潛江凹陷王58井區(qū)鹽穴地下儲氣庫潛力分析①

付曉飛

(中國石化江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，湖北 武漢 430223)

近年來，我國天然氣消費快速增長，致使北方冬季頻繁出現“氣荒”，儲氣設施建設相對滯后，調峰能力不足是造成冬季供氣緊張局面的主要原因[1]，因此，國家加快了天然氣基礎設施建設，并明確要求2020年各供氣企業(yè)要具備合同供氣量10%的儲氣能力。鹽穴地下儲氣庫不僅具有單腔庫容量大、經濟效益高、占地面積少、利于防火防爆防污染等優(yōu)點[2]，而且能夠實現用氣旺季和淡季的供氣平衡，在運輸管道出現緊急情況下，發(fā)揮出應急供氣作用，較適用于國家天然氣戰(zhàn)略儲備。

潛江凹陷位于湖北省潛江市，潛一段至潛四上段共有87個韻律鹽層，主要為石鹽、無水芒硝、鈣芒硝、無水鈉鎂釩和鉀芒硝，分布面積為1560 km2，其中氯化鈉資源量達8030.3×108t，硫酸鈉資源量達912.0×108t[3，4]，豐富的鹽礦資源以及毗鄰川氣東送管道是潛江建設鹽穴地下儲氣庫得天獨厚的優(yōu)勢。通過對潛江凹陷王58井區(qū)地質特征、鹽層特征、建庫層段、儲氣潛力等方面進行研究，為鹽穴地下儲氣庫潛力分析提供借鑒。

1 地質特征

潛江凹陷發(fā)育白堊系-古近系古新統沙市組、上始新統潛江組兩套含鹽系地層，中始新統末，潛江凹陷北部邊界大斷裂活動強烈，斷裂前緣快速下陷，形成北深南淺、北陡南緩的箕狀深凹陷。潛江凹陷古氣候以亞熱帶干旱為主，伴有潮濕并頻繁交替，在干旱氣候條件下，湖盆水體的補給量小于蒸發(fā)量，主要沉積蒸發(fā)鹽巖[5]，潛江組沉積期是江漢鹽湖發(fā)育的極盛時期，湖盆的沉降中心、匯水中心、濃縮中心均位于此。潛江凹陷在北部單向陸源水系、高鹽度、強蒸發(fā)獨特的環(huán)境下沉積了厚達6000 m的潛江組鹽系地層，是我國獨具特色的內陸高鹽度氯化鈉鹽湖沉積[6]。

王58井區(qū)位于潛江凹陷北部，根據構造特點可分為兩部分(見圖1)：東部為黃場斜坡帶，為一單斜，傾角約15°，傾向南西西向；西部為王場向斜軸部，地層平緩，傾角1～3°，鹽層埋深1212.5～2248.5 m，區(qū)內無斷層，裂隙不發(fā)育，有利于建庫。

2 鹽層特征

潛江凹陷潛江組鹽系地層具有極明顯的韻律性，從潛四上段到潛一段，古鹽湖水體經歷了由淡化-咸化-淡化發(fā)展的全過程，潛二段是鹽湖水體濃縮的極盛時期，鹽層主要礦物有石鹽、無水芒硝、雜鹵石、無水鈉鎂礬類礦物。王58井區(qū)潛二段共有25個韻律鹽層，鹽層埋深1600～1900 m，鹽層單個厚度7.5～33.5 m，鹽層累積厚度165.8～199.0 m，含礦率為76.8%，具有鹽巖厚度大，含礦率高的特點。

圖1 黃場地區(qū)王58井區(qū)構造剖面

3 建庫層段

鹽系地層縱向上由于陸源碎屑機械沉積和化學蒸發(fā)沉積交替出現，使多個砂泥巖層段頻繁夾于鹽韻律層段。在造腔過程中，礦石在水溶初期溶蝕速度最大，濃度增長很快，隨著溶液濃度增加，溶蝕、溶解速度明顯減慢；鹽巖的溶解速率整體上快于含泥鹽巖的溶解速率[7，8]。對王58井區(qū)王4-2井開展了一系列溶解試驗，從常溫鹽巖、含泥鹽巖溶解實驗圖(見圖2、圖3)可以看出：鹽巖的初始溶解速率大約是含泥鹽巖的1.27倍，夾層厚度較大時會影響溶蝕速度，因此，選擇合理的建庫層段是建設地下儲氣庫的關鍵。

