一种利用气体方程原理调峰采卤的方法与流程

本发明涉及一种利用气体方程原理调峰采卤的方法，属于井矿盐水溶采矿和能源调峰存储领域。

背景技术：

1、近年来，井矿盐生产已成为我国制盐主流工艺，井矿盐产量已超过5000万吨/年，目前所占比例已超过海盐，成为第一大盐类。井矿盐主要是采用水溶法进行资源开采，即利用盐易溶于水的特性来进行资源开采，通过向地下盐矿中注入淡水或淡盐水后将盐溶解成为卤水，卤水被开采到地面后用于盐化工生产，与此同时在地下会形成一定体积的岩盐溶腔，溶腔单体容积约10-80万方。

2、井矿盐常用的水溶开采方法主要有单井生产和井组生产两种方式。其中，单井生产是只通过一口盐井实现水溶开采，盐井内一般有多个套管管柱，利用不同套管实现同时注水和排卤，最终在井下形成一个单独的溶腔。井组生产是由两口或两口以上的连通井组成，在连通井中分为注水井和排卤井，淡水或淡盐水通过注水井进入地下盐腔后变成卤水，卤水经过地下连通通道至排卤井然后排出地面，形成的岩盐溶腔是由一组相互连通的溶腔组成。

3、在井矿盐水溶开采过程中，主要的生产成本是采输卤设备的用电成本，而在整个用电成本中，高压注水泵的用电占比很大，约占总用电成本的3/4。在不同时段，用电价格一般存在很大的差异。通常根据电费价格，将每天不同的时间段分为用电峰期、平期和谷期，电价高的时间段定为用电峰期，电价居中的时间段定为用电平期，电价低的时间段定为用电谷期，不同国家或地区的用电峰期、平期和谷期所对应的具体时间段存在一定差别。例如，在江苏地区，用电峰期时间段为8:00-11:00和17:00-22:00，峰期电价约1.035元/度；平峰时间段为11:00-17:00和22:00-24:00，平期电价约为0.607元/度；用电谷期时间段为0:00-8:00，谷期电价仅约为0.259元/度。可以看出，用电谷期的电价仅为峰期和平期的25％和42.7％。因此，如果在用电谷期，利用廉价的电力资源，通过高压注水泵集中进行注水生产，而在用电峰期和或平期不注水或少注水，那么将具有显著经济效益。

技术实现思路

1、本发明提供了一种利用气体方程原理调峰采卤的方法。在用电谷期，集中向地下溶腔内注入淡水或淡盐水压缩气体蓄能。然后通过调节盐井出卤阀，根据理想气体方程，实现盐矿水溶开采。本发明充分利用谷期廉价的电力资源，不仅节约井矿盐水溶开采的用电成本，具有显著的经济效益，还有利于缓和电力供需矛盾，保障电力稳定。

2、本发明涉及一种利用气体方程原理调峰采卤的方法，该方法包括以下步骤：

3、(1)在岩盐矿区，选定一个密闭的岩盐溶腔，对溶腔进行检测，探明岩盐溶腔的腔顶、腔底和井下套管口深度，以及岩盐溶腔的体积，并生成溶腔体积随深度的变化曲线；

4、(2)利用气体压缩机，向地下岩盐溶腔注入一定体积的气体，气体在溶腔顶部形成一个气垫层，气水界面保持在生产套管口的上方；

5、(3)利用高压注水泵，集中将淡水或淡盐水注入到地下溶腔中，溶腔压力逐渐升高，同时溶腔的气体体积也被压缩；

6、(4)淡水或淡盐水进入地下溶腔后，溶解岩盐资源成为卤水，并存储在溶腔的下部；

7、(5)打开出卤阀门，溶腔内压缩后的气体逐渐膨胀，溶腔内的卤水经由排卤套管被挤压出地面，实现盐矿采卤。

8、进一步地，步骤(2)中，气水界面与生产套管管口的距离≥1m。

9、进一步地，在步骤(1)中，岩盐溶腔是一口盐井或两口或两口以上的连通井组成，溶腔内充满卤水。如果岩盐溶腔只有一口井，那么在该盐井内分别有一根注水生产套管和一根排卤生产套管，排卤生产套管的管口距离腔底≥1m；如果岩盐溶腔由两口或两口以上的连通井组成，那么选择一口井作为注水井，其它连通井作为排卤井。

