论文部分内容阅读
摘 要：随着能源结构的改变和天然气工业的发展，建设天然气地下储气库对于能源战略调峰具有重要意义。盐穴造腔储气技术在能源地下储存甚至核废料处置方面有着重要的工业前景。本文介绍了盐穴储气库的发展以及建造理论，分析盐穴储气库专利申请状况，对盐穴储气领域的文献检索有一定的参考作用。
关键词：盐穴；盐岩；造腔；储气
1、盐岩溶腔储库建造理论
1.1 盐岩的成因与特性
盐类矿物沉积的地质年代始于显生宙，且其后的每个纪几乎都有出现，它被认为是一种特殊的地质类型，是地球发展历史记录的重要组成部分。一般来说， 岩盐的形成必须满足一些基本条件，如封闭和稳定沉降的构造条件， 干旱和半干旱的气候条件， 以及足够的盐类物质来源等。全盆性的岩盐沉积模式主要包括深水深盆、浅水深盆和浅水浅盆等3类。
与砂岩、砾岩和泥岩等相比， 岩盐具有密度较小、抗压强度较弱、弹性模量较小等一些特殊的力学性质。岩盐具有不可压缩性、良好的蠕变特性，力学特性较为稳定，使其能够适应储气库中储存压力的变化和地下储气库的密闭性，而盐岩易溶于水的特性使得盐岩溶腔施工更加经济，因此，盐岩是国际上公认的储存能源的理想介质。
1.2 国内外盐穴储气库分布状况
为保证地下储库长期的正常运营，地下储气库一般建造在渗透性低，具有良好蠕变行为的岩层以及多孔隙的岩层中。
世界上第一个盐穴储气库建成于1963年，是加拿大建造的，美国和德国等国家对地下储气库也进行了大量的研究，建立了石油和天然气储备体系，加拿大是最早在岩盐矿床中以水溶方式建成地下储气库的国家。目前全世界共有盐穴储气库44 座， 主要集中在北美和西欧地区。其中， 西欧地区有18 座（德国就占13 座），美国有18 座，加拿大有7 座，东欧地区有1座。
根据天然气需求预测，到2020年我国天然气消费量将会达到1600×l08m3以上，按照目前天然气储气库工作量占世界总天然气消费量的20%计算，储气库工作气量将达320×l08m3以上，届时需要建设30多座地下储气库。目前，我国专家根据国外建立地下盐岩油气储库的经验，作为西气东输工程的配套工程，拟建造的储气库位于江苏金坛、河南平顶山、湖北云应和江西，其中，江苏金坛储气库正在建设中，储气库分别位于河南平顶山、湖北云应和江西已选址完毕进入开工阶段，建造的储气库大部分建造在盐岩矿层中，采用已废弃的溶腔和新建的溶腔來储存天然气。
1.3盐岩溶腔储库建造理论
盐岩溶腔水溶建造储气库理论是基于盐类矿床水溶开采理论的，而盐类矿床水溶开采是根据盐类矿物易溶于水的特性，把水作为溶剂注入到矿床中，在盐类矿床中进行物理化学作用，将盐类矿物就地溶解，转变为流态的溶液，然后进行采集并输送到的地表的一种采矿方法。
目前盐岩储库的建造的方法有单井对流法和井组对流连通法，单井对流水溶建腔是以一口井作为一个建腔单元，井内有多层密闭的同心管，从其中一层套管往井下注入淡水，溶解盐类矿物，生成高浓度的卤水，利用注水余压使得卤水从另外一层套管输送到地面的一种方法。井组对流连通建腔是以两井或多井作为一个开采单元，采用一定的技术在岩盐矿层中建立井间的溶蚀通道，进而从其中的一口井注入淡水，溶解盐类矿物，生成高浓度的卤水，利用注水余压使得卤水从另外一口井输送到地面的一种方法，井间通道的建立常见的有自然溶蚀连通、水力压裂连通和定向井连通。
2.盐穴储气专利基础状况
2.1 国内专利申請状况分析
目前国内申请人主要集中在高校和大的石油和天然气公司，国内的高校主要有：重庆大学、中国石油大学（华东）、太原理工大学、山东大学、四川大学。西南石油大学；公司主要有：中国石油天然气公司、化工部长沙设计研究院、中盐金坛盐化有限责任公司、核工业北京地质研究院等；
