山東巖鹽溶腔儲氣造腔技術研究展望

富隋小慶 張勇 康延鵬 蔣超華 徐秀鳳

摘要： 山東省巖鹽資源豐富，巖鹽開采形成的溶腔空間巨大，因巖鹽地層具有較好的密封性等特點，溶腔可以用來儲氣縮能。國內巖鹽溶腔儲氣研究始于2000年前后，而山東省巖鹽溶腔儲氣研究尚處于起步階段。該文在碳中和戰略背景下，總結了國內層狀鹽層溶腔建庫存在的問題，提出山東省巖鹽溶腔建設儲庫所面臨的難題和研究的方向，對山東省內巖鹽儲氣庫規模化建設與評價具有重要意義。

關鍵詞： 巖鹽；溶腔；儲氣庫；造腔技術

中圖分類號： TE822.01 ????文獻標識碼： A ???doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.02.008

引文格式： 富隋小慶，張勇，康延鵬，等.山東巖鹽溶腔儲氣造腔技術研究展望［J］.山東國土資源，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

巖鹽地層具有密封性好、低滲透率、良好的流變性能及自愈性等優良特性，因此地下巖鹽溶解后形成的腔體空間具有廣泛的用途，在調峰能力和規模等方面的優勢明顯［1］，巖鹽溶腔儲氣庫技術可與天然氣［2］、壓縮空氣能［3］、二氧化碳、氫氣、氦氣、核廢料等物質儲存深度融合［4］，最大限度地發揮地下儲氣庫在能源領域的作用，確保碳中和戰略目標的實現。

我國巖鹽礦區以湖相沉積為主，國內巖鹽溶腔儲氣研究始于2000年［5］，國內首個完全建成運行鹽穴儲氣庫目前僅有江蘇金壇鹽穴儲氣庫，經20余年的研究與建設初步形成了一套評價體系和建庫關鍵技術［6］。尤其鹽穴儲氣庫具有注采氣量大、注采變換靈活、地面施工簡單、庫容利用率高等特點［7］，體現了鹽穴儲氣庫產業良好前景。但各地巖鹽礦區的礦層埋深、厚度、夾層情況不盡相同，導致已有溶腔儲氣評價體系適用程度不高，目前各地區建造評價 工作仍采用專家論證的方式實施。

山東省巖鹽資源較豐富，分布于大汶口盆地、單縣黃岡盆地、東明盆地、東營盆地，巖鹽資源開采以大汶口為主，有關溶腔儲氣研究和開發利用均處于起步階段，本次通過對國內以往不同巖鹽礦區建設儲氣庫適宜條件和研究難點進行歸類總結，指出山東省巖鹽溶腔儲氣庫存在的地質條件問題及解決思路，為日后全省開展規模化儲氣庫建設和巖鹽資源綜合利用提供參考。

1 巖鹽溶腔儲氣庫選址基本要求

通常情況下，建設地下鹽穴儲氣庫適宜性評價［8 9］需要綜合考慮巖鹽礦區域構造、礦層特征、頂板特征等（表1）。

1.1 區域構造

密封性是儲氣庫的重要特征，直接影響其運行安全和儲氣能力，為杜絕氣體的泄漏，巖鹽盆地內必須無區域性斷層。

1.2 礦體特征

主要指礦體埋深、厚度、礦體品位、礦體夾層情況。鹽層埋藏深度會導致溶腔所受到的圍壓提高，腔體邊緣容易發生顯著蠕變而導致腔體失穩，而鹽層埋深太淺，會導致腔體空間的突破壓力值變小，直接降低了儲氣庫的運行壓力、有效庫容和經濟效益，目前認為鹽層埋藏深度800～1200m為宜。礦體厚度越大、品位越高、夾層越少，地下溶腔的空間利用率就越高、經濟效益越明顯、施工技術難度也越小，也是經濟性最直接的影響因素，通常情況下要求含鹽地層總厚度大于100m、含鹽率大于70%、NaCl綜合含量大于60%。

