盐矿地下溶腔是大规模储存能源的优良场所，然而我国大多数盐矿不溶杂质含量高，导致石盐溶解释放的空间大部分被高空隙率沉渣散体充填，无法满足大型储能库建设要求。如何利用沉渣空隙储存能源，成为高杂质盐矿建库的突破口。基于利用盐矿不溶物沉渣空隙储能（天然气和石油）的学术构想，围绕沉渣空隙储能可行性论证开展基础研究：分析地质赋存条件对沉渣空隙特征的影响，研究沉渣堆积体可排卤水体积的评价方法，建立沉渣空隙储气、储油能力评价体系；研究天然气驱替空隙卤水过程中的流体携砂机理，分析该过程中的“渗流—冲蚀—变形”多场相互作用规律，探明气液固三相物质耦合迁移机制；研究沉渣散体、存储介质和卤水共同支护储库围岩的力学机制，提出沉渣体极限压实状态的判定准则，揭示储库长期运行过程中沉渣散体的力学行为。研究成果将为利用盐矿沉渣空隙储能提供基础科学支撑，突破高杂质盐矿这一建库禁区，有助于扩大可建库场址和增大建库规模。

目录
第1章 绪论 1
1.1 我国盐穴地下储库建设概况 2
1.1.1 能源生产与消费现状 2
1.1.2 油气地下储库建设概况 3
1.1.3 盐穴地下储能现状与趋势 5
1.2 我国盐矿地质及盐腔形成特点 5
1.2.1 我国盐矿地质特点 5
1.2.2 盐腔形态影响 7
1.3 盐矿沉渣特性研究进展 8
1.3.1 盐矿沉渣形成与影响 8
1.3.2 沉渣空隙储气的主要问题 9
1.4 沉渣空隙储气技术概述 12
参考文献 14
第2章 盐矿沉渣堆积体空隙特征 17
2.1 沉渣颗粒形态特征 18
2.2 沉渣颗粒级配特征 19
2.2.1 颗粒级配分析 19
2.2.2 颗粒级配模型 21
2.2.3 *优颗粒级配模型 23
2.3 沉渣体空隙结构特征 24
2.3.1 沉渣样品制备 25
2.3.2 实验装置与原理 26
2.3.3 实验结果 26
2.4 沉渣空隙率研究 35
2.4.1 试验装置 35
2.4.2 堆积体空隙率 37
参考文献 37
第3章 沉渣空隙可用储能体积评价方法 41
3.1 沉渣空隙体积评价模型 42
3.1.1 理论模型 42
3.1.2 储气现场模型验证 43
3.1.3 沉渣空隙储油室内试验验证 45
3.2 基于现场压水测试的沉渣空隙体积测算 48
3.2.1 测算方法 48
3.2.2 应用案例 49
3.3 基于离子浓度法的沉渣空隙体积现场测试 52
3.3.1 计算方法 52
3.3.2 应用案例 54
参考文献 55
第4章 沉渣空隙注采气物理模拟试验 57
4.1 盐穴沉渣空隙储能模拟实验系统 58
4.1.1 相似理论与相似系数 58
4.1.2 实验系统几何尺寸设计参数 59
4.1.3 沉渣空隙注采气物理模拟实验系统主要功能及构成 59
4.2 试验方案及试验过程 62
4.2.1 试验目标 62
4.2.2 沉渣堆积体样品制备 63
4.2.3 低压注气排卤试验过程 65
4.2.4 高压注气排卤试验过程 66
4.3 试验结果 68
4.3.1 低压注气排卤试验结果 68
4.3.2 高压注气排卤试验结果 80
参考文献 89
第5章 沉渣空隙注采油物理模拟试验 91
5.1 沉渣空隙注采油流程 92
5.2 沉渣注采油试验系统 92
5.2.1 沉渣材料制备和石油来源 92
5.2.2 沉渣空隙注油排卤试验装置 93
5.2.3 沉渣空隙注卤采油试验装置 94
5.2.4 沉渣空隙注采油试验条件 95
5.3 沉渣空隙注采油试验结果 96
5.3.1 沉渣空隙注油排卤试验结果 96
5.3.2 沉渣空隙注卤采油试验结果 97
5.4 沉渣空隙注采油影响因素 101
参考文献 102
第6章 沉渣底部排卤口卤水携砂模拟 103
