盐穴地下储气库库址地质评价与建库区优选

完颜祺琪 ，冉莉娜，韩冰洁，蔡茂佳，李 琦

1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都610500；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北 廊坊065007；3.中国石油油气地下储库重点实验室，河北 廊坊065007；4.中国石油大港油田分公司勘探公司，天津 大港300280；5.中国石油西气东输管道公司，上海 浦东200122

引 言

盐穴储气库是利用地下较厚的盐层或盐丘，采用人工方式在盐层或盐丘中建造洞穴形成储集空间来存储天然气[1]。目前全球共有45 座盐穴储气库在运行，占储气库总数的11.7%，总工作气量为161.98×108m3，占全球储气库总工作气量的4.6%，在各国的天然气调峰中发挥了重要作用[1-7]。相比其他类型的储气库，盐穴储气库具有构造完整、夹层少、厚度大、物性好、结构坚实、可在储集构造上建较大的溶腔；非渗透性好，不易流失；可缩性强、密封性好以及被水溶蚀之后易开采等优点。

盐穴储气库对库址要求很高，对构造的完整性、盐岩的品位和分布、盖层的密封性等均有特殊要求。地质评价主要包括盐矿地质构造评价、盐层的沉积特征、盐层空间展布的控制因素及分布规律、盐岩层内部夹层的性质及分布规律、盐层顶底地层的密封性、与盐岩体有关的断裂特征、盐岩层中不溶物质的类型及组成，不溶物质含量计算、盐层中夹层分布及对储气库建设影响等[8-10]。盐矿区域地质构造的稳定性、盐岩层分布特征及盐岩盖层的封闭性评价是地址评价的核心。中国的天然气储气库建设相对滞后，金坛盐穴储气库是中国目前建成的唯一个已投入运行的盐穴储气库，分析总结金坛盐穴地下储气库库址的优选评价方法及建库优选原则，对中国盐穴储气库的建设和发展具有深远的战略意义。

1 金坛盐矿基本情况

金坛盐矿位于江苏省常州市的金坛市西北、镇江市以南50 km，距南京市100 km，属常州市茅麓、登冠、西阳及镇江市丹徒县荣炳等乡镇管辖区。盐矿处于华东经济区长江下游金三角地带，工农业生产发达，毗邻的上海、南京、杭州、苏州、无锡、常州、镇江、扬州、南通、张家港等市，大中型企业密布，能源缺乏，天然气市场广阔，建设天然气地下储气库具有得天独厚的优越条件。目前，该地区主要有茅兴、茅溪、金冠（属常州金坛市）及荣炳（属镇江丹徒县）等盐矿，其产量是以销定产，盐矿卤水销售幅射苏、浙、沪，有超过70×104t 的卤水折盐市场。

矿区内，中、古生界及元古界出露于北部地区、西部茅山地区，新生界除在茅山东麓有零星出露外均被新近系覆盖。地层从老到新有元古界的震旦系，古生界的寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系，中生界的三叠系、侏罗系、白垩系及新生界的古近系和新近系。

根据钻井资料，研究区内钻遇新生界古近系和新近系，普遍缺失新近系盐城组地层。钻遇地层从浅到深为新近系东台组（Qd）、古近系三垛组（Es）、戴南组（Ed）、阜宁组（Ef）。

金坛盐矿盐岩层主要发育于阜宁末期——阜宁组四段，属湖盆萎缩阶段局限盐湖沉积。盐岩层埋深800～1 200 m，盐岩层厚度67.85～245.00 m。由于金坛盐矿具备地理位置较好、区域构造稳定、盐岩沉积范围大、盐层埋藏深度适中、盐层厚度大、盐岩品位高及不溶物少、水资源充足的有利条件，是建设储气库的有利目标[11-13]。

2 库址地质评价

2.1 盐岩区域地质构造评价

金坛盆地在大地构造上属于扬子江准北地台的东北部，是苏南隆起区常州拗陷带的次一级构造单元。为中新生代沉积盆地，总体构造格局为中部高、四周低，北东向长33 km，北西向宽约22 km，面积约526 km2。金坛盆地总体构造形态简单，自西向东可分为西部断层发育带、中部小断层发育带和东部断层发育带等3 个断层发育带，断层走向均为近北东—南西向，呈雁列式展布（图1）。其中，西部和东部断层断距大，最大可达上百米，部分断层已断穿玄武岩，破坏了盐岩层上覆的盖层；中部小断层发育，一组为北东—南西向雁列式展布，另一组为北西—南东向展布，是前一组的调谐断层，断距总体偏小，大部分在戴南组泥岩段中消失，对储气库上覆盖层有一定的破坏，但不起决定作用，因此在构造上中部小断层发育带有利于建库。