1.3 頂板特征

鹽穴儲氣庫建設在地下，鹽穴空間的穩定性和密閉性是必須考慮的，通常情況下，需要預留厚度大于30m的含鹽地層作為頂板，一般選擇滲透率低、堅硬巖類、裂隙不發育的含鹽地層作為頂板，這樣儲氣庫的穩定性和密封性才有保障，反之易引發項目報廢。

2 山東巖鹽地質條件特征

山東省巖鹽礦資源豐富，分布于大汶口凹陷、黃崗潛凹陷、東明潛凹陷和東營潛凹陷（圖1）。大汶口凹陷［10 11］及黃岡潛凹陷［12］的巖鹽礦層埋深適中，NaCl品位較高，蓋層較穩定且隔水性也較好，但均面臨夾層占比或厚度過高的問題［13］；而東明潛凹陷［14］和東營潛凹陷［15］的巖鹽礦雖然品位高、礦體厚度大，夾層比例低，但埋深過大則面臨地層壓力較高、巖鹽蠕變等問題。各巖鹽礦區基本特征情況如下。

（1）大汶口凹陷巖鹽礦。

巖鹽礦層32層，頂板埋深750～1100m、底板埋深910～1640m，單孔見礦累計厚度28.48～165.54m，單層厚度0.63～16.53m，一般厚度3～8m，礦層NaCl平均品位80%～94%；礦體賦存于古近紀官莊群大汶口組中段，礦層頂板巖性為白云質灰巖夾薄層硬石膏巖，礦層底板巖性為含泥質白云質硬石膏巖、泥灰巖；礦層夾層主要為硬石膏巖，部分地段泥灰巖、含硬石膏泥灰巖、白云巖等。

（2）黃岡潛凹陷巖鹽礦。

巖鹽礦層31層，埋深1079.75～1730.86m，單礦層平均厚度0.25～24.64m，單層最厚53.96m，累計平均厚度175.45m，NaCl平均品位44.11%～96.08%；礦體賦存與古近紀官莊群大汶口組中段，礦層頂底板圍巖多為泥巖、膏質泥巖及泥質硬石膏巖；夾石巖性與圍巖巖性基本一致，多為泥巖、膏質泥巖、含泥質硬石膏巖，含少量石鹽顆粒，充填于泥巖裂隙中。

（3）東明潛凹陷巖鹽礦。

以夏莊巖鹽礦床為例，巖鹽礦層6層，埋深約2850～3130m，單礦層厚度6.30～31.93m，NaCl平均品位81.19%～93.08%；礦體賦存于古近紀濟陽群沙河街組一段，礦層頂底板圍巖為深灰色泥巖、泥質粉砂巖為主；不含或偶含夾石1～5層，夾石巖性以深灰色泥巖、粉砂質泥巖為主。

（4）東營潛凹陷巖鹽礦。

巖鹽礦層3～18層，埋深2400～3450m，單層厚度一般8～30m，最厚43m，巖鹽礦平均累計厚度170m，NaCl平均品位94.82%。礦體賦存于古近紀濟陽群沙河街組四段，頂板巖性以灰、灰褐色泥巖為主，夾碳酸巖鹽及油頁巖；底板巖性主要為紅色砂、泥巖互層夾含礫砂巖、粉砂巖、碳酸巖鹽及石膏等；中部夾藍灰色泥巖及灰白色石膏層。

3 山東溶腔儲氣庫建設存在的問題

3.1 鹽礦開采方法

目前，巖鹽開采企業目標為采出巖鹽，沒有利用地下溶腔建設儲氣庫的計劃，因此基本忽略了地下腔體空間形態的要求，這種單一的巖鹽礦開發利用模式非常不利于巖鹽地下采空區的綜合利用，造成了老腔后期改造難度的增加，隨著巖鹽溶腔儲氣庫產業鏈的發展，這種單純的采礦產業發展模式將很快得到改善。

