盐穴空间利用现状及发展趋势

任凭 齐磊 王玮 焦雨佳 周照恒 王文权

1中国石油储气库分公司

2中国石油盐穴储气库技术研究中心

3国家管网集团工程技术创新有限公司

盐穴空间是指盐岩采用水溶法采矿开发后形成的地下空腔。由于盐岩物性致密，其孔隙度、渗透率低，具损伤自愈特性，其内部形成的盐穴空腔被国内外学者公认为是进行油气储备、压缩空气储能、CO2地质封存及工业废料处置的合适场所[1-4]。世界上第一个盐穴空间利用工程为前苏联在1959年建成的盐穴天然气储气库，在此之后盐穴空间在世界各地得到了广泛的利用，与盐穴空间利用配套的相关技术迅速发展，形成了包括选址评价、造腔控制、形态检测、地下及地面工程配套等一系列技术体系[5]。历经近60 年的工程实践证明，盐穴空间的规模化利用充分发挥了其容量大、清洁环保、安全可靠、经济性好等优势，为相关行业的削峰填谷、应急保障、战略储备等需求提供了重要支撑。

我国原盐产量位居世界第一，其中70%的原盐用于盐化工生产，产品包括烧碱、纯碱和液氯等。目前而言，不少盐化工企业面临产品技术含量不高、产业链条结构简单、产品附加值偏低的窘境。而通过与产业链相关企业合作，将采盐后产生的空间加以合理规划利用，打造业务发展新引擎，是实现企业转型升级的有效途径之一。

1 盐穴空间利用现状

截至2022 年，世界上共有38 个国家和地区开展各类盐穴空间利用工程，项目共计157 个。其中利用盐穴开展储天然气业务工程最多，共计99个，占比63%；其次为盐穴储油工程，共计38个，占比24%；盐穴储能工程虽然发展时间相对较短，但是发展迅速，目前共有盐穴储能项目10个，占比6%；其他盐穴空间分别用以储氢、储氦、储废等相关工程，占比分别为3%、3%、1%，整体规模相对较小。

1.1 储天然气工程

盐穴储天然气工程是指将富余天然气压缩储存于盐穴空间内，需要时再释放，可实现天然气削峰填谷和应急保障，一般称为“盐穴储气库”。盐穴储气库的建设至今已有60 余年的历史，盐穴储气库与枯竭油气藏型储气库相比，具有利用率高、注气周期短、垫底气量少、垫底气可完全采出等优点，其在北美和欧洲地下储气库产能中不断扩大。据统计，全球在役盐穴储气库总计99 座，占储气库总数的15%，主要集中在美国和德国；总工作气量达到357×108m3，约占全球储气库的8%；总采气能力达到18.99×108m3/d，贡献了全球26%的采气能力。

目前，全球储气设施建设投资正转向天然气新兴市场。在世界范围内，有18 个盐穴储气库项目正在投产建设中，工作气量达139×108m3。其中，仅中国就占在建工作气量的33.8%；欧洲占在建工作气量的41%，排名第一，主要集中在土耳其图兹湖地区。

国内盐穴储气库建设起步较晚，2007 年投产运行的金坛储气库是我国第一座盐穴储气库。截至2023 年初，国内已有投产的盐穴储气库共计4 座，包括国家管网（原中国石油）金坛储气库、中国石化金坛储气库、港华金坛储气库以及中国石化江汉储气库，规划设计总库容89×108m3、工作气量54×108m3[2～6]。除此之外，江苏张兴、山东菏泽、河南叶县、山东泰安、云南昆明、广东三水、江苏丰县、江西樟树等地均已开展盐穴储气库建设前期的相关工作，盐穴储气库的建设正进入快速发展阶段（表1）。

表1 国内运行及部分在建盐穴储气库基础参数Tab.1 Basic parameters of salt cavern gas storage in operation and part under construction in China

1.2 储压缩空气工程

盐穴储压缩空气工程是指利用波谷富余电力将空气压缩储存于盐穴空间内，需要时释放压缩空气推动透平机发电，可实现弃风、弃光的就地消纳和电力削峰填谷，一般称为“盐穴压缩空气储能”，简称“盐穴储能”。

