山东大汶口盆地多夹层盐矿采盐溶腔特征

王成明,王建夫,张 勇,王文权,富隋小庆

(1.山东省物化探勘察院·地下资源环境高精度探测山东省工程研究中心,山东 济南 250013;2.中国石油盐穴储气库技术研究中心,江苏 镇江 212000;3.国家管网集团工程技术创新有限公司,天津 300450)

近年来,中国盐穴储气库快速发展,进入建设“黄金期”[1]。江苏金坛已经建成盐穴储气库3座,形成工作气11×108m3,江苏张兴、河南叶县都已经进入实质性工程建设阶段[2-3]。但受限于中国盐矿湖相沉积条件限制,盐穴储气建设逐渐向低品位、多夹层、薄盐层等复杂地质条件方向发展,建库难度不断增加[4-7]。其中,山东大汶口盆地是典型的多夹层盐矿,不溶物夹层数量多,溶腔沉渣填埋程度高,腔体形态异常,其独特的溶腔特征严重限制该地区盐穴空间储气利用[8-9]。

为了探索大汶口盆地多夹层盐矿盐穴储气高效建库方式,首先分析了该地区盐矿地质特征,其次通过室内实验研究了盐岩及夹层溶蚀特点和水采溶腔沉渣空隙储气能力,最后通过声呐探测了地下腔体实际形状,并推测了整体溶腔形态,提出了针对该地区的沉渣空隙储气高效建库方法。研究成果对加快大汶口盆地盐穴储气库建设具有重要意义。

1 大汶口盐矿地质特征

大汶口盆地位于泰安市城区西南约20 km处,其东西长约30 km,南北宽约15 km,岩盐矿资源储量达75.21亿t。盆地主要是受北部南留断裂所控制,是一个北断南超的单断箕状盆地(图1)。自盆地边缘至中心划分了膏盐相区、石盐相区、钠镁盐相区和钾镁盐相区。盐岩相集中分布在东向洼地内,平面上呈透镜状,北西—南东向约5.87 km,西南—东北向约3.12 km,平面展布面积约50.12 km2。

图1 大汶口盆地构造图

含盐地层位于古近系官庄群大汶口组中段,为一套灰色巨厚层泥灰岩,属于蒸发岩沉积。含盐段钻遇盐矿32层,岩性以块状盐岩和硬石膏岩互层为主,断续夹泥灰岩、泥岩、钙芒硝岩、钠镁岩盐、杂卤石。矿区内盐矿分布稳定,已钻井数据表明矿区内盐顶埋深877.8～1 029.4 m,岩盐含矿带厚度67.1～345.1 m之间,含矿率52%,单盐层平均厚度5.7～7 m,最大18.02 m。

大汶口盐矿不溶物夹层数量较大,占比约50%,单夹层平均厚度在5.2～7.0 m之间,最大12.11 m。对接井采盐溶腔过程中不溶物夹层在卤水浸泡下失稳垮塌,以块状沉渣的方式大量松散堆积在腔底,严重影响腔体空间利用率。传统建库方式(盐穴净空间利用模式)难以实现大汶口盐矿大型储气库建设,最近几年出现的沉渣空隙储气新建库思路为该地区建库提供了可能[10-13]。

2 盐岩及夹层溶蚀特征

2.1 盐岩溶蚀特征

大汶口盐岩常呈灰白色、浅烟灰色(图2a),品味较高,一般为86%～95%。溶蚀特征实验表明绝大部分盐岩都能够充分溶蚀掉,较纯的部位溶解后形成絮状沉渣粉末(图2b),而不溶物含量高的部位溶解后形成结构松散的蜂窝状沉渣块体,在外力作用下极易破碎(图2c)。溶蚀速度是造腔过程中卤水与盐岩接触面向盐岩内部推进的速度,分为上溶速度和侧溶速度[14]。溶蚀速度实验表明在0～5 °Be′条件下,侧溶速度平均为7.87 mm/h,上溶速度平均为11.00 mm/h。侧溶角又称静息角,盐岩溶蚀过程中饱和卤水不断在底部聚集,盐壁溶蚀速度不断降低直至停止,最后在底部自然形成一定坡度的壁面[15]。实验显示当卤水达到饱和浓度24 °Be′时,该地区盐岩侧溶角最高可达36.0 °,平均25.6 °(表1)。

