復雜巖性鹽穴儲氣庫水溶特性及造腔對策

張敏 垢艷俠 朱華銀 武志德 劉鐵虎

1. 中國石油勘探開發研究院；2. 中國石油天然氣集團有限公司油氣地下儲庫工程重點實驗室；3. 中國石油華北石油管理局有限公司江蘇儲氣庫分公司

鹽穴儲氣庫一般采用水溶方式建庫，利用鹽巖易溶于水的物理性質，人工控制鹽層的水溶過程，形成形狀安全、穩固的儲氣空間。國外鹽穴儲氣庫多是鹽丘型鹽巖建庫，造腔層段的含鹽率多大于80%，綜合氯化鈉含量大于70%［1］。我國主要為陸相鹽湖沉積鹽層建庫，地質條件復雜，夾層多，不溶物含量高，鹽巖品位低［2］，增加建庫難度。總結平頂山、淮安、安寧、楚州4 個地區巖心水溶特性，分析了造腔影響因素，以期為鹽穴儲氣庫水溶造腔模擬及施工工藝優化設計提供依據。

1 不同建庫區水溶特性

1.1 實驗方法

水溶實驗選擇20 cm 長巖心，端面切平。上溶是將巖心側面蠟封，一側端面為實驗面；側溶是將2 個端面蠟封，整個巖心側面為實驗面。將樣品置于盛水透明容器，實驗面完全浸于水中，每隔一定時間測量并記錄溶蝕進尺、質量、波美度等數據，計算得到樣品的上溶速度、側溶速度；對溶蝕后的殘渣進行粒度分析并測得殘渣的膨脹系數。組分實驗選取不同層位的巖心，研磨加工成粉狀，稱取定量樣品加水充分溶解，用濾紙將可溶物與不溶物分離，用化學方法測出不溶物含量及可溶物成分、含量。

1.2 水溶特征分析

對平頂山、淮安、安寧、楚州地區的水溶特性實驗結果進行統計分析，將殘渣膨脹率、不溶物和可溶物質量百分含量均值以及0～5 波美度區間的上溶速度、側溶速度歸納成表(表1)。4 個地區的溶蝕速度差別不大，上溶速度均大于側溶速度，殘渣膨脹率1.1～1.4，可溶鹽含量約70%，不溶物30%。

表1 水溶實驗結果統計Table 1 Statistical results of water solubility test

分析4 個地區鹽巖和泥巖氯化鈉、硫酸鈣、硫酸鈉及不溶物的質量分數并取平均值，分別得出鹽巖、泥巖組分含量表(表2～表3)。鹽巖樣品的組分均以氯化鈉為主，且含量大于80%，其他可溶物含量小于6%，不溶物含量在7%內。泥巖樣品可溶鹽也以氯化鈉為主，但硫酸鈣和硫酸鈉含量明顯高于同地區鹽巖。4 個地區實驗樣品中的氯化鉀、氯化鈣、硫酸鎂含量為0 或小于1%，未列入表中。

表2 不同地區鹽巖組分含量Table 2 Content of salt rock compositions in different areas

表3 不同地區泥巖組分含量Table 3 Content of mudstone compositions in different areas

1.3 鹽巖及泥巖組分分析

平頂山樣品中鹽巖可溶鹽含量達97.71%，且以氯化鈉為主（95.32%），鹽巖純度很高。泥巖可溶物含量低，鹽巖、泥巖區分明顯。水溶殘渣中致密不溶物占比較高且粒度偏大。淮安組分樣品中連續層段泥巖樣品較多，存在厚泥巖夾層。泥巖樣品中含有較多可溶鹽（平均40.20%），雖然氯化鈉含量最高，但硫酸鈣和硫酸鈉的含量明顯高于鹽巖。安寧樣品的溶蝕速度稍高于其他3 個地區，硫酸鹽含量在4 個地區中最高，泥巖中可溶物含量高于50%。硫酸鈣和硫酸鈉的含量略高于氯化鈉，3 種組成約各占三分之一。楚州泥巖組分樣品硫酸鹽含量稍高，其可溶物含量在4 個地區中最高。泥巖水溶速率比鹽巖稍低，水溶產生的小粒徑不溶物比例較高，殘渣多為蜂窩狀，結構松散。

