山東巖鹽溶腔儲(chǔ)氣造腔技術(shù)研究展望

富隋小慶 張勇 康延鵬 蔣超華 徐秀鳳

摘要： 山東省巖鹽資源豐富，巖鹽開(kāi)采形成的溶腔空間巨大，因巖鹽地層具有較好的密封性等特點(diǎn)，溶腔可以用來(lái)儲(chǔ)氣縮能。國(guó)內(nèi)巖鹽溶腔儲(chǔ)氣研究始于2000年前后，而山東省巖鹽溶腔儲(chǔ)氣研究尚處于起步階段。該文在碳中和戰(zhàn)略背景下，總結(jié)了國(guó)內(nèi)層狀鹽層溶腔建庫(kù)存在的問(wèn)題，提出山東省巖鹽溶腔建設(shè)儲(chǔ)庫(kù)所面臨的難題和研究的方向，對(duì)山東省內(nèi)巖鹽儲(chǔ)氣庫(kù)規(guī)?；ㄔO(shè)與評(píng)價(jià)具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 巖鹽；溶腔；儲(chǔ)氣庫(kù)；造腔技術(shù)

中圖分類號(hào)： TE822.01 ????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ???doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.02.008

引文格式： 富隋小慶，張勇，康延鵬，等.山東巖鹽溶腔儲(chǔ)氣造腔技術(shù)研究展望［J］.山東國(guó)土資源，2023，39（2）：56 61.FUSUI Xiaoqing， ZHANG Yong， KANG Yanpeng， et al. Prospect of Gas Storage and Cavity Making Technology in Salt Karst Cavity in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（2）：56 61.

0 引言

巖鹽地層具有密封性好、低滲透率、良好的流變性能及自愈性等優(yōu)良特性，因此地下巖鹽溶解后形成的腔體空間具有廣泛的用途，在調(diào)峰能力和規(guī)模等方面的優(yōu)勢(shì)明顯［1］，巖鹽溶腔儲(chǔ)氣庫(kù)技術(shù)可與天然氣［2］、壓縮空氣能［3］、二氧化碳、氫氣、氦氣、核廢料等物質(zhì)儲(chǔ)存深度融合［4］，最大限度地發(fā)揮地下儲(chǔ)氣庫(kù)在能源領(lǐng)域的作用，確保碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

我國(guó)巖鹽礦區(qū)以湖相沉積為主，國(guó)內(nèi)巖鹽溶腔儲(chǔ)氣研究始于2000年［5］，國(guó)內(nèi)首個(gè)完全建成運(yùn)行鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)目前僅有江蘇金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)，經(jīng)20余年的研究與建設(shè)初步形成了一套評(píng)價(jià)體系和建庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)［6］。尤其鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)具有注采氣量大、注采變換靈活、地面施工簡(jiǎn)單、庫(kù)容利用率高等特點(diǎn)［7］，體現(xiàn)了鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)產(chǎn)業(yè)良好前景。但各地巖鹽礦區(qū)的礦層埋深、厚度、夾層情況不盡相同，導(dǎo)致已有溶腔儲(chǔ)氣評(píng)價(jià)體系適用程度不高，目前各地區(qū)建造評(píng)價(jià) 工作仍采用專家論證的方式實(shí)施。

山東省巖鹽資源較豐富，分布于大汶口盆地、單縣黃岡盆地、東明盆地、東營(yíng)盆地，巖鹽資源開(kāi)采以大汶口為主，有關(guān)溶腔儲(chǔ)氣研究和開(kāi)發(fā)利用均處于起步階段，本次通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)以往不同巖鹽礦區(qū)建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)適宜條件和研究難點(diǎn)進(jìn)行歸類總結(jié)，指出山東省巖鹽溶腔儲(chǔ)氣庫(kù)存在的地質(zhì)條件問(wèn)題及解決思路，為日后全省開(kāi)展規(guī)模化儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)和巖鹽資源綜合利用提供參考。

1 巖鹽溶腔儲(chǔ)氣庫(kù)選址基本要求

通常情況下，建設(shè)地下鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)適宜性評(píng)價(jià)［8 9］需要綜合考慮巖鹽礦區(qū)域構(gòu)造、礦層特征、頂板特征等（表1）。

1.1 區(qū)域構(gòu)造

密封性是儲(chǔ)氣庫(kù)的重要特征，直接影響其運(yùn)行安全和儲(chǔ)氣能力，為杜絕氣體的泄漏，巖鹽盆地內(nèi)必須無(wú)區(qū)域性斷層。

