衡陽鹽礦區深部地下空間儲氣地質條件適宜性初評

王 瀟,阮岳軍,楊貴花,何 陽,曹創華,姚海鵬,王靈玨

(湖南省地質調查所,湖南 長沙 410114)

0 引言

鹽巖開采后形成的鹽腔可用于能源和廢物處置,是一種重要的深部地質空間資源。目前全球共有45座鹽穴儲氣庫在運行,占儲氣庫總數的11.7%,總工作氣量為161.98×108m3,占全球儲氣庫總工作氣量的4.6%,在各國的天然氣調峰中發揮了重要作用[1-7]。我國鹽巖資源豐富,但除江蘇金壇天然氣儲氣庫之外,還未有其它鹽腔資源利用的案例,原因之一是對我國其它地區鹽腔資源研究不足。湖南湘衡鹽礦是我國特大型鹽礦床之一,鹽巖開采留下的鹽腔空間具備用于能源儲存及高污染廢物的永久處置的潛力。

1 湘衡巖礦基本情況

1.1 礦區位置

衡陽鹽礦區位于衡陽盆地東北部,地域范圍為蔣家山、咸塘、茶山坳、金甲嶺一帶,包括鹽巖礦床,鈣芒硝礦床和硬石膏礦床。包含白鹿港、金甲嶺、茶山坳、蔣家山等礦段。北至白鹿港一帶湘江,南至湘江一級支流耒水一帶,西東西兩側均為湘江,平面大致呈“幾”字形,東西長近8 km,南北寬約13 km。

1.2 地層特征

(1)白露港-茶山坳鹽巖礦段位于衡陽紅盆東北部盆地氯化物沉積區(衡陽鹽礦區)。區內出露地層簡單,除第四系外,僅見古近系霞流市組茶山坳段上部淺色泥巖帶和高嶺段。地層簡述如下。

(2)全新統(Qh)和更新統(Qp):分布于礦區南部和西部,不整合于下伏地層之上。

(3)古近系霞流市組高嶺段(E2x2):與下伏地層無明顯分界,二者為連續過渡沉積關系。以紫紅色泥巖和泥質粉砂巖為主,夾薄層青灰色泥巖、泥灰巖和薄層長石石英砂巖、細砂巖。局部地段巖石結構粒度變粗,砂巖量增多或出現礫巖夾層。化石主要有哺乳類、爬行類和輪藻類等動植物化石,厚﹥150 m。

(4)茶山坳段(E2x1):為礦區含礦巖系,以咸水湖相沉積及淺色層發育為其主要特征,其與下伏車江組和上覆高嶺段均呈連續沉積之漸變關系。該段自上而下共分為E2x1-5、E2x1-4、E2x1-3、E2x1-2、E2x1-1共計5個巖性帶。

1.3 構造特征

白露港-茶山坳鹽巖礦段一帶區域褶皺不發育,僅見有短小的背斜,如茶山坳背斜,一般走向為NE—NEE向,褶皺幅度小,規模不大,形態多不完整,對礦床的影響甚微。主要是斷層發育,研究區內主要出露樟木市斷層(F2)、雞公山斷層(F3)、茶山坳耒河斷層(F4)、咸塘斷層(F5)(圖1)。其走向多呈NE向,形態以正斷層為多,常具壓扭性質,規模也較大,并有多次活動的特點,對“成鹽盆地”的形成、鹽類礦物的沉積起了控制作用,成礦期后的活動對礦層有一定的影響。

圖1 礦區區域地質簡圖

2 鹽礦分布特征分析

研究區一帶鹽礦主要分布在茶山坳段第三巖性帶(E2x1-3),中上部以鹽巖礦層為主體,夾鈣芒硝巖、鈣芒硝泥巖、硬石膏巖及泥巖,偶夾紫紅色泥巖。厚120～350 m。為鹽巖主礦層;下部以團塊狀、腸狀硬石膏泥巖為主,夾1～4 m厚鹽巖礦多層,或夾硬石膏巖及鈣芒硝巖。厚14～50 m。為鹽巖副礦層。研究區布設3條剖面線A-A’、B-B’、C-C’,結合收集鉆探等資料探索區內的水平和垂向巖礦的空間分布特征。

