山东省岩盐矿区建造储气盐穴地质评价

王磊

泰安市自然资源和规划局，山东 泰安 271000

近二十多年来，国内在建造储气盐穴地质评价方面进行了大量研究，并在江苏金坛建成了三座盐穴储气库。刘凯[1]、丁国生[2]、完颜祺祺[3]、郑雅丽[4]等人提出了中国建造储气盐穴地质评价方法；丁国生[5]、吴颖[6]、陈波[7]、李银平[8]等对江苏金坛、淮安、河南平顶山、湖北云应等地盐矿建造储气盐穴进行了研究评价。山东省岩盐矿产资源丰富，先后在东明盆地、东营盆地、大汶口盆地及单县黄岗盆地中发现规模巨大的岩盐矿层。这些岩盐矿区能否建造储气盐穴？以往对山东省岩盐矿区建造储气盐穴适宜性方面研究较少，此次通过对山东省内各盐矿区岩盐矿床地质条件及开采现状等分析，研究其对建造储气盐穴的影响，分析建造储气盐穴适宜性，为今后在该区进行采盐盐腔利用研究提供参考。

1 山东岩盐矿区地质矿产概况

山东省岩盐矿分布于泰安市的大汶口盆地、东营市的东营盆地、菏泽市的东明盆地和黄岗盆地中（图1）。虽然沉积时代都属于古近纪，但由于所处构造位置不同，各盆地岩盐矿地质特征有很大差异。

图1 山东省岩盐盆地分布图Fig.1 Distribution map of rock salt basins in Shandong province

1.1 黄岗盆地

黄岗地区岩盐矿层分布于单县杨楼-黄岗及其以南地区（图2），赋存于古近系大汶口组中段，分布面积100km2。岩盐矿层最多31层，可采层21层。该区岩盐矿层向南、南西倾斜，倾角1°～3°，局部8°～10°。黄岗地区岩盐矿层埋深1140.65～1730.96m，矿层平均单层厚度2.68～26.78m，最大单层厚度53.96m，平均累计厚度201.87m，NaCl平均50.22%～94.89%；杨楼地区岩盐矿层埋深1097.08～1300.36m，矿层平均单层厚度2.62～18.71m，平均累计厚度91.88m，NaCl平均67.64%～90.31%[9-10]。矿石成份简单，以石盐为主，含少量石膏和泥质。

图2 山东单县黄岗岩盐矿区岩相图Fig.2 Lithofacies map of Huanggang rock salt deposit, Shan county, Shandong

该区为近年来新发现的矿床，勘查程度低，目前尚未开采。

1.2 大汶口盆地

大汶口盆地岩盐矿层分布于泰安市岱岳区马庄镇与肥城市边院镇交界一带，赋存于古近系大汶口组中段。岩盐矿层长轴方向北北西-南东东向，长约11.5km，宽3～5km，分布面积45km2左右[11-12]（图3）。岩盐矿层共有32层，盐层单层厚度0.63～16.53m，单孔见矿累计厚度28.48～165.54m。岩盐顶板埋深750～1100m，底板埋深910～1640.30m。盐层倾向北西向，倾角一般4°～8°。矿层NaCl平均品位80%～94%。岩盐矿层夹层主要为硬石膏岩，部分地段泥灰岩、含硬石膏泥灰岩、白云岩等，局部为泥岩。

图3 山东大汶口盆地岩相图Fig.3 Lithofacies map of Dawenkou basin, Shandong

目前大汶口盆地有10个采矿权，有46对双井对接井、12个连接井在生产。

1.3 东明盆地

东明凹陷位于鲁豫交界的东明-濮阳一带，属新生代断陷盆地，受断裂控制，盆地走向北东向，面积5300km2。东明凹陷内沉积了巨厚的古近系沙河街组，岩性以泥岩为主，其次为粉砂岩、砂岩等，夹岩盐等。岩盐发育于沙一段和沙三段，其中上部的沙一段岩盐分为6个成盐区，面积约406.47km2[13]。其在山东境内岩盐分布面积约200km2，岩盐矿层顶板埋深2150～3400m，底板埋深2250～3500m[14]，盐层倾角0°～8°，发育6层岩盐矿层，平均累计厚度79.87m，NaCl平均品位81.17%～93.08%。

