湖北省應(yīng)城市鹽穴地下儲氣庫鹽巖溶解性能試驗研究

趙桂芳，楊 杰

(湖北省地質(zhì)實驗研究所，湖北武漢 430034)

湖北省應(yīng)城市鹽穴地下儲氣庫鹽巖溶解性能試驗研究

趙桂芳，楊 杰

(湖北省地質(zhì)實驗研究所，湖北武漢 430034)

湖北省應(yīng)城市西氣東輸二線云應(yīng)鹽穴地下儲氣庫作為“西氣東輸”工程的配套工程，主要用于解決由于季節(jié)、氣候變化造成的不平衡調(diào)峰以及管道意外故障的應(yīng)急供氣，具有重要的戰(zhàn)略意義。通過對湖北省應(yīng)城市西氣東輸二線云應(yīng)鹽穴地下儲氣庫天然鹽巖層32組鹽巖試件進行溶解性能試驗，探索鹽巖溶解速率的影響因素。結(jié)果表明:①礦石品位高，鹽類礦物的溶解面大，溶解速度快;②含石鹽、鉀石鹽、芒硝等礦物比例越大，鹽巖溶解速度越快，含石膏、硬石膏等比例越大越難溶于水，溶解速度越慢;③礦石結(jié)構(gòu)緊密，溶解速度慢，礦石結(jié)構(gòu)疏松，溶解速度快;④隨著鹵水濃度增加，溶解速率越來越小。本研究為進一步研究鹽巖的流場和濃度場分布規(guī)律提供理論基礎(chǔ)，為快速造腔提供基本的理論和實驗基礎(chǔ)。

鹽穴儲氣庫;鹽巖;溶解實驗

0 引言

鹽巖礦層是儲存石油、天然氣和處理核廢料的絕佳場所。湖北省應(yīng)城市云應(yīng)鹽穴地下儲氣庫作為西氣東輸二線三大儲氣庫之一，其工程建造具有重要的戰(zhàn)略意義。而首要問題是如何建造巖溶溶腔，現(xiàn)有的方法是利用水溶采礦后留下來的空間作為儲存庫加以利用［1－3］。鹽巖儲備庫建腔過程中，首先解決的問題是鹽的溶解，掌握和了解鹽巖溶解特性對指導(dǎo)生產(chǎn)具有重要的意義。

鹽巖溶解特性國外學(xué)者已做了大量研究，隨著建立地下儲備庫在中國的實施，國內(nèi)學(xué)者于20世紀90年代開始開展了相應(yīng)的研究工作。太原理工大學(xué)的梁衛(wèi)國等［4－7］對水溶開采鹽巖巖腔進行了大量的室內(nèi)試驗研究，重點研究了芒硝鹽巖的溶解特性。中國科學(xué)院的班凡生等［8］研究了鹽巖品位對鹽巖儲氣庫水溶建腔的影響，結(jié)果表明鹽巖儲氣庫應(yīng)選擇在鹽巖品位高的地層建造，既有利于溶腔形態(tài)的控制，又能縮短建腔周期。重慶大學(xué)的肖長富、王春榮［9－10］等通過鹽巖的室內(nèi)實驗來研究溶解面面積、溶液的溫度、溶液的濃度、溶液的流速及層理夾角等因素對溶解速率的影響。但在關(guān)于云應(yīng)鹽穴地下儲氣庫鹽巖溶解方面，沒有相關(guān)的研究。本文通過對湖北省應(yīng)城市西氣東輸二線云應(yīng)鹽穴地下儲氣庫天然鹽巖層32組鹽巖試件進行溶解性能實驗，通過側(cè)溶溶蝕和上溶溶蝕結(jié)果指標(biāo)，探討該工程區(qū)鹽巖溶解速率的影響因素。

1 試驗部分

1.1 實驗材料與設(shè)備

酒精燈和鐵架臺、打火機、鐵鍋、石蠟、大燒杯、干燥盒、取盤夾、秒表、吸水紙、干燥箱、波美度計、高精度電子稱，溶蝕試驗在自制的溶解池進行，如圖1所示。

圖1 溶蝕試驗溶解池Fig.1 Dissolving tank of rock salt

1.2 鹽巖取樣和加工

實驗所需鹽巖試件采自湖北省應(yīng)城市西氣東輸二線云應(yīng)儲氣庫的天然鹽巖層，埋深為700～1 500 m。圖2-a為實驗用的來自云應(yīng)儲氣庫開采出的鹽巖原料，圖2-b為經(jīng)過加工成7 cm×7 cm×15 cm的試件供實驗所用，加工后的鹽巖試件立即用熔融石蠟蠟封，備用。圖2-c為經(jīng)過蠟封的鹽巖試件。由于鹽巖質(zhì)脆、遇水易溶，因此，鹽巖試樣是通過手工切割、磨制加工而成。取樣過程和試件加工均嚴格按照實驗規(guī)范進行。