金坛盐矿盐岩层发育于直溪桥凹陷中。直溪桥凹陷位于金坛盆地西部的深凹部，该凹陷北起旧县、延陵，南至薛埠、西塔山，西达荣炳、西场，东至迪庄、直溪、河口，呈北东走向，面积约265.0 km2，含盐面积38.7 km2。盐岩发育于古近系阜宁组上部，由盐岩段底至三垛组玄武岩顶的构造特征具有明显的继承性——现今总体上为高低相间“一凸两凹”的构造格局。凹陷内的三垛组二段发育大面积玄武岩，厚度50～100 m，是区域内良好的隔水层。

图1 金坛盐矿构造分区及断裂分布图Fig.1 Map of the tectonic units and the faults in Jintan salt mine

2.2 盐岩层分布特征及盖层密封性评价

2.2.1 盐岩层分布特征

金坛地区含盐层段沉积环境为浅水环境，属于湖盆闭塞、湖水变浅的蒸发岩相，为干盐湖沉积。受沉积环境的影响，金坛盐岩层盐体具有厚度大、分布范围广的特点。金坛盐矿盐岩层在平面上和纵向上分布都比较稳定，盐岩矿床平面形态呈肾状分布，北东轴向，长轴12.0 km，短轴5.6 km，含盐面积60.5 km2，盐岩层埋深800～1 200 m，盐岩层厚度67.85～232.29 m。平面上有利区位于东北部的陈家庄一带，盐岩厚度达180.00～240.00 m，平均盐层总厚度198.32 m；其次为茅兴矿区，盐岩厚度130.00～226.00 m，平均盐层总厚度160.61 m，有13 口井盐层总厚度在160 m 以上。纵向上，盐岩层最发育区域为东北部的陈家庄矿区，其次为南部的茅兴矿区。该盐矿矿层为层状盐层，总体上分为3个工业盐岩矿层和7～12 个盐层（表1）。第I 盐岩层主要分布在南部茅兴地区，全区分布南厚北薄，第II 盐岩层全区均匀分布，中部厚，周边减薄。第III 盐岩层全区分布北厚南薄，盐岩层主要分布在陈家庄—马家庄地区，达120.00 m 以上，全区盐岩最发育地区为陈家庄地区，其次为茅兴地区。陈家庄和茅兴盐矿B+C 级盐岩矿石储量较大，分别为10.67×108t 和8.45×108t，综合金坛盐矿纵横向分布特征，认为东北部的陈家庄及南部的茅兴盐矿盐岩发育，储量规模大，厚度大，埋藏深度适中，是建设地下储气库最有利地区。

表1 金坛盐矿盐层厚度数据表Tab.2 The thickness of the salt layer in Jintan salt mine

2.2.2 盖层密封性评价

盐岩盖层的封闭性是盐穴储气库建库可行性的重要论证指标，评价结果能揭示盖层的封盖条件好坏，以判断天然气注入后的封闭情况。对盐矿储气库的盖层进行密闭性评价，是确保盐穴储气库稳定和安全的基础。盖层密封性评价需要从宏观和微观上进行评价，再结合现场地层压力测试进行综合评价，其中，盖层微观评价是评价的重点，本文主要以金资1 井为例进行金坛盐岩盖层的封闭性评价。

宏观上，金坛盐矿区地层平缓，构造简单，断层少，且盖层岩性好，厚度大，分布稳定，远离东、西、北部的断层。阜宁组盐层上覆泥岩厚度大，封闭能力强。盐岩顶部以上的戴南组、三垛组一段玄武岩底面之间的地层为盐岩顶部的盖层，厚度309.99～624.81 m，岩层顶板强度大，盖层岩性以泥岩为主，整体上具有北部较厚、向南变薄的特点，最厚区位于北西缘的浅洼及荣炳以北的地区，其次为陈家庄附近，最薄的区域位于南部边缘的构造隆起带。