1.4 东营盆地

东营盆地岩盐矿层发育于东营凹陷的东北部，赋存于古近系沙河街组中。矿层分布范围东西长约20km，南北宽约10km，面积约200km2。沙河街组四段上部第一膏盐层段岩盐矿层埋深2935～4400m[15-16]，矿层累计厚度170m，NaCl品位94.72%～98.84%。

2 建造储气盐穴必要地质条件

影响建设盐穴储气库的因素很多，大致可分为地质条件因素和其它因素。地质条件因素主要为盐层埋藏深度、构造条件、盐矿层特征及顶底板稳定性等，其对能否建造储气盐穴起到关键作用；其它条件主要包括地理位置及交通是否优越，与输气管网距离、附近地区燃气调峰供需关系及矿权条件和矿山开采情况等。中国目前建造盐穴储气库主要用于储气调峰，本文主要分析地质条件对建造储气盐穴的影响。

2.1 盐层埋藏深度

储气库的适宜温度为0～75°C，埋藏过深，随着地层向下温度增高，超过这一温度要求，不适宜建造储气盐穴库。此外，随着深度的增加，溶腔所受的围压增加，盐腔壁易发生蠕变而不稳定；相反，如果埋藏过浅，上覆地层围压小，降低了储气库的储气压力和储气库容，极大的影响经济效益。建造储气盐穴库的最适合深度为800～1200m。

2.2 构造条件

储气盐穴库最重要的是密闭性，应选择在断裂构造不发育，圈闭构造良好的区段。在中国东部地区，盐矿多发育于断陷盆地中，虽然盆地边界往往由断层控制，但盆地内断层少，特别是岩盐发育的区域断层更少，密闭性一般良好。

2.3 盐矿层特征

岩盐层的厚度，可溶性盐的含量，夹层厚度及夹层层数、岩性等对造腔起到关键作用。

2.3.1 盐层厚度

单盐层的厚度越大越好。国外许多储气盐穴建在盐丘上，单一的盐层厚度达数百米至近千米，建造的盐穴高达400m左右。一般造腔段盐层累计厚度不小于100m，否则将无法建造达到一定储气规模、经济效益较好的盐穴。

2.3.2 盐层可溶盐含量

岩盐层的可溶性盐主要为NaCl，其次为Na2SO4等，其含量越高对建造储气盐穴越有利，一般对造腔段要求含量不小于70%，最低不能低于60%。。

夹层的厚度、岩性对造腔影响较大。建造储气盐穴段夹层单层厚度一般不大于6m，累计厚度占该段总厚度一般不大于20%，最多不超过30%。夹层为泥岩时，较易造腔；当夹层为硬石膏、石膏岩、白云岩、泥灰岩，且厚度较大时，在造腔中不易崩解，给造腔带来困难。

2.4 顶底板稳定性

建造储气盐穴一般选在古代固体盐矿区进行，其盐层顶底板为厚度较大的泥岩、硬石膏岩、石膏岩等，断裂构造不发育，既隔水，富水性又弱，稳定性好，只有这样，盐层才能完好保存至今。顶板裸露或仅有薄层泥砂层覆盖的盐矿仅发育于第四纪以来气候非常干燥的地区，这样的地区一般不宜建造储气盐穴，此处不再叙述。

3 山东岩盐矿区建造储气盐穴地质条件

由于东营凹陷和东明凹陷岩盐矿层顶板埋深在2150m以下，不适宜建造储气盐穴库，因此，不再对两矿区建造储气盐穴地质条件进行论述及评价。

3.1 泰安大汶口岩盐矿区

3.1.1 盐层埋深

大汶口盆地岩盐矿层埋深一般在800～1200m。从埋深条件看，是建造储气溶腔的理想深度。

3.1.2 构造条件

大汶口盆地发育多条北西向和北东向断裂，但在岩盐沉积范围内断层不发育。断层虽然具有导水性，但连通性不好，径流不畅；另外，由于断层两侧岩性不同，具有阻水作用。综合分析，大汶口盆地岩盐矿层密闭性良好。

3.1.3 岩盐矿层特征

厚度：大汶口盆地岩盐矿层共有32层，具体到某一矿山，最多28层盐。盐层单层厚度0.63～16.53m，一般几米厚；单孔见矿累计厚度28.48～165.54m；含矿率19.97%～55.94%；累计厚度及单层厚度均较小。

品位：矿层NaCl平均品位一般在80%～90%，全矿区平均86.85%。但在矿层厚度最大的肥钾3井25～30盐层井段(表1)，单层平均品位70.47%～86.76%，加权平均73.55%[17]。