圖2 鹽巖試件Fig.2 Rock salt

1.3 實驗方法

為了研究鹽巖溶解速率的影響因素，對32組鹽巖樣品進行了溶蝕實驗，測定項目如表1所示。

表1 實驗項目列表Table 1 Test content and indexes

本項目是根據(jù)《鹽類礦石水溶性能實驗室試驗方法及要求》規(guī)范，結(jié)合實際改進后進行的，側(cè)溶溶蝕試驗和上溶溶蝕試驗具體步驟如下:

(1)側(cè)溶溶蝕試驗:將準備好的、規(guī)格一致的試樣直接置放在溶解池的底部。試驗時，浸泡測試面，在靜水狀態(tài)下溶蝕，定時觀測。開始時，每15 min觀測1次;隨著溶液濃度升高，溶蝕速度減弱，每隔半小時或每小時觀測1次。在觀測側(cè)溶溶蝕速度的同時，測定鹵水的濃度和試樣的側(cè)溶角以及試樣的質(zhì)量。一直觀測到鹵水濃度達到24°Be'(即飽和)時為止。

(2)上溶溶蝕試驗:將試樣按統(tǒng)一高度懸垂于預(yù)定體積的溶解水中浸泡靜溶，每隔15 min、半小時或每小時觀測一次溶蝕面上的溶蝕平均深度，即上溶溶蝕速度，同時稱出試樣質(zhì)量。并計算出單位面積上每小時所溶解的礦石量，即上溶溶解速度。同時觀測溶液的濃度和質(zhì)量密度。一直觀測到鹵水濃度達到24°Be'(飽和)時為止。

測試樣品基本信息見表2，側(cè)溶、上溶溶蝕試驗結(jié)果分別見表3、表4。

表2 測試樣品表Table 2 Samples of basic information of rock salt

表3 側(cè)溶溶蝕試驗結(jié)果Table 3 Results of side dissolution test

續(xù)表3

表4 上溶溶蝕試驗結(jié)果Table 4 Results of bottom side dissolution test

2 結(jié)果與討論

從鹽巖礦石品級、礦物組分、礦石構(gòu)造、鹵水濃度四方面探討鹽巖溶蝕速率的影響。

2.1 鹽類礦石品位

通常情況下，礦石品位高，鹽類礦物的溶解面大，溶解速度快。

本次實驗中的32組樣品中，礦石品級＞75%(A組)和＞60%但 ＜75%(B組)的各有13組，品級 ＜60%(C組)的有6組，側(cè)溶和上溶溶蝕速度分組統(tǒng)計如表5。

表5 不同品級溶蝕速度統(tǒng)計表Table 5 Statistical table of corrosion velocity of rocksalt with different ore grade

A組礦石由于可溶性鹽巖含量較高，其溶蝕速度、溶解速度較大。其中，鹵水濃度從0°～24°Be'的溶解過程中，除X1-2、X3-4和S10三個試件側(cè)溶溶蝕速度為0.02 mm/h(2.2中將論述產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因)，其他試件溶蝕速度在0.2～4.3 mm/h，總體平均溶蝕速度為 0.7 mm/h;上溶溶蝕速度 24°Be'之前在0.1 ～0.9 mm/h，平均值為 0.4 mm/h。

B組礦石可溶性鹽巖含量60% ～75%，其側(cè)溶溶蝕速度與A組相當(dāng)，如圖3-a所示，而上溶溶蝕速度較A組礦石慢，如圖3-b所示。其中，B組鹽巖鹵水濃度在0°～24°Be'的溶解過程中，除了3個鈣芒硝質(zhì)鹽試件側(cè)溶溶蝕速度為0.1 mm/h之外，基本在0.5～0.7 mm/h，比較均勻，平均值為0.5 mm/h;上溶溶蝕速度24°Be'之前在0.0 ～0.5 mm/h，平均值為0.1 mm/h。

C組礦石可溶性鹽巖含量為25% ～60%，其溶蝕速度、溶解速度較慢。除SY9和SY10兩個試件側(cè)溶溶蝕速度24°Be'之前在0.7 mm/h以外，其余四個試件均＜0.1 mm/h，溶蝕速度遠小于A、B兩組。上溶溶蝕試驗中，除SY9外，有五個試件只有微弱溶解，甚至可以忽略不計。

2.2 鹽類礦物組分

不同鹽類礦物的水溶性不同，石鹽、鉀石鹽、芒硝等礦物溶解速度快，鈣芒硝等緩慢溶于水，石膏、硬石膏等難溶于水。

上述2.1探討巖石品級對溶蝕速度的影響中，發(fā)現(xiàn)同一品級鹽礦溶蝕速率會出現(xiàn)很大程度的差異，如A組樣品中X1-2、X3-4和S10三個試件的側(cè)溶溶蝕速率為0.02 mm/h，遠小于同品級其他試件的平均值0.6 mm/h，因為其硬石膏組分含量較高，而石膏的溶解性遠小于石鹽、芒硝等礦物。同時，B組樣品中S5、S6和X4-4的側(cè)溶溶蝕速率為0.2 mm/h，也是遠小于同品級其他試件的平均值0.5 mm/h。難溶礦物的加入使高品級的鹽礦溶蝕速率大大降低，而易溶礦物的加入使低品級的鹽礦溶蝕速率大大提高，如C組中SY9和SY10兩個試件的側(cè)溶溶蝕速率遠大于同組其他試件。對于鹽巖礦物不同組分對溶蝕速度的定量影響，需進一步實驗，取得具有統(tǒng)計意義的數(shù)據(jù)后方能深入探討。