10、进一步地，在步骤(1)中，溶腔检测主要是通过声纳测腔技术，该技术是目前盐井溶腔测量领域最先进的检测技术，可以获取溶腔的腔顶、腔底和井下套管口等深度信息，并可准确测定溶腔的体积，可生成溶腔体积随深度的变化曲线。其工作原理是：将声纳探头沿盐井井管下入溶腔中，声纳探头在溶腔内向腔壁、腔顶和腔底发射声脉冲，之后检测回波信号，信号经地面计算机系统处理后，最终获得腔体体积、三维立体图像，并确定腔体空间分布形态。

11、进一步地，在步骤(2)中，注入溶腔内气体体积的确定方法：根据步骤(1)中溶腔体积随深度的变化曲线，查得气水界面预设位置所对应的溶腔体积；然后根据气体压缩比进行换算，从而得出需要注入气体的体积。

12、进一步地，在步骤(3)中，淡盐水包括：制盐或制碱产生的废水、淡卤水中的一种或多种。制盐废水是制盐生产中产生的含有nacl、na2so4的废液，其主要成分为：nacl含量在5-40g/l，优选10-30g/l；na2so4含量在0.5-8g/l，优选1-5g/l。制碱废水是制碱工业中产生的含有cacl2、nacl的废液，其主要成分为：cacl2含量在80-130g/l，优选90-120g/l；nacl含量在40-80g/l，优选45-60g/l。淡卤水包括：硫酸钠型淡卤水、硫酸钙型淡卤水，其中硫酸钠型淡卤水的主要成分是：nacl含量在10-200g/l，优选20-150g/l；na2so4含量在1-15g/l，优选2-10g/l。硫酸钙型淡卤水的主要成分是：nacl含量在10-200g/l，优选20-150g/l；na2so4含量在0.5-7g/l，优选1-4g/l；caso4含量在0.5-6g/l，优选1-3g/l。

13、进一步地，在步骤(3)中，集中注淡水或淡盐水(包括：制盐或制碱产生的废水、淡卤水中的一种或多种)是指高压注水泵只在用电谷期开启，大排量对岩盐溶腔进行高压注水，而在用电峰期和/或平期停用高压注水泵；或者通过变频器控制注水泵，在用电谷期高频率大排量注水运行，在用电峰期和/或平期低频率小排量运行。如果岩盐溶腔只有一口井，那么淡水或淡盐水经由注水生产套管注入溶腔内；如果岩盐溶腔由两口或两口以上连通井组成，那么淡水或淡盐水经由注水井的生产套管注入溶腔内。这里所述的大排量和小排量是相对而言的，例如对于相同的一口井或多口井，大排量比小排量大20m3/h以上，进一步大30m3/h以上，进一步大40m3/h以上，进一步大50m3/h以上，进一步大60m3/h以上，进一步大100m3/h以上，进一步大200m3/h以上，例如大150-250m3/h或甚至200-300m3/h；例如大排量可以为120-500m3/h，进一步145-400m3/h，进一步155-370m3/h，进一步160-360m3/h，进一步例如185-355m3/h，进一步例如190-350m3/h，进一步200-350m3/h，小排量例如可以为80-180m3/h，进一步例如90-160m3/h，进一步100-150m3/h，进一步110-145m3/h，进一步115-142m3/h，进一步120-140m3/h。

14、进一步地，在步骤(3)中，随着淡水或淡盐水注入溶腔，溶腔的压力逐渐升高，溶腔的压力上限以不破坏地层为前提，并留有一定的安全系数。溶腔运行压力范围为地层破裂闭合压力的35％-85％，进一步例如45-80％，进一步50-75％，进一步55-70％。地层破裂闭合压力通常根据地应力的测试结果确定。地应力测试一般采用水压致裂法，该方法的测试原理是：在地层竖直钻孔内封隔一段，通过小体积、高压流体注入，在测试层位产生一条张性裂缝并将该裂缝扩展到原始地层中，然后停止流体注入，裂缝将随压力下降而闭合；通过分析压降曲线，计算破裂闭合压力。