微观上，盖层主要为泥质岩类，且泥质岩中以黏土矿物为主，盖层孔隙连通性差、渗透率低，突破压差大，盖层的扩散能力弱，具有很好的封闭能力，是较理想的盖层。泥质岩具有一定的抗变形能力和较大的压缩性，并具有明显的塑性特征，在构造力的作用下易发生塑性变形，具有较好的封闭能力。对金资1 井39 块盖层样品进行薄片、X-衍射分析后认为：盖层岩性均属泥质岩，泥质含量介于26%～70%，平均50%；泥质岩的物质成分比较复杂，所含矿物中最主要的是黏土矿物，平均占25%，其次是陆源碎屑矿物（石英、长石及少量重矿物）和自生非黏土矿物（赤铁矿、黄铁矿、方解石、白云石、石膏等）（图2）。

图2 金资1 井岩石矿物、孔隙结构综合图Fig.2 Relationship between the minerals and pore structure of Well Jinzi1

金资1 井盖层的泥岩样品均较致密，孔隙类型以微孔隙和晶间孔为主，见部分溶蚀孔隙和微裂缝，部分薄片中由于泥质及粉砂相对集中分布而显现层理，该批岩样微孔隙发育，总孔隙体积较大，主要为0.9%～14.8%，平均8.11%，但孔隙连通性差。盖层泥质岩样渗透率较低，为0.000 74～0.085 00 mD，平均0.004 90 mD，主要分布在0.001 00～0.005 00 mD，渗透率小于0.005 00 mD 的盖层岩样达87.7%。渗透率与孔隙度的相关性非常差（图3），渗透率并不因孔隙度的增大而明显增大，因此孔隙度的大小对盖层的封闭性能影响不大。

图3 金资1 井孔隙度与渗透率相关图Fig.3 The porosity-permeability cross-plot of Well Jinzi1

由于岩芯到地面后，应力释放，造成孔隙度和渗透率都有不同程度的增大，为了更为接近真实，对金资1 井夹层样品做了覆压条件下的孔隙度和渗透率测定，覆压物性实验表明：随着净上覆压力的增大，储层岩石受压，孔隙度和渗透率减小，孔隙度下降幅度小，仅降低了4%～9%；地层渗透率比地面渗透率低15%～85%，夹层样品一般降低80%，盖层渗透率多小于0.001 00 mD，而胶结性好的样品渗透率减少15%。常规渗透率转化成地层条件下的渗透率介于0.000 60～0.072 00 mD，平均0.004 00 mD。可见在地层条件下盖层渗透性更低，与地面值相比，具有更好的密封性。

金资1 井46 块盖层岩样的突破压差实验表明，多数盖层样品具有良好的封闭性。盖层岩样最大突破压差达19.9 MPa，平均值为12.3 MPa，分析认为，渗透率0.001 00～0.005 00 mD 的样品占总样品量的84.21%，突破压差大于10 MPa 的样品占总样品量的82.6%，渗透率与突破压差二者具有较好的相关性，随着渗透率的减小，突破压差增大，尤其是当岩石渗透率小于0.010 00 mD 以后，突破压差急剧升高，多大于10 MPa，岩石的封闭性能增大。

盖层的扩散能力弱，通过类比，年扩散量小，可忽略不计。金资1 井实验测得的扩散系数为7.75×10-8～2.04×10-6cm2/s，平均6.27×10-7cm2/s，甲烷和乙烷是通过盖层扩散的主要气体组分。通过类比，认为在扩散系数相近的情况下，金资1 井盖层厚度大，扩散面积小，年损失气量应该不大，因此气库年扩散损失气量可忽略不计。

2.3 盐岩夹层评价

盐穴储气库建设中，相对于盐层不溶或难溶的岩层均称为夹层。受沉积特征的影响，不同盐矿盐岩层内所含夹层的岩性不同。对于盐穴储气库，盐岩夹层数越少越好，越薄越好，分布范围越小越好。

2.3.1 夹层分布特征

通过对金坛地区盐层夹层统计分析，认为金坛地区阜宁组四段含盐层段盐层夹层主要为泥岩，可细分为10 个小夹层，夹层分布特征如下（表2）。

表2 金坛盐矿盐层厚度数据表Tab.2 The thickness of the salt layer in Jintan salt mine

2.3.2 夹层密封性评价

宏观上，金坛盐矿构造稳定、产状平缓、断层断距小；盐层夹层多、单层厚度大，但对气库密封性没有影响。气库范围内小的正断层发育，均断穿盐层，但断距总体偏小，断裂、裂缝少（＜10 条/km2），断距小（＜10 m），岩层有效面积大于3 km2。虽然对储气库上覆盖层和夹层有一定的破坏，但不起决定作用。夹层泥岩发育高角度裂缝，多被桔红色石膏充填。金资1 井在整个钻井过程无泥浆漏失，盐层段取芯收获率平均98.4%，说明所钻遇盐层和夹层无大裂缝和溶洞，钻井泥浆无漏失，测井解释无扩径现象，充填缝在地层条件下闭合性好。金资1 井盐层段内共有19 个夹层，累计厚度31.28 m，总体来说对储气库的密封性影响不大。