6.1 颗粒终端沉降与水平启动速度计算模型 104
6.1.1 终端沉降速度 104
6.1.2 水平启动速度 107
6.1.3 携砂颗粒粒径 107
6.2 计算流体力学？离散元法耦合理论 109
6.2.1 流体相控制方程 110
6.2.2 离散相控制方程 110
6.2.3 固液相之间的相互作用 111
6.3 低位注气排卤模型构建 112
6.4 固液两相流模拟结果 114
6.4.1 不同卤水流速对沉渣颗粒运移的影响 114
6.4.2 不同颗粒堆积深度对沉渣颗粒运移的影响 118
参考文献 120
第7章 注气排卤过程气液界面预测 123
7.1 气液界面深度预测模型 124
7.1.1 数学模型 124
7.1.2 模型验证 128
7.2 气液界面深度预测软件 130
7.2.1 软件框架及模块 130
7.2.2 软件操作详解 134
7.3 注气排卤工程案例 142
7.3.1 工程案例背景 142
7.3.2 数据分析及参数计算 145
7.3.3 气液界面计算及敏感性分析 151
参考文献 157
第8章 高杂质盐岩的密封性评价 159
8.1 含杂质盐岩石油密封性试验 160
8.1.1 试验装置和方法 160
8.1.2 含杂质盐岩突破压力试验结果 161
8.1.3 含杂质盐岩渗透率试验结果 162
8.2 含杂质盐岩气体密封性试验 163
8.2.1 试验装置和方法 163
8.2.2 含杂质盐岩气体渗透试验结果 163
8.2.3 含杂质盐岩气体表观渗透率模型 164
8.2.4 含杂质盐岩气体流态演化 165
8.3 含杂质盐穴气体密封性数值模拟 166
8.3.1 地质力学模型 166
8.3.2 气体类型的影响 167
8.3.3 渗透率和孔隙度的影响 170
参考文献 173
第9章 沉渣型盐穴储气库溶腔稳定性评价 175
9.1 高杂质盐矿地下空间复杂形态构建 176
9.1.1 基于钻井轨迹的形态构建方法 176
9.1.2 多源信息形态探测方法 179
9.2 沉渣堆积体稳定性计算原理 185
9.2.1 FLAC？PFC耦合计算方法 185
9.2.2 梯度压力计算方法 186
9.2.3 连续介质计算方法 186
9.3 沉渣空隙型盐穴稳定性模拟 187
9.3.1 模型构建 187
9.3.2 稳定性结果 189
参考文献 191
第10章 沉渣空隙高效利用关键技术概述 193
10.1 已有溶腔改建沉渣储库技术 194
10.2 U形腔沉渣空隙利用技术 196
10.3 凹形腔沉渣空隙利用技术 198
10.4 船形腔沉渣空隙利用技术 199
参考文献 200
第11章 典型工程应用案例 203
11.1 高杂质盐矿天然气储库应用——张兴储气库项目 204
11.1.1 项目概况 204
11.1.2 现场注气排卤验证 204
11.1.3 应用效果 205
11.2 高杂质盐矿压缩空气储能电站应用——湖北应城300 MW压气储能电站 207
11.2.1 项目概况 207
11.2.2 现场井组连通性测试 208
11.2.3 应用效果 209
11.3 高杂质盐矿储氢库应用——石塘盐穴储氢库 210
11.3.1 项目概况 210
11.3.2 工程建设意义 211

第1章绪论
　　1.1我国盐穴地下储库建设概况2
　　1.1.1能源生产与消费现状2
　　能源是现代社会发展的基石，关乎国计民生与国家安全。作为世界*大的能源生产国和消费国，我国在全球能源格局中扮演着举足轻重的角色。近年来，面对经济社会发展的刚性需求、资源环境的约束及全球气候变化的挑战，我国积极推进能源革命，在能源生产、消费、储备及创新利用等多个维度取得了显著进展。