目前，全球已建立了多个盐穴压缩空气储能系统示范工程项目或实验平台，部分典型盐穴压缩空气储能系统的情况见表2。其中，德国Huntorf 电站和美国McIntosh 电站是全球目前成功投入商业运营且运行良好的大型压缩空气储能电站[6-9]。

表2 国内外典型盐穴压缩空气储能系统应用统计Tab.2 Application statistics of typical salt cavern compressed air energy storage system at home and abroad

我国盐穴压缩空气储能相关研究开发起步较晚。2021 年9 月，山东泰安肥城市盐穴先进压缩空气储能调峰电站取得重大进展，一期示范电站顺利通过验收，是国内首个盐穴储能发电项目，标志着我国盐穴压缩空气储能行业已进入快速发展阶段。2022 年5 月，江苏金坛盐穴压缩空气储能项目发电成功，是目前世界上首座非补燃式压缩空气储能商业电站，标志着压缩空气储能技术迈向新台阶。

1.3 其他盐穴空间情况

美国于1952 年建设了世界上第一座盐穴储油库，并于1978 年开始利用盐穴空间实施国家石油战略储备，在得克萨斯州和路易斯安州的地下盐穴中建设了五大战略石油储备基地，总储存量为7.2×108bbl，约合1.2×108m3。德国于1973 年开始在北部的Etzel 盐丘开展盐穴原油储备库建设，2012 年储备石油1 000×104m3，目前整个盐腔地下体积达4 600×104m3，可用于天然气和石油的储备。法国是世界上最早建立企业石油储备制度的国家，1968 年于马赛附近开始建设Manosque 盐穴储备库，目前建成的28 个盐腔14 个储备原油、14 个储备成品油，总库容达到817×104m3[10]（表3）。除此之外，印度、加拿大、墨西哥、摩洛哥等国家都建有盐穴储油库，其中不乏储备能力超过百天的大型战略储油库。截至目前，我国盐穴储油工程仍在前期研究阶段，尚未建成大型盐穴储油库。

表3 国外部分盐穴储库综合利用统计Tab.3 Statistics of comprehensive utilization of some salt cavern storages abroad

地下储氢是英国和美国（石油）化学工业多年来的先进技术。英国提赛德地区和美国得克萨斯州都建有氢气地下盐穴储库，已经证明了氢气长期存储的安全性和可靠性[11-13]（表3）。目前，英国、德国、加拿大、波兰、土耳其和丹麦等都制定了盐穴储氢计划。相比上述国家，我国地下储氢研究较为滞后，尚无盐穴储氢实践。

氦气是重要的稀有战略资源，且不可代替，被誉为“气体稀土”，其广泛应用于芯片制造、航空航天、低温超导等高精尖领域[14]。自1962 年12 月起，美国开始对氦气进行管制，并将过剩的氦储存于国家地下氦储库用于保障自身的需求量。1979年，俄罗斯敖伦堡市附近的盐穴氦气储库开始建设运行，充分证实了在盐穴中储存氦气混合气进行大规模存储的可行性。德国和美国在2016 年和2021年也实施建设了相应的盐穴储氦库（表3）。目前我国尚无成熟的氦气产业链条，也无利用盐穴储氦的实例。

碳捕获和封存（CCS）技术于1989 年在麻省理工学院提出，包括从发电过程捕获、其他工业过程捕获等，地质封存、海洋封存和其他封存方式等[15]。碳捕获与封存工业项目美国最多，其次是欧洲、中国。但利用盐穴进行碳封存的项目较少，目前，加拿大的阿尔伯塔地区开展了利用盐穴进行二氧化碳封存相应的论证工作。在2005 年，我国将CCS 技术纳入中国国家发展计划，但受盐穴地下空间规模限制，针对盐穴储碳的研究相对较少，目前尚无大规模运营的实例。