3.2 已有巖鹽溶腔特征

省內巖鹽資源開采以大汶口巖鹽礦區為主，多年的累積開采形成了大量的溶腔空間，如果將已有的溶腔空間改造為儲氣庫，將極大地縮短儲氣庫建設工期，提高地下資源利用率。巖鹽礦山大多采用水平對接井開采，所形成的溶腔分為廢棄的采鹵老腔和在產的采鹵老腔，本次以大汶口巖鹽礦區主要的已有溶腔為例，簡述其空間特征。

3.2.1 廢棄水平對接井

以大汶口巖鹽礦區廢棄的水平對接井組東采8井、9井為例，該井組2002年開始開采，目標開采鹽層為第7層、8層，根據2021年聲吶測腔數據結果［16］，實際已經開采到第15層，同時數據顯示沉渣面也在第15層附近，說明大部分空間已經被沉渣所占據。參考金壇鹽穴儲氣庫建庫經驗，取沉渣膨脹碎脹系數為1.9，東采8井第7～15層之間夾層比例為47.29%，則溶腔空間被沉渣充填比例90%，即約90%的空間都被沉渣充填。

3.2.2 在產水平對接井

以礦區內在產的水平對接井組采11井、12井為例，該井組2005年11月完工并開始生產，主采層為第7層鹽，埋深835～842m，鉛直厚度7m；2014年12月因出黑鹵而停產。2017年10月在距離采11井20m、8m處施工2眼探查孔，顯示對應開采深度范圍內無溶腔，巖心采取率90%以上，頂板巖石未發生坍塌破碎，第7層鹽的頂底板相接，說明該處第7層鹽被溶蝕后形成的空間被其頂底板巖石蠕變至全部充填［17］。

參考江蘇淮安對接連通老腔改造利用工程試驗分析［18］，巖鹽開采過程中溶蝕主要發生在采鹵井周圍40～50m范圍（圖2），水平連接通道幾乎無法被溶蝕，在后續的開采過程中也一直如此，而兩口采鹵井周圍腔體空間被不溶物沉渣充填導致腔體消失，聲吶檢測結果也只是檢測出部分腔體，該結果與大汶口老腔空間特征探測結果近似，證明鹽礦企業最初設想通過水平對接井連通實現自下而上分層開采、最大程度利用礦區巖鹽資源的目標無法實現。

上述兩組對井的間距3.7km，彼此之間無影響，一組廢棄另一組在產，但地下腔體空間特征基本一致，可以大致推測巖鹽礦區的廢棄老腔或在產腔體空間特征也具有相似的特征。雖然沉渣充填率較高，但巨大的溶蝕體積使得沉渣空隙空間在儲氣庫運行壓力下依然具有較高的有效庫容。

4 溶腔儲氣庫建造研究展望

4.1 廢棄采井老腔地下空間利用

4.1.1 單井單腔改造

單井對流法采礦起步于1960年前后，自下而上逐層開采，是區內早期巖鹽開采主要方式，也是國內老腔改建儲氣庫成功的主要類型。

單井單腔改造［19］工作伴隨著江蘇金壇儲氣庫的建設開始，對1988—2005年期間積累的大量老腔，在全面調研的基礎上，制定了一套較為完整的老腔篩選評價利用流程，首先老腔附近無斷層，根據采鹽量估算溶腔體積超過20萬m3的前提下，要求與周邊腔體無串通，滿足安全礦柱的要求，具備一定厚度的巖鹽頂板，再開展密閉性和穩定性評價，對井筒進行全井段套銑技術改造，可以極大地縮短工期，2～5年內就可建成規模化儲氣庫。

單井單腔改造技術能否直接應用到山東省巖鹽礦區，還有待進一步驗證。

4.1.2 廢棄的對井連通老腔改造

廢棄的對井連通老腔改建鹽穴儲氣庫，是現階段國內老腔改造研究的重點，但目前國內對接井改造完成并投產運行的成功案例較少。

水平對接井連通法采鹵起步于1990年之后，由于高效安全、生產事故少、可控性高等優點，發展迅速，逐步替代單井法而成為國內各巖鹽礦區最主要的采礦方法。這種方法大幅提高了產能，對井連通溶腔評價與單井單腔的評價方法相似，經研究［20］，一組水平對接井連通井采鹵產能是一對直井產能的2～4倍，經濟效益更加明顯，水平對接井組的生產井后期改造費用也比較低，理論上也方便后續聲吶探測儀器的投放［21］，可以更好地檢測腔體空間特征。

