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鹽穴
鹽礦開采后留下的礦洞
基本信息
| 中文名 | 鹽穴 |
| 定義 | 鹽礦開采后留下的礦洞 |
| 特點 | 體積巨大且密封良好 |
| 方式 | 水溶開采方式 |
簡介
人類開采鹽礦用于食用和保存食物已經有上千年的歷史了。在我國，開采鹽礦的歷史應早于商代，并上溯到夏代，甚至夏以前的洪荒時代。采鹵井的應用在我國大約有1000多年的歷史。鹽穴是利用水溶開采方式在地下較厚的鹽層或鹽丘中形成的人造地下洞穴，鹽穴的大小和形狀根據不同的地質條件而定，其體積一般在5000～100萬立方米之間。由于鹽穴深埋地下，而且高溫高壓下的鹽具有一定的塑性，具有在產生一定的裂縫條件下自動愈合的特點，地下鹽穴就成了很好的密封儲存庫。鹽穴提供了一個巨大而安全的地下空間用于儲存那些不溶解鹽的物質。其主要用于儲存液態(tài)、氣態(tài)烴以及相關產品，并作為主要用途一直延續(xù)至今。尤其是石油和天然氣，用鹽穴提供的巨大存儲空間來存儲天然氣，可以將用氣低峰時期輸氣系統中的富余氣量存儲起來，在用氣高峰的時候抽出來用以補充供氣量，起到一個很好的調節(jié)作用。而對于石油來講，作為一種重要的戰(zhàn)略物資，它關系到國家的安全，許多國家都建立了自己的石油保障體系，同樣也需要巨大而安全的存儲空間。
油藏型儲氣庫和含水層儲氣庫都是將天然氣儲存在天然的巖石孔隙中，而鹽穴儲氣庫與此不同，它是將天然氣儲存在人工溶鹽后形成的腔體中。降低鹽穴儲氣庫建設成本的主要方法是應用現代溶鹽技術增加鹽穴體積；降低最小運行壓力，提高最大運行壓力。鹽穴用作儲氣庫始于20世紀60年代。美國的第一座鹽穴儲氣庫1961年建于密歇根州Marysville；加拿大的第一座鹽穴儲氣庫1964年建于薩斯喀徹溫省的梅爾維爾；亞美尼亞的第一座鹽穴儲氣庫1964年建于Abovian;法國的第一座鹽穴儲氣庫1968年建于Tersanne；德國的第一座鹽穴儲氣庫1969年建于基爾。鹽穴儲氣庫發(fā)展初期，其尺寸和容量相對較小，只有（3－10）億立方米/d.。隨著工程技術的發(fā)展，到20世紀末，歐洲鹽穴儲氣庫的總容量已達到（400－600)×1012立方米/d。鹽穴容量主要受注采氣井壓力損失和設備運行中安全要求的限制。降低最小運行壓力能夠增加有效工作氣量，減少墊底氣的投資。最小運行壓力每降低1MPa，能節(jié)省約10%－15%的總投資。單腔最大儲氣能力與最大運行壓力有關。最大運行壓力提高10%，有效工作氣量大約能增加15%。但是，最大運行壓力受到鹽層氣密封性的制約。一般來說，最大運行壓力要小于鹽層上覆地層的重量，梯度大約為0.23MPa/m；一些特殊的區(qū)塊，梯度小于0.2MPa/m。
投資
溶鹽建腔的費用約占總投資的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)化技術的研究（如SMRI或INVDIR的SALTXX以及GazdeFrance的SURMOVINER）。據說，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頂板。腔體溶成后，需要重新完井，用以排出鹽水并實施首次注氣。天然氣從排鹵管柱和生產油管（或套管）的環(huán)形空間內注入，鹽水通過排鹵管柱采出。建庫總體時間與鹽丘（含鹽構造）大小有關，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，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，而此時下部還未溶解。這種技術需要專門的設備，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層。在溶鹽過程中，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，繼續(xù)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，氣和鹽水的界面也不再維持在原來的位置，而是經常地上下移動。這時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)揮關鍵的分離作用。根據地質力學以及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，這項技術正在逐漸被廣泛應用。俄羅斯也正計劃應用該技術。但該技術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.
