衡陽(yáng)鹽礦區(qū)深部地下空間儲(chǔ)氣地質(zhì)條件適宜性初評(píng)

王 瀟,阮岳軍,楊貴花,何 陽(yáng),曹創(chuàng)華,姚海鵬,王靈玨

(湖南省地質(zhì)調(diào)查所,湖南 長(zhǎng)沙 410114)

0 引言

鹽巖開采后形成的鹽腔可用于能源和廢物處置,是一種重要的深部地質(zhì)空間資源。目前全球共有45座鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)在運(yùn)行,占儲(chǔ)氣庫(kù)總數(shù)的11.7%,總工作氣量為161.98×108m3,占全球儲(chǔ)氣庫(kù)總工作氣量的4.6%,在各國(guó)的天然氣調(diào)峰中發(fā)揮了重要作用[1-7]。我國(guó)鹽巖資源豐富,但除江蘇金壇天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)之外,還未有其它鹽腔資源利用的案例,原因之一是對(duì)我國(guó)其它地區(qū)鹽腔資源研究不足。湖南湘衡鹽礦是我國(guó)特大型鹽礦床之一,鹽巖開采留下的鹽腔空間具備用于能源儲(chǔ)存及高污染廢物的永久處置的潛力。

1 湘衡巖礦基本情況

1.1 礦區(qū)位置

衡陽(yáng)鹽礦區(qū)位于衡陽(yáng)盆地東北部,地域范圍為蔣家山、咸塘、茶山坳、金甲嶺一帶,包括鹽巖礦床,鈣芒硝礦床和硬石膏礦床。包含白鹿港、金甲嶺、茶山坳、蔣家山等礦段。北至白鹿港一帶湘江,南至湘江一級(jí)支流耒水一帶,西東西兩側(cè)均為湘江,平面大致呈“幾”字形,東西長(zhǎng)近8 km,南北寬約13 km。

1.2 地層特征

(1)白露港-茶山坳鹽巖礦段位于衡陽(yáng)紅盆東北部盆地氯化物沉積區(qū)(衡陽(yáng)鹽礦區(qū))。區(qū)內(nèi)出露地層簡(jiǎn)單,除第四系外,僅見(jiàn)古近系霞流市組茶山坳段上部淺色泥巖帶和高嶺段。地層簡(jiǎn)述如下。

(2)全新統(tǒng)(Qh)和更新統(tǒng)(Qp):分布于礦區(qū)南部和西部,不整合于下伏地層之上。

(3)古近系霞流市組高嶺段(E2x2):與下伏地層無(wú)明顯分界,二者為連續(xù)過(guò)渡沉積關(guān)系。以紫紅色泥巖和泥質(zhì)粉砂巖為主,夾薄層青灰色泥巖、泥灰?guī)r和薄層長(zhǎng)石石英砂巖、細(xì)砂巖。局部地段巖石結(jié)構(gòu)粒度變粗,砂巖量增多或出現(xiàn)礫巖夾層。化石主要有哺乳類、爬行類和輪藻類等動(dòng)植物化石,厚﹥150 m。

(4)茶山坳段(E2x1):為礦區(qū)含礦巖系,以咸水湖相沉積及淺色層發(fā)育為其主要特征,其與下伏車江組和上覆高嶺段均呈連續(xù)沉積之漸變關(guān)系。該段自上而下共分為E2x1-5、E2x1-4、E2x1-3、E2x1-2、E2x1-1共計(jì)5個(gè)巖性帶。

1.3 構(gòu)造特征

白露港-茶山坳鹽巖礦段一帶區(qū)域褶皺不發(fā)育,僅見(jiàn)有短小的背斜,如茶山坳背斜,一般走向?yàn)镹E—NEE向,褶皺幅度小,規(guī)模不大,形態(tài)多不完整,對(duì)礦床的影響甚微。主要是斷層發(fā)育,研究區(qū)內(nèi)主要出露樟木市斷層(F2)、雞公山斷層(F3)、茶山坳耒河斷層(F4)、咸塘斷層(F5)(圖1)。其走向多呈NE向,形態(tài)以正斷層為多,常具壓扭性質(zhì),規(guī)模也較大,并有多次活動(dòng)的特點(diǎn),對(duì)“成鹽盆地”的形成、鹽類礦物的沉積起了控制作用,成礦期后的活動(dòng)對(duì)礦層有一定的影響。