盐穴空间还可用于处理各类难以处理的化工废料、油田生产废料、采矿废渣、有害物质甚至核废料等的填埋。利用盐穴进行废料的填埋在欧美已经有近20 年的历史，以德国和美国运行经验最多，但整体规模相对较小。美国盐穴空间主要用于储存油田所产生的工业废料[16]，德克萨斯州已经批准了6 个盐穴用于处置油田工业废料，1 个盐穴用于处理天然放射性物质。

2 盐穴空间利用工程发展趋势

2.1 “能源革命”促进清洁消费

近年来，全国天然气表观消费量逐年攀升（图1），2021 年已达3 726×108m3，比上年增长488×108m3，同比增长15.1%。预计2025 年天然气需 求4 000×108～4 500×108m3、2035 年6 000×108～6 500×108m3，“十四五”期间年均增速4.3%～6.8%，2025—2035 年均增速2.9%～5.0%。从天然气产、供、储、销协同发展的要求看，必将激发天然气储气调峰能力的需求。《2022 年能源工作指导意见》中明确要求“充分考虑可能面临的风险和极端天气，适度超前布局能源基础设施，加大储备力度，保持合理裕度，化解影响能源安全的各种风险挑战”，进一步提高了对储气库等能源存储建设项目的要求。盐穴储气库因其可以实现快速“吞吐”天然气，所以既能满足管道系统季节调峰的需要，也能满足日调峰甚至小时调峰的需要，其灵活的调配能力广受业内青睐。

图1 2010—2021 年全国天然气表观消费量Fig.1 National apparent consumption of natural gas in 2011—2021

从经济效益上看，盐穴储气库单位工作气量成本高于枯竭油气藏储气库，但远低于新建LNG 储罐。盐穴储气库建设投资主要包括前期评价费用、地下工程费用、地面工程费用、垫气费及其他费用。以江苏地区建设20×108m3规模盐穴储气库项目为例，根据不同建设技术方案，投资成本各有不同（表4）。平均单方工作气成本在4.93 元至5.04元之间，如采用双井单腔建库无垫底气技术运营，单方工作气成本还有望大幅降低，使得盐穴储气库具有实现经济效益的良好基础[17-18]。从社会效益上看，天然气生产和消费不平衡，生产区和消费区的背离是我国目前天然气产业的普遍现状，一旦出现极端天气、管道输送延迟、用户气量突增等突发现象就可能造成“气荒”。目前正在运行或评价建设的盐穴储气库均集中在我国华东、华北、华南等主要经济带周缘，储气调峰可惠及我国“京津冀”“长三角”“珠三角”等城市群，在国家现代化建设大局和全方位开放格局中具有举足轻重的战略地位。从技术发展上看，我国盐穴储气库经过约20年的发展，已经形成集前期评价、工程建设、生产运行及监测的一整套技术，其中“盐穴老腔储气库改造利用”“多夹层超深超大盐岩储气库建设”等方向达到国际先进水平，为我国盐穴储气库的高质量建设提供了坚实的理论基础。

表4 盐穴储气库不同技术建设成本计算Tab.4 Construction cost calculation of salt cavern gas storage with different technologies

从国家要求、行业需要的角度看，利用符合条件的盐穴建设天然气储气库是盐穴空间利用的最主要方向。在全面贯彻“四个革命、一个合作”能源安全新战略的进程中，补足储气调峰短板，加快推进天然气产、供、储、销体系建设，已成为关乎社会稳定的重大问题和亟待解决的重要任务。盐穴储气库作为主要的天然气调峰方式之一，已经进入行业快速发展的黄金期。

2.2 “双碳目标”带动低碳转型

在“碳达峰、碳中和”的背景下，我国不断加快推动能源系统的深度转型。十年来，我国传统化石能源发电装机比例持续下降，新能源装机占总装机量从2011 年的28%上升至2021 年的45%，新能源发电能力显著提高，发电装机结构进一步优化（图2）。风电、光伏装机规模等多项指标保持世界第一[19]，在双碳目标的推进过程中，新能源装机比例将大幅度增长，有效带动能源结构向低碳转型，从源网荷储调一体化的要求看，必将激发电力储能调峰能力的需求[20-22]。