1.2 礦體特征

主要指礦體埋深、厚度、礦體品位、礦體夾層情況。鹽層埋藏深度會(huì)導(dǎo)致溶腔所受到的圍壓提高，腔體邊緣容易發(fā)生顯著蠕變而導(dǎo)致腔體失穩(wěn)，而鹽層埋深太淺，會(huì)導(dǎo)致腔體空間的突破壓力值變小，直接降低了儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行壓力、有效庫(kù)容和經(jīng)濟(jì)效益，目前認(rèn)為鹽層埋藏深度800～1200m為宜。礦體厚度越大、品位越高、夾層越少，地下溶腔的空間利用率就越高、經(jīng)濟(jì)效益越明顯、施工技術(shù)難度也越小，也是經(jīng)濟(jì)性最直接的影響因素，通常情況下要求含鹽地層總厚度大于100m、含鹽率大于70%、NaCl綜合含量大于60%。

1.3 頂板特征

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)在地下，鹽穴空間的穩(wěn)定性和密閉性是必須考慮的，通常情況下，需要預(yù)留厚度大于30m的含鹽地層作為頂板，一般選擇滲透率低、堅(jiān)硬巖類、裂隙不發(fā)育的含鹽地層作為頂板，這樣儲(chǔ)氣庫(kù)的穩(wěn)定性和密封性才有保障，反之易引發(fā)項(xiàng)目報(bào)廢。

2 山東巖鹽地質(zhì)條件特征

山東省巖鹽礦資源豐富，分布于大汶口凹陷、黃崗潛凹陷、東明潛凹陷和東營(yíng)潛凹陷（圖1）。大汶口凹陷［10 11］及黃岡潛凹陷［12］的巖鹽礦層埋深適中，NaCl品位較高，蓋層較穩(wěn)定且隔水性也較好，但均面臨夾層占比或厚度過(guò)高的問(wèn)題［13］；而東明潛凹陷［14］和東營(yíng)潛凹陷［15］的巖鹽礦雖然品位高、礦體厚度大，夾層比例低，但埋深過(guò)大則面臨地層壓力較高、巖鹽蠕變等問(wèn)題。各巖鹽礦區(qū)基本特征情況如下。

（1）大汶口凹陷巖鹽礦。

巖鹽礦層32層，頂板埋深750～1100m、底板埋深910～1640m，單孔見(jiàn)礦累計(jì)厚度28.48～165.54m，單層厚度0.63～16.53m，一般厚度3～8m，礦層NaCl平均品位80%～94%；礦體賦存于古近紀(jì)官莊群大汶口組中段，礦層頂板巖性為白云質(zhì)灰?guī)r夾薄層硬石膏巖，礦層底板巖性為含泥質(zhì)白云質(zhì)硬石膏巖、泥灰?guī)r；礦層夾層主要為硬石膏巖，部分地段泥灰?guī)r、含硬石膏泥灰?guī)r、白云巖等。

（2）黃岡潛凹陷巖鹽礦。

巖鹽礦層31層，埋深1079.75～1730.86m，單礦層平均厚度0.25～24.64m，單層最厚53.96m，累計(jì)平均厚度175.45m，NaCl平均品位44.11%～96.08%；礦體賦存與古近紀(jì)官莊群大汶口組中段，礦層頂?shù)装鍑鷰r多為泥巖、膏質(zhì)泥巖及泥質(zhì)硬石膏巖；夾石巖性與圍巖巖性基本一致，多為泥巖、膏質(zhì)泥巖、含泥質(zhì)硬石膏巖，含少量石鹽顆粒，充填于泥巖裂隙中。

（3）東明潛凹陷巖鹽礦。

以夏莊巖鹽礦床為例，巖鹽礦層6層，埋深約2850～3130m，單礦層厚度6.30～31.93m，NaCl平均品位81.19%～93.08%；礦體賦存于古近紀(jì)濟(jì)陽(yáng)群沙河街組一段，礦層頂?shù)装鍑鷰r為深灰色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主；不含或偶含夾石1～5層，夾石巖性以深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主。

（4）東營(yíng)潛凹陷巖鹽礦。

巖鹽礦層3～18層，埋深2400～3450m，單層厚度一般8～30m，最厚43m，巖鹽礦平均累計(jì)厚度170m，NaCl平均品位94.82%。礦體賦存于古近紀(jì)濟(jì)陽(yáng)群沙河街組四段，頂板巖性以灰、灰褐色泥巖為主，夾碳酸巖鹽及油頁(yè)巖；底板巖性主要為紅色砂、泥巖互層夾含礫砂巖、粉砂巖、碳酸巖鹽及石膏等；中部夾藍(lán)灰色泥巖及灰白色石膏層。