2.3 鹽類礦石構(gòu)造

礦石結(jié)構(gòu)緊密，水與鹽類礦物的接觸面小，溶解速度慢;礦石結(jié)構(gòu)疏松，裂隙發(fā)育，水可以深入到礦石內(nèi)部，接觸面大，溶解速度快。

本次所取的32個鹽巖樣品中，塊狀礦石的可溶性良好，條帶狀礦石的可溶性較好，團塊狀礦石的可溶性較差。

此外，從上溶溶蝕試驗?zāi)茌^明顯地看出巖石構(gòu)造對其水溶性的影響。如圖3-b中所示，三個不同品級的上溶溶蝕速度相差較大，因為在上溶溶蝕過程中，低品位巖石一旦溶蝕被阻斷，水無法滲進后，剩余的可溶鹽無法進一步溶解，只能待長時間后水滲進了，才能進一步溶解。

圖3 不同品級礦石溶蝕速度圖(a).側(cè)溶溶蝕試驗;(b).上溶溶蝕試驗。Fig.3 Dissolution rate of the ore grade

2.4 鹵水濃度

從圖3中可以看出，隨著鹵水濃度增加，溶蝕速率越來越小。

因為溶解過程是雙向的，即溶解和結(jié)晶過程同時進行。當(dāng)溶劑作用到礦物表面時，由于溶質(zhì)分子本身的運動和溶劑分子對它的吸引，溶質(zhì)離開固體表面，擴散到溶液中去，同時溶液中的溶質(zhì)，在運動過程中遇到?jīng)]有溶解的礦物時，又重新從溶液中結(jié)晶到礦物表面。這就造成隨著鹵水濃度增加，溶蝕速率越來越小。

3 結(jié)論

通過對湖北省應(yīng)城市西氣東輸二線云應(yīng)鹽穴地下儲氣庫天然鹽巖層的32組鹽巖試件進行溶解性能試驗，研究結(jié)果表明鹽巖溶蝕速率受鹽巖礦石品級、礦物組分、礦石構(gòu)造、鹵水濃度四方面影響明顯:

(1)礦石品位高，鹽類礦物的溶解面大，溶解速度快。

(2)由于不同鹽類礦物的水溶性不同，含石鹽、鉀石鹽、芒硝等礦物比例越大，鹽巖溶解速度越快，含石膏、硬石膏等比例越大越難溶于水，溶解速度越慢。

(3)礦石結(jié)構(gòu)緊密，溶解速度慢;礦石結(jié)構(gòu)疏松，裂隙發(fā)育，溶解速度快。

(4)隨著鹵水濃度增加，溶解速率越來越小。

通過以上研究及得出的相關(guān)結(jié)論，可為進一步研究鹽巖的流場和濃度場分布規(guī)律提供理論基礎(chǔ)，為快速造腔提供基本的理論和實驗基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯:于繼紅)

Experimental Study of the Dissolution of Rock Salt in Yingcheng，Hubei Province

ZHAO Guifang，YANG Jie
(Hubei Institute of Geological Experiment，Wuhan，Hubei430034)

As an supporting project of West-East gas transmitting project，the salt cavity gas storage located in Yingcheng，Hubei Province，has important strategic significance，mainly aiming to meet the demand of an emergency gas supply in the case of pipeline damage or unbalanced adjustment of peak-load due to periodical climate changes.32 sets of rock salt samples from the gas storage were tested to find the factors that affect the dissolution rate.The main results are generalized as follows:①The dissolution rate of salt mineral increased with the ore grade higher.②Due to the dissolving properties of different salt mineral，the dissolution rate were different.The larger the proportion of mineral that difficult to dissolve，such as gypsum and anhydrite，the slower the rate of dissolution.③The closer the ore structure features of rock salt，the slower the dissolution rate.Otherwise，the dissolution rate higher.④Dissolution rate decreased with solution concentration of rock salt increased.The above findings have contributed to research the distribution of the flow and the concentration.

salt cavity gas storage;rock salt;dissolution test

P588.24+7;O645.12

A

1671－1211(2014)02－0209－05

2014－03－13;改回日期:2014－03－31

趙桂芳 (1966－)，女，高級工程師，工程地質(zhì)專業(yè)，從事工程地質(zhì)檢測與研究工作。E－mail:hxtg_2012@163.com