超深层厚夹层盐穴储气库(UGSSC)可行性研究：基于地质力学模型与沉积空隙利用的创新方案

为解决中国榆林市靖边地区超深层(>2600 m)盐穴储气库(GSSC)建设中厚夹层(18 m)坍塌控制难题，研究人员提出压力调控诱导坍塌新方案，建立地质力学模型评估稳定性。结果表明：操作压力28-48 MPa可满足稳定性标准(SF/VS/PZ)；创新性利用沉积空隙(7.43×105 m3)使有效容积提升1.36倍，为全球超深层能源储备提供关键技术支撑。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，中国面临天然气储备能力不足的严峻挑战——现有储备仅占年消费量的3.2%，远低于国际能源署(IEA)15%的安全阈值。盐穴储气库(Gas Storage Salt Cavern, GSSC)因其低渗透性(low permeability)和自修复特性(self-healing)成为战略储备首选，但传统盐穴多建于500-1500 m深度，而中国榆林靖边地区目标层位深度突破2600 m，且存在18米厚夹层，这给储库建设带来三大技术瓶颈：夹层阻碍盐层水力连通、坍塌易损井筒结构、沉积物占据有效容积。

针对这一世界性难题，湖北省重大科技研发计划支持的研究团队创新性地提出"压力调控诱导坍塌+沉积空隙利用"技术路线。通过建立三维地质力学模型，首次系统评估了超深层厚夹层GSSC的稳定性边界，发现当腔体压力降至12 MPa时9个子层段夹层发生坍塌。研究采用多指标评价体系(垂直应力/位移/体积收缩VS/塑性区PZ/安全系数SF)，确定28-48 MPa为最优操作压力范围(MOP)，其中安全系数随压力升高而增大。更突破性的是，团队提出利用底部沉积物空隙存储天然气的新方法，实验测得沉积空隙率达52%，使有效容积从常规的5.48×10⁵ m³提升至7.43×10⁵ m³，容积增益达36%。这项发表于《Geoenergy Science and Engineering》的研究，为全球超深层盐穴储能提供了中国方案。

关键技术方法包括：(1)基于靖边地区地质特征构建三维地质力学模型；(2)设计压力梯度实验模拟夹层坍塌阈值；(3)采用多参数耦合评估体系(VS/SF/PZ等)；(4)开展沉积物空隙率室内外联合测试(实验室42.8-50.2%/现场>50%)；(5)对比分析全球6个超深层GSSC案例(如美国Eminence Dome 1740-2040 m、英国Portland >2000 m等)。

【Geologic features】
靖边盐矿位于鄂尔多斯盆地东北缘，盐层平均NaCl含量86.18-89.14%，地层倾角NWW，无显著断层。目标层位存在18 m厚白云岩夹层，其力学特性通过三轴试验测定，为后续坍塌模拟提供参数基础。

【Operating conditions】
模拟显示夹层坍塌后腔体深度扩展至-2715.5 m。通过对比不同压力工况(12-60 MPa)，发现VS率与压力呈负相关，28 MPa时VS率降至0.23%/年，SF提升至1.8，验证了MOP下限的科学性。

【Utilisation of sediment voids】
创新提出"双管系统"：除常规注采管外增设底部沉积层排卤管。数值模拟证实沉积物长期变形不影响空隙连通性，其存储容量相当于1.36个常规腔体，且能缓冲盐岩蠕变应力。

【Conclusions】
(1)压力调控可安全诱导厚夹层坍塌；(2)28-48 MPa操作压力区间满足稳定性要求(VS<0.3%/年, SF>1.5)；(3)沉积空隙利用技术使有效容积提升36%，突破传统设计极限。

【Further enhancement】
未来需重点研究：(1)沉积物长期渗透性演化规律；(2)超深条件下(>2600 m)温度-应力耦合效应；(3)智能监测系统开发，如借鉴法国Cerville-Buissoncourt的微震监测技术。该研究不仅推动中国建成世界最深GSSC(宁津设计深度>2700 m)，更为氢能(H₂)、压缩空气储能(CAES)等新兴领域提供地下空间利用范式。