其中，重庆大学姜德义教授带领的煤炭灾害动力学与控制国家重点实验室对层状盐岩储气库建腔稳定性以及多夹层盐穴的受力状况进行了较为全面的研究，对层状盐岩建腔期流场与夹层受力的实验装置、三轴应力条件下岩盐溶解特性试验的方法申请了发明专利，中国石油天然气公司对盐岩储气库造腔模拟装置申请了专利，中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院廊坊分院的对盐岩的流变-损伤-破坏特性的实验研究，发明了多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置能较为全面的模拟三维地质应力，实时的观测溶腔状况，中国石油大学（华东）的闫相祯教授带领的团队对深井复杂地层安全高效钻井技术基础进行可研究，并对套管采卤技术申请了相关专利。
随着国内盐穴储气库建设数目的增多，关于盐岩特性的测试方法以及储气库的建造方法的申请也不断增加，国内申请量的增长趋势见下图：
从专利申请趋势可以看出，在07年以后对于盐穴储气的专利申请逐年上涨，可见国内对盐穴储气库的专利申请意识逐渐增强，也反映了技术的逐渐成熟与精进。
2.3 国外专利申请状况分析
国外盐穴储气技术比国内起步早，其主要集中在储气库的建造方法，而且形成了比较完善的注气排卤及注采配套技术，储气库安全运行及风险评估，下面对主要申请国家的申请量做饼状图进行统计，可见美国在盐穴储气库的建立方面有较为成熟的技术，专利申请占23.2%，中国的专利申请量也比较靠前，占16.2%，而且申请在近几年增加的原因是，西气东输工程对盐穴储气库的需要，储气库的建造不断增加，申请量比较靠前的国家还有德国、法国和加拿大。
国外申请量比较大的公司是GEOSTOCK，其是一家矿产开采公司，主要涉及煤矿的开采以及储气库安全性能的研究，其在注气排卤及注采方面有比较完善的技术。
3 我国盐穴储气库技术的发展趋势
利用长三角洲地区江苏金坛盆地岩盐构造建设盐穴地下储气库， 在我国是开拓性的、新的战略储备领域，研究盐穴设计方法及建库工程的关键技术， 对建设与我国西气东输工程配套的盐穴储气库具有重要的意义。而盐穴造腔储气库德建造还有一些关键技术有待研究：
（1）盐穴储气库形状的设计，盐穴几何形状、高度、直径、穴顶等参数，盐穴的位置、到岩盐盖层之间的预留距离、与之相邻盐穴相互之间的安全矿柱距离、基岩稳定性、承载负荷的极限（即：确定最大与最小承压范围）、库容规模、注采能力等盐穴储气库的成腔形状对储气库的安全运行有决定性的因素，而溶腔技术的研究主要集中在利用数值模拟软件进行模拟和建立相似的盐岩试样利用实验台进行实验，利用透明的钢化玻璃观察溶腔的形状。
（2）盐穴储气库运行压力的确定，储气库的运行压力过大容易导致溶腔破裂，而运行压力太小，储气库运行不稳定，对腔体形态的稳定性不利，而储气库运行的初期是稳定性较差的时期，不宜长期采用低压运行，为保证储气库的安全和使用寿命，需要根据生产要求和所在区域的地质条件合理地安排运行压力区间和注采气速率，防止出现大的压力波动。
（3）关于采用数值方法模拟盐穴储气库运行参数的设定以及运行策略的制定、对盐岩试样进行测试或者实际溶腔模拟的试验方面的专利未来会增多。
4 结语
随着盐穴储气技术的发展，注重技术的知识产权保护，才能在以后的技术创新以及市场应用中取得更好的经济效益，因此，时刻关注盐穴储气的专利格局，了解最新技术动态，并积极的对知识产权做出保护措施，对盐穴储气的未来发展有很大的意义。
参考文献
[1]莫江，梁卫国，赵阳升.层状盐岩储气库建造夹层稳定性研究[c].中国岩石力学与工程学会地下工程分会编.第十届全国岩石力学与工程学会地下工程分会编.第十届全国岩石力学与工程学术大会论文集.北京：中国电力出版社，2008年7月：329-333.
[2] 任松，姜德义，刘新荣等.岩盐溶腔井组间矿柱稳定性突变理论分析[J].中国矿业，2004，13（1）：70-72.
[3] 刘新荣，姜德义，余海龙等.岩盐变形特征的试验研究[J].矿业工程，1995，19（4）：12-15.
[4] 刘绘新，张鹏，盖峰.四川地区盐岩蠕变规律研究[J].岩石力学与工程学报，2002，21（9）：1290-1294.