图2 2011—2021 年全国电力装机结构Fig.2 National installed power structure in 2011—2021

根据电网实际需求及储能系统自身特点，盐穴压缩空气储能是目前大规模储能领域极具潜力的发展方向之一，具有对地理条件要求较低、成本相对较低、储能容量大、技术可靠、运行寿命长等优点。从技术发展上看，我国压缩空气储能技术取得飞速发展，逐渐打破国外技术垄断，部分技术达到国际领先水平，已经具备自主建设压缩空气储能电站的能力[23]。从经济效益上看，在各类储能技术中，压缩空气储能成本仅高于抽水蓄能的度电成本，远低于钠硫电池或液流电池等电化学储能成本，具有实现盈利的基础。根据国内已经投产的盐穴储能电站数据分析，盐穴压缩空气储能效益化运营赖于新能源强制配储及补贴政策的落实，同时还需进一步提升储能效率，研究优化工程整体的盈利模式。

在全面落实“碳达峰、碳中和”要求的进程中，储能与新能源发电、电力系统协调优化运行已成为实现能源转型的必由之路，随着新能源业务的发展及补贴政策带动，利用盐穴进行压缩空气储能或将进入发展的关键期。

2.3 “新兴产业”带动盐穴利用

近年来部分盐化企业结合自身发展实际，整合所属业务，积极谋求与产业链相关企业合作，开展盐穴空间综合利用业务，打造“采卤制盐-盐穴利用”为一体的产业融合发展模式，有待开展储油、储氢、储氦等多元化利用，引领产业创新发展。

2.3.1 盐穴储油

我国石油对外依存度逼近70%，且还处于高速增长趋势，但我国的战略石油储备量远远低于美国、德国、法国等欧美发达国家，现有石油储备规模与国际能源署建议的90 天安全战略储备量差距较大，现有储油库不能满足需求[24]。

利用盐穴空间进行储油是快速补充石油战略需求的有效手段，与地面储罐相比具有投资低、占地面积小、损耗低、隐蔽、安全性强等优点。近十余年来，针对我国湖相沉积层状盐岩的赋存条件，国内已经开展了包括层状盐层探测、多夹层水溶造腔修复技术、微渗层超细水泥封堵、储库群灾变演化和风险评估等研究，这也为我国盐穴储油库的选址、设计、建造及稳定运行提供了关键技术支撑[25]。井岗[10]针对淮安地区盐穴老腔改造储油库的方案进行了可行性阐述，分析认为盐穴储油库的建设具有较好的经济效益。随着国家战略石油储备计划的推进，盐穴储油库必然会在未来我国的石油储备体系中占据越来越大的分量，我国将会迎来盐穴储油库的大力建设阶段。

2.3.2 盐穴储氢

氢能被国际社会誉为21 世纪最具发展潜力的清洁能源[26]，全球氢能发展正步入快速产业化阶段。我国是世界上最大的制氢国，年制氢产量约3 300×104t，其中达到工业氢气质量标准的约1 200×104t。国家发展改革委与国家能源局联合印发的《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》首次对我国氢能产业进行中长期规划，氢能产业迎来重大发展机遇，氢能的快速和多元发展迫切需要加快对大规模储氢项目的开展。

盐穴储氢相比较于地面储存，具有储量大、成本低、密封性好、操作灵活、节省地面土地资源等优点，可达吉瓦级储量，是大规模储氢的理想场所。利用盐穴空间存储氢气可以借鉴盐穴天然气地下储气库在建设和运营方面的大量成熟经验，但是氢气在物理性质上更为活跃，其气体密度、黏度、溶解度、扩散性质与天然气差异较大，需要进一步加强对盐穴储氢地质条件及完井材料腐蚀程度的评估。同时，氢气的大规模生产还需要与电力生产设施、上游制氢方式、氢能使用场景进行配套研究，形成包含储氢库在内的“制、储、用”一体化方案，更有益于产业配套提升及增大经济效益[12]。目前针对江苏金坛、云南安宁等地，均开展了建设大规模储氢库的前期研究工作[27-28]。盐穴储氢是目前大规模地下储氢最有前景的选择，或将成为氢能产业链中的重要一环。