表1 大汶口盐岩溶蚀速度及侧溶角

图2 盐岩溶蚀图

2.2 夹层溶蚀特征

大汶口夹层岩性为硬石膏岩,断续夹泥灰岩、泥岩,XRD测试结果显示矿物成分以难溶的硬石膏、石英、黏土矿物为主(表2)。溶蚀特征实验表明夹层溶蚀以分层的形式破碎,首先硬石膏岩间夹杂的泥岩薄层首先遇水发生软化碎胀,而石膏质夹层则不易吸水膨胀,基本不发生变化,经过浸泡后最终形成层状薄片式的块状沉渣(图3)。这也表明实际地层中不溶物夹层难以形成粉末状沉渣,而主要是以碎胀、垮塌的方式形成沉渣块体,甚至是米级的垮塌岩板。这样的溶蚀特征极有可能在盐腔内形成离散的小腔,沉渣空隙储气模式可利用这些小腔显著增大盐腔空间利用率,这对提高储气能力比较有利。

表2 大汶口夹层XRD测试矿物成分表

图3 大汶口盐矿夹层溶蚀图

3 水采溶腔沉渣特征

为研究大汶口盐矿水采溶腔形成的沉渣特征,开展了溶腔模拟实验和沉渣特征测试实验。首先按照地层比例50%选取盐岩、夹层岩心充分溶解,对不溶的夹层机械破碎,模拟水采溶腔过程,并对沉渣粒径组成进行筛分分析。然后采用钢制圆柱形容器对水采沉渣进行压实作用,模拟地下堆积条件。最后注入饱和卤水测取沉渣的碎胀倍数和空隙率,通过注气排卤方式测取沉渣空隙储气利用率。

3.1 沉渣碎胀倍数

沉渣碎胀倍数是盐矿水采后形成沉渣视体积与原不溶矿物体积的比值[16]。实验中沉渣视体积通过沉渣容器体积测量,而原不溶物矿物体积通过沉渣视体积减去空隙内卤水体积计算。实验结果见图4,在压实条件下沉渣平均碎胀倍数为1.95,表明水采后的沉渣几乎可以填满溶腔。同时也表明沉渣体具有较高的空隙率,平均为47.9%,具有一定的储气潜力。随着压实作用增加,沉渣体被不断压实,块体破碎,颗粒变小,沉渣空隙率不断降低,最低为41.5%。大汶口地区夹层占比大,且主要以不膨胀的硬石膏岩为主,水采后形成的沉渣块体堆积松散,具有溶腔填充程度高,沉渣空隙率高的特征。为了进一步研究溶腔储气能力,在此基础上开展了溶腔注气排卤实验,测取了沉渣空隙储气利用率。

图4 水采沉渣碎胀倍数及空隙率图

3.2 沉渣空隙储气利用率

原始溶腔条件下,沉渣空隙内充满了卤水,注气排卤可腾出一部分空隙进行储气。沉渣空隙储气利用率是沉渣内用于储气的体积与沉渣视体积的比值,可通过测量注气排卤量计算。实验结果见图5,大汶口地区沉渣空隙储气利用率较高,不压实条件下为53.8%,压实后的平均值为40.86%,溶腔填满沉渣的条件下,几乎溶腔体积的一半可用于储气。通过计算注气排卤效率平均达84.7%,最高为92.9%,驱替效果较好。随着压实力增大,即深度增加,沉渣空隙内可用于储气体积显著降低,空隙储气利用率由53.8%快速下降到最低33.7%。但空隙的储气利用率仍然较高,沉渣空隙储气具有一定的潜力。