山東省肥城壓縮空氣儲能電站I期工程廢棄鹽穴溶腔利用取得成功，尚未形成廢棄對井連通老腔系統完整的評價和改造體系，但對后期對接井連通老腔改建儲氣庫項目的建設依然具有很好的借鑒意義。

4.2 在產或新鉆對接井造腔

在產的對井連通溶腔改建儲氣庫［22］，與新鉆對接井造腔建庫在技術上是相近的，是高效建造儲氣庫溶腔的研究重點，現處于理論研究階段。

4.2.1 企業運行模式

國內在產的對井連通溶腔，主要任務是開采巖鹽，設計剩余服務年限較長，以大汶口巖鹽礦區為例，單組對井生年產規模15萬t以上，理論上每年至少可形成5.77萬m3溶腔空間，可形成單組對井約60萬m3的庫容。目前巖鹽開采企業與儲氣庫企業合作已成為業內共識，目標都是合理開發利用地下資源，巖鹽開采企業旨在采出巖鹽礦物舍棄溶腔空間，儲氣庫企業旨在利用溶腔空間而舍棄巖鹽礦物，然而巖鹽開采企業與儲氣庫企業所采取的溶蝕技術手段不同，如何使兩種技術路線高效結合，是目前亟需解決的問題。

儲氣庫企業造腔首選單井造腔，技術手段相對成熟，但巖鹽資源開發利用率較低，如果結合目前巖鹽礦山采用的水平對接井連通采礦法進行儲氣庫造腔，則有望提高巖鹽資源的開發利用率，同時滿足巖鹽開采企業和儲氣庫企業要求，實現互利共贏，經濟效益顯著提高。

4.2.2 水平對接井采礦法分階段造腔研究

該方法尚處于理論研究階段［23］，國內無生產應用案例。

該方法是在目前巖鹽礦山普遍采用的水平對接井連通鉆井水溶法的基礎上實施作業，可以較大程度的采出地下巖鹽資源的同時，也可以盡可能的形成儲氣空間。在水平對接井開采作業的基礎上，于生產井內加入可移動位置和控制方向的注水管柱，采用無墊層方式溶解鹽層，待鹽層溶解到預期形態后再將水平井內的注水口后退移動一定距離，結合聲吶探測，掌握地下溶腔的形態特征，及時調整注水壓力和溶解方向，將造腔作業分階段實施（圖3），最終形成類似隧道形態的腔體［24］，提高鹽礦資源回采率的同時，也滿足了儲氣庫腔體的空間形態要求，最終促進地下空間綜合利用。

5 結論

（1）山東省巖鹽礦區顯著特點是夾層既厚又多，鹽穴溶腔儲氣庫宏觀評價總體適宜，但要解決夾層占比過大的問題。

（2）大汶口礦區內廢棄的對井連通溶腔和在產的對井連通溶腔，空間特征近似相同，水平段溶腔不明顯，溶腔機理研究較缺乏，應在后期研究中逐步完善。

（3）巖鹽開采企業與儲氣庫企業合作雖然已經達成共識，但造腔的技術手段不盡相同，需要兩者協調開展造腔作業，在已有的水平對接井連通采礦法的基礎上研究分階段造腔方案，形成水平井分階段造腔技術，是當前亟需解決的問題。

（4）山東省巖鹽礦區礦層夾層占比過高，為了達到區域有效庫容，應開展多種方式礦層空間整體開發利用技術研究，隨著巖鹽溶腔儲氣技術的發展，單井多腔、對井多腔、連通腔群建庫等技術研究將成為重點攻關方向。

參考文獻：

［1］ ?劉建勛，劉巖.中國地下儲氣庫建設的發展現狀及展望［J］.應用化工，2022（51）4：238 242.