表1 大汶口盆地肥钾3部分井段矿层特征一览表Table 1 List of ore layer characteristics of Feijia 3 section in Dawenkou salt mine

夹层特征：岩盐矿层夹层主要为硬石膏岩、泥灰岩、含硬石膏泥灰岩、白云岩等，局部为泥岩。单孔平均单层夹层厚度5.38～9.79m，平均厚7.24m。

3.1.4 顶板稳定性

大汶口盐矿区岩盐矿层顶板为厚度超过100m的硬石膏岩、硬石膏夹泥灰岩，再向上为以泥灰岩、泥岩为主的岩石，顶板稳定性好。

根据以上分析，大汶口盐矿区岩盐矿层埋深适中，构造条件较好，顶板稳定性好，但盐层厚度小、夹层厚度大，含矿率低；另外，夹层岩石多为硬石膏岩、白云岩、泥灰岩等，在水溶中不易崩解。

3.2 单县黄岗岩盐矿区

3.2.1 盐矿层埋深

岩盐矿层埋深1140.65～1730.96m，比江苏金坛盐矿的稍深，黄岗西南部见矿好的ZK01井段埋深1436.60～1576.23m，属于建造储气盐穴的合适深度（表2）。

表2 单县黄岗岩盐矿区ZK01部分井段矿层特征一览表Table 2 List of ore layer characteristics of ZK01 partial well section in Huanggang rock salt mine,Shan county

3.2.2 构造条件

黄岗岩盐矿区发育多条北东-北东东向断裂，但由于工作程度低，其可靠性及断层活动性及导水性能尚须进一步研究。

3.2.3 矿层特征

矿层厚度：黄岗地区岩盐矿层平均单层厚度2.68～26.78m，最大单层厚度53.96m，平均累计厚度201.87m。从最大单层厚度及平均累计厚度分析，与江苏金坛盐矿的相近。根据目前黄岗南部见矿最好的ZK01部分井段（表2）盐层特征分析，第15～21盐层可作为建造储气盐穴的井段，Y17～Y19为造腔位置，其上下盐层可分别作为溶腔的顶底板，Y17～Y19盐层及夹层总厚度108.22m，其中三层盐累计厚度97.46m。

品位：根据该钻孔资料，单矿层品位44.11%～96.08%，全矿层平均68.16%。Y17、Y18和Y19三层盐，NaCl品位分别为63.28%、70.30%和67.98%，三层加权平均65.43%。

夹层特征：根据岩盐发育最好的ZK01孔资料，夹层最大厚度22.42m，最小2.21m，平均7.54m。Y17～Y19两个井段厚度分别为6.36、4.40m，厚度较大。夹层岩性为泥岩、含条带状及薄层石膏，并含少量石盐。由于夹层为泥岩，且含少量水易溶物质，在溶矿时，遇卤水后泥岩易崩解，下沉于溶腔底部。

3.2.4 顶板稳定性

岩盐矿层顶板为厚度巨大的泥岩、膏质泥岩及白云质泥岩等，上部以细砂岩、粉砂岩为主。因此，顶板稳定性较好。

4 山东岩盐矿区建造储气盐穴地质评价

4.1 建造盐穴储气库地质评价方法及参数

近十多年来，随着金坛盐穴储气库的研究与建设，国内有关建造盐穴储气库适宜性地质评价的研究很多。完颜祺祺[18]和丁国生[2]提出了较详细的盐穴储气库地质评价标准，前者按100分制，埋藏深度0～15分，构造0～15分，密封性条件0～20分，盐层地质条件0～40分，顶板稳定性0～10分；后者将地质条件与其它条件一起评价，地质条件占60%（60分），其中埋藏深度0～10分，构造0～10分，密封性条件0～15分，盐层地质条件0～20分，顶板稳定性0～5分。二者比较，虽然各项地质评价条件所占权重略有不同，但总的来说变化不大。