　　在保障能源安全供给的前提下，我国能源体系向清洁化、低碳化、高效化转型已成为核心趋势。根据国家统计局和《中国能源发展报告（2025）》的数据，2024年，我国能源供需总体保持稳定增长态势。全年一次能源生产总量达到49.8亿t标准煤，同比增长4.6%；能源消费总量达到59.6亿t标准煤，同比增长4.3%，其中煤炭、石油、天然气和非化石能源（包括水电、核电、风电、太阳能等）的消费占比分别为53.2%、18.2%、8.8%和19.8%，如图1.1所示。整体来看，煤炭仍然是主体能源，但油气比重稳步提升，非化石能源增长*快，能源结构的多元化与清洁化特征日益明显。
　　煤炭作为我国的基础能源，在能源安全中的“压舱石”作用依然不可或缺。国内原煤产量持续高位运行。2024年原煤产量达47.6亿t，同比增长1.2%，创历史新高，为能源稳定供应奠定了坚实基础。尽管煤炭消费总量因电力需求的增长而保持了一定的韧性，但其在一次能源消费总量中的占比已从2022年的56.2%下降至2024年的53.2%，并延续下降趋势。这充分表明，在以风电、太阳能为代表的新能源挤压效应下，煤炭正逐步从主体能源向保障性和系统调节性能源转型。
　　我国的石油工业以“稳油”为核心，持续加大勘探开发力度，国内产量稳中有升。2023年，原油产量达到2.09亿t，同比增长2.0%。2024年产量进一步提升至2.1亿t，同比增长1.8%，连续六年实现回升，增强了国内石油供应的自主性。2024年，原油消费量出现了1.2%的下降，但成品油市场需求依然旺盛，尤其是在交通运输领域。我国的炼油能力在2023年已增至9.36亿t/a，位居世界**。然而，石油对外依存度已连续3年维持在70%以上，能源安全依然面临挑战（施锡林等，2023）。
　　天然气作为一种相对清洁的化石能源，在我国能源结构转型中扮演着日益重要的角色。国内天然气产量保持快速增长势头。2024年，天然气产量达到2464亿m3，同比增长6.0%，已连续八年增产超过100亿m3，供应能力显著增强。天然气消费市场持续复苏并快速增长。2023年全国天然气表观消费量为3945亿m3，同比增长7.6%。2024年，消费量突破4000亿m3大关，达到4260.5亿m3，同比增长约8%，主要增长驱动力来自城市燃气和发电用气。然而，天然气对外依存度常年维持在40%以上，且天然气需求的季节性波动给我国天然气供应安全带来了巨大挑战。
　　1.1.2油气地下储库建设概况3
　　为应对复杂的国际地缘政治格局和市场波动，保障国家能源安全，我国高度重视能源战略储备体系的建设。近年来，我国在石油和天然气地下储存领域开展了系统性的科学研究与工程实践，攻克了一系列复杂地质条件下的技术难题，形成了多种技术路线并行发展的良好局面。
　　1.石油地下储备
　　我国的陆上石油储备库建设主要采用地下水封洞库和盐穴储库两种模式，这两种技术路线的选择与我国的地质条件和战略布局紧密相关。地下水封洞库是利用深埋地下的稳定岩体开挖洞室群，并依靠周边岩体裂隙中的地下水压力来封存石油的工程。这种方式具有安全性高、占地面积小、维护成本低等优点，尤其适用于沿海、沿江等花岗岩等硬质岩体分布广泛的地区。我国的研究起步虽晚，但发展迅速，已经成功掌握了从选址、勘察、设计到施工与运营的全链条核心技术。研究重点聚焦以下几方面。①复杂地质条件下的洞室群稳定性控制：针对高地应力、断裂带发育等地质难题，研究人员在围岩稳定性分析、动态监测与支护技术方面取得了重大突破，确保了大型洞库群在长期运营下的安全可靠。②水幕系统的优化与长效性：水幕系统是实现“水封”的核心。研究人员通过精细化的水文地质模拟，优化了水幕系统的布局与注水压力，实现了在*低能耗下维持*佳封存效果，并对水幕系统的长期有效性进行了深入研究。③环保与防渗技术：为防止石油的微量泄漏对环境造成影响，我国在洞库防渗衬砌材料、泄漏监测预警系统等方面投入了大量研发力量，技术水平已达国际先进水平。截至2024年，我国共建成四批国家战略石油储备基地，主要分布在浙江舟山、山东黄岛、辽宁大连、广东惠州等沿海地区，成为保障国家石油安全的坚固屏障。
