山东岩盐溶腔储气造腔技术研究展望

富隋小庆 张勇 康延鹏 蒋超华 徐秀凤

摘要： 山东省岩盐资源丰富，岩盐开采形成的溶腔空间巨大，因岩盐地层具有较好的密封性等特点，溶腔可以用来储气缩能。国内岩盐溶腔储气研究始于2000年前后，而山东省岩盐溶腔储气研究尚处于起步阶段。该文在碳中和战略背景下，总结了国内层状盐层溶腔建库存在的问题，提出山东省岩盐溶腔建设储库所面临的难题和研究的方向，对山东省内岩盐储气库规模化建设与评价具有重要意义。

关键词： 岩盐；溶腔；储气库；造腔技术

中图分类号： TE822.01     文献标识码： A    doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.02.008

引文格式： 富隋小庆，张勇，康延鹏，等.山东岩盐溶腔储气造腔技术研究展望［J］.山东国土资源，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

岩盐地层具有密封性好、低渗透率、良好的流变性能及自愈性等优良特性，因此地下岩盐溶解后形成的腔体空間具有广泛的用途，在调峰能力和规模等方面的优势明显［1］，岩盐溶腔储气库技术可与天然气［2］、压缩空气能［3］、二氧化碳、氢气、氦气、核废料等物质储存深度融合［4］，最大限度地发挥地下储气库在能源领域的作用，确保碳中和战略目标的实现。

我国岩盐矿区以湖相沉积为主，国内岩盐溶腔储气研究始于2000年［5］，国内首个完全建成运行盐穴储气库目前仅有江苏金坛盐穴储气库，经20余年的研究与建设初步形成了一套评价体系和建库关键技术［6］。尤其盐穴储气库具有注采气量大、注采变换灵活、地面施工简单、库容利用率高等特点［7］，体现了盐穴储气库产业良好前景。但各地岩盐矿区的矿层埋深、厚度、夹层情况不尽相同，导致已有溶腔储气评价体系适用程度不高，目前各地区建造评价 工作仍采用专家论证的方式实施。

山东省岩盐资源较丰富，分布于大汶口盆地、单县黄冈盆地、东明盆地、东营盆地，岩盐资源开采以大汶口为主，有关溶腔储气研究和开发利用均处于起步阶段，本次通过对国内以往不同岩盐矿区建设储气库适宜条件和研究难点进行归类总结，指出山东省岩盐溶腔储气库存在的地质条件问题及解决思路，为日后全省开展规模化储气库建设和岩盐资源综合利用提供参考。

1 岩盐溶腔储气库选址基本要求

通常情况下，建设地下盐穴储气库适宜性评价［8 9］需要综合考虑岩盐矿区域构造、矿层特征、顶板特征等（表1）。

1.1 区域构造

密封性是储气库的重要特征，直接影响其运行安全和储气能力，为杜绝气体的泄漏，岩盐盆地内必须无区域性断层。

1.2 矿体特征

主要指矿体埋深、厚度、矿体品位、矿体夹层情况。盐层埋藏深度会导致溶腔所受到的围压提高，腔体边缘容易发生显著蠕变而导致腔体失稳，而盐层埋深太浅，会导致腔体空间的突破压力值变小，直接降低了储气库的运行压力、有效库容和经济效益，目前认为盐层埋藏深度800～1200m为宜。矿体厚度越大、品位越高、夹层越少，地下溶腔的空间利用率就越高、经济效益越明显、施工技术难度也越小，也是经济性最直接的影响因素，通常情况下要求含盐地层总厚度大于100m、含盐率大于70%、NaCl综合含量大于60%。

1.3 顶板特征

盐穴储气库建设在地下，盐穴空间的稳定性和密闭性是必须考虑的，通常情况下，需要预留厚度大于30m的含盐地层作为顶板，一般选择渗透率低、坚硬岩类、裂隙不发育的含盐地层作为顶板，这样储气库的稳定性和密封性才有保障，反之易引发项目报废。

2 山东岩盐地质条件特征

山东省岩盐矿资源丰富，分布于大汶口凹陷、黄岗潜凹陷、东明潜凹陷和东营潜凹陷（图1）。大汶口凹陷［10 11］及黄冈潜凹陷［12］的岩盐矿层埋深适中，NaCl品位较高，盖层较稳定且隔水性也较好，但均面临夹层占比或厚度过高的问题［13］；而东明潜凹陷［14］和东营潜凹陷［15］的岩盐矿虽然品位高、矿体厚度大，夹层比例低，但埋深过大则面临地层压力较高、岩盐蠕变等问题。各岩盐矿区基本特征情况如下。

（1）大汶口凹陷岩盐矿。

岩盐矿层32层，顶板埋深750～1100m、底板埋深910～1640m，单孔见矿累计厚度28.48～165.54m，单层厚度0.63～16.53m，一般厚度3～8m，矿层NaCl平均品位80%～94%；矿体赋存于古近纪官庄群大汶口组中段，矿层顶板岩性为白云质灰岩夹薄层硬石膏岩，矿层底板岩性为含泥质白云质硬石膏岩、泥灰岩；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。