3 山東溶腔儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)存在的問(wèn)題

3.1 鹽礦開(kāi)采方法

目前，巖鹽開(kāi)采企業(yè)目標(biāo)為采出巖鹽，沒(méi)有利用地下溶腔建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)的計(jì)劃，因此基本忽略了地下腔體空間形態(tài)的要求，這種單一的巖鹽礦開(kāi)發(fā)利用模式非常不利于巖鹽地下采空區(qū)的綜合利用，造成了老腔后期改造難度的增加，隨著巖鹽溶腔儲(chǔ)氣庫(kù)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，這種單純的采礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式將很快得到改善。

3.2 已有巖鹽溶腔特征

省內(nèi)巖鹽資源開(kāi)采以大汶口巖鹽礦區(qū)為主，多年的累積開(kāi)采形成了大量的溶腔空間，如果將已有的溶腔空間改造為儲(chǔ)氣庫(kù)，將極大地縮短儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)工期，提高地下資源利用率。巖鹽礦山大多采用水平對(duì)接井開(kāi)采，所形成的溶腔分為廢棄的采鹵老腔和在產(chǎn)的采鹵老腔，本次以大汶口巖鹽礦區(qū)主要的已有溶腔為例，簡(jiǎn)述其空間特征。

3.2.1 廢棄水平對(duì)接井

以大汶口巖鹽礦區(qū)廢棄的水平對(duì)接井組東采8井、9井為例，該井組2002年開(kāi)始開(kāi)采，目標(biāo)開(kāi)采鹽層為第7層、8層，根據(jù)2021年聲吶測(cè)腔數(shù)據(jù)結(jié)果［16］，實(shí)際已經(jīng)開(kāi)采到第15層，同時(shí)數(shù)據(jù)顯示沉渣面也在第15層附近，說(shuō)明大部分空間已經(jīng)被沉渣所占據(jù)。參考金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)經(jīng)驗(yàn)，取沉渣膨脹碎脹系數(shù)為1.9，東采8井第7～15層之間夾層比例為47.29%，則溶腔空間被沉渣充填比例90%，即約90%的空間都被沉渣充填。

3.2.2 在產(chǎn)水平對(duì)接井

以礦區(qū)內(nèi)在產(chǎn)的水平對(duì)接井組采11井、12井為例，該井組2005年11月完工并開(kāi)始生產(chǎn)，主采層為第7層鹽，埋深835～842m，鉛直厚度7m；2014年12月因出黑鹵而停產(chǎn)。2017年10月在距離采11井20m、8m處施工2眼探查孔，顯示對(duì)應(yīng)開(kāi)采深度范圍內(nèi)無(wú)溶腔，巖心采取率90%以上，頂板巖石未發(fā)生坍塌破碎，第7層鹽的頂?shù)装逑嘟?，說(shuō)明該處第7層鹽被溶蝕后形成的空間被其頂?shù)装鍘r石蠕變至全部充填［17］。

參考江蘇淮安對(duì)接連通老腔改造利用工程試驗(yàn)分析［18］，巖鹽開(kāi)采過(guò)程中溶蝕主要發(fā)生在采鹵井周圍40～50m范圍（圖2），水平連接通道幾乎無(wú)法被溶蝕，在后續(xù)的開(kāi)采過(guò)程中也一直如此，而兩口采鹵井周圍腔體空間被不溶物沉渣充填導(dǎo)致腔體消失，聲吶檢測(cè)結(jié)果也只是檢測(cè)出部分腔體，該結(jié)果與大汶口老腔空間特征探測(cè)結(jié)果近似，證明鹽礦企業(yè)最初設(shè)想通過(guò)水平對(duì)接井連通實(shí)現(xiàn)自下而上分層開(kāi)采、最大程度利用礦區(qū)巖鹽資源的目標(biāo)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

上述兩組對(duì)井的間距3.7km，彼此之間無(wú)影響，一組廢棄另一組在產(chǎn)，但地下腔體空間特征基本一致，可以大致推測(cè)巖鹽礦區(qū)的廢棄老腔或在產(chǎn)腔體空間特征也具有相似的特征。雖然沉渣充填率較高，但巨大的溶蝕體積使得沉渣空隙空間在儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行壓力下依然具有較高的有效庫(kù)容。