　　盐穴储油是利用在地下深厚盐层中通过水溶建腔形成的巨大空洞来储存石油。盐岩具有极低的渗透率和良好的自愈合特性，是理想的油气封存介质。相较于储气，盐穴储油在我国尚处于探索和示范阶段，但其潜力巨大（Wei et al.，2023）。盐穴储油研究重点主要围绕：①复杂盐层建腔技术，我国的盐层普遍具有岩层薄、夹层多、纯度不高等特点，这给建造大型、规整的储油腔体带来了巨大挑战，研究人员正在攻关适应我国地质条件的环保高效建腔技术、腔体形态的精确控制方法及长期蠕变稳定性预测技术；②油品与卤水的相互作用机理，研究原油与高盐度卤水在长期接触条件下的界面行为、乳化问题及对油品质量的影响，是确保盐穴储油长期安全运营的关键科学问题。尽管面临系列技术挑战，但考虑到盐穴巨大的存储潜力和较低的单位库容投资，盐穴储油被视为未来我国战略石油储备的重要补充和发展方向。
　　2.天然气地下储存
　　地下储气库作为天然气产业链的“肾脏”，在调峰保供、应急响应和国家战略储备中发挥着不可替代的作用。我国根据资源禀赋，形成了以枯竭油气藏改造为主，盐穴和含水层储气库协同发展的技术格局。
　　将已开采殆尽的油气田改造为储气库，是国际上*成熟、应用*广泛的技术，也是我国储气库建设的主力。我国的枯竭油气藏地质条件极为复杂，表现为“三高”（高压、高产、高地应力）和“三低”（低孔、低丰度），改造难度世界罕见。经过数十年攻关，我国已系统掌握：①复杂断块气藏选库与评价技术，建立了针对我国复杂地质特点的储气库选址综合评价体系，尤其在断层封闭性、盖层密封能力的评价技术上取得了核心突破；②超深、超高压储气库钻完井与注采技术，成功解决了在超过4500m甚至更深地层、压力超过70MPa的极端条件下，储气库井的完整性、高效注采以及地面配套设施的设计与运行难题；③低渗储层的改造与强化注采技术，针对储层物性差的问题，研究并应用了大型压裂等储层改造技术，大幅提升了储气库的注采气效率和工作气量，盘活了大量原本难以利用的枯竭气藏资源。未来的研究将聚焦现有储气库群的协同优化运行、提高老旧储气库的采收率，以及对采出程度更低、地质条件更复杂的油气藏进行改造利用。
　　盐穴储气库具有注采灵活、周转次数多、单井注采速率高等*特优势，是高效的调峰型储气库。我国在该领域已从技术引进消化发展到自主创新，并走在了世界前列。针对我国薄盐层、多夹层的地质特点，*创了高杂质盐矿连通井高效建腔和沉渣空隙储气扩容技术等一系列中国方案，显著提升了建库效率和库容利用率。在腔体稳定性评价、高压注采下的密封性监测及井身完整性控制等方面，形成了一套完整的技术体系。以江苏金坛储气库、湖北江汉储气库和江苏淮安储气库为代表的盐穴储气库已大规模投入运营，有效提升了区域天然气供应的安全性与稳定性。
　　在缺少枯竭油气藏和盐矿资源的地区，利用地下深层封闭性好的含水构造储存天然气是一种重要的替代方案。我国在此领域的研究尚处于起步和试点阶段，主要技术挑战在于确保气体不会逸散，需要对盖层密封性和构造圈闭的有效性进行严格评估。相关研究正聚焦含水层储库的选址评价、气体驱水与封存机理以及长期运行的风险监控等。
　　截至2024年，全国在役地下储气库超过30座，中国石油、中国石化和国家管网集团在华北、西北、东部等地布局多个地下储气库，如呼图壁储气库、文23储气库、金坛储气库、苏桥储气库等，总工作气量约为200亿m3，约占全国年消费量的4.2%，仍低于国际平均水平（10%～15%）。
