鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)不同類(lèi)型鹽巖溶蝕特性實(shí)驗(yàn)研究

張 敏，朱華銀，武志德，石 磊

(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北廊坊 065007；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司 油氣地下儲(chǔ)庫(kù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北廊坊 065007)

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)是系統(tǒng)工程，其核心是如何建成穩(wěn)定密封并具有較大儲(chǔ)氣能力的地下鹽穴，而溶腔設(shè)計(jì)是鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1]。腔體的大小和形狀主要由地質(zhì)條件決定，因此，在建設(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)之前必須充分了解鹽層的構(gòu)造、組分等條件，研究如何在地下鹽層中建造出形狀安全、穩(wěn)固的鹽腔，需要先在室內(nèi)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)定鹽巖的水溶參數(shù)對(duì)溶蝕速率和腔體形態(tài)的影響，從而達(dá)到預(yù)測(cè)和控制溶腔體積和形態(tài)的要求。與國(guó)外鹽丘型鹽巖建庫(kù)不同，我國(guó)主要為多夾層鹽巖建庫(kù)，陸相鹽湖沉積鹽層建庫(kù)條件復(fù)雜，夾層多、品位低、埋藏深[2]，給控制造腔形態(tài)控制帶來(lái)了難度。通過(guò)鹽巖水溶實(shí)驗(yàn)觀察不同鹽巖的溶蝕規(guī)律，獲得溶蝕速度、溶解質(zhì)量、側(cè)溶角等水溶參數(shù)。文章以不同類(lèi)型巖心水溶參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，研究不同類(lèi)型巖心水溶過(guò)程的不同表象，分析影響溶蝕速度、溶蝕形狀的影響因素，為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)水溶建庫(kù)形態(tài)控制提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)鹽巖溶蝕特性實(shí)驗(yàn)

早在20世紀(jì)60年代Durie R.W.和JeseenF.W.[3-4]開(kāi)展了大量鹽巖溶解實(shí)驗(yàn)，分析了多個(gè)因素對(duì)鹽巖溶解速度的影響。我國(guó)很多研究學(xué)者也進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，針對(duì)鹽巖水溶開(kāi)采[5-8]；針對(duì)純鹽[9-10]、高不溶物[11-12]鹽穴儲(chǔ)庫(kù)建庫(kù)分別進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)分析；針對(duì)我國(guó)鹽巖含泥夾層的的情況，李建君等[13-15]分析了不溶物夾層對(duì)造腔的影響。以上實(shí)驗(yàn)研究大多采用鹽礦開(kāi)采的水溶實(shí)驗(yàn)方法，以純度較高的巖心為實(shí)驗(yàn)材料；即使考慮不溶物的相關(guān)研究也是采用加工的相似材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或者通過(guò)軟件模擬不溶物夾層對(duì)鹽穴造腔的影響。文章通過(guò)目前在建鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)取芯為實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究將不同類(lèi)型巖心進(jìn)行歸類(lèi)，對(duì)不溶物對(duì)溶蝕實(shí)驗(yàn)的影響進(jìn)行了分析總結(jié)。

實(shí)驗(yàn)以長(zhǎng)度為20 cm端面切平的兩塊樣品分別做上溶和側(cè)溶實(shí)驗(yàn)，上溶實(shí)驗(yàn)將圓柱巖心側(cè)面蠟封，實(shí)驗(yàn)端面裸露；側(cè)溶實(shí)驗(yàn)將圓柱巖心側(cè)面裸露，端面蠟封。將實(shí)驗(yàn)樣品放置在透明容器中，每隔一定時(shí)間測(cè)量并記錄溶蝕進(jìn)尺、質(zhì)量、波美度等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。溶蝕速率為在試樣溶蝕面下端自然形成的溶蝕面坡度角稱(chēng)側(cè)溶角；每小時(shí)沿著某一方向的溶解長(zhǎng)度稱(chēng)為溶蝕速度；每小時(shí)所溶解的礦石質(zhì)量稱(chēng)為溶解質(zhì)量。

2 不同類(lèi)型巖心實(shí)驗(yàn)表象及分析

不同類(lèi)型的巖心由于不溶物含量不同，不溶物與可溶鹽存在形式不同，溶蝕過(guò)程中呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)表象不同，溶蝕的最后形態(tài)不同。文章按照樣品含不溶物的含量和形式對(duì)樣品進(jìn)行分類(lèi)分析。