2 復雜巖性造腔影響因素

2.1 造腔難題

(1)水溶造腔過程中，溶解主要在鹽巖與水溶液接觸面進行，溶解面積越大，溶解效率越高，不溶物的存在減少可溶鹽與溶液的實際接觸面積，減緩溶解造腔速度，尤其是結構致密的不溶物對溶蝕進程的阻礙更加明顯，其含量越高水溶造腔速度越小。若造腔采用單井工藝，不溶物含量較高時容易在建槽階段迅速堆積在腔體底部，限制溶腔橫向擴展，無法獲得預期腔體直徑，不溶物含量進一步提高甚至會堵塞造腔管柱，阻礙工程的有效實施。

(2)不溶物遇水膨脹體積增大，堆積在腔底浸泡于鹵水中，其孔隙被鹵水充滿，占據溶出的腔體空間。不溶物膨脹系數越高，體積增加越大，損失的腔體體積就越大，越浪費有效儲氣空間。

(3)泥巖夾層將鹽層分割，泥巖上下的鹽層隨造腔進程逐漸溶解，夾層逐步暴露并完全浸泡在鹵水中，夾層力學強度逐漸降低，直至失穩垮塌。未垮塌部分成為腔壁不規則突起，阻礙溶腔流體的對流擴散和物質交換，造成溶腔形態不規則，尤其當夾層傾角較大時，與地層傾向相同的方向幾乎不發生溶蝕，而反方向則會發生明顯偏溶，加大水溶造腔形狀控制難度。泥巖夾層還影響儲氣庫的密閉性。泥巖夾層滲透率比鹽巖高，對儲氣庫長期運行腔體圍巖的滲透性有很大影響，夾層滲透率越低，擴散能力越弱，越有利于儲氣庫的安全運行。

(4)不同鹽類礦物的水溶性不同，其水溶速率也不相同。一般溶解度大的鹽類溶解速率高，如氯化鈉、氯化鉀等；溶解度小的鹽類溶解速率低，如鈣芒硝等緩慢溶于水，石膏、硬石膏等難溶于水。可溶鹽和不溶物分布不均勻，各個層段的水溶速率不同，一般情況下上溶速度大于側溶速度。當上溶速度過快，在橫向溶蝕未達到目標直徑直接造成溶腔直徑小于設計值，反之，亦然，增加了造腔形態控制的難度。

(5)鈣芒硝(Na2SO4·CaSO4)是復鹽礦物，由硫酸鈉和硫酸鈣所組成，在陸相沉積鹽礦中分布廣泛。鈣芒硝鹽巖組成的特殊性決定了鈣芒硝的溶解有不同于其他鹽巖的特殊性質，如：鈣芒硝溶解-結晶過程中會產生對溶解不利的硫酸鈣結晶，覆蓋在礦物表面，阻止溶解的順利進行；溫度對溶解度的影響較大，溶解的溫度效應明顯；壓力以及氯化鈉濃度對鈣芒硝的溶解也有一定的影響等［3］。鈣芒硝的這些特性一方面會影響造腔的水溶速率，另一方面硫酸鈣結晶的特點會造成管道結垢堵塞［4］，這些影響會隨著鈣芒硝含量的增高而更加明顯。

2.2 各區塊造腔工程影響因素

4 個地區普遍存在的問題是鹽巖中水不溶物含量高，且含有數量和厚度不等的泥巖夾層。夾層越薄遇水越早剝落，對水溶過程影響越小；不溶物含量越低越有利于鹽穴建庫形態控制和提高施工效率。

平頂山地區泥巖中可溶物含量偏低，有些樣品可溶物含量小于5%，可溶物含量低的泥巖大多數結構致密，硬度大，水溶性差，這樣的泥巖夾層水溶后產生的孔隙少，不易脫落垮塌，即使剝落，大多數呈整塊狀掉落，體積較大，容易砸損管柱造成事故。

淮安地區泥巖夾層較厚，嚴重阻斷了夾層上下鹽層的連續性。水溶造腔過程夾層不易垮塌，造成腔體形態不規則，即使垮塌不僅容易導致井下造腔內管被砸彎、砸壞以及套管被卡等工程事故，還會占據大量溶腔體積，減小造腔的成腔率。從造腔形態控制，到腔體有效利用，及后期安全運行，厚夾層負面影響貫穿于整個儲氣庫生命周期，可謂深遠。

安寧地區樣品硫酸鹽含量較高，多以鈣芒硝形式存在。鈣芒硝不同于氯化鈉的水溶特性，增加了造腔形狀控制的難度。而管道結垢使管道縮徑，流通截面積變小，造成壓力損失，排量減小和管道堵塞；還會誘發管道局部腐蝕，導致管道頻繁漏失，甚至穿孔，造成破壞性事故。這些無疑提高水溶造腔施工的難度，增加了建庫投資成本，降低了經濟效益。

