Использование соляных каверн с горизонтальным соединением для хранения сжатого воздуха

Аккумулятор FIAMM 12FGL100

Исследователи из Китая изучили долгосрочную стабильность горизонтально соединённых соляных каверн, используемых для хранения энергии в сжатом воздухе. Они обнаружили, что около 85 % существующих соляных каверн в их стране подходят для такой конфигурации.

Подземные соляные пещеры

Исследовательская группа из Китая изучила долгосрочную стабильность использования двухскважинных горизонтальных хранилищ (TWH), расположенных в низкопроницаемых пластах каменной соли, для хранения энергии сжатого воздуха (CAES).

«Согласно статистическим данным, примерно 85 % существующих соляных каверн в Китае являются кавернами с наклонным соляным слоем, — пояснила исследовательская группа. — По мере расширения хранилищ энергии в соляных кавернах высококачественных каверн с благоприятными геологическими условиями становится всё меньше. В Китае есть множество соляных каверн с наклонным соляным слоем и высоким содержанием осадочных пород — в некоторых из них оно достигает 90 % или даже они полностью погребены под осадочными породами. Поэтому исследование каверн с наклонным соляным слоем, имеющих низкое качество, имеет важное инженерное значение».

Исследование основано на упрощённой версии TWH в городе Цяньцзян, расположенном в южно-центральной части провинции Хубэй, Китай. Форма соляной пещеры, используемой для CAES, была смоделирована как идеальный эллипсоид длиной 800 м, шириной 300 м и толщиной 800 м. Радиус длинной оси эллипсоида составляет 100 м, радиус короткой оси — 40 м, диаметр соединительного канала — 15 м, а высота соляной пещеры — 200 м. Общая толщина соляных пластов и прослоек составляет 286 м, из которых 190 м приходится на соляные пласты.

Основываясь на характеристиках соляной шахты Цяньцзян, учёные исследовали влияние глубины захоронения на пяти различных глубинах кровли: 500 м, 800 м, 1200 м, 1600 м и 2000 м. Кроме того, группа исследователей изучала углы падения, составляющие 7,5°, 15°, 20°, 25° и 30°. Угол падения — это угол, под которым слой горной породы наклонён относительно горизонтали. Чем больше угол падения, тем круче слой, поэтому одна сторона пещеры находится глубже и выдерживает больший вес, чем другая.

Было смоделировано функционирование CAES в течение 30 лет при 8 часах зарядки и 5 часах разрядки в день.

Группа выбрала четыре критерия для оценки долгосрочной стабильности соляных каверн CAES на разных глубинах и под разными углами: скорость усадки объёма (VSR), объём пластической зоны (PZV), максимальное смещение окружающих пород (Dis-Max) и коэффициент безопасности (SF). VSR позволяет количественно оценить относительную потерю объёма каверны с течением времени из-за ползучести соли, а PZV обозначает объём окружающих пород, подвергшихся необратимой деформации. Dis-Max измеряет максимальное смещение окружающих пород в любой точке вокруг каверны, в то время как SF обозначает расстояние между текущим состоянием напряжения и началом разрушения соли.

«Результаты показывают, что VSR и Dis-Max в соляной каверне увеличиваются в геометрической прогрессии с глубиной, причём после достижения отметки в 1500 м наблюдается заметный ускоряющийся рост», — отметила команда. «Увеличение угла падения пласта усугубляет асимметрию VSR и смещения в нижней части каверны. При увеличении угла падения на 10° на глубине 2000 м VSR и Dis-Max увеличиваются на 3,53 % и 489 мм соответственно. Осадочное тело оказывает значительное буферное воздействие на деформацию окружающих пород, и на его VSR в меньшей степени влияет угол падения.

В заключение они предположили, что для глубоких соляных каверн, расположенных на глубине 1500 м и более, следует в первую очередь контролировать угол наклона, чтобы он составлял 20° или меньше, в то время как для неглубоких каверн, расположенных на глубине менее 1000 м, допустимый угол наклона может составлять 30°. Они также отметили, что это исследование является важным справочным материалом для строительства объектов хранения энергии сжатого воздуха в наклонных соляных пластах, которые широко распространены по всему Китаю.

Их выводы были опубликованы в статье «Оценка стабильности горизонтально соединённых соляных каверн для хранения энергии сжатого воздуха в соляных пластах с малым углом падения», опубликованной в журнале Earth Energy Science. В исследовании приняли участие учёные из китайского Чунцинского университета, SINOPEC Научно-исследовательского института разведки и добычи нефти, Министерства природных ресурсов Ключевой лаборатории по оценке и разработке нетрадиционных источников природного газа в сложных тектонических районах, а также Гуйчжоуского инженерно-исследовательского института разведки и разработки нефти и газа.