圖1 礦區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖

2 鹽礦分布特征分析

研究區(qū)一帶鹽礦主要分布在茶山坳段第三巖性帶(E2x1-3),中上部以鹽巖礦層為主體,夾鈣芒硝巖、鈣芒硝泥巖、硬石膏巖及泥巖,偶夾紫紅色泥巖。厚120～350 m。為鹽巖主礦層;下部以團(tuán)塊狀、腸狀硬石膏泥巖為主,夾1～4 m厚鹽巖礦多層,或夾硬石膏巖及鈣芒硝巖。厚14～50 m。為鹽巖副礦層。研究區(qū)布設(shè)3條剖面線A-A’、B-B’、C-C’,結(jié)合收集鉆探等資料探索區(qū)內(nèi)的水平和垂向巖礦的空間分布特征。

2.1 水平分布

根據(jù)礦區(qū)勘探報(bào)告中鉆孔揭露礦體情況,研究區(qū)一帶可分為白露港-金甲嶺鹽礦段以及茶山坳鹽礦段,水平分布受構(gòu)造控制明顯。兩個(gè)礦段在海聯(lián)-金甲嶺一帶被F3斷層斷開,每個(gè)礦段水平上呈環(huán)狀分布。其中白露港-金甲嶺鹽礦段北起白露港一帶湘江邊的F2斷層,南至金甲嶺-海聯(lián)一帶的F3斷層,東西向以湘江為界,水平面積約26.03 km2;茶山坳鹽礦段北起F3斷層,南至湘江支流耒水,西起湘江邊珠暉塔,東至石塘一帶,水平面積約25.55 km2。

2.2 垂向分布

由圖2、圖3、圖4可知,垂向上礦體分布為鈣芒硝礦體、鹽巖主礦體、鹽巖副礦體。而礦山主要開采鹽巖主礦層,鹽巖副礦層和鈣芒硝礦層均未被開采利用,故本次僅對(duì)鹽巖主礦體的分布進(jìn)行研究。

圖2 A-A’剖面圖

圖3 B-B’剖面圖

圖4 C-C’剖面圖

由圖2中的A-A’剖面可知,白露港-金甲嶺鹽礦段鹽礦的分布呈“凹”形,與盆地的地層分布一致,南北埋深淺,一般高程在-200～-400 m左右,而中部白露港一帶埋深最深,高程區(qū)間-900～-1 220 m左右。鹽礦帶垂向厚度中間厚,向南北兩側(cè)逐步殲滅,平均垂向厚度300 m左右。而茶山坳鹽礦段由于南北向較短,受構(gòu)造及地層控制,未呈“凹”形,而是中間厚,南北兩側(cè)相對(duì)薄的脈狀分布,整體高程分布-200～-450 m左右,平均厚度300 m左右。

圖3的B-B’剖面控制研究區(qū)的東部,鹽礦的垂向分布特征基本與A-A’剖面展示一致,說(shuō)明了兩個(gè)鹽礦段在東西向的分布較為穩(wěn)定,受地層影響,鹽礦的走向與地層走向基本一致。

圖4的C-C’剖面展示,C-C’剖面為近東西向,鹽礦在垂線上近長(zhǎng)條狀,分布高程-100～-600 m不等,厚度130～350 m,東西向整體分布較為均勻,與前文結(jié)論相吻合。

3 鹽礦主礦層特征

鹽巖礦層分主礦層和副礦層。目前僅開采利用鹽巖主礦層,鹽巖副礦層和鈣芒硝礦層均未被開采利用。鹽巖、鈣芒硝礦體呈層狀、似層狀或透鏡狀,形態(tài)簡(jiǎn)單,其產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致,傾向北西、傾角5°～7°。鹽巖主礦層總厚51～355 m,一般厚220 m左右,其中單礦層厚20～40 m,累計(jì)厚度33～296 m,平均厚為187.52 m。夾石累計(jì)厚3～44 m,一般5～10層,單層厚2～5 m;含礦率為65%～95%,一般為80%左右。平均品位NaCl含量46.11%,Na2SO4含量12.33%。礦層埋深212～399 m,東西控制長(zhǎng)3 000 m,南北控制寬900～1 800 m,走向和傾向上均延伸出礦段。