（2）黄冈潜凹陷岩盐矿。

岩盐矿层31层，埋深1079.75～1730.86m，单矿层平均厚度0.25～24.64m，单层最厚53.96m，累计平均厚度175.45m，NaCl平均品位44.11%～96.08%；矿体赋存与古近纪官庄群大汶口组中段，矿层顶底板围岩多为泥岩、膏质泥岩及泥质硬石膏岩；夹石岩性与围岩岩性基本一致，多为泥岩、膏质泥岩、含泥质硬石膏岩，含少量石盐颗粒，充填于泥岩裂隙中。

（3）东明潜凹陷岩盐矿。

以夏庄岩盐矿床为例，岩盐矿层6层，埋深约2850～3130m，单矿层厚度6.30～31.93m，NaCl平均品位81.19%～93.08%；矿体赋存于古近纪济阳群沙河街组一段，矿层顶底板围岩为深灰色泥岩、泥质粉砂岩为主；不含或偶含夹石1～5层，夹石岩性以深灰色泥岩、粉砂质泥岩为主。

（4）东营潜凹陷岩盐矿。

岩盐矿层3～18层，埋深2400～3450m，单层厚度一般8～30m，最厚43m，岩盐矿平均累计厚度170m，NaCl平均品位94.82%。矿体赋存于古近纪济阳群沙河街组四段，顶板岩性以灰、灰褐色泥岩为主，夹碳酸岩盐及油页岩；底板岩性主要为红色砂、泥岩互层夹含砾砂岩、粉砂岩、碳酸岩盐及石膏等；中部夹蓝灰色泥岩及灰白色石膏层。

3 山东溶腔储气库建设存在的问题

3.1 鹽矿开采方法

目前，岩盐开采企业目标为采出岩盐，没有利用地下溶腔建设储气库的计划，因此基本忽略了地下腔体空间形态的要求，这种单一的岩盐矿开发利用模式非常不利于岩盐地下采空区的综合利用，造成了老腔后期改造难度的增加，随着岩盐溶腔储气库产业链的发展，这种单纯的采矿产业发展模式将很快得到改善。

3.2 已有岩盐溶腔特征

省内岩盐资源开采以大汶口岩盐矿区为主，多年的累积开采形成了大量的溶腔空间，如果将已有的溶腔空间改造为储气库，将极大地缩短储气库建设工期，提高地下资源利用率。岩盐矿山大多采用水平对接井开采，所形成的溶腔分为废弃的采卤老腔和在产的采卤老腔，本次以大汶口岩盐矿区主要的已有溶腔为例，简述其空间特征。

3.2.1 废弃水平对接井

以大汶口岩盐矿区废弃的水平对接井组东采8井、9井为例，该井组2002年开始开采，目标开采盐层为第7层、8层，根据2021年声呐测腔数据结果［16］，实际已经开采到第15层，同时数据显示沉渣面也在第15层附近，说明大部分空间已经被沉渣所占据。参考金坛盐穴储气库建库经验，取沉渣膨胀碎胀系数为1.9，东采8井第7～15层之间夹层比例为47.29%，则溶腔空间被沉渣充填比例90%，即约90%的空间都被沉渣充填。

3.2.2 在产水平对接井

以矿区内在产的水平对接井组采11井、12井为例，该井组2005年11月完工并开始生产，主采层为第7层盐，埋深835～842m，铅直厚度7m；2014年12月因出黑卤而停产。2017年10月在距离采11井20m、8m处施工2眼探查孔，显示对应开采深度范围内无溶腔，岩心采取率90%以上，顶板岩石未发生坍塌破碎，第7层盐的顶底板相接，说明该处第7层盐被溶蚀后形成的空间被其顶底板岩石蠕变至全部充填［17］。

参考江苏淮安对接连通老腔改造利用工程试验分析［18］，岩盐开采过程中溶蚀主要发生在采卤井周围40～50m范围（图2），水平连接通道几乎无法被溶蚀，在后续的开采过程中也一直如此，而两口采卤井周围腔体空间被不溶物沉渣充填导致腔体消失，声呐检测结果也只是检测出部分腔体，该结果与大汶口老腔空间特征探测结果近似，证明盐矿企业最初设想通过水平对接井连通实现自下而上分层开采、最大程度利用矿区岩盐资源的目标无法实现。

上述两组对井的间距3.7km，彼此之间无影响，一组废弃另一组在产，但地下腔体空间特征基本一致，可以大致推测岩盐矿区的废弃老腔或在产腔体空间特征也具有相似的特征。虽然沉渣充填率较高，但巨大的溶蚀体积使得沉渣空隙空间在储气库运行压力下依然具有较高的有效库容。

