布簡單,明確地下水位,有充沛地下水量。

7) 地面條件:具有開闊的地上空間,擬建庫區(qū)附近不應(yīng)有大型建筑和密集人群分布。

相比之下,廢棄鹽穴的選址則更為復(fù)雜,涉及到鹽礦開采中的單腔、雙井連通腔兩種形式,其選址的原則和改建方案也不盡相同。通過調(diào)研鹽礦資料在前期研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程可行性、安全穩(wěn)定性、經(jīng)濟效益性等因素,鹽穴改建儲氣庫選址原則如下:

1) 地質(zhì)條件:密閉性良好,上覆巖層以硬石膏巖、鹽巖等氣密性好,孔隙率低的圍巖為主,儲藏深度適中。

2) 井下可利用空間:儲氣空間在8萬 m3以上,原有鹽穴開采中,未發(fā)生腔體溶漓等重大復(fù)雜事故。

3) 地面條件:具有開闊的地上空間,擬建庫區(qū)附近不應(yīng)有大型建筑和密集人群分布。

2.2 廢棄礦井儲氣適建性探索

2.2.1 廢棄煤礦儲氣適建性探索

利用廢棄煤礦儲存能源通常需考慮煤礦地下空間的儲存能力,具體體現(xiàn)在煤礦開采方式中,煤礦開采方式包含自然垮落法、充填開采法和留煤柱開采法。典型廢棄煤礦改建地下儲氣庫的整體思路及布局見圖3. 其中自然垮落法的采空區(qū)上覆頂板自然下沉,覆蓋部分或全部采空區(qū)可利用空間,同時形成的垮落帶和下沉帶會嚴重影響儲庫圍巖的密封性。因此利用改建廢棄煤礦時,通常利用充填開采和留煤柱開采下的采空區(qū)進行能源儲備。已有研究團隊利用鎂渣充填物,改善采煤方法,施行“短-長壁結(jié)合法”,結(jié)合改性煤矸石實現(xiàn)了邊采邊填,形成CO2的地下物理-化學儲存體系,并在煤礦生產(chǎn)中取得成效。

圖3 廢棄煤礦改建地下儲氣庫布局圖

現(xiàn)存正在運行的美國廢棄礦井能源儲庫由于前期保護了頂板整體結(jié)構(gòu),留煤柱開采煤礦作為廢棄礦井采空區(qū)儲能的主要研究對象,因其煤柱的存在,采空區(qū)和巷道的地下空間保持良好的穩(wěn)定性,同時煤柱對天然氣具備吸附能力,能夠儲存大量天然氣。

2.2.2 廢棄鹽礦儲氣工程應(yīng)用

鹽礦開采主要有單井單腔開采和雙井連通開采兩種形式,見圖4. 單井單腔采鹽方式,通過注入淡水,在鹽穴內(nèi)形成獨立腔體,依次進行鹽開采。雙井單腔采鹽方式,主要通過定向?qū)营毩Ⅺ}穴形成貫通式空間,是目前國內(nèi)常用的采鹽方式,鹽礦本身的開采方式與鹽礦改建儲氣庫水溶造腔技術(shù)有一定聯(lián)系,但由于采注目標不同,所以存在較大差異,因此需在傳統(tǒng)鹽礦開采中進行技術(shù)革新,在采鹵的同時保證鹽穴的空間穩(wěn)定性。

圖4 鹽腔采掘形式圖

鹽穴獨有的水溶方式使鹽礦在地下能源儲庫建設(shè)中得到廣泛的運用。我國金壇鹽礦儲氣工程已在西氣東輸項目中發(fā)揮重大作用,在金壇鹽礦改建歷程中,主要經(jīng)歷了老腔改造、腔體氣密封測試、光纖連續(xù)監(jiān)測以及高效注氣排鹵等建設(shè)節(jié)點。

老腔改造手段類比采鹽工藝,目前國際上普遍采用單井加油墊造腔,即僅鉆一口單井,形式如同單井單腔采鹽方式。針對我國西氣東輸沿途鹽礦多、構(gòu)造復(fù)雜的地質(zhì)特點,金壇鹽礦采用直井雙管加油墊造腔法,同時推廣該礦改造方式至西氣東輸沿線工程,已成功改建鹽腔空間達850萬 m3,成功率達100%,沿途鹽腔儲氣庫全部投產(chǎn)使用。

國際中常采用的腔體密封性測試主要依托向生產(chǎn)管道中注射柴油實現(xiàn),通過對待檢測面進行油水界面偏移檢測來評價鹽腔密封性。在金壇鹽礦的密封性檢測中,改進柴油為氮氣,向生產(chǎn)管道中注入一定量的氮氣,其后通過監(jiān)測腔體氣壓變化判斷腔體密封性,使得密封性的檢測方式更加科學、檢測手段更易實現(xiàn)、檢測結(jié)果更為準確。

金壇鹽礦創(chuàng)新采用光纖連續(xù)監(jiān)測技術(shù),通過將附著有光纖的造腔管伸入井中,其后向井內(nèi)傳熱,利用柴油和鹵水比熱容的差異,形成溫差,此溫差由光纖檢測并上傳至井口,以此監(jiān)測油水界面深度。

鹽礦儲氣庫通過腔體改造、氣密性測試和連續(xù)監(jiān)測后,則需注氣排鹵實現(xiàn)儲氣庫的運營。金壇鹽礦儲氣庫簡化國際注氣排鹵流程,直接利用油管注氣排鹵。完成油管注氣排鹵后,將油管丟手以下部分丟落于腔體內(nèi),丟手以上部分作為注采管柱。

3 結(jié) 語

1) 已有西方國家利用廢棄鹽腔和廢棄礦井成功改建地下能源儲庫,考慮中國礦井地下可利用空間體量巨大,借鑒國外改建廢棄礦井先進的建設(shè)經(jīng)驗,有利于釋放我國大體量礦井地下空間儲氣的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2) 廢棄礦井能源儲庫的建設(shè),要求廢棄礦井能夠滿足基本的地質(zhì)條件、圍巖穩(wěn)定性和水封條件,具體體現(xiàn)在圍巖穩(wěn)定性評價、巖體完整性評價、巖體質(zhì)量評價、充足供水和圍巖防滲處理上。

3) 通過總結(jié)歸納國內(nèi)外利用礦井作為能源地下儲庫的相關(guān)案例,綜述了礦井改建地下能源儲庫的基本標準,有助于促進廢棄礦井空間資源的再利用。