　　1.1.3盐穴地下储能现状与趋势5
　　欧美发达国家已建成数十座盐穴储库群，将石油、天然气、压缩空气和氢气等能源储存于盐矿水溶开采后形成的地下空间，实现能源的应急、调峰和战略储备，保障能源安全平稳供应（杨春和等，2024）。盐岩以其特有的物理性质，如良好的蠕变性（Bérest et al.，2023；薛东杰等，2021）、极低的渗透率（陈祥胜等，2024）、塑性变形及自愈合能力（Zeng et al.，2024；康燕飞等，2020）等，使盐穴成为储能的理想介质（Lietal.，2024；Zhao et al.，2023）。随着可再生能源发电规模的急剧扩大和对能源系统灵活性、稳定性的要求日益提高，大规模、长时储能技术的战略地位愈发凸显。利用地下盐矿开采后形成的盐穴进行能源储备，因其密封性好、成本低、安全性高及储量巨大等*特优势，已成为我国构建新型能源体系的重要战略方向。我国的盐穴储能利用虽起步晚于欧美，但发展速度迅猛，应用场景不断拓宽，已从*初的天然气储存，扩展到压缩空气储能、氢能储存和氦气储备等前沿领域，并取得了一系列***的突破。
　　盐穴压缩空气储能为消纳风光电力提供了理想的解决方案。江苏金坛建成了世界*座非补燃式压缩空气储能电站，湖北应城300MW盐穴压缩空气储能电站更是在单机功率、储能规模和转换效率上达到了世界**。这些项目将电网的低谷电能转化为空气势能储存于盐穴中，在用电高峰时释放发电，成为电网的巨型“充电宝”。
　　盐穴大规模储氢作为实现“双碳”目标的关键技术，需求日益迫切，盐穴被公认为*具潜力的储氢载体。我国已迈出关键一步，在江苏常州、河南叶县和江苏淮安等地启动了*批百万立方米级的盐穴储氢示范工程建设。这标志着我国盐穴储氢技术正从理论研究走向工程实践，有望破解氢能产业链中大规模存储瓶颈。
　　1.2我国盐矿地质及盐腔形成特点5
　　1.2.1我国盐矿地质特点5
　　我国盐矿资源储量丰富，已查明石盐矿床约105处，氯化钠资源总量达14.6万亿t（杨春和和王同涛，2022），遍布全国20多个省份，但主要集中在几个大型沉积盆地。从成因上看，呈现出“东部海相，西部陆相，中西部分布古老海相”的格局。东部中、新生代海相盐盆地，如江苏的淮安盆地、湖北的江汉盆地等，盐层时代较新，常与石膏等蒸发岩共生。西部新生代陆相盐盆地，如青海的柴达木盆地、新疆的准噶尔盆地和塔里木盆地，由内陆咸水湖蒸发形成，常含有钾盐、镁盐等。中西部古生代、中生代海相盐盆地，*具代表性的是四川盆地，其三叠系嘉陵江组和雷口坡组发育了巨厚的层状海相盐岩，是我国*优质的盐矿资源之一。
　　国际上许多大型盐穴储库群，如美国墨西哥湾沿岸和德国北部，都建在厚度可达数千米的巨大盐丘构造中。而我国盐矿95%以上为层状矿床，即盐岩像煤层一样，呈水平或倾斜的层状分布于地层之中，其形成受原始沉积环境控制。盐矿普遍呈现地质条件复杂、埋深差异大、盐层厚度不均及夹层发育明显的特点（李银平等，2024；施锡林等，2020）。我国典型盐矿赋存特点见表1.1，其中江苏金坛盐矿条件*优，埋深约1000m，盐层厚80～250m，品位高达80%～90%，夹层以薄泥岩为主（Li et al.，2019；施锡林等，2011）。其他盐矿如湖北云应盐矿埋深仅300～850m，但盐层厚度差异较大，平均品位仅50%，且发育大量硬石膏和钙芒硝夹层，造成建库成腔率较低（Yang et al.，2016）；深层盐矿如江苏淮安赵集盐矿埋深达1350～2000m，盐层厚100～140m，平均品位约75%，但存在12m的厚隔层，夹层垮塌难度大，且夹层堆积松散（李朋等，2022）；湖北潜江盐矿虽盐层巨厚达300～400m、埋深1200～2100m，但品位波动