在研究中发现，有些地质条件太差的话，不只是该项不得分，而是不能造腔或即使能造腔而无经济意义。如前文所述，当盐层埋深大于2000m，因地下温度过高、围压过大导致腔壁加速蠕变，不宜建造储气盐穴；当盐层埋深小于500m，因围压过小，限制了储气压力及储气量而不经济，也不宜建造储气盐穴；当造腔段含矿率小于60%或盐层品位小于60%时，所建的盐穴水不溶物所占空间太大，有效体积太小而无经济意义；当夹层厚度太大（大于6m）且为硬石膏岩等较坚硬岩石时，因在造腔中不易破碎、崩解而难以形成上下多层贯通的较稳定溶腔。因此，本文在参考前人研究成果的基础上，对建造盐穴储气库地质评价参数进行了适当简化和修改（表3），增加了盐层埋深大于2000m或小于500m、NaCl品位小于60%及较硬岩层单层厚度大于6m时不适合建造储气盐穴等评价参数。

表3 建造盐穴储气库地质条件适宜性评价参数表Table 3 Evaluation parameters of suitability of geological conditions for building salt cave gas storage

建造盐穴储气库地质条件适宜性评价参数值共60分，当评价参数值占总分大于90%时，为建库条件好，适宜建库；75%～90%，为较适宜；60%～75%为一般；小于60%为不适宜。

4.2 泰安大汶口岩盐矿区建造储气盐穴适宜性地质评价

4.2.1 利用采盐老腔建造储气盐穴的可能性

大汶口岩盐矿区主要采用双井对流水溶法采盐。近年来有关单位在大汶口岩盐矿区进行了采盐溶腔调查，为测量采盐溶腔，对十多口井进行通井，绝大多数井通井只能到达距溶腔位置上方30～60m。通井不能到达溶腔位置说明顶板岩石发生整体位移（坍塌）或（和）因岩石长期发生蠕变导致套管变形，因此无法进行溶腔测量[19]。

根据王少华等[20]在大汶口岩盐矿区的调查研究，这种双井对流采盐的多薄层盐矿区，且夹层又以硬石膏岩、泥灰岩、白云岩等较坚硬岩石为主，形成的溶腔高度较低(受限于较小的盐层厚度)、水平长度较大(双井对流采盐的原因)，略似上宽下窄的马槽状。这种溶腔不稳定，周边岩石，特别是顶板岩石向下蠕变、下沉，填充溶腔，或者发生坍塌。因此，大汶口岩盐矿区采盐老腔难以用来改造成储气盐穴。

4.2.2 新建储气盐穴的可能性

根据前文，以岩盐矿层最厚的肥钾3孔25～30盐层为例，对大汶口盐矿区建造盐穴储气库地质条件适宜性评价参数进行计算：埋藏深度1100～1200m，10分；盐构造形态简单，4分；断层不发育，5分；区域盖层稳定分布，2分；直接盖层岩性为岩盐、硬石膏岩及泥岩等，4分；直接盖层厚度大于50m，4分；边界断层密封性，2分；盐层地质条件中，厚度100～200m，1分；含矿率72.7%，3分；品位73.55%，3分；夹层厚度大于6m，夹层占比27.7%，0分；岩性致密，厚度较大，5分；合计43分。满分为60分，折合百分制71.67分，属一般，但由于夹层厚度大于6m，且为较坚硬的硬石膏岩，因此不适宜建造储气盐穴库[21]。

大汶口盆地岩盐含矿率较低，即矿层占比低，夹层占比较高，造腔中，溶腔有效体积小。以肥钾3孔上部25～31盐层为目标层，进行建造储气盐穴有效体预估：其中31盐层厚9.6m，作为溶腔顶板；30～25盐层共6层盐作为造腔段，高度87.13m，其中6层盐单盐层最大15.08m，最小6.07m，累计厚度63m，含矿率72.31%；夹层累计厚度24.13m，最厚6.16m，最薄3.06m，平均厚4.80m。

根据江苏金坛盐矿对采盐老腔测量成果[22]，盐腔最大半径一般32.2～56.2m，多数42.5～48m；新设计施工的盐腔JK3-2和JK6-5最大半径分别为37.3m和35.85m[2]。结合国外储气盐穴情况，一般储气溶腔半径20～40m，平均按30m计算，大汶口盆地肥钾25～30盐层井段高87.13m，盐穴腔体体积为246354m3，在溶腔建造中，水不溶物在溶腔底部出不来。近年来有关部门在江苏淮安盐矿进行研究，位于溶腔底部的不溶岩屑缝隙间也可以存储气体，因此，夹层岩石碎胀系数按1计算，这些残留物分为两部分：夹层岩石所占空间为π×302×24.13＝68226m3，盐层中水不溶物占空间为π×302×63×（1-73.55%）＝47115m3，合计115341m3，理论有效空间为131013m3，有效空间占53.18%，有效空间较小(一般要求达60%以上)，不经济。曾有研究者设想在这种夹层厚度大的多层盐矿区，夹层不坍塌建设糖葫芦状溶腔，但这种溶腔建造难度大且安全性、密闭性是否能达到要求，是否经济可行需进一步研究，目前无成功案例。