2.1 水平分布

根據礦區勘探報告中鉆孔揭露礦體情況,研究區一帶可分為白露港-金甲嶺鹽礦段以及茶山坳鹽礦段,水平分布受構造控制明顯。兩個礦段在海聯-金甲嶺一帶被F3斷層斷開,每個礦段水平上呈環狀分布。其中白露港-金甲嶺鹽礦段北起白露港一帶湘江邊的F2斷層,南至金甲嶺-海聯一帶的F3斷層,東西向以湘江為界,水平面積約26.03 km2;茶山坳鹽礦段北起F3斷層,南至湘江支流耒水,西起湘江邊珠暉塔,東至石塘一帶,水平面積約25.55 km2。

2.2 垂向分布

由圖2、圖3、圖4可知,垂向上礦體分布為鈣芒硝礦體、鹽巖主礦體、鹽巖副礦體。而礦山主要開采鹽巖主礦層,鹽巖副礦層和鈣芒硝礦層均未被開采利用,故本次僅對鹽巖主礦體的分布進行研究。

圖2 A-A’剖面圖

圖3 B-B’剖面圖

圖4 C-C’剖面圖

由圖2中的A-A’剖面可知,白露港-金甲嶺鹽礦段鹽礦的分布呈“凹”形,與盆地的地層分布一致,南北埋深淺,一般高程在-200～-400 m左右,而中部白露港一帶埋深最深,高程區間-900～-1 220 m左右。鹽礦帶垂向厚度中間厚,向南北兩側逐步殲滅,平均垂向厚度300 m左右。而茶山坳鹽礦段由于南北向較短,受構造及地層控制,未呈“凹”形,而是中間厚,南北兩側相對薄的脈狀分布,整體高程分布-200～-450 m左右,平均厚度300 m左右。

圖3的B-B’剖面控制研究區的東部,鹽礦的垂向分布特征基本與A-A’剖面展示一致,說明了兩個鹽礦段在東西向的分布較為穩定,受地層影響,鹽礦的走向與地層走向基本一致。

圖4的C-C’剖面展示,C-C’剖面為近東西向,鹽礦在垂線上近長條狀,分布高程-100～-600 m不等,厚度130～350 m,東西向整體分布較為均勻,與前文結論相吻合。

3 鹽礦主礦層特征

鹽巖礦層分主礦層和副礦層。目前僅開采利用鹽巖主礦層,鹽巖副礦層和鈣芒硝礦層均未被開采利用。鹽巖、鈣芒硝礦體呈層狀、似層狀或透鏡狀,形態簡單,其產狀與地層產狀一致,傾向北西、傾角5°～7°。鹽巖主礦層總厚51～355 m,一般厚220 m左右,其中單礦層厚20～40 m,累計厚度33～296 m,平均厚為187.52 m。夾石累計厚3～44 m,一般5～10層,單層厚2～5 m;含礦率為65%～95%,一般為80%左右。平均品位NaCl含量46.11%,Na2SO4含量12.33%。礦層埋深212～399 m,東西控制長3 000 m,南北控制寬900～1 800 m,走向和傾向上均延伸出礦段。

4 礦區工程地質條件及開采后的變化

4.1 鹽巖的開采方法

湘衡鹽礦的開采方法為鉆井水溶法,現為雙(多)井定向連通采鹵方式,已淘汰單井對流采鹵方式。于相距的兩處或多處施工采鹵井,以現代先進的鉆探造斜技術,按預設計軌跡于巖礦層中鉆進,到達采礦目的層會合,兩軌或多軌相會連通。生產操作可從A井注入清水,清水沿造斜通道溶解巖鹽和鈣芒硝,從B井或C井排出鹵水;也可從B井或C井注入清水,向A、C井或A、B井排出鹵水。造斜通道打通后,通道內殘渣、夾石下落,溶腔通道隨采鹵時間推移而不斷上蝕,始終形成新的溶腔通道。雙(多)井定向連通采鹵法,具有礦產利用率提高,鹵水濃度高,產量高,采鹵成本低和不需維修采鹵井等方面優點。

4.2 礦層頂板蓋層及夾層巖石的穩固性

4.2.1 巖性特征

(1)蓋層:近地表為紫紅色泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖、薄層灰色泥巖,因風化原因,垂直裂隙發育,巖石較破碎。中部以青灰色泥巖、泥灰巖、泥質粉砂巖為主,夾灰色細砂巖、紫紅色泥巖、粉砂巖,裂隙不發育。下部為青灰色泥灰巖、紫紅色泥巖和棕紅色鈣質泥巖,巖石結構致密,鈣質泥巖有溶蝕現象。中部和下部巖石,物理力學試驗在干燥狀態下,極限抗壓強度值較高;但在飽和狀態下,極限抗壓強度值低。