微观上，金资1 井夹层以泥岩为主，塑性较好；岩石微细孔径小，吸附能力强；夹层渗透率较低；年扩散量小，可忽略不计；地层毛管压力高，气体难以流动，具有良好的密封性。通过对金资1 井夹层样品室内分析化验11 项，共181 块次，认为夹层岩性塑性条件好；毛管压力高，岩性致密；通过夹层的甲烷气体扩散量可忽略不计。完井试压表明，在最大厚度的泥岩夹层段地层承压25 MPa 未破裂。

3 建库区优选

3.1 优选原则

对目标库址进行地质评价后，对盐矿的基本地质特征有了明确的认识，根据盐矿构造评价成果、盖层评价成果、夹层评价成果及盐体分布、盐岩品位、储量大小、地表条件，在盐矿区内选择构造相对平缓、断层少、顶底板稳定、盐层厚度大、埋藏适中和地表条件好的的区块为建库区块。综合中国已建、在建盐穴储气库成功经验，认为有利的建库区应具备以下6 项基本要素[14-15]。

（1）构造形态简单，断层少，断距小，对建库无影响；（2）盐层厚度大，分布稳定，含盐量高，夹层厚度小，水不溶物含量低于25%；（3）盐层的顶、底板分布稳定，厚度较大，抗压强度大，无裂缝，封闭性和稳定性好；（4）盐层埋深800～1 200 m，适宜建库要求；（5）建库区块避开村镇、河流，但离水源要近；（6）储气规模要满足市场正常调峰气量及应急气量的需求。

3.2 建库区优选

以建库区块的优选原则为基础，对金坛盐矿的3 个区块进行对比评价，认为金坛盐矿的陈家庄和茅兴及其以北地区是建设地下储气库有利地区。

3.2.1 构造特征

通过对三维地震、VSP 及钻井资料综合分析，明确了金坛盆地直溪桥凹陷盐层的构造形态和盐体分布。该盐层地质构造比较简单，呈北东向一拱两洼的基本构造格局，构造起伏不大。陈家庄地区位于凹陷的主体构造单元陈家庄次洼，是盐岩沉积最厚的地区，盐岩厚度大于200 m，断层分布少，东部与东岗低拱相接；茅兴及其以北地区盐层较发育，地层平缓，断层分布少。荣炳盐矿区位于东岗低拱的西北部，处于低拱的斜坡带上，北部有断层通过，荣1、荣3 井钻遇。各区相比，陈家庄地区和茅兴及其以北地区构造条件优于其他地区。

3.2.2 顶板特征

经岩芯分析资料、现场试验及测井资料的综合评价，各地区盖层无裂缝，封闭性较好。三个主要盐矿区中，陈家庄地区顶板厚度最大，为107.22～150.45 m，岩性以含钙芒硝泥岩为主；茅兴地区顶板厚度为96.3～139.4 m，岩性以云质泥岩、含钙芒硝泥岩、钙质泥岩、泥岩为主；荣炳地区顶板厚度96.5～132.0 m，岩性为含钙芒硝泥岩、含膏泥岩。茅兴及其以北属盖层厚度大的地区。

顶板含盐量在茅兴地区相对较低，为12.36%～23.58%，可溶性7.34%～15.48%，是顶板可溶性最低，封闭性、稳定性最好的地区；陈家庄地区次之，含盐量为9.32%～25.17%，可溶性6.67%～17.56%；荣炳相对高一些, 含盐量为5.21%～38.06%，可溶性2.97%～25.83%。

茅兴地区顶板抗压强度大，是最好的地区，自然干燥状态抗压强度为11.38～61.70 MPa，盐水饱和状态单轴抗压强度5.50～56.58 MPa；岩石强度受水的影响较小，岩石软化系数为0.20～0.82；岩石的坚固性与稳定性较好，其干燥坚固系数0.114～0.617，水饱和坚固系数0.055～0.566。

