盐穴储气库溶腔过程盐平衡模拟

侯 振，孙顺平，张进治

（中国天辰工程有限公司，天津 300400）

盐穴储气库溶腔过程盐平衡模拟

侯 振，孙顺平，张进治

（中国天辰工程有限公司，天津 300400）

为满足季节性调峰需求，保障供气安全，利用地下盐穴储气库储存天然气在国际上被广泛采用。盐穴储气库建造过程中水溶造腔是关键的一步，该过程时间跨度长且受地下盐层结构影响明显。采集实际溶腔运行数据，用Aspen对实际溶腔运行数据进行盐平衡模拟，提出了一种工程分析方法，为工程设计及生产运行提供依据。

盐穴储气库；溶腔；Aspen模拟

1 概述

为满足季节性调峰需求，保障供气安全，利用地下盐穴储气库储存天然气在国际上被广泛采用。近年来，我国逐步开展储气库的建设，其中江苏金坛已初步实现注采气，湖北、河南、江苏等地开始开展前期的准备工作[1]。盐穴储气库建造过程中，水溶造腔是关键的一步，即通过向地下盐层注水将盐层溶解形成储气盐腔，该过程时间跨度长，受地下盐层结构影响明显。我国大部分盐矿床为陆相沉积，盐系一般具有明显的沉积韵律，具有矿层层数多、单层厚度小、共生组分多、相变大等特点[2]，这将进一步增加实际溶腔操作的难度。目前，因国内工程相对较少，实际运行数据很少见诸于报道。本文采集实际溶腔运行数据，用Aspen对实际溶腔运行数据进行盐平衡模拟，提出了一种工程分析方法，为工程设计及生产运行提供依据。

2 模型理论

溶腔过程实际是以NaCl为主的盐类在水中的溶解电离过程，以NaCl为例，可溶盐类的溶解电离可表示为：

设NaCl平衡常数为K，可表示为如下形式：

γ为活度系数，S为溶解度；

由上式可知，要获得体系的盐平衡。需要确定溶液中电离离子的活度系数。

对于电解质体系的活度系数计算，电解质NRTL模型是一个非常实用的模型，该模型理论主要基于同类离子互相排斥和局部电中性2个假设。同类离子互相排斥认为，阳离子周围的阳离子的局部组成是零，阴离子周围的银离子的局部组成是零；局部电中性认为，在任1个中心分子周围的阴、阳离子按净局部电荷为零分布。据上述假设推出的模型主要包含：描述的长程相互作用的Pitzer-Debye-Hückel模型和描述的短程相互作用的NRTL模型。模型的主要数学方程表述如下：

能量参数 τB，B'，τB’，B，τca，B和 τB，ca与温度的关系如下 ：

通常情况下，正规因子α为与温度无关的量。电解质与分子作用时正规因子α取固定值0.2，因此确定电解质与分子的相互作用只需求出能量参数系数C，D和E。

3 数据获得

本文所采用的分析数据来自溶腔过程实际运行数据，每隔一周现场取样并进行化验分析，对三口井连续采集三个月。实际卤水中主要含Na+、Cl-、SO42-还有少量K+、Ca2+及微量的Li+、Mg2+、F-等其他组分。本数据分析目的仅是满足生产运行需要及为工程设计提供指导，非高精度的科研分析。为简化分析，实际分析只考虑溶液中NaCl和Na2SO4，现场测得的数据列于表1，浓度为摩尔分数。

表1 各井现场采样实测卤水浓度

从上表数据可以看出，A、B、C三井溶腔排出的卤水温度均为285K左右，主要是因为三口井同时进行溶腔，采用同一水源。B、C两井卤水浓度接近，A井卤水浓度稍高，更接近饱和平衡。

4 结果与讨论

4.1 数据分析

数据初步分析，A井卤水浓度相对高些，更接近平衡，以此数据为基础，用Aspen模拟分析NaCl-Na2SO4-H2O中的盐平衡，结果见图1。

图1 A井卤水浓度测定及计算结果

4.2 模型验证

图2 B井卤水浓度测定及计算结果

将A井盐平衡模拟计算结果，用B、C井的数据进行验证，考虑到浓度测定误差，及计算过程中忽略少量及微量组分含量所造成的影响，整体计算结果可做为生产运行预测指导。

4.3 模型参数

NaCl（1）-H2O（2）-Na2SO4（3）三元体系中存在电解质-分子、电解质-电解质两种类型的相互作用，为建立该体系的电解质NRTL模型，需确定电解质与分子的能量作用参数τ1，2，τ2，1和τ2，3，τ3，2，电解质与电解质的能量作用参数τ1，3，τ3，1。所涉及的能量作用参数及正规因子列于表2。

图3 C井卤水浓度测定及计算结果

表2 物质对间的电解质NRTL模型参数

5 结论

（1）采集了盐穴储气库水溶造腔过程中的实际运行数据，忽略次要微量组分，用Aspen对主要组分进行了盐平衡模拟，结果表明，Aspen计算结果相对可靠，可指导生产运行，为工程设计提供依据。因数据处理精度有限，相关数据不适用于精确的科研实验。

（2）提供了一种处理问题的方法，相关数据不能直接用于其他储气库建设，因为不同地区的盐穴的盐组分含量差别较大，不同地区的应根据实际情况具体分析。

[1] 李银平.深部盐矿油气储库水溶造腔控制的几个关键问题[J].岩石力学与工程学报，2012，31（9）：1785-1796.

[2] 王清明.石盐矿床与勘查[M].北京：化学工业出版社，2007：80-143.

Salt Equilibrium Simulation of Leaching Process of Salt Cavity Gas Storage

Hou Zhen，Sun Shun-ping，Zhang Jin-zhi

To meet the demand of seasonal peak shaving and make sure gas supply security，underground salt cavity is widely used as natural gas storage in the world.Leaching step is the key step of cavity construction process which spans a long period and affected by underground salt layer structure.In this paper，Operation data getting from salt leaching running will be simulated for salt equilibrium with aspen plus software，and puts forward a method of engineering analysis providing basis for engineering design and production running.

salt cavity gas storage；leaching process；Aspen simulation

TE822

B

1003-6490（2017）12-0122-02

2017-10-12

侯振（1977—），男，山东菏泽人，高级工程师，主要从事化工开车及设计指导工作。