4 溶腔儲(chǔ)氣庫(kù)建造研究展望

4.1 廢棄采井老腔地下空間利用

4.1.1 單井單腔改造

單井對(duì)流法采礦起步于1960年前后，自下而上逐層開(kāi)采，是區(qū)內(nèi)早期巖鹽開(kāi)采主要方式，也是國(guó)內(nèi)老腔改建儲(chǔ)氣庫(kù)成功的主要類型。

單井單腔改造［19］工作伴隨著江蘇金壇儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)開(kāi)始，對(duì)1988—2005年期間積累的大量老腔，在全面調(diào)研的基礎(chǔ)上，制定了一套較為完整的老腔篩選評(píng)價(jià)利用流程，首先老腔附近無(wú)斷層，根據(jù)采鹽量估算溶腔體積超過(guò)20萬(wàn)m3的前提下，要求與周邊腔體無(wú)串通，滿足安全礦柱的要求，具備一定厚度的巖鹽頂板，再開(kāi)展密閉性和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，對(duì)井筒進(jìn)行全井段套銑技術(shù)改造，可以極大地縮短工期，2～5年內(nèi)就可建成規(guī)模化儲(chǔ)氣庫(kù)。

單井單腔改造技術(shù)能否直接應(yīng)用到山東省巖鹽礦區(qū)，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4.1.2 廢棄的對(duì)井連通老腔改造

廢棄的對(duì)井連通老腔改建鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)，是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)老腔改造研究的重點(diǎn)，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)接井改造完成并投產(chǎn)運(yùn)行的成功案例較少。

水平對(duì)接井連通法采鹵起步于1990年之后，由于高效安全、生產(chǎn)事故少、可控性高等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展迅速，逐步替代單井法而成為國(guó)內(nèi)各巖鹽礦區(qū)最主要的采礦方法。這種方法大幅提高了產(chǎn)能，對(duì)井連通溶腔評(píng)價(jià)與單井單腔的評(píng)價(jià)方法相似，經(jīng)研究［20］，一組水平對(duì)接井連通井采鹵產(chǎn)能是一對(duì)直井產(chǎn)能的2～4倍，經(jīng)濟(jì)效益更加明顯，水平對(duì)接井組的生產(chǎn)井后期改造費(fèi)用也比較低，理論上也方便后續(xù)聲吶探測(cè)儀器的投放［21］，可以更好地檢測(cè)腔體空間特征。

山東省肥城壓縮空氣儲(chǔ)能電站I期工程廢棄鹽穴溶腔利用取得成功，尚未形成廢棄對(duì)井連通老腔系統(tǒng)完整的評(píng)價(jià)和改造體系，但對(duì)后期對(duì)接井連通老腔改建儲(chǔ)氣庫(kù)項(xiàng)目的建設(shè)依然具有很好的借鑒意義。

4.2 在產(chǎn)或新鉆對(duì)接井造腔

在產(chǎn)的對(duì)井連通溶腔改建儲(chǔ)氣庫(kù)［22］，與新鉆對(duì)接井造腔建庫(kù)在技術(shù)上是相近的，是高效建造儲(chǔ)氣庫(kù)溶腔的研究重點(diǎn)，現(xiàn)處于理論研究階段。

4.2.1 企業(yè)運(yùn)行模式

國(guó)內(nèi)在產(chǎn)的對(duì)井連通溶腔，主要任務(wù)是開(kāi)采巖鹽，設(shè)計(jì)剩余服務(wù)年限較長(zhǎng)，以大汶口巖鹽礦區(qū)為例，單組對(duì)井生年產(chǎn)規(guī)模15萬(wàn)t以上，理論上每年至少可形成5.77萬(wàn)m3溶腔空間，可形成單組對(duì)井約60萬(wàn)m3的庫(kù)容。目前巖鹽開(kāi)采企業(yè)與儲(chǔ)氣庫(kù)企業(yè)合作已成為業(yè)內(nèi)共識(shí)，目標(biāo)都是合理開(kāi)發(fā)利用地下資源，巖鹽開(kāi)采企業(yè)旨在采出巖鹽礦物舍棄溶腔空間，儲(chǔ)氣庫(kù)企業(yè)旨在利用溶腔空間而舍棄巖鹽礦物，然而巖鹽開(kāi)采企業(yè)與儲(chǔ)氣庫(kù)企業(yè)所采取的溶蝕技術(shù)手段不同，如何使兩種技術(shù)路線高效結(jié)合，是目前亟需解決的問(wèn)題。