(2)礦層頂板:礦層頂板為青灰色泥巖與硫酸鹽巖石組成,穩固性較好,不透水。但該層與礦層過渡帶為深灰色含巖鹽泥巖,溶蝕現象明顯,局部已形成溶洞,穩固性能較差。

(3)夾層:主礦層礦石本身并非全為巖鹽,常含粘土,夾薄層含鹽泥巖,礦層內夾層多為硬石膏泥巖、鈣芒硝泥巖或泥巖,厚為幾十公分到數米不等。

4.2.2 巖性特征

收集了蓋層各類代表巖石的物理力學性質測試結果[8](表1和表2)。

表1 巖石物理性質綜合成果表

表2 巖石力學試驗成果表

4.2.3 巖石的穩固性

鹽巖蓋層巖石的封閉性和穩固性是鹽穴儲氣庫建庫可行性的重要論證指標,是確保鹽穴儲氣庫穩定和安全的基礎[9],對巖鹽夾層和礦層直接頂板未取物理性能測定樣,參照蓋層巖石測試結果。根據表1、表2的測試結果,結合巖石抗壓強度分級表,可見頂板過渡帶層屬極不堅實巖石。夾層為含硬石膏泥巖、含鈣芒硝泥巖、含巖鹽鈣芒硝泥巖和泥巖,其主要成分為粘土礦物含部分可溶鹽類礦物,易崩塌軟化,屬不堅實巖石,此類巖石于水采過程中隨著溶腔的擴大、巖鹽采空、加以水體動能作用失去穩固性平衡而塌落,壓覆下伏巖鹽礦層,是影響礦產回采率和井內事故的根源;礦層頂板為硫酸鹽巖石夾泥巖,微密無裂隙,不透水,為頂板隔水層,巖石穩固性相對較好。蓋層巖石的極限抗壓強度值于干燥狀態下較高,于飽和狀態下則低,說明巖石受水影響易于軟化。

5 儲氣地質條件初評

5.1 評價原則

綜合國內鹽穴儲氣庫成功經驗,普遍認為有利的建庫區應具備以下6項基本要素[10-11]。(1)構造形態簡單,斷層少,斷距小,對建庫無影響;(2)鹽層厚度大,分布穩定,含鹽量高,夾層厚度小;(3)鹽層的頂、底板分布穩定,厚度較大,抗壓強度大,無裂縫,封閉性和穩定性好;(4)鹽層埋深800～1 200 m,適宜建庫要求;(5)建庫區塊避開村鎮、河流,但離水源要近;(6)儲氣規模要滿足市場正常調峰氣量及應急氣量的需求。

5.2 分段評價

擬在白露港-金甲嶺鹽礦段以及茶山坳鹽礦段一帶對兩者儲氣的地質條件適宜性進行初步評價,綜合前文的論述,分析如下。

(1)白露港-金甲嶺鹽礦段:區內構造簡單,地層產狀平緩,褶皺不發育,斷層不發育,僅東南面邊界有F3斷層發育,對礦層影響小;礦層厚度在300 m左右,分布均勻穩定;礦體直接頂板為鈣芒硝礦體,厚度在3.26～9.03 m之間,間接頂板為泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖等,厚度大多800 m以上,巖石整體微密無裂隙,不透水,巖石穩固性相對較好,密封性好;礦層埋深南北淺,中部滲,高程在-900～-1 220 m,埋深在950～1 300 m左右,保證儲氣能力;區內水源充足,保證造腔用水等條件;區內人居較分散,無重大工程等設施。

(2)茶山坳鹽礦段:區內構造簡單,地層產狀平緩,褶皺發育,斷層不發育,北部為F3斷層,南部為F4斷層,但對礦層影響小;礦層厚度在300 m左右,分布均勻穩定;礦體直接頂板為鈣芒硝礦體,厚度在3.26～9.03 m之間,間接頂板為泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖等,厚度大多400 m以上,巖石整體微密無裂隙,不透水,巖石穩固性相對較好、密封性;礦層分布高程在-200～-450 m,埋深在250～500 m左右;區內水源充足,保證造腔用水等條件;區內有茶山坳鎮、鐵路、高速等,人口相對密集。

6 結語

綜合以上兩個礦段的地質條件適宜性評價,認為白露港-金甲嶺鹽礦段較茶山坳鹽礦段礦體埋深及保存條件更好,可作為地下儲氣庫建設首選場地,但需要進一步探查明該區鹽巖礦體的基本情況。