用地下鹽穴作為儲庫具有諸多優(yōu)點：第一，投資省。儲存油品時，其投資只相當于地面庫的1/3；儲存液化氣時，其投資只相當于地面庫的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，鹽穴的構筑還可以實現自動控制。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)生化學變化，不溶解，不影響油品的質量，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(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)略石油儲庫的建設問題，經濟意義及戰(zhàn)略意義非常深遠。
地下鹽穴的利用要將巖鹽開采與戰(zhàn)略石油儲庫建設有效結合起來，還需要國家有關部門政策上進行推動。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、成品油及其他產品的儲存的規(guī)劃布點，進行地下儲備庫區(qū)域地質調查，對國內可提供建庫的目標進行調研和初步篩選。其次，支持巖鹽開采企業(yè)進行鹽穴設計、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(yǎng)地下鹽穴儲庫設計、構筑及管理人才。另外，加強對巖鹽開采企業(yè)的監(jiān)控，杜絕粗放式開采和盲目開采。
隨著我國經濟的快速發(fā)展，作為基礎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致產量增長緩慢，遠不能滿足生產的需要。因此，近年來巖鹽的生產發(fā)展較快，除了重慶、四川、湖北等省區(qū)的巖鹽生產以外，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。
一、石油儲備
（一）國外石油儲備
石油作為一種重要的經濟資源，它關系到國計民生；石油作為一種重要的戰(zhàn)略資源，它關系到國家安全。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)避石油風險，確保石油供應的安全，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，其國產石油約1.8億噸，進口石油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(xù)增長，石油對外依存度也將會進一步提高。
我國的石油儲備設施還非常薄弱，規(guī)模偏小，布局和結構也不盡合理。上世紀末，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。
（三）石油儲庫的儲油設施
1．地面儲庫的優(yōu)點與不足
目前，規(guī)劃布點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，這類儲庫有以下優(yōu)點:
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，二是可在原有油庫的基礎上進行改擴建，三是金屬油罐施工簡便，建設周期較短。
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，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(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。儲油點都通過其中轉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，容量均可達幾百萬立方米。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)點比較突出，因此其推廣速度很快。至今，美國已經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，前蘇聯也開始重視地下鹽穴油庫的建設。
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。巖鹽的強度很高，三向受壓時強度可達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。在外力長期作用下，巖鹽的毛細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，構筑的鹽穴就越大。厚度達40－80米的巖鹽中，可以構筑10萬－40萬立方米的洞穴；厚度達300米以上的巖鹽層可以構筑50萬－150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，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。
（三）地下鹽穴儲庫的優(yōu)點與不足
1．地下鹽穴儲庫具有如下優(yōu)點：
第一，投資省。儲存油品時，其投資只相當于地面庫的1/3；儲存液化氣時，其投資只相當于地面庫的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，鹽穴的構筑還可以實現自動控制。
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。
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(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。很難利用現有的鐵路、港口、長輸管線等儲運設施等，需要新建或改擴建。
其次，地下情況復雜需要詳細的地質勘察資料。在正常開采過程中需要有較強的勘探、開發(fā)及地面工程的技術支持。
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并擁有先進的溶腔檢測手段，還需要較多的淡水資源。
三、巖鹽開采與石油儲庫建設
（一）我國巖鹽開采現狀
近年來，我國巖鹽(井鹽)開采的規(guī)模已經超過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，無論是從經濟發(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。應選擇一些典型的鹽礦進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)開采技術水平較低
國內不論哪種開采方法，淡水進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，經濟效益不佳。
(2)安全和可靠性不高
巖鹽開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。但實際開采時，由于采取無控制自然溶解，再加上不進行定期測井，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(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)經濟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，溶腔無設計、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，采取相應的技術措施，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措施有：
首先，要對溶腔進行設計，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。
四、結論與建議
目前，我國已經擁有巖鹽溶腔設計、控制及測量的基礎理論及相應的技術手段，若通過試驗或與歐美公司的合作積累一些操作和管理經驗，巖鹽企業(yè)適當增加開采成本，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)約了建設石油儲庫的投資；對巖鹽企業(yè)來說，雖然暫時增加了一點投入，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(zhàn)略石油儲庫的建設問題，還可解決部分企業(yè)或部門的原油、天然氣、成品油及其他產品的日常儲存問題，其經濟意義及戰(zhàn)略意義都是非常深遠的。
顯然，將巖鹽開采與戰(zhàn)略石油儲庫建設結合起來，無論是對企業(yè)，還是對國家，都是非常有益的。因此，應引起國家相關管理部門的重視，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，對位于較大戰(zhàn)略縱深地域的鹽穴，重點考慮用用于作戰(zhàn)時石油儲備。
（二）支持巖鹽開采企業(yè)進行鹽穴設計、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(yǎng)地下鹽穴儲庫設計、構筑及管理人才。
（三）加強對巖鹽開采企業(yè)的監(jiān)控，杜絕粗放開采和盲目開采。同時，完善石油儲運市場，使巖鹽開采企業(yè)因構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。
世界紀錄
最長的巖鹽洞穴：2019年3月28日，以色列索多瑪火山下10千米長的馬勒姆洞穴被確認為世界上最長的巖鹽洞穴。這個結論是由耶路撒冷希伯來大學（以色列）在一項為期兩年的調查后宣布的。洞內最大的單室長5.6千米。
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