4 溶腔储气库建造研究展望

4.1 废弃采井老腔地下空间利用

4.1.1 单井单腔改造

单井对流法采矿起步于1960年前后，自下而上逐层开采，是区内早期岩盐开采主要方式，也是国内老腔改建储气库成功的主要类型。

单井单腔改造［19］工作伴随着江苏金坛储气库的建设开始，对1988—2005年期间积累的大量老腔，在全面调研的基础上，制定了一套较为完整的老腔筛选评价利用流程，首先老腔附近无断层，根据采盐量估算溶腔体积超过20万m3的前提下，要求与周边腔体无串通，满足安全矿柱的要求，具备一定厚度的岩盐顶板，再开展密闭性和稳定性评价，对井筒进行全井段套铣技术改造，可以极大地缩短工期，2～5年内就可建成规模化储气库。

单井单腔改造技术能否直接应用到山东省岩盐矿区，还有待进一步验证。

4.1.2 废弃的对井连通老腔改造

废弃的对井连通老腔改建盐穴储气库，是现阶段国内老腔改造研究的重点，但目前国内对接井改造完成并投产运行的成功案例较少。

水平对接井连通法采卤起步于1990年之后，由于高效安全、生产事故少、可控性高等优点，发展迅速，逐步替代单井法而成为国内各岩盐矿区最主要的采矿方法。这种方法大幅提高了产能，对井连通溶腔评价与单井单腔的评价方法相似，经研究［20］，一组水平对接井连通井采卤产能是一对直井产能的2～4倍，经济效益更加明显，水平对接井组的生产井后期改造费用也比较低，理论上也方便后续声呐探测仪器的投放［21］，可以更好地检测腔体空间特征。

山东省肥城压缩空气储能电站I期工程废弃盐穴溶腔利用取得成功，尚未形成废弃对井连通老腔系统完整的评价和改造体系，但对后期对接井连通老腔改建储气库项目的建设依然具有很好的借鉴意义。

4.2 在产或新钻对接井造腔

在产的对井连通溶腔改建储气库［22］，与新钻对接井造腔建库在技术上是相近的，是高效建造储气库溶腔的研究重点，现处于理论研究阶段。

4.2.1 企业运行模式

国内在产的对井连通溶腔，主要任务是开采岩盐，设计剩余服务年限较长，以大汶口岩盐矿区为例，单组对井生年产规模15万t以上，理论上每年至少可形成5.77万m3溶腔空间，可形成单组对井约60万m3的库容。目前岩盐开采企业与储气库企业合作已成为业内共识，目标都是合理开发利用地下资源，岩盐开采企业旨在采出岩盐矿物舍弃溶腔空间，储气库企业旨在利用溶腔空间而舍弃岩盐矿物，然而岩盐开采企业与储气库企业所采取的溶蚀技术手段不同，如何使两种技术路线高效结合，是目前亟需解决的问题。

储气库企业造腔首选单井造腔，技术手段相对成熟，但岩盐资源开发利用率较低，如果结合目前岩盐矿山采用的水平对接井连通采矿法进行储气库造腔，则有望提高岩盐资源的开发利用率，同时满足岩盐开采企业和储气库企业要求，实现互利共赢，经济效益显著提高。

4.2.2 水平对接井采矿法分阶段造腔研究

该方法尚处于理论研究阶段［23］，国内无生产应用案例。

该方法是在目前岩盐矿山普遍采用的水平对接井连通钻井水溶法的基础上实施作业，可以較大程度的采出地下岩盐资源的同时，也可以尽可能的形成储气空间。在水平对接井开采作业的基础上，于生产井内加入可移动位置和控制方向的注水管柱，采用无垫层方式溶解盐层，待盐层溶解到预期形态后再将水平井内的注水口后退移动一定距离，结合声呐探测，掌握地下溶腔的形态特征，及时调整注水压力和溶解方向，将造腔作业分阶段实施（图3），最终形成类似隧道形态的腔体［24］，提高盐矿资源回采率的同时，也满足了储气库腔体的空间形态要求，最终促进地下空间综合利用。

5 结论

（1）山东省岩盐矿区显著特点是夹层既厚又多，盐穴溶腔储气库宏观评价总体适宜，但要解决夹层占比过大的问题。

（2）大汶口矿区内废弃的对井连通溶腔和在产的对井连通溶腔，空间特征近似相同，水平段溶腔不明显，溶腔机理研究较缺乏，应在后期研究中逐步完善。

（3）岩盐开采企业与储气库企业合作虽然已经达成共识，但造腔的技术手段不尽相同，需要两者协调开展造腔作业，在已有的水平对接井连通采矿法的基础上研究分阶段造腔方案，形成水平井分阶段造腔技术，是当前亟需解决的问题。

（4）山东省岩盐矿区矿层夹层占比过高，为了达到区域有效库容，应开展多种方式矿层空间整体开发利用技术研究，随着岩盐溶腔储气技术的发展，单井多腔、对井多腔、连通腔群建库等技术研究将成为重点攻关方向。

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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