圖2 王4-2井常溫鹽巖溶解實驗 圖3 王4-2井常溫含泥鹽巖溶解實驗

根據王儲1井資料，潛二段第7、8韻律泥巖夾層較厚，其中第7韻律泥巖夾層厚度為8.5 m，第8韻律泥巖夾層厚度為10.5 m，均比王儲3井垮塌實驗中7 m夾層厚度大，因此建庫目的層要盡量避開這兩套泥巖夾層。從王儲3井鹽層及夾層厚度統計表(見表1)可以看出：潛二段第10～16韻律平均含礦率為88.60%，平均鹽層厚度為22.4 m，平均夾層厚度4.5 m，夾層厚度小于王儲3井垮塌實驗中7 m夾層，因此，優(yōu)選潛二段第10～16韻律層為建腔目的層。

表1 王儲3井潛二段第10～16韻律鹽層及夾層厚度統計情況

4 蓋層性能評價

王58井區(qū)潛二段第1～9韻律層為上覆蓋層，地層厚度為175～185 m，鹽層厚度為120～130 m，鹽巖厚度大且分布穩(wěn)定，有較好的封閉性能。王儲1井巖心掃描電鏡實驗顯示：鹽巖微觀結構致密,密閉性好；泥巖粒徑1～5 μm，粒間孔隙10～100 nm，孔隙度集中在10%以內，滲透率在(10-6～10-8)×10-3μm2。王儲1井突破壓力實驗顯示：突破壓力分別為4.72，8.57，14.33，5.65 MPa，儲氣層埋深約2000 m，按照中揚子區(qū)白堊—下第三系區(qū)域天然氣蓋層定量評價標準，屬于良好的天然氣蓋層。

5 上覆地層鉆井工程地質特征

王58井區(qū)位于江漢平原中部，屬于軟土沉積區(qū),儲氣層上覆地層為廣華寺組、荊河鎮(zhèn)組、潛一段、潛二段，主要由雜色泥巖夾砂巖、礫巖、綠灰色泥巖、粉砂巖夾油頁巖、含鈣芒硝泥巖、泥膏巖，鹽巖、鮞狀泥灰?guī)r等組成，地層厚度約2000 m。從整個江漢平原軟土形成環(huán)境來看屬于湖盆形，厚度大，層次變化以垂直方向為主，水平方向較穩(wěn)定，表層巖性過渡到亞黏土至細粉砂層，因此，對建筑施工仍有不利影響。工區(qū)土壤含鹽量大，電阻率一般為20～30 Ω·m，對金屬管線和設備有較大的腐蝕作用。

6 王58井區(qū)儲氣潛力

6.1 單腔體積

鹽穴腔體的體積收縮率是衡量腔體效率的重要指標，按照國際通用標準，鹽穴儲氣庫在設計運營期限30年內正常使用時體積收縮小于30%為合理范圍。研究表明，地下鹽穴儲氣庫腔體的體積收縮率與鹽穴本身的蠕變特性、腔體形態(tài)和運行壓力等因素有直接關系[9，10]。為了降低鹽穴儲氣庫的腔體收縮風險，延長儲氣庫的使用壽命，分別對直徑為80，85，90 m三種腔體在正常循環(huán)注采氣條件下進行了模擬計算(見圖4)，結果表明：體積收縮率增加的速率隨著時間的增加而變緩，體積收縮率逐漸趨于穩(wěn)定。運行30年條件下，直徑為80，85，90 m時體積收縮率變化不顯著，分別為19.84%，20.91%，22.03%，均小于30年體積收縮率30%的限值，可以保證腔體運行安全，腔體直徑取值85～90 m。