15、进一步地，在步骤(3)中，注水体积的确定方法：利用理想气体方程p1v1/t1＝p2v2/t2，其中，p1表示注水之前溶腔内气体压力(兆帕)，v1表示注水之前溶腔内气体体积(立方米)，t1表示注水之前溶腔内气体温度(℃)，p2表示注水之后溶腔内气体压力(兆帕)，v2表示注水之后溶腔内气体的体积(立方米)，t2表示注水之后溶腔内气体的温度(℃)。由于溶腔内气体温度基本不变，即t1≈t2，那么p1v1≈p2v2。在高压注水过程中，溶腔内压力升高，即p2＞p1，那么v2＜v1，即溶腔内气体被压缩，电能通过一系列转化最终成为气体的内能，实现能量储存。其中p1和v1已知，根据溶腔运行压力范围设定p2，通过计算可知v2，那么(v1-v2)即为注水后溶腔内气体被压缩的体积，在考虑采注比后，得出需要向溶腔内注水的体积。

16、进一步地，在水溶开采过程中，由于可溶性矿产资源溶解后，通常会在地下形成一定体积的地下空间，使得一部分溶液残留在地下空间内，最终使得采出量往往小于注入量，通常利用“采注比”进行衡量。盐矿的采注比是指采出卤水体积与盐矿注水体积的比值，例如0.85-0.97，进一步0.90-0.96，一般在0.95左右。

17、进一步地，在步骤(5)中，在岩盐溶腔排出卤水过程中，不需要动力驱动，仅靠溶腔的压力释放。在排卤过程中，溶腔内压力降低，溶腔内气体膨胀，气水界面下降。在此过程中，气体的内能又转化为卤水的势能和动能，溶腔内的卤水被气体挤压后自动排出溶腔，实现盐矿采卤。

18、进一步地，如果岩盐溶腔只有一口井，气体经由注水生产套管注入溶腔内，气水界面位于井下注水生产套管口的上方，气水界面与井下注水生产套管管口距离≥1m；淡水或淡盐水经由注水生产套管注入溶腔内，卤水经由排卤生产套管排出溶腔。如果岩盐溶腔由两口或两口以上的连通井组成，那么气体经由注水井的生产套管注入溶腔，气体存储在注水井溶腔内，气水界面位于井下注水生产套管口的上方，气水界面与井下注水井生产套管管口的距离≥1m；淡水或淡盐水经由注水井生产套管注入溶腔内，卤水由排卤井的排卤套管排出溶腔。

19、在井矿盐水溶开采过程中，地下岩盐溶腔一般距离地面几百米甚至千米以上，其温度基本不受地面气温变化的影响，而且在同一区域内相同地层深度所对应的温度基本维持恒定，这使得地下岩盐溶腔的温度也基本没有大的变化。

20、在本发明中，注入地下溶腔内的气体可以是空气、氮气或天然气等多种类型气体。注水井内的生产套管均满足气密封要求，可以保证溶腔内的气体不会通过套管漏失。另外，在生产过程，可以通过气水界面仪定期检测气水界面位置，如果发现溶腔内气体不足，可以通过注水井生产套管进行补充。

21、本发明在岩盐溶腔的上部形成一个气垫保护层，可将腔体的上部盐层与水隔离开，可以有效控制腔体上溶速度，同时也增加腔体的侧溶，增加了盐井的资源开采量，从而提高岩盐资源的利用率。另外，通过调节腔体的上溶和侧溶，可以修复、优化地下溶腔的形态，从而提高溶腔的地质稳定性。如果形态规则的溶腔达到一定体积后，经评估可进一步用于储存天然气或原油，那么将显著提升地下溶腔的利用价值。

22、本发明中所述的“盐穴”、“腔体”指井矿盐水溶开采后所形成的采盐溶腔，与“盐腔”、“溶腔”、“井腔”互用。

23、本发明具有以下技术效果或优点：

24、(1)充分利用谷期廉价的电力资源，集中进行盐井注水，可以大幅度降低井矿盐采卤用电成本，可降低约45％总用电成本。

25、(2)充分利用电网低谷电量，错开用电高峰期，可以有效缓和电力供需矛盾，有利于电力稳定保障。

26、(3)本发明在溶腔内构建了气垫保护层，可以有效控制腔体上溶速度，同时也增加腔体的侧溶，增加了盐井的资源开采量，从而提高岩盐资源的利用率。

27、(4)本发明通过调节腔体的上溶和侧溶，可以修复、优化地下溶腔的形态，不仅可以提高溶腔的地质稳定性，还可利用溶腔储存天然气或原油，显著提升地下溶腔的利用价值。

28、(5)本发明利用理想气体方程，对盐矿水溶开采进行精准控制，提高了水溶开采的科技水平和生产管理水平。