2.3.3 盐穴储氦

氦气是国防、军工、电子等高精尖产业不可或缺的战略性物资。中国氦气消费量占全球总消费量的11%，且增速迅猛，但供应严重依赖进口，对外依存度最高达98.5%。受国际形势影响，供应安全风险级别高。国内亟需建立可存氦气的战略储备库。

盐穴储氦作为一种可形成规模化储存的存储方式，在国外已经有了安全、稳定的盐穴氦气储库建设及运行示例，充分证明其可行性。同时，目前中国氦气进口集散地主要集中在上海海关，主要需求地区为江苏省、上海市、广东省、浙江省、陕西省、北京市、天津市等[29]。国内已建或潜在可利用的盐穴空间与氦气进口集散地、消费市场临近，有利于氦气资源的供应、保存、运输和使用。用盐穴进行大规模储氦或将成为氦气重要的存储方式。

2.3.4 盐穴储碳

在实现双碳目标的进程中，碳封存技术是重要的核心技术。近年来，国内外学者对盐穴空间开展CO2封存的可行性进行了探讨，认为盐岩具有极低的渗透率且难溶于CO2，可作为碳储存的有效地质体[30]。皇凡生等以江苏金坛地区盐穴形态特征为基础，通过建立封存的流-固耦合数学模型并求解，探讨了CO2的运移泄漏规律及盐岩与软弱夹层渗透率动态响应特征，为CO2盐穴封存提供了理论依据。目前，在四川自贡地区开展的地质封存CO2的盐腔改造技术研究与应用课题，为我国首个利用盐穴储碳的示范项目。目前国内外尚无CO2地下盐岩溶腔封存的先例，未来若得益于政策条件、技术储备、运营交易方案的不断优化，盐穴储碳有望在近年内有所突破。

2.3.5 盐穴储废

一般来说，埋深较大、封闭性能好的盐穴空间，对处理封存油田、化工、核能源产生的工业废料具有较高的安全性，在国外已经有成功的案例[31]。利用盐穴进行工业废料的埋藏，首先应该选取远离人口稠密的区带，并进行整体安全评价，评价内容包括盐穴稳定性评价、溶腔密封性评价、水文地质评价、环保评价、地震灾害评价和定期安全检测。从技术成熟度而言，盐穴储废在国内已具备地质条件和技术条件。近年江苏淮安也开展了碱渣回填盐穴的工程实践[16，32]，并取得了一定进展。利用盐穴处理工业废料及核废料等或将成为未来的研究方向之一。

3 结束语

我国盐岩资源丰富，原盐产量位居世界第一，因盐岩开采已形成及可形成的盐穴空间规模巨大，将其视为一种“空间资源”加以重新利用，用于大规模存储天然气、压缩空气、原油、氢气、氦气等不同类型的产品或介质，显著提高盐岩资源综合利用率，是实现产业融合升级发展的有效途径。

本文通过调研国内外盐穴空间利用现状，综合国内政策导向、经济效益和社会效益、技术成熟度及工程实例，分析认为：结合国家能源安全要求及行业内对天然气储气调峰的现实需求，利用符合条件的盐穴空间建设天然气储气库将是盐穴利用的最主要的方向。同时，在新能源强制配储与补贴政策带动的外部条件下，随着储能技术的不断进步，盐穴压缩空气储能成本优势将进一步凸显，利用盐穴进行压缩空气储能或将进入快速发展的黄金期。结合产业需求及技术发展，盐穴空间利用还可向集合储油、储氢、储氦、储废等多元化介质储存方向发展。我国盐穴空间的开发利用潜力巨大，盐穴空间的利用除了要考虑盐层本身的地质条件、腔体形态、密闭性能及空间规模，还需要结合盐穴区域位置、地面条件、产业链配套，并结合相应的政策及法律法规，进一步打造盐业—化工—能源为一体的融合产业模式，最大化发挥盐穴空间价值。