4 礦區(qū)工程地質(zhì)條件及開采后的變化

4.1 鹽巖的開采方法

湘衡鹽礦的開采方法為鉆井水溶法,現(xiàn)為雙(多)井定向連通采鹵方式,已淘汰單井對(duì)流采鹵方式。于相距的兩處或多處施工采鹵井,以現(xiàn)代先進(jìn)的鉆探造斜技術(shù),按預(yù)設(shè)計(jì)軌跡于巖礦層中鉆進(jìn),到達(dá)采礦目的層會(huì)合,兩軌或多軌相會(huì)連通。生產(chǎn)操作可從A井注入清水,清水沿造斜通道溶解巖鹽和鈣芒硝,從B井或C井排出鹵水;也可從B井或C井注入清水,向A、C井或A、B井排出鹵水。造斜通道打通后,通道內(nèi)殘?jiān)?、夾石下落,溶腔通道隨采鹵時(shí)間推移而不斷上蝕,始終形成新的溶腔通道。雙(多)井定向連通采鹵法,具有礦產(chǎn)利用率提高,鹵水濃度高,產(chǎn)量高,采鹵成本低和不需維修采鹵井等方面優(yōu)點(diǎn)。

4.2 礦層頂板蓋層及夾層巖石的穩(wěn)固性

4.2.1 巖性特征

(1)蓋層:近地表為紫紅色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、薄層灰色泥巖,因風(fēng)化原因,垂直裂隙發(fā)育,巖石較破碎。中部以青灰色泥巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖為主,夾灰色細(xì)砂巖、紫紅色泥巖、粉砂巖,裂隙不發(fā)育。下部為青灰色泥灰?guī)r、紫紅色泥巖和棕紅色鈣質(zhì)泥巖,巖石結(jié)構(gòu)致密,鈣質(zhì)泥巖有溶蝕現(xiàn)象。中部和下部巖石,物理力學(xué)試驗(yàn)在干燥狀態(tài)下,極限抗壓強(qiáng)度值較高;但在飽和狀態(tài)下,極限抗壓強(qiáng)度值低。

(2)礦層頂板:礦層頂板為青灰色泥巖與硫酸鹽巖石組成,穩(wěn)固性較好,不透水。但該層與礦層過(guò)渡帶為深灰色含巖鹽泥巖,溶蝕現(xiàn)象明顯,局部已形成溶洞,穩(wěn)固性能較差。

(3)夾層:主礦層礦石本身并非全為巖鹽,常含粘土,夾薄層含鹽泥巖,礦層內(nèi)夾層多為硬石膏泥巖、鈣芒硝泥巖或泥巖,厚為幾十公分到數(shù)米不等。

4.2.2 巖性特征

收集了蓋層各類代表巖石的物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果[8](表1和表2)。

表1 巖石物理性質(zhì)綜合成果表

表2 巖石力學(xué)試驗(yàn)成果表

4.2.3 巖石的穩(wěn)固性

鹽巖蓋層巖石的封閉性和穩(wěn)固性是鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)可行性的重要論證指標(biāo),是確保鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定和安全的基礎(chǔ)[9],對(duì)巖鹽夾層和礦層直接頂板未取物理性能測(cè)定樣,參照蓋層巖石測(cè)試結(jié)果。根據(jù)表1、表2的測(cè)試結(jié)果,結(jié)合巖石抗壓強(qiáng)度分級(jí)表,可見(jiàn)頂板過(guò)渡帶層屬極不堅(jiān)實(shí)巖石。夾層為含硬石膏泥巖、含鈣芒硝泥巖、含巖鹽鈣芒硝泥巖和泥巖,其主要成分為粘土礦物含部分可溶鹽類礦物,易崩塌軟化,屬不堅(jiān)實(shí)巖石,此類巖石于水采過(guò)程中隨著溶腔的擴(kuò)大、巖鹽采空、加以水體動(dòng)能作用失去穩(wěn)固性平衡而塌落,壓覆下伏巖鹽礦層,是影響礦產(chǎn)回采率和井內(nèi)事故的根源;礦層頂板為硫酸鹽巖石夾泥巖,微密無(wú)裂隙,不透水,為頂板隔水層,巖石穩(wěn)固性相對(duì)較好。蓋層巖石的極限抗壓強(qiáng)度值于干燥狀態(tài)下較高,于飽和狀態(tài)下則低,說(shuō)明巖石受水影響易于軟化。