图5 水采沉渣空隙储气利用率及注气排卤效率图

沉渣空隙中可排出的水分为毛细水和重力水,毛细水指存在于土粒间形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管内的水,受到毛细管力的作用,重力水可以全部排出[7]。沉渣粒径筛分结果见图6。

图6 实验沉渣粒径分布图

由图6可知,实验中溶腔沉渣以夹层块体为主,细颗粒较少,粒径小于10 mm的沉渣占比仅为11.5%。沉渣空隙内的水主要是重力水,毛细水较少,所以注气排卤效率高,储气空隙利用率高。而随着压实力增加,部分沉渣块体颗粒受压破碎,细小颗粒增多,粒径小于10 mm的沉渣占比上升至26.2%,导致毛细水含量增加,注气排卤效率降低。

4 声呐检测溶腔形态特征

山东大汶口盐矿泰安矿区开采企业共10家,现阶段基本均采用水平对接井生产,对井距一般在300 m左右。以D1-D2井组为例,D1井为直井,完钻井深1 171 m,D2井为水平对接井,完钻井深1 394 m。该井组2012年投入生产,累计采卤量536.0×104m3,根据采卤量估算地下溶蚀空间达84.5×104m3。2021-04对D1井开展了声呐测腔。结果显示腔体呈芭蕉扇似的薄层状(图7a),自由体积1.78×104m3,腔体最大半径83 m(图7b)。

图7 D1井声呐检测形状

高度仅为7 m,腔底深度为1 089 m。根据完钻井深计算,腔体下部沉渣填埋高度达82 m。由于双井交替注水量基本相同,可认为D1井溶蚀空间为42.25×104m3,则溶腔填埋程度高达95.8%。而同时测腔的D3、D4和D5井均未测得明显的腔体空间。现场声呐测腔结果表明大汶口盆地盐矿采盐溶腔几乎全被沉渣掩埋。

大汶口地区的这种芭蕉扇状的溶腔形态与该地区石膏夹层厚度大难以垮塌有关[17]。根据D1井检测结果推测,一种可能是在采卤溶腔过程中部分硬石膏夹层未完全垮塌,造成溶腔被未垮塌的厚夹层隔断为多个层状小腔,形成“多层楼房式”的腔体,大量离散的小腔构成了整个储气空间。针对溶腔几乎全被沉渣填埋的情况,可钻一口新井至溶腔底部最低点与腔体连通排卤,实现溶腔沉渣空隙储气高效利用。

5 结论

通过地质资料、室内实验及声呐测腔对大汶口盆地多夹层盐矿溶腔特征进行了系统分析,得出以下结论。

1)盐层顶面深度在877.8～1 029.4 m之间,埋深适中。含矿带厚度在67.1～345.1 m之间,含矿率52%,可利用盐层厚度大。盐矿地质特征满足沉渣空隙储气模式建设大型储气库的地质条件。

2)盐岩溶蚀沉渣呈絮状粉末或松散蜂窝状,不溶物夹层溶蚀沉渣为分层的碎胀块体。通过实验推测多夹层盐矿难以形成粉末状沉渣,而是以碎胀、垮塌的方式形成的沉渣块体为主,甚至可能是米级的岩板。

3)实验表明多夹层盐矿水采沉渣碎胀倍数大,平均1.95倍,溶腔填充程度高,接近100%,常规注气排卤方式无法建库。但沉渣体空隙储气利用率较高,平均为40.86%,几乎一半溶腔空间可用于储气,沉渣空隙储气模式具有一定的潜力。

4)声呐测腔显示大汶口地区顶部溶腔为“芭蕉扇”形状,自由体积仅为1.78×104m3,溶腔具有自由体积小、腔体掩埋程度高的特征。推测整个溶腔为厚夹层隔断形成的“多层楼房式”的腔体,建议采用钻新井至溶腔底部最低点的排卤方式,从而实现大汶口盐矿沉渣空隙储气模式高效建库。