2.1 含可溶鹽含量較高的巖心

可溶量較高的樣品由于組分不同，可溶物成分不同，最終表現(xiàn)的溶蝕形態(tài)也各有不同，有的是呈螺紋狀，有的凹凸不平，溶蝕形態(tài)基本上不會(huì)呈現(xiàn)光滑平整狀。但是整塊鹽樣溶蝕面溶蝕速度呈同步推進(jìn)，純度越高的樣品溶蝕速度趨于一致，對(duì)于溶蝕造腔的形態(tài)控制相對(duì)容易。圖1為可溶鹽含量較高的巖心側(cè)溶、上溶溶蝕效果。

圖1 可溶鹽含量較高的巖心側(cè)溶、上溶溶蝕效果圖Fig.1 Side dissolution and upper dissolution effect of high purity salt rock

隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的推進(jìn)，波美度增大，溶蝕速度和溶蝕質(zhì)量都是逐漸減小的。圖2為可溶鹽含量較高的巖心側(cè)溶溶蝕速度和溶解質(zhì)量與波美度的關(guān)系。

圖2 可溶鹽含量較高的巖心側(cè)溶溶蝕速度和溶解質(zhì)量與波美度的關(guān)系圖Fig.2 Relationship between side dissolution rate and dissolving mass with Baume degree in high purity salt rock

由圖2可知，溶蝕面積大，樣品中的不溶物遇水吸附水，造成樣品在損失可溶鹽質(zhì)量的同時(shí)增加不溶物吸附水的質(zhì)量，溶蝕速度和溶解質(zhì)量不同步，側(cè)溶關(guān)系圖中會(huì)出現(xiàn)溶蝕速度和溶解質(zhì)量曲線不重合的情況。圖3為可溶鹽含量較高的巖心上溶溶蝕速度和溶解質(zhì)量與波美度的關(guān)系。上溶的溶蝕速度和溶解質(zhì)量曲線基本重合。

圖3 可溶鹽含量較高的巖心上溶溶蝕速度和溶解質(zhì)量與波美度的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between upper dissolution rate and dissolving mass with Baume degree in high purity salt rock

2.2 不溶物呈層狀分布的巖心

不溶物與可溶鹽呈層狀分且分層明顯，鹽層的溶解基本同可溶鹽含量較高的巖心，但不溶物的厚度與結(jié)構(gòu)對(duì)可溶鹽層的溶解都會(huì)產(chǎn)生影響。圖4為不溶物呈層狀分布的巖心側(cè)溶、上溶溶蝕效果。

圖4 不溶物呈層狀分布的巖心側(cè)溶、上溶溶蝕效果圖Fig.4 Side dissolution and upper dissolution effect of bedded salt rock

圖5為不溶物呈層狀分布的巖心側(cè)溶溶蝕速度和溶解質(zhì)量與波美度的關(guān)系。樣品側(cè)溶溶蝕速度較快，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的15 min就到達(dá)2.5°Be。鹽層的溶蝕情況同純鹽，形狀較為規(guī)則。鹽層下部與夾層接觸部位的溶蝕速度相對(duì)鹽層中部稍小；鹽層上部與夾層接觸部位的溶蝕速度高于鹽層中下部的溶解速度，有的樣品鹽層上部與泥巖夾層分層處甚至出現(xiàn)了明顯的溶蝕縫隙。

圖5 不溶物呈層狀分布的巖心側(cè)溶溶蝕速度和溶解質(zhì)量與波美度的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between side dissolution rate and dissolving mass with Baume degree in bedded salt rock

圖6為不溶物呈層狀分布的巖心上溶溶蝕速度和溶解質(zhì)量與波美度的關(guān)系。

圖6 不溶物呈層狀分布的巖心上溶溶蝕速度和溶解質(zhì)量與波美度的關(guān)系圖Fig.6 Relationship between upper dissolution rate and dissolving mass with Baume degree in bedded salt rock

由圖6可知，上溶溶蝕速度和溶解質(zhì)量曲線波動(dòng)較大，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣品頂部為泥巖夾層，溶蝕的鹽主要存在于泥巖間的空隙，溶蝕進(jìn)尺為0，隨著表層泥巖溶蝕掉落，中間層的鹽巖溶蝕，溶蝕速度有較大提高。不溶物泥層脫落后，鹽層溶蝕速度較大，但鹽層溶解后再次溶解的泥層由于結(jié)構(gòu)緊密，溶解速度減小，由于夾層致密含可溶鹽較少，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了41 h夾層仍舊沒(méi)有脫落，鹵水沒(méi)飽和，實(shí)驗(yàn)停止。