5 儲(chǔ)氣地質(zhì)條件初評(píng)

5.1 評(píng)價(jià)原則

綜合國(guó)內(nèi)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)成功經(jīng)驗(yàn),普遍認(rèn)為有利的建庫(kù)區(qū)應(yīng)具備以下6項(xiàng)基本要素[10-11]。(1)構(gòu)造形態(tài)簡(jiǎn)單,斷層少,斷距小,對(duì)建庫(kù)無(wú)影響;(2)鹽層厚度大,分布穩(wěn)定,含鹽量高,夾層厚度小;(3)鹽層的頂、底板分布穩(wěn)定,厚度較大,抗壓強(qiáng)度大,無(wú)裂縫,封閉性和穩(wěn)定性好;(4)鹽層埋深800～1 200 m,適宜建庫(kù)要求;(5)建庫(kù)區(qū)塊避開村鎮(zhèn)、河流,但離水源要近;(6)儲(chǔ)氣規(guī)模要滿足市場(chǎng)正常調(diào)峰氣量及應(yīng)急氣量的需求。

5.2 分段評(píng)價(jià)

擬在白露港-金甲嶺鹽礦段以及茶山坳鹽礦段一帶對(duì)兩者儲(chǔ)氣的地質(zhì)條件適宜性進(jìn)行初步評(píng)價(jià),綜合前文的論述,分析如下。

(1)白露港-金甲嶺鹽礦段:區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單,地層產(chǎn)狀平緩,褶皺不發(fā)育,斷層不發(fā)育,僅東南面邊界有F3斷層發(fā)育,對(duì)礦層影響小;礦層厚度在300 m左右,分布均勻穩(wěn)定;礦體直接頂板為鈣芒硝礦體,厚度在3.26～9.03 m之間,間接頂板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等,厚度大多800 m以上,巖石整體微密無(wú)裂隙,不透水,巖石穩(wěn)固性相對(duì)較好,密封性好;礦層埋深南北淺,中部滲,高程在-900～-1 220 m,埋深在950～1 300 m左右,保證儲(chǔ)氣能力;區(qū)內(nèi)水源充足,保證造腔用水等條件;區(qū)內(nèi)人居較分散,無(wú)重大工程等設(shè)施。

(2)茶山坳鹽礦段:區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單,地層產(chǎn)狀平緩,褶皺發(fā)育,斷層不發(fā)育,北部為F3斷層,南部為F4斷層,但對(duì)礦層影響小;礦層厚度在300 m左右,分布均勻穩(wěn)定;礦體直接頂板為鈣芒硝礦體,厚度在3.26～9.03 m之間,間接頂板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等,厚度大多400 m以上,巖石整體微密無(wú)裂隙,不透水,巖石穩(wěn)固性相對(duì)較好、密封性;礦層分布高程在-200～-450 m,埋深在250～500 m左右;區(qū)內(nèi)水源充足,保證造腔用水等條件;區(qū)內(nèi)有茶山坳鎮(zhèn)、鐵路、高速等,人口相對(duì)密集。

6 結(jié)語(yǔ)

綜合以上兩個(gè)礦段的地質(zhì)條件適宜性評(píng)價(jià),認(rèn)為白露港-金甲嶺鹽礦段較茶山坳鹽礦段礦體埋深及保存條件更好,可作為地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)首選場(chǎng)地,但需要進(jìn)一步探查明該區(qū)鹽巖礦體的基本情況。