圖4 不同腔體直徑時體積收縮率與時間關系曲線

王58井區(qū)造腔段地層厚度約250 m，為保證鹽腔的穩(wěn)定性，設計近似梨形的腔體形態(tài)，以王儲3井為例，模擬計算70～90 m等4種不同直徑單腔體積、單腔有效體積(見表2)，根據單腔有效體積占比情況分析，優(yōu)選方案3，即腔體高度210 m，單腔直徑85 m，單腔體積63×104m3，單腔有效體積43×104m3，單腔有效體積與單腔體積比達到68%，綜合腔體的體積收縮率，腔體直徑取值85 m。

表2 不同腔體單腔體積數據

6.2 布井方式

溶腔礦柱的安全距離對儲氣庫的穩(wěn)定性和經濟性有較大的影響，根據國外建庫經驗，礦柱距離B=KD(D為儲氣庫的直徑)，德國取K=1.5～3.0，美國取K=1.75～2.5[11]。

為了對超大溶腔間礦柱寬度進行優(yōu)化，根據王儲3井所在區(qū)塊的地層參數和超大溶腔形狀參數(以直徑85 m為例)，建立了兩個相鄰溶腔三維地質力學模型，從內壓為17 MPa、運行30年條件下不同礦柱寬度相鄰鹽穴圍巖中垂直變形量圖(見圖5a,b,c,d)可以看出：隨著礦柱寬度的增加，鹽穴圍巖中的大變形區(qū)域(紅色區(qū)域)不斷降低，當礦柱度增加到2.5 D后，大變形區(qū)域基本上不再隨著礦柱寬度的增加而增加。礦柱寬度為1.5，2.0，2.5，3.0 D對應礦柱截面中心點的變形量分別為0.98，0.76，0.53，0.24 m，可見礦柱寬度對其變形量影響較大，從垂直變形量角度，相鄰兩個鹽穴間礦柱寬度取值為2.0～2.5 D?？紤]到單個鹽腔周圍需要一定的距離以確保礦柱安全，同時為了提高鹽巖利用效率，增加單位面積上的工作氣量，相鄰兩個鹽穴間礦柱寬度取值為3.0～3.5 D，計算礦柱寬度為255.0～297.5 m。

圖5 內壓為17 MPa、運行30年條件下不同直徑溶腔圍巖變形量

鹽穴腔體布井方式一般采用三角形井網、正方形井網，對于一個鹽腔的圍巖，正方形井網受到周圍4個鹽腔的壓力影響，而三角形井網受到周圍6個鹽腔的壓力影響，圍巖受力較前者均勻，且減小了井排間距，單個鹽腔占用面積比正方形井網方式少，因此，選用三角形井網300 m井距布井方式。

圖6 王58井區(qū)鹽穴儲氣庫一期工程一階段井位部署

6.3 庫容估算

按鹽層埋深小于2200 m、地層厚度大于200 m、鹽層厚度大于150 m、鹽礦層水可溶物含量大于75%等條件，結合地面狀況，初步篩選出4.3 km2的建庫面積。采用三角形井網，相鄰的鹽腔軸距為300 m，預計王58井區(qū)可部署40個鹽腔，總庫容量為48.09×108m3，有效工作氣量28.04×108m3。

根據王58井區(qū)儲氣庫地質條件、儲氣調峰需求以及鹵水消納能力，擬分兩期工程、三個階段實施，目前正處于一期工程一階段4口井實施階段(見圖6)，預計總庫容量2.37×108m3，有效工作氣量1.4×108m3。

7 結論

(1)王58井區(qū)潛二段鹽層面積大、厚度大、分布穩(wěn)定且埋深適中，具備建設鹽穴儲氣庫的地質條件。

(2)通過分析鹽層及夾層特征，優(yōu)選了潛二段第10～16韻律層作為建庫的有利層段。

(3)根據王儲3井地層參數、超大溶腔形狀參數，結合礦柱安全性，相鄰兩個鹽穴間礦柱寬度取值為3.0 D～3.5 D。

(4)通過分析單腔有效體積、部署方式，預計王58井區(qū)部署40個鹽腔，總庫容量48.09×108m3，有效工作氣量28.04×108m3。