2.3 不溶物分層不明顯的巖心

不溶物與可溶鹽呈層狀分且分層明顯，有的不溶物機(jī)構(gòu)致密呈塊狀交錯(cuò)分布于可溶鹽中，有的不溶物結(jié)構(gòu)疏松內(nèi)部含有較多可溶鹽。不溶物的存在減緩了可溶鹽溶解進(jìn)程。此次實(shí)驗(yàn)的側(cè)溶樣品為塊狀不溶物鹽巖，上溶樣品為不溶物結(jié)構(gòu)疏松樣品。圖7為不溶物分層不明顯的巖心側(cè)溶、上溶溶蝕效果。

圖7 不溶物分層不明顯的巖心側(cè)溶、上溶溶蝕效果圖Fig.7 Side dissolution and upper dissolution effect of not bedded salt rock

圖8為不溶物分層不明顯的巖心側(cè)溶溶蝕速度和溶解質(zhì)量與波美度的關(guān)系。側(cè)溶過(guò)程不溶物吸水，溶蝕質(zhì)量減少不如溶蝕速度明顯。圖形趨勢(shì)大致同純度較高的巖心，曲線上的波動(dòng)是由于不溶物的整體脫落導(dǎo)致。

圖8 不溶物分層不明顯的巖心側(cè)溶溶蝕速度和溶解質(zhì)量與波美度的關(guān)系圖Fig.8 Relationship between side dissolution rate and dissolving mass with Baume degree in not bedded salt rock

圖9為不溶物分層不明顯的巖心上溶溶蝕速度和溶解質(zhì)量與波美度的關(guān)系。上溶過(guò)程中不溶物隨溶蝕進(jìn)行過(guò)程中逐漸掉落，且掉落的速度不均勻，造成溶解速度和溶蝕質(zhì)量曲線波動(dòng)；溶解速度曲線波動(dòng)幅度大于溶蝕質(zhì)量曲線波動(dòng)幅度。兩條曲線的整體趨勢(shì)與可溶性鹽含量較高的樣品基本一致。

圖9 不溶物分層不明顯的巖心上溶溶蝕速度和溶解質(zhì)量與波美度的關(guān)系圖Fig.9 Relationship between upper dissolution rate and dissolving mass with Baume degree in not bedded salt rock

3 結(jié)論

1) 由于側(cè)溶溶蝕面積大，鹽巖中不溶物遇水吸附水，造成實(shí)驗(yàn)樣品在損失可溶鹽質(zhì)量的同時(shí)增加不溶物吸附水的質(zhì)量，溶解質(zhì)量減少的速度小于溶蝕速度減少的速度，側(cè)溶關(guān)系圖中會(huì)出現(xiàn)不重合情況。不溶物越多曲線差別越大，曲線不重合程度越高。

2) 不溶物含量越高，鹽巖溶解有效面積小，鹽巖溶解越慢，尤其是結(jié)構(gòu)致密的不溶物對(duì)溶蝕進(jìn)程的阻礙大于結(jié)構(gòu)疏松不溶物。當(dāng)上溶實(shí)驗(yàn)溶解面遇到致密不溶物時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)完全阻隔溶解的進(jìn)行的情況，造成實(shí)驗(yàn)終止。致密的不溶物隨實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行脫落時(shí)為整體脫落樣品表面，會(huì)造成溶蝕速度和溶解質(zhì)量的曲線有較大波動(dòng)；但結(jié)構(gòu)疏松的不溶物多呈現(xiàn)隨實(shí)驗(yàn)進(jìn)行逐漸剝落的情況，曲線波動(dòng)不大。

3) 對(duì)于不溶物與可溶鹽呈層狀分且分層明顯的實(shí)驗(yàn)樣品，鹽層下部與夾層接觸面的溶蝕速度相對(duì)鹽層中部較小；鹽層上部與夾層接觸面的溶蝕速度高于鹽層中下部的溶解速度，有的樣品隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程鹽層上部與泥巖夾層分層處甚至出現(xiàn)了明顯的溶蝕縫隙。