［2］ ?李建君.中國地下儲氣庫發展現狀及展望［J］.油氣儲運，2022，41（7）：780 786.

［3］ ?張博，吳宇航，陳開研，等.鹽穴儲氣庫在新型電力系統的發展機遇［J］.油氣儲運，2022，41（9）：122 126.

［4］ ?丁國生，丁一宸，李洋，等.碳中和戰略下的中國地下儲氣庫發展前景［J］.油氣儲運，2022，41（1）：1 9.

［5］ ?定國生，李春，王皆明，等.中國地下儲氣庫現狀及技術發展方向［J］.天然氣工業，2015，35（11）：107 112.

［6］ ?丁國生.金壇鹽穴地下儲氣庫建庫關鍵技術綜述［J］.天然氣工業，2007，27（3）：111 113.

［7］ ?馬華興.國內鹽穴儲氣庫發展現狀初探［J］.中國井鹽礦，2021，52（6）：12 15.

［8］ ?井文君，楊春和，李銀平，等.基于層次分析法的鹽穴儲氣庫選址評價方法研究［J］.巖土力學，2012，33（9）：2683 2690.

［9］ ?鄭雅麗，完顏琪琪，邱小松，等.鹽穴地下儲氣庫選址與評價新技術［J］.天然氣工業，2019，39（6）：123 130.

［10］ ?羅國文，張進忠.大汶口盆地楊家坡礦段巖鹽礦地質特征及巖相新認識［J］.山東國土資源，2020，36（2）：30 35.

［11］ ?宋紹偉.泰安市大汶口盆地巖鹽礦開采及安全性研究［J］.化工礦產地質，2010，32（3）：177 182.

［12］ ?唐璐璐，張尚坤，于學峰，等.魯西南黃岡潛凹陷巖鹽礦地質特征及找礦遠景［J］.山東國土資源，2021，37（6）：1 10.

［13］ ?垢艷俠，完顏琪琪，羅天寶，等.層狀鹽巖建庫技術難點與對策［J］.鹽科學與化工，2017，46（11）：1 5.

［14］ ?唐璐璐，羅文強，閆誠，等.山東省鄄城縣夏莊巖鹽礦床沉積特征及物源分析［J］.西部探礦，2017，29（10）：120 122.

［15］ ?孫廣文，劉豐武，彭文泉，等.東營凹陷巖鹽成礦條件淺析［J］.山東國土資源，2009，25（3）：27 30.

［16］ ?馬洪玲，梁孝鵬，趙凱，等.山東泰安鹽穴儲氣庫地質可行性分析［J］.隧道與地下工程災害防治，2022，4（2）：19 27.

［17］ ?王少華，楊樹杰，孔德金，等.山東大汶口盆地采鹽溶腔的不穩定性及變化特征［J］.化工礦產地質，2021，43（2）：157 164.

［18］ ?巴金紅，康延鵬，姜海濤，等.國內鹽穴儲氣庫老腔利用現狀及展望［J］.石油化工應用，2020，39（7）：1 5.

［19］ ?鄭雅麗，完顏琪琪，垢艷俠，等.鹽礦地下空間利用技術［J］.地下空間與工程學報，2019，15（2）：534 540.

［20］ ?李君福.井礦鹽開采中采鹵對接井鉆井技術的應用研究［J］.資源信息與工程，2017，32（3）：90 91.

［21］ ?鄒建龍，徐鵬，趙寶輝，等.微交聯AMPS共聚物油井水泥防氣竄擠的室內研究［J］.鉆井液與完井液，2014，31（3）：61 64.

［22］ ?完顏琪琪，安國印，李康，等.鹽穴儲氣庫技術現狀及發展方向［J］.石油鉆采工藝，2020，42（4）：444 448.

［23］ ?何俊，趙巖，井崗，等.鹽穴儲氣庫造腔巨厚隔層處理的新思路［J］.油氣儲運，2019，38（6）：649 653.

［24］ ?楊春和，何濤，王同濤.層狀巖鹽地層油氣儲庫建造技術研究進展［J］.油氣儲運，2022，41（6）：1 18.

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