楚州地區泥巖可溶物含量高，造腔過程中一方面可溶鹽溶解后產生的孔洞被鹵水充滿，使不溶物更加充分浸泡于鹵水中，有利于縮短不溶物的剝離掉落時間；另一方面泥巖吸水后，又促進了深層可溶鹽的溶解，造成楚州水溶造腔過程中泥巖夾層剝落時間滯后不明顯，對腔體形狀的影響偏小，但泥巖夾層可溶鹽溶解后形成的孔洞破壞了夾層的致密結構，提高儲氣庫氣體滲漏可能性，給儲氣庫的安全運行帶來了隱患。水溶后產生的小粒度殘渣能夠懸浮于鹵水中，隨鹵水排出腔體，未排出腔體的不溶物沉落堆積在腔底，殘渣沉積過程中并未發生壓實，不溶物膨脹系數高，減少了有效儲氣腔體體積［5］。

3 復雜巖性造腔技術對策

鹽巖礦物的品位越高、鹽層內部夾層越少、不溶物含量越低，儲氣庫造腔越快，所形成的鹽腔體積越大，鹽腔形態越易控制，儲氣庫安全性能也越好，因此盡量選擇不溶物少、夾層小的層段建庫。

平頂山鹽泥分層明顯，且鹽巖純度高，篩選出優質厚鹽層對建庫十分有利，當夾層不可避免，且不易垮塌時，可采取增加浸泡時間，達到降低力學強度的目的，促使夾層盡快垮塌，并對垮塌的時機進行預測，預防施工管柱受損。另一方面平頂山泥巖可溶物含量少，巖性致密，孔隙度低，連通性差，封閉條件好，不利于氣體的運移，有利于儲氣庫的密封安全運行。

傳統的單井造腔工藝，需鹽層達到一定的厚度才能取得較高的經濟效益，針對淮安地區的厚泥巖夾層問題，可考慮定向對接水平井連通技術，利用薄鹽層建造水平腔，避開淮安地區厚泥巖夾層問題，既擴大建庫選址范圍，又能夠擴大鹽層利用空間，縮短建庫周期，節約建庫成本，還能避免夾層垮落破壞管柱，降低鹽層和夾層交界面處滲漏的風險。

硫酸鈣和硫酸鈉含量較高是安寧地區泥巖的一個顯著特點，對水溶造腔的影響高于其他地區。為了更好的控制水溶過程和提高工程效率，在設計造腔工藝方案時應充分考慮鈣芒硝的化學特性并采取提高鈣芒硝溶解速率的措施。對于管道結垢，可對管道壓力、排量等進行監測，確定管道是否需要除垢。硫酸鈣是化學清洗中較難清洗的垢物，可根據施工實際情況針對性添加防垢、除垢劑等工藝，做好管道的防垢和定期除垢，避免發生安全隱患。

針對楚州地區水不溶物含量高問題，一方面可考慮增大流量提高鹵水攜帶殘渣能力，提高不溶物的排出量；另一方面可考慮將殘渣中孔隙水排出，達到增大有效儲氣體積，提高儲氣庫庫容和工作氣量的目的。在夾層垮塌預測和運行壓力設計中充分考慮楚州地區泥巖可溶物較高，泥巖夾層垮塌時間早、夾層孔洞多致密性低的特點，對儲氣庫后期密閉安全運行潛在影響，應盡量做到垮塌精準控制和安全運行監測，以提高儲氣庫造腔施工和運行的安全性。

4 結論

(1) 4 個地區實驗樣品的鹽巖可溶物平均含量均能達到90%以上，含鹽量高；樣品整體可溶鹽平均含量均在70%左右，可溶物以氯化鈉為主，少量硫酸鈣和硫酸鈉，因此水溶造腔的溶解速度主要以氯化鈣溶解速度為主。

(2)對樣品可溶物組成、含量、物性進行了全面測量，對不溶物僅測量了含量。不溶物在鹽巖和泥巖中均存在且含量高，在腔體形態控制、殘渣占比空間、造成施工事故等方面不溶夾層成為影響建庫施工的主要因素，因此還應對不溶物開展進一步的細致研究以滿足鹽穴儲氣庫造腔設計和施工需求。

(3) 4 個地區實驗樣品組成各有不同，在建庫工藝設計上充分利用不同地區的水溶組分參數特點，并采取控制預測夾層垮塌、水平井造腔、抑垢除垢、提高殘渣孔隙空間利用率等措施，對提高儲氣庫的有效體積，縮短施工周期，降低經濟成本意義重大。