[5] 刘新荣，鲜学福，马建春.三轴应力状态下岩盐力学性质试验研究[J].地下空间，2004，24（2）：153-155，165.
关键词：盐穴；盐岩；造腔；储气
1、盐岩溶腔储库建造理论
1.1 盐岩的成因与特性
盐类矿物沉积的地质年代始于显生宙，且其后的每个纪几乎都有出现，它被认为是一种特殊的地质类型，是地球发展历史记录的重要组成部分。一般来说， 岩盐的形成必须满足一些基本条件，如封闭和稳定沉降的构造条件， 干旱和半干旱的气候条件， 以及足够的盐类物质来源等。全盆性的岩盐沉积模式主要包括深水深盆、浅水深盆和浅水浅盆等3类。
与砂岩、砾岩和泥岩等相比， 岩盐具有密度较小、抗压强度较弱、弹性模量较小等一些特殊的力学性质。岩盐具有不可压缩性、良好的蠕变特性，力学特性较为稳定，使其能够适应储气库中储存压力的变化和地下储气库的密闭性，而盐岩易溶于水的特性使得盐岩溶腔施工更加经济，因此，盐岩是国际上公认的储存能源的理想介质。
1.2 国内外盐穴储气库分布状况
为保证地下储库长期的正常运营，地下储气库一般建造在渗透性低，具有良好蠕变行为的岩层以及多孔隙的岩层中。
世界上第一个盐穴储气库建成于1963年，是加拿大建造的，美国和德国等国家对地下储气库也进行了大量的研究，建立了石油和天然气储备体系，加拿大是最早在岩盐矿床中以水溶方式建成地下储气库的国家。目前全世界共有盐穴储气库44 座， 主要集中在北美和西欧地区。其中， 西欧地区有18 座（德国就占13 座），美国有18 座，加拿大有7 座，东欧地区有1座。
根据天然气需求预测，到2020年我国天然气消费量将会达到1600×l08m3以上，按照目前天然气储气库工作量占世界总天然气消费量的20%计算，储气库工作气量将达320×l08m3以上，届时需要建设30多座地下储气库。目前，我国专家根据国外建立地下盐岩油气储库的经验，作为西气东输工程的配套工程，拟建造的储气库位于江苏金坛、河南平顶山、湖北云应和江西，其中，江苏金坛储气库正在建设中，储气库分别位于河南平顶山、湖北云应和江西已选址完毕进入开工阶段，建造的储气库大部分建造在盐岩矿层中，采用已废弃的溶腔和新建的溶腔來储存天然气。
1.3盐岩溶腔储库建造理论
盐岩溶腔水溶建造储气库理论是基于盐类矿床水溶开采理论的，而盐类矿床水溶开采是根据盐类矿物易溶于水的特性，把水作为溶剂注入到矿床中，在盐类矿床中进行物理化学作用，将盐类矿物就地溶解，转变为流态的溶液，然后进行采集并输送到的地表的一种采矿方法。
目前盐岩储库的建造的方法有单井对流法和井组对流连通法，单井对流水溶建腔是以一口井作为一个建腔单元，井内有多层密闭的同心管，从其中一层套管往井下注入淡水，溶解盐类矿物，生成高浓度的卤水，利用注水余压使得卤水从另外一层套管输送到地面的一种方法。井组对流连通建腔是以两井或多井作为一个开采单元，采用一定的技术在岩盐矿层中建立井间的溶蚀通道，进而从其中的一口井注入淡水，溶解盐类矿物，生成高浓度的卤水，利用注水余压使得卤水从另外一口井输送到地面的一种方法，井间通道的建立常见的有自然溶蚀连通、水力压裂连通和定向井连通。
2.盐穴储气专利基础状况
2.1 国内专利申請状况分析
目前国内申请人主要集中在高校和大的石油和天然气公司，国内的高校主要有：重庆大学、中国石油大学（华东）、太原理工大学、山东大学、四川大学。西南石油大学；公司主要有：中国石油天然气公司、化工部长沙设计研究院、中盐金坛盐化有限责任公司、核工业北京地质研究院等；
其中，重庆大学姜德义教授带领的煤炭灾害动力学与控制国家重点实验室对层状盐岩储气库建腔稳定性以及多夹层盐穴的受力状况进行了较为全面的研究，对层状盐岩建腔期流场与夹层受力的实验装置、三轴应力条件下岩盐溶解特性试验的方法申请了发明专利，中国石油天然气公司对盐岩储气库造腔模拟装置申请了专利，中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院廊坊分院的对盐岩的流变-损伤-破坏特性的实验研究，发明了多夹层盐穴造腔可视化物理模拟与形态控制实验装置能较为全面的模拟三维地质应力，实时的观测溶腔状况，中国石油大学（华东）的闫相祯教授带领的团队对深井复杂地层安全高效钻井技术基础进行可研究，并对套管采卤技术申请了相关专利。