陈家庄地区顶板干燥抗压强度居中，为18.60～44.60 MPa，水饱和单轴抗压强度5.70～35.60 MPa，软化系数0.17～1.31。

荣炳地区顶板岩石力学性能相对较差，干燥状态抗压强度5.40～39.50 MPa，盐水饱和状态单轴抗压强度10.00～16.70 MPa，干燥坚固系数0.054～0.291，水饱和坚固系数为0.100～0.167。

总体来讲，茅兴—上白塘地区顶板性质最好，岩性坚硬，分布广，厚度大，抗压，抗剪强度大，水溶性差；陈家庄地区次之，荣炳地区顶板岩性厚度条件也比较好，但其抗压、抗剪、抗拉强度不如前两个地区，而水溶性高于前两个地区。

3.2.3 盐层特征

各盐矿盐层顶部埋深833～1 015 m，底部埋深958～1 231 m。茅兴地区埋深相对浅，为833～1 092 m，陈家庄、荣炳地区埋藏相对深一些，为932～1 231 m。陈家庄次洼盐层厚度大，分布稳定，其厚度可达200.00 m 以上。位于该次洼的陈家庄盐矿盐层厚度平均为198.32 m，其次茅兴地区160.61 m，位于东岗低拱西北部的荣炳地区厚度相对较小，平均为111.56 m。

从盐层的夹层分布来看，层间及层内夹层总厚度茅兴地区最小，利于盐岩溶漓建腔，其总厚度为14.68 m，平均单层厚度1.17 m，夹层厚度占盐层厚度9.14%，是夹层最薄的地区；陈家庄夹层厚度较大，层数较多，总厚度为22.10 m，平均单层厚度为1.39 m，由于盐层厚度大，夹层厚度仅占盐层厚度比例11.14%；荣炳地区夹层总厚度为22.15 m，平均单层厚度1.52 m，夹层厚度占盐层厚度比例最大，为19.85%。

各盐矿盐层NaCl 含量均很高，可加速溶漓建腔。茅兴及其以北地区各盐层NaCl 含量最高，均在85%以上，陈家庄为73.55%～83.23%，荣炳地区各盐层NaCl 含量稍低，为64.84%～80.75%。

盐层水不溶物含量的大小直接影响溶漓难度和溶腔体积的大小，茅兴地区各盐层水不溶物含量均很小，平均为4.75%～8.65%，荣炳地区15.91%～19.79%，陈家庄为14.95%～24.48%。茅兴及以北—陈家庄地区各盐层水不溶物含量由南往北逐渐增大，为10%～35%。

3.2.4 地面条件

金坛盐矿位于江苏常州市所属金坛市西北，镇江市丹徒县东南，铁路、公路、水路交通方便，地势平坦。通济河、石马河和西阳河通过茅兴—上白塘或其附近，水源充足、方便。

综上所述，陈家庄地区和茅兴及其以北地区，盐层埋深适中，厚度大，NaCl 含量高，水不溶物含量低，夹层厚度小，且地面条件较好，水资源充足，是建设地下储气库的最佳地区。

4 结 论

（1）金坛盆地总体构造形态简单，中部小断层发育，断距总体偏小，大部分在戴南组泥岩段中消失，对储气库上覆盖层有一定的破坏，但不起决定作用，在构造上有利于建库。

（2）金坛地区东北部的陈家庄及南部的茅兴盐矿盐岩发育，B+C 级盐岩矿石储量较大，厚度大，埋藏深度适中，是建设地下储气库最有利地区。

（3）金坛盐矿盖层岩性好，厚度大，分布稳定，远离东、西、北部的断层。微观上，盖层主要为泥质岩类，且泥质岩中以黏土矿物为主，盖层孔隙连通性差、渗透率低，突破压差大，盖层的扩散能力弱，具有很好的封闭能力，是较理想的盖层。

（4）金坛地区阜宁组四段含盐层段盐层夹层主要为泥岩，可分为10 个小夹层。宏观上，盐层夹层多、单层厚度大，但对气库密封性没有影响；微观上，金资1 井夹层以泥岩为主，塑性较好；岩石微细孔径小，吸附能力强；夹层渗透率较低；年扩散量小，可忽略不计；地层毛管压力高，气体难以流动，具有良好的密封性。

（5）金坛盐矿的陈家庄和茅兴及其以北地区是建设地下储气库有利地区。

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