儲(chǔ)氣庫(kù)企業(yè)造腔首選單井造腔，技術(shù)手段相對(duì)成熟，但巖鹽資源開(kāi)發(fā)利用率較低，如果結(jié)合目前巖鹽礦山采用的水平對(duì)接井連通采礦法進(jìn)行儲(chǔ)氣庫(kù)造腔，則有望提高巖鹽資源的開(kāi)發(fā)利用率，同時(shí)滿足巖鹽開(kāi)采企業(yè)和儲(chǔ)氣庫(kù)企業(yè)要求，實(shí)現(xiàn)互利共贏，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

4.2.2 水平對(duì)接井采礦法分階段造腔研究

該方法尚處于理論研究階段［23］，國(guó)內(nèi)無(wú)生產(chǎn)應(yīng)用案例。

該方法是在目前巖鹽礦山普遍采用的水平對(duì)接井連通鉆井水溶法的基礎(chǔ)上實(shí)施作業(yè)，可以較大程度的采出地下巖鹽資源的同時(shí)，也可以盡可能的形成儲(chǔ)氣空間。在水平對(duì)接井開(kāi)采作業(yè)的基礎(chǔ)上，于生產(chǎn)井內(nèi)加入可移動(dòng)位置和控制方向的注水管柱，采用無(wú)墊層方式溶解鹽層，待鹽層溶解到預(yù)期形態(tài)后再將水平井內(nèi)的注水口后退移動(dòng)一定距離，結(jié)合聲吶探測(cè)，掌握地下溶腔的形態(tài)特征，及時(shí)調(diào)整注水壓力和溶解方向，將造腔作業(yè)分階段實(shí)施（圖3），最終形成類似隧道形態(tài)的腔體［24］，提高鹽礦資源回采率的同時(shí)，也滿足了儲(chǔ)氣庫(kù)腔體的空間形態(tài)要求，最終促進(jìn)地下空間綜合利用。

5 結(jié)論

（1）山東省巖鹽礦區(qū)顯著特點(diǎn)是夾層既厚又多，鹽穴溶腔儲(chǔ)氣庫(kù)宏觀評(píng)價(jià)總體適宜，但要解決夾層占比過(guò)大的問(wèn)題。

（2）大汶口礦區(qū)內(nèi)廢棄的對(duì)井連通溶腔和在產(chǎn)的對(duì)井連通溶腔，空間特征近似相同，水平段溶腔不明顯，溶腔機(jī)理研究較缺乏，應(yīng)在后期研究中逐步完善。

（3）巖鹽開(kāi)采企業(yè)與儲(chǔ)氣庫(kù)企業(yè)合作雖然已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，但造腔的技術(shù)手段不盡相同，需要兩者協(xié)調(diào)開(kāi)展造腔作業(yè)，在已有的水平對(duì)接井連通采礦法的基礎(chǔ)上研究分階段造腔方案，形成水平井分階段造腔技術(shù)，是當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題。

（4）山東省巖鹽礦區(qū)礦層夾層占比過(guò)高，為了達(dá)到區(qū)域有效庫(kù)容，應(yīng)開(kāi)展多種方式礦層空間整體開(kāi)發(fā)利用技術(shù)研究，隨著巖鹽溶腔儲(chǔ)氣技術(shù)的發(fā)展，單井多腔、對(duì)井多腔、連通腔群建庫(kù)等技術(shù)研究將成為重點(diǎn)攻關(guān)方向。

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Prospect of Gas Storage and Cavity Making Technology ??in Salt Karst Cavity in Shandong Province

FUSUI Xiaoqing1， ZHANG Yong1， KANG Yanpeng2， JIANG Chaohua1， XU Xiufeng1

（1. Shandong Geophysical and Geochemical Exploration ?Institute， Shandong Ji'nan， 250013， China; 2. Research Center of Salt Cavern Gas Storage Technology of PetroChina， Jiangsu Zhenjiang 212002， China）

Abstract： Shandong province is rich in salt rock resources. Salt rock mining has formed a large cavity space. The salt rock formation has good sealing characteristics. It can be used for gas storage and energy contraction. The study of gas storage in salt rock cavity started around 2000 in China， while the study of gas storage in salt rock cavity in Shandong province started at the initial stage. Technical problems and research direction of the construction of salt karst storage in Shandong province have been put forward. It will provide some references for the construction and evaluation of gas storage in Shandong province.

Key words： Salt rock; dissolving cavity; gas storage; cavern construction