综上分析，大汶口盐矿区难以利用采盐老腔建造储气盐穴，也不适宜新建储气盐穴。

4.3 单县黄岗岩盐矿区建造储气盐穴适宜性地质评价

同样对单县黄岗盐矿区建造盐穴储气库地质条件适宜性评价参数进行计算，初步选择见矿最好的ZK01孔Y17～Y19盐层段作为建造储气盐穴评价段。埋深1461.14～1569.42m，10分；盐构造形态简单，4分，断层较发育，3分；区域盖层稳定分布，2分；直接盖层岩性为岩盐、硬石膏岩及泥岩等，4分；直接盖层厚度大于50m，4分；边界断层密封性2分；盐层地质条件中总厚度大于200m，4分；含矿率90.06%，5分；品位65.43%，2分；夹层厚度大于6m，夹层占比9.94%，1分；底板岩性致密，厚度较大，5分。合计46分，满分为60分，折合标准分76.67分。

黄岗地区全矿区NaCl平均品位68.19%，对造腔段Y17、Y18、Y19三层盐NaCl品位加权平均为65.43%，较江苏金坛的85%明显偏低。

对Y17～Y19盐层段造腔大致计算：该造腔段高108.22m，盐层累计厚度97.46m，NaCl加权平均品位65.43%，夹层累计厚度10.76m，溶腔平均半径30m，则溶腔体积为305984m3，水不溶残 留 物 占 空 间 为：π×302×24.13+π×302×63×（1-73.55%）＝125685m3，理论有效空间为180299m3，占总体积58.92%，有效空间略小。

在该造腔段中，Y17～Y18两盐层间的夹层为厚6.36m的泥岩，超过了一般造腔对夹层厚度的要求（金坛盐矿泥岩夹层一般厚1～2m）。在国外建造溶腔时，一般认为泥岩夹层最好要小于6m。但在江苏淮安盐矿进行造腔先导性试验中，厚12m的泥岩夹层也能在造腔溶蚀中崩解，使溶腔上下贯通[2]，因此，本区厚6.36m的泥岩夹层可能不会成为造腔中的障碍。另外，根据以往地质资料，该矿区岩盐分布范围内断裂构造发育，其对盐层及盐穴密封性的影响等情况，尚须进一步研究。

根据以上分析，单县黄岗地区具备建造储气溶腔的基本条件，但盐层NaCl品位偏低，这样建造的溶腔有效体积较低，经济效益较差。由于该地区为近年来新发现的矿区，勘查程度低，仅达到普查-预查阶段，在超过150km2的范围内，仅施工6个岩盐勘查孔，因此，该矿区岩盐矿层尚未查明。在矿区南部的鲁豫交界附近可能会找到厚度更大、品位更高的岩盐矿层，为今后在该矿区建造储气盐穴提供更适宜的条件。

5 结论

大汶口盆地岩盐矿由于采用了双井对接采盐，形成的溶腔不稳定，因此采盐老腔难以用来建造储气盐穴库。该矿区岩盐矿层薄，夹层厚度大，含矿率较低，即使专门建造盐穴，其有效体积占比低于60%，不经济。另外，由于夹层厚度大，且为较坚硬的硬石膏岩等，在造腔中不易破碎、崩解，难以形成上下多层贯通的较稳定溶腔。

单县黄岗盆地岩盐矿层发育好的矿段矿层厚度较大，含矿率高，夹层占比较小，且为泥岩，其它建造盐穴地质条件也较好。但由于该矿段NaCl含量较低(65.43%)，建造的盐穴有效体积占比稍低(58.92%)。该矿区为近年来新发现的岩盐矿区，勘查程度仅达到普查-预查阶段，对矿层并未查明，在南部的豫鲁交界一带，有望找到矿层更好、更适合建造储气盐穴的矿段。

根据以上分析，今后山东省建造储气盐穴库研究应重点放到单县黄岗盆地，而首要工作是在该矿区进行地质勘查，查明岩盐矿层，寻找更适宜建造储气盐穴库的矿段，然后再进行建造储气盐穴库的试验研究工作。