随着国内盐穴储气库建设数目的增多，关于盐岩特性的测试方法以及储气库的建造方法的申请也不断增加，国内申请量的增长趋势见下图：
从专利申请趋势可以看出，在07年以后对于盐穴储气的专利申请逐年上涨，可见国内对盐穴储气库的专利申请意识逐渐增强，也反映了技术的逐渐成熟与精进。
2.3 国外专利申请状况分析
国外盐穴储气技术比国内起步早，其主要集中在储气库的建造方法，而且形成了比较完善的注气排卤及注采配套技术，储气库安全运行及风险评估，下面对主要申请国家的申请量做饼状图进行统计，可见美国在盐穴储气库的建立方面有较为成熟的技术，专利申请占23.2%，中国的专利申请量也比较靠前，占16.2%，而且申请在近几年增加的原因是，西气东输工程对盐穴储气库的需要，储气库的建造不断增加，申请量比较靠前的国家还有德国、法国和加拿大。
国外申请量比较大的公司是GEOSTOCK，其是一家矿产开采公司，主要涉及煤矿的开采以及储气库安全性能的研究，其在注气排卤及注采方面有比较完善的技术。
3 我国盐穴储气库技术的发展趋势
利用长三角洲地区江苏金坛盆地岩盐构造建设盐穴地下储气库， 在我国是开拓性的、新的战略储备领域，研究盐穴设计方法及建库工程的关键技术， 对建设与我国西气东输工程配套的盐穴储气库具有重要的意义。而盐穴造腔储气库德建造还有一些关键技术有待研究：
（1）盐穴储气库形状的设计，盐穴几何形状、高度、直径、穴顶等参数，盐穴的位置、到岩盐盖层之间的预留距离、与之相邻盐穴相互之间的安全矿柱距离、基岩稳定性、承载负荷的极限（即：确定最大与最小承压范围）、库容规模、注采能力等盐穴储气库的成腔形状对储气库的安全运行有决定性的因素，而溶腔技术的研究主要集中在利用数值模拟软件进行模拟和建立相似的盐岩试样利用实验台进行实验，利用透明的钢化玻璃观察溶腔的形状。
（2）盐穴储气库运行压力的确定，储气库的运行压力过大容易导致溶腔破裂，而运行压力太小，储气库运行不稳定，对腔体形态的稳定性不利，而储气库运行的初期是稳定性较差的时期，不宜长期采用低压运行，为保证储气库的安全和使用寿命，需要根据生产要求和所在区域的地质条件合理地安排运行压力区间和注采气速率，防止出现大的压力波动。
（3）关于采用数值方法模拟盐穴储气库运行参数的设定以及运行策略的制定、对盐岩试样进行测试或者实际溶腔模拟的试验方面的专利未来会增多。
4 结语
随着盐穴储气技术的发展，注重技术的知识产权保护，才能在以后的技术创新以及市场应用中取得更好的经济效益，因此，时刻关注盐穴储气的专利格局，了解最新技术动态，并积极的对知识产权做出保护措施，对盐穴储气的未来发展有很大的意义。
参考文献
[1]莫江，梁卫国，赵阳升.层状盐岩储气库建造夹层稳定性研究[c].中国岩石力学与工程学会地下工程分会编.第十届全国岩石力学与工程学会地下工程分会编.第十届全国岩石力学与工程学术大会论文集.北京：中国电力出版社，2008年7月：329-333.
[2] 任松，姜德义，刘新荣等.岩盐溶腔井组间矿柱稳定性突变理论分析[J].中国矿业，2004，13（1）：70-72.
[3] 刘新荣，姜德义，余海龙等.岩盐变形特征的试验研究[J].矿业工程，1995，19（4）：12-15.
[4] 刘绘新，张鹏，盖峰.四川地区盐岩蠕变规律研究[J].岩石力学与工程学报，2002，21（9）：1290-1294.
[5] 刘新荣，鲜学福，马建春.三轴应力状态下岩盐力学性质试验研究[J].